工業化循環水養殖系統的新能源應用

趙仕琦 凌長明

摘 要：現有陸基工業化循環水養殖市場體量大、產量高，存在能耗高、污染環境等問題，以及新能源利用效率低，應用于循環水養殖范圍少等問題，因此本項目提出應用新能源滿足和匹配陸基養殖基地用能需求，建成具有地方海岸特色的新能源應用保障示范基地，研究方案擬設計太陽能熱電系統集熱及發電，利用潮汐能提供高壓水頭，又可直接發電及海水淡化，還可以做測試研究的示范平臺。

關鍵詞：潮汐能；海水淡化；太陽能；新能源；循環水養殖

中圖分類號：X714 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2019）21-0169-02

Abstract： The existing land-based industrial circulating water culture market has the advantages of large volume， high output， high energy consumption， environmental pollution and so on. At the same time， the utilization efficiency of new energy is low and the scope of circulating water culture is less. Therefore， this project proposes to use new energy to meet and match the energy needs of land-based breeding bases， to build a demonstration base for new energy application and support with local coastal characteristics， and to design solar thermoelectric systems for heat collection and power generation. The use of tidal energy can provide high-pressure water head， can direct power generation and desalination， and can be used as a demonstration platform for testing and research.

Keywords： tidal energy； seawater desalination； solar energy； new energy； circulating water culture

引言

我國是全球最大的海水養殖國，2018年，全國水產養殖總產量超過5000萬噸，我國成為世界上唯一養殖水產品總量超過捕撈總量的主要漁業國家。陸基工廠化循環水養殖具有資源節約、環境友好和產品安全等特點，是世界水產養殖業的重要發展方向之一，也是實現水產養殖與環境和諧發展的重要途徑。現有文獻研究表明工廠化循環水養殖，單產量24462225kg/hm2時，耗電量93913695kWh/hm2，單位產量電耗為5.07kWh/kg。研究表明，我國水產養殖業的能耗強度為0.24萬噸標煤/萬元產值，是農業平均值的1.26倍。我國水產養殖二氧化碳排放量高。

現有工業化循環水養殖市場體量大、產量高，存在能耗高、污染環境等問題，因此發展可再生能源解決其能耗是非常重要的，同時因為現有新能源利用效率低，應用于循環水養殖范圍少等問題，因此開展本項目新能源系統應用研究與示范。

1 潮汐能與太陽能應用于循環水養殖的國內外發展現狀

目前海洋能應用于循環水養殖研究較少，研究熱點主要集中在潮汐能發電。國外關于潮汐能發電的研究持續時間長、涉及領域廣泛，技術相對成熟，總體而言，英國和美國的潮汐能研究則更為成熟，相關文獻數量龐大。我國關于潮汐能發電的研究主要集中在福建省、浙江省、江蘇省、上海市、山東省一些東部沿海省份，基本上在對潮汐能的技術開發、發展前景、資源利用等方面，而對沿海地區應用于循環水養殖的潮汐能的研究較少，國內未見有應用型示范基地的報導。

直驅式潮汐能反滲透海水淡化技術是近年發展起來的一種海洋能海水淡化技術。相比于間驅式潮汐能反滲透海水淡化系統，直驅式潮汐能反滲透海水淡化系統可減少潮汐能先發電再用電能驅動反滲透海水淡化裝置的兩次能量轉換損失，具有能效高和成本低等優勢。目前，關于直驅式潮汐能反滲透海水淡化技術的研究主要來源于廣東海洋大學凌長明教授課題組。課題組研究團隊在海洋能海水淡化方面已經進行了近十年的研究，先后進行了潮汐能聚能增壓方案的熱力學性能分析、潮汐能直接驅動海水淡化方法的優勢分析，以及直驅式潮汐能反滲透海水淡化系統性能計算模型及分析等研究。關于直驅式潮汐能反滲透海水淡化系統的性能研究有待進一步開展。

太陽能利用技術主要有太陽能熱利用技術、太陽能發電和太陽能光化學轉換等，太陽能熱發電技術在美國、澳大利亞、德國等國家已經比較成熟，并得到了實際應用。國內相關研究起步較晚。對于太陽能光發電技術，目前的研究主要集中在太陽能電池板的材料方面。中科院電工所對太陽能發電整體系統進行了研究和設計，并建立了1MW的塔式太陽能發電項目。南開大學光電子薄膜與器件研究所在薄膜電池技術方面，四川大學在碲化鎘電池方面已經取得了卓越的成果。

2 工業化循環水養殖系統的新能源應用方案

本文的方案旨在應用新能源（潮汐能和太陽能）滿足和匹配陸基養殖基地用能需求，建成具有地方海岸特色的新能源應用保障示范基地，包括高、低位水池和延伸到海中間的引水管等基礎設施，如圖1。研究可以為陸基工業化循環水養殖基地提供能源動力支撐的新能源技術及其示范。

研究方案擬設計太陽能熱電系統集熱及發電，利用潮汐能提供高壓水頭，又可直接發電及海水淡化，還可以做測試研究的示范平臺，如圖2所示。

陸基工業化循環水養殖常需要水溫調節，需要大量的熱能，因此采用太陽能集熱與供熱技術。太陽能集熱裝置冬季收集熱量加熱池水，多余熱量儲在蓄熱水箱（相變材料保溫）。夏天采用太陽能光伏板發電（供循環水泵和增氧機等），多余電量儲在蓄能系統。

潮汐能利用高低位水池，低位水池模擬海水，高位池模擬海灣潮汐能水壩。漲潮時水池蓄水，退潮時池水位有較高水頭，利用池水位差發電。水輪機發電同時驅動增壓器，產生高壓水頭海水，為養殖循環水提供循環動力，并利用高壓水頭進行海水淡化。同時優化和整合太陽能和潮汐能運行方案，實現新能源間互補運行，用富余電量，抽水至潮汐能高位蓄水池蓄能等技術，進行季節性產能調節和晝夜錯峰負荷運行，實現新能源間互補運行。

工廠化循環水養殖采用傳統能源系統存在很大的改進與提升空間。本文在研究了潮汐能與太陽能的國內外發展現狀，提出了陸基工業化循環水養殖基地采用新能源技術的方案，減少能量轉換過程，提高可再生能源的利用效率。

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