基于波浪能技術為海島供電的方案研究

吳 清 邢 濤 張小店 方連航 洪同慶

（1、海南電網有限責任公司創新管理部，海南 海口570100 2、海南電網有限責任公司三沙供電局安全生產部，海南 海口570100）

我國是海洋大國，擁有300 多萬平方公里的海疆,星羅棋布的島礁達上萬個。其中,面積大于500 平方米的島嶼有6500 多個,有常駐居民的島嶼有450 多個。海島是開拓發展空間、壯大海洋經濟的重要依托，是保護海洋環境、維護生態平衡的重要平臺，是捍衛國家權益、保障國防安全的戰略前沿[1]。由于海島遠離陸地，為保證海島正常的生產生活，為海島提供能源與淡水是極其重要的。隨著海島開發的逐步深入，用電需求量逐漸增加。而目前，海島依然采用傳統的化石能源，發電量遠不能滿足用電需求。因此，能源結構改善需求迫切。島礁周圍擁有豐富的可再生能源，有效利用海島清潔能源，將其轉化為電力、儲能、淡水、交通動力等復合資源，建立可獨立平穩運行的遠洋海島群綜合能量供給系統，對保障海島能源供應，促進海島經濟發展，推進國家遠洋海島海洋戰略的實施，具有重要的意義[2]。

本文以典型遠海島礁為例，概括了海島能源供給現狀，分析了采用海洋可再生能源為海島供電的優勢及波浪能為海島供電的發展現狀，從技術和經濟兩個方面對波浪能為海島供電方案開展了評估，探討了波浪能為海島供電的可行性，為波浪能技術在遠海島礁的應用提供參考。

1 海島能源供給現狀

我國共有海島11,000 余個，截至2017 年底，全國實現電力供應海島僅801 個，其中24 小時供電的716 個。隨著我國海洋強國建設的逐步深入，遠海島嶼能量供給困難的問題必會解決。

目前，主要采取架設海底電纜，或依靠柴油發電機、燃氣輪機等常規化石燃料機組等方式解決海島供電問題。由于海底地形復雜，海島與大陸架之間距離較遠，鋪設海底電纜工程量大、周期長、費用高；此外，海底電纜由于常受海流和內波的影響，經常出現移動的現象，維護工程難度極大。利用柴油供電雖然具有設備成熟和易于安裝維護等優點，但也存在燃料運輸困難、發電成本高、噪音污染大等缺點，同時柴油機排放的溫室氣體會破壞脆弱的海島生態環境，給海島帶來嚴重的污染問題。

2 可再生能源為海島供電優勢

海島具有得天獨厚的風能、太陽能、海洋能資源，隨著可再生能源發電技術的日趨成熟，實現以可再生能源發電為主的海島群能量供給系統在技術上是完全可行的。由于可再生能源本身是不計成本的，只需要考慮可再生能源轉換設備的投資成本，在經濟性方面也具有獨到的優勢。在海島供電系統的電源方面，Senjyu T 提出了由風電、光伏發電、儲能和柴油發電綜合的海島電網[3]；Katsaprakakis D A 設計了一種以風能和太陽能為主要能源，以柴油發電為后備能源的海島能源供應模式，并從技術和經濟相結合的角度分析了包括光伏發電和柴油發電的海島供電方案[4]；Georgilakis P S 提出了100%可再生能源為海島供電的可靠性分析[5]；葛福余探討了海島太陽能利用的方式，分析了海島光伏利用存在的問題[6]。

近年來，許多海島嘗試利用太陽能光伏板供電，但需要占用寶貴的島礁面積，且太陽能發電量小，日發電時間短，不足以滿足海島日常用電量。因此要長效解決能源供應這一問題，只能利用不占用島礁陸地面積的海洋能源，就地發電，就近使用。

波浪能是綠色可再生能源，其能量利用轉換過程完全是一種物理過程，不存在化學反應，不排出有害氣體，對環境的影響幾乎為零。與其它海洋能源相比，開發利用波浪能有以下優點：a.波浪能能量品質較好，可就地取材、就地使用；b.波浪能蘊藏豐富，實際可開發量較高，我國波浪能的理論存儲量為7000 萬千瓦左右，開發前景廣闊；c.波浪能分布廣泛，是一種全天候的能源，各季節間能源密度差距較小；d.波浪能利用對環境友好，利用波浪能不破壞當地自然環境，不產生污染，對自然地理環境無特殊要求；e.波浪能利用具有現實工程意義，利用波浪能裝置建立浮島、防波堤或護岸，形成遠海的無浪區，可實現波浪能裝置的功能多元化；f.波浪能利用裝置一般結構較為簡單，建造和維護方便，便于群體化、密集型開發。

3 波浪能為海島供電方案分析

3.1 波浪能發電技術介紹

波浪重現期短、資源分布廣泛。近年來，波浪能已成為最熱門的海洋能利用技術，隨著各國投入大量資金進行波浪能發電裝置的研究，波浪能技術得到了迅速發展。波浪能技術的多種問題具有關聯性：提高可靠性與提高轉換效率存在矛盾，因此出現了各有側重的不同方案，導致了波浪能技術的多樣性和發散性，尚未進入技術收斂期。根據美國能源部海洋和水動力數據庫（MHD），全球有16 個國家在進行波浪能發電研究，英國、中國、美國、澳大利亞、丹麥和西班牙等國的波浪能開發技術和應用規模居世界領先地位。

隨著全球環境的逐漸惡化和可再生能源發電技術的進步，太陽能、風能等綠色電力的占比快速增大，歐洲主要通過發展可再生能源來擴大國家電力裝機。海島和臨近海岸的大陸均在積極擴展海上風能和海洋能。英國為島嶼國家，其周邊海域波浪能、潮流能、風能資源豐富，該國在大力擴大海上風能裝機，并建成了海上波浪能發電場，多種裝備在開展示范應用；半島國家西班牙在其西部沿海建成了國家級波浪能發電場，通過海底電纜輸送波浪能電力至陸地；丹麥在海上建成了集風力發電與波浪能發電為一體的海上多能互補電站。

我國的波浪能技術研究開始于1979 年。近年來，我國對于海洋能開發戰略日益重視，出臺了一系列激勵政策和措施，“十一五”以來，國家高技術研究發展計劃首次在先進能源技術領域設立了“可再生能源技術專題”，特別是在2010 年，國家設立海洋能專項資金。這些政策和措施都極大的刺激了國內對于包括海洋能技術在內的可再生能源的研究和發展。目前，國內對于鴨式波浪能裝置、鷹式波浪能發電裝置、浮力擺式波浪能裝置、蕩浮子式漂浮液壓海浪發電站、擺式振蕩浮子波浪能裝置筏式等波浪能發電裝置的研究已取得一定成果。

3.2 波浪能為海島供電現狀

在島嶼波浪能供電相關理論研究方面，國內包括中國海洋大學、中科院廣州能源所等相關機構對此進行了相關理論和方法的研究，但因國內波浪能起步較晚，大型波浪能發電平臺技術在近年才取得重大突破，因而在具體實踐方面的相關經驗還不多。國外波浪能研究和發展較早，二十世紀九十年，日本、英國、挪威等國家已經開始建設波浪能發電裝置為海島供電，但試點島嶼一般為大型或較大海島，在海島邊緣建設固定式波浪能發電裝置（岸式）；2002 年，英國建造750kW 的“海蛇”離岸漂浮式波浪能發電裝置，在葡萄牙北部海岸投入使用；近年來，由于在相關方面技術沒有重大關鍵突破，建設熱度有所降低。

在相關資源與配套比較充分的大型島嶼，建設岸式波浪能發電開展并網供應具備較高可行性。我國島嶼眾多，但大島少，小島多。對個別常住人口多，經濟建設需求高的島嶼，能源供應模式可選擇性高。但對于遠離大陸的諸多小島，在海島上開展基礎建設和維護成本高，建設難度大。在離岸漂浮式波浪能發電平臺技術取得重大突破之前，開展海島波浪能綜合開發應用可行性較低。目前，中科院廣州能源研究所在大型離岸漂浮式波浪能發電平臺技術方面取得了關鍵突破并開始試點應用[7]，這為在大量中小型島嶼開展波浪能源開發與利用成為可能。

在海南電網有限責任公司支持下，中科院廣州能源研究所承擔了“含波浪能發電系統的海島智能微網關鍵技術研究及示范應用（任務一、三、六部分）”項目，其研建的大型漂浮式波浪能發電裝置“先導一號”實現了在西沙永興島并網供電，如圖1。該裝置裝機容量為260kW，包括200kW 波浪能及60kW 太陽能。其中主體波浪能模塊可在波況為0.5-5 米范圍內捕獲波浪能并轉換，在理想波況2-3 米范圍內轉換效率大于20%，處于全球領先水平。如圖2，為該裝置實海況發電曲線。

圖1“先導一號”在西沙海面運行

圖2“先導一號”實時發電功率（2018 年8 月10 日10:00-11:00）

3.3 含波浪能技術應用的海島微電網

波浪能發電的輸出功率依賴于氣候條件，具有極高的間歇性及不可控性，同時電能質量不高，難以滿足用戶需求，因此需要采用多能源互補發電技術，同時配備功率型及能量型儲能裝置，加之可靠的電力電子變換裝置(整流器、逆變器等)，通過各發電單元及儲能之間的協調控制為居民用戶等負載端提供可靠穩定的、電能質量符合標準的電能，從而確保在波浪能、太陽能等源端能量輸出不穩定或者負載波動較大的情況下，儲能系統可以保證在一定時間內電網的穩定性及不間斷性[8][9]。

從全球范圍看，日本、美國以及歐洲等發達國家已有商業化海島微網項目投入運行，技術相對于中國較為成熟。美國阿拉斯加Metlakatla 島上用一套基于VRLA 的1.4MWh 蓄電池儲能系統作為離網式水力發電系統的后備電源，可以800KW 的功率提供90 分鐘的應急電能。希臘愛琴海基克拉迪群島微網示范工程研究了在幾種運行狀態下，微網從并網穩定切換到孤島狀態的可行性，并分析了微型燃氣輪機與柴油發電機組在孤島模式下的相互影響以及切負荷控制策略。我國海島微電網多以風力發電機和光伏發電為主，且離網運行時多配備柴油發電機作為備用電源，儲能多以蓄電池為主，偶爾配置超級電容。但是為了能源的綠色利用，需要進一步發展海洋波浪能裝備，提高海島電網的供電質量和供電可靠性。

我國南海海島眾多，在已建立獨立微電網的海島，波浪能發電平臺模塊可通過整流、穩壓后接入海島微電網，與本島其他能源模式，包括傳統柴油發電、光伏發電、風電等能源，接受電網的統一調度和應用，保證微電網的穩定性和可靠性。對于較多尚未建立獨立微電網海島，應綜合考量島上能源的需求量及其應用模式。若以小用戶為主，可考慮以波浪能發電模塊為基礎，在海島建立獨立微小調度模塊，將波浪能電力接入后通過調度模塊向島上用戶輸送；若本島存在較大電量用戶，可考慮直接將波浪能模塊接入用戶用電單元，直接用電。“先導一號”波浪能發電裝置通過10kV 海底電纜，將利用波浪能產生的電力并入永興島微電網中，是海島的電力能源的一個重要補充，如圖3所示。

3.4 適用性與經濟性分析

受特殊地理位置和環境因素制約，能源供給是限制我國海洋開發的難題之一。現階段我國南海島礁能源供給以柴油機為主，供電方式單一、成本高昂，且存在污染，能源結構急需優化。與此相比，波浪能發電清潔無污染，可大幅度減少海島供電產生的碳排放，符合我國海島開發新趨勢。

圖3“先導一號”發電裝置接入永興島微電網

我國南海地區波浪能資源豐富，波浪能的總儲量為84079kW·h/m，有效儲量為66336kW·h/m[10]，年發電小時數可超過2000 小時，優于風機的1700 小時和光伏發電的1000 小時。在波浪能開發中，通常波高大于1.3 m 時可用，4.0 m 以上大浪具有較大的破壞能力，不利于發電裝置的運行與安全，在此將波浪能開發的可用波高限制在1.3-4.0 m 之間可用波高的出現頻率分別是衡量波浪能豐富程度的重要指標。鄭崇偉[9][10]等人統計南海海域波浪能流密度的月變化特征、可用波高出現的頻率，結果如圖2 所示。南海海域在能源最貧乏的4-5 月，本文研究海域的波浪能流密度在2.2 kW/m 以上，僅是在4-6 月可用波高出現頻率在50%以下，其余月份可用波高出現頻率都在50%以上。因此可以認為，研究海域全年都可進行波浪能資源開發。南海究海域6 級以上大浪頻率整體較低，浪向都很有規律，這對于延長波浪能裝置的壽命、防災減災是有利的。另外，波浪能發電質量穩定，短期內不會出現大幅波動，利于海島微電網的運行安全。同時，波浪能裝置投放在海上，不僅不占用島礁面積，還可以成為島礁向外拓展的基站，可有效促進海島周邊資源的開發和利用。

隨著波浪能技術成熟度的逐步提高，單位功率造價隨著裝機容量的增大而減小，未來仍有進一步降低的空間。結合現階段波浪能裝置的建造（如圖4）、運維等成本和發電量，預計波浪能發電度電成本可降低至3.35 元/kWh，與現階段海島用柴油機發電成本對比已有明顯優勢，如表1 所示。同時，波浪能發電裝備批量化應用將整體降低裝置的建造和運維成本，度電成本將進一步降低。

圖4 波浪能流密度的月變化特征（左）、可用波高出現的頻率（右）

圖5 波浪能發電裝置單位功率造價（萬元/kW）

同時，根據海島相關發展規劃和經濟發展需求，現有波浪能技術可拓展養殖、旅游服務等業務，在此基礎上開展波浪能綜合開發與應用將具備較高的經濟價值和社會效應。同時，利用大型漂浮式波浪能發電裝置，可針對不同海域固有特征，開展包括海上休閑服務、科學監測觀測等在內的海上服務，以此拓寬海上波浪能源的服務對象和應用廣度。

4 結論

為解決海島不斷增長的負荷用電需求，全面、高質量促進我國海島經濟發展，本文以海島能源現狀為基礎，以實現波浪能為海島供電為研究目標，進行了技術及經濟方面的探討，得到的主要結論如下：

表1 波浪能與柴油發電機度電成本對比

4.1 采用海洋可再生能源中的波浪能為海島供電，符合海島自然環境特點，能緩解海島能源緊缺問題，可實現保護海島環境，促進海島發展的需求。

4.2 波浪能發電技術在逐步成熟，現有的波浪能裝置為孤立海島微電網供電的成功案例，證實采用波浪能為海島供電的方案在技術上是可行的。如在波浪能發電功能以外拓展其他功能，采用波浪能為海島供電的方案在經濟性上也是可行的。

4.3 采用波浪能發電技術為海島供電的方案具有可操作性，建議在我國孤立海島進行大力推廣。