可移動式海上風光互補新能源動力平臺研究

李超 李德堂 謝永和

（1. 浙江海洋學院船舶與建筑工程學院，浙江舟山 316000；2. 浙江省(久和)船舶先進制造技術研發中心、浙江省船舶工程重點實驗室，浙江舟山 316000）

1 引言

海洋能源通常指海洋中所蘊藏的可再生的自然能源，為保證人類所需的能源得到穩定而持久的發展，世界各國均在努力使能源結構從單一的常規能源向多種新能源過渡；尤其近20多年來，海洋能開發取得了很大進步。但涉及到海上風能、太陽能的具體利用，基本都是以單一的形式進行開發，風光互補發電形式較少。

由于海上氣候環境惡劣，特別是臺風的巨大破壞力，使得在近岸區域的許多發電設備都會遭到毀滅性的打擊。因此，對于海上風力發電這一綠色能源始終讓人進退兩難。目前，國內僅有中海油基地集團公司和上海東海風力發電有限公司在海上做過風力發電工程。由于風機基礎采用的是固定式鋼樁結構，先打下八根鋼管樁，再在鋼管樁頂部澆注成一個混凝土承臺，來滿足風機的承載、抗拔、水平移位等需要，海上施工難度相當大，惡劣海況下維護也非常困難，甚至沿岸風力發電裝置也造成毀滅性破壞。如何可靠地開發海洋新能源，對保障我國能源安全，改變能源的消費結構，走可持續發展的道路，具有非常重大的社會意義，為此本文提出了可移動式海上新能源動力平臺的設計思路。可移動式海上動力平臺可以將風光互補的發電系統運用于遠海而避免遭遇惡劣海況的打擊。同時，該平臺還可以有效地消除天氣因素造成的間歇性發電的缺陷，提供不間斷的能源供應。

2 風能與太陽能發電的國內外研究與應用狀況

隨著陸地礦物燃料日趨枯竭和污染已趨嚴重，世界上一些主要的海洋國家紛紛把目光轉向海洋，投入了大量的人力物力，摸清資源狀況，制定發展計劃，組織科技項目到實用技術的試驗。如：1990年瑞典（Nogersund）安裝了世界上第一臺海上風力發電機組-Windworld制造的220 kW風力發電機。英國從20世紀70年代以來，制定了強調能源多元化的能源政策，鼓勵發展包括海洋能在內的多種可再生能源；美國把促進可再生能源的發展作為國家能源政策的基石，由政府加大投入，制定了各種優惠政策，經過長期發展，已成為世界上開發利用可再生能源最多的國家；日本在海洋能開發利用方面也十分活躍，已成立了海洋能轉移委員會；印度面對能源供應不足、電力短缺的困境，在海洋能等可再生能源的開發利用上也逐漸加大投入，從減免所得稅和關稅、建立專門貸款機構、吸引外資以及加快折舊等多方面實施優惠政策，使其在短短的兩三年內一躍跨入世界可再生能源開發利用的先進行列。

海上風電開發雖潛力巨大，但其運行環境相比陸上風電更復雜，技術要求更高，施工難度更大。目前，僅有中海油基地集團公司和上海東海風力發電有限公司在海上做過風力發電工程。其一是：2007年11月，中海油基地集團公司就曾在渤海綏中油田安裝了一臺1.5 MW直驅式風力發電機組，然而該機組沒有并網投入商業運行。其二是：東海大橋海上風電項目位于上海市東海大橋東部海域，風力發電機組由大連重工起重集團提供，總裝機容量102 MW，數量34臺，風電機組的單機容量3 MW，該項目年發電量2.67億千瓦小時，每年可為電網節約標煤8.59萬噸，是上海市目前容量最大的新能源項目，也是目前國內單機容量最大的海陸兩用兆瓦風力發電機組。

中國光伏發電產業于20世紀70年代起步，90年代中期進入穩步發展時期。太陽電池及組件產量逐年穩步增加。經過30多年的努力，已迎來了快速發展的新階段。在“光明工程”先導項目和“送電到鄉”工程等國家項目及世界光伏市場的有力拉動下，中國光伏發電產業迅猛發展。到2007年年底，全國光伏系統的累計裝機容量達到100 MW，從事太陽能電池生產的企業達到50余家，太陽能電池生產能力達到2900 MW，太陽能電池年產量達到1188 MW，超過日本和歐洲。西藏是我國太陽輻射能最多的地區，年均日照在3000 h以上，發展光伏電站具有得天獨厚的優勢。西藏已建成各類光伏電站近400座，各類太陽能光電設施總容量達9000 kW，太陽能光伏發電裝機總容量居全國第一，太陽能產品已廣泛在農牧民中推廣應用。

一般白天風小夜晚風大，晴天風小雨天風大，夏天風小冬天風大。風能和太陽能在時間和季節上如此吻合的互補性，決定了風光互補結合后風電系統可靠性更高、更具有實用價值。由浙江省科技廳援建的科技合作項目——總投資 25萬元的黃南藏族自治州澤庫縣和日鄉葉貢多寄宿制完小4 kW風光互補發電系統，于去年6月完成系統安裝調試并投入運行。據了解，4 kW風光互補發電系統由2 kW太陽能電池板光伏陣列及旋轉式光伏陣列支架、2 kW風力發電機及支架、蓄電池、充電器、逆變器、控制系統等組成。該系統技術先進，性能穩定，操作簡單，且運行成本低，在填補黃南州一項科技空白的同時，也解決了葉貢多寄校近200名師生的教學、生活用電問題。

綜上所述，無論是風能還是太陽能，其單獨應用都是成熟可靠的，如果將二者加以綜合利用而應用于海上，將會有更大的發展空間。

3 可移動式海上風光互補發電系統設計

可移動式海上動力平臺主要由主平臺和發電系統兩部分組成。它就是將上述兩種成熟的能源在海上進行綜合的利用。風光互補發電系統由太陽能光電板、小型風力發電機組、系統控制器、蓄電池組和逆變器等幾部分組成。發電系統各部分容量的合理配置對保證發電系統的可靠性非常重要。同時，風電和光電系統在蓄電池組和逆變環節是可以通用的，所以風光互補發電系統的造價可以降低，系統成本趨于合理。風光互補發電系統可以根據用戶的用電負荷情況和資源條件進行系統容量的合理配置，既可保證系統供電的可靠性，又可降低發電系統的造價。無論是怎樣的環境和怎樣的用電要求，風光互補發電系統都可作出最優化的系統設計方案來滿足用戶的要求。其系統原理圖如圖1。

圖1 海上新能源發電系統平臺示意圖

本系統的工作過程主要分為三個階段：第一階段是發電現場就位，先將可移動式海上新能源動力平臺拖航至發電海域，然后是插樁，通過升降樁驅動裝置將升降樁插入海底預定深度，再將平臺體升至海面之上預定高度，完成現場就位工作。第二階段是發電工作狀態，天氣晴朗時，通過變幅油缸調節太陽能光伏板的姿態，達到最佳狀態接收光照，太陽能光伏板所產生電能進入配電間經整流后外輸；天氣有風時，根據情況調節太陽能光伏板姿態，避免海風造成太陽能光伏板的毀壞，此時風力發電裝置進入發電工作狀態，風力發電裝置所產生的電能都進入配電間經整流后外輸。由于平臺體上設有吊機，使得風力發電裝置的海上維護保養變得簡單易行，平臺體上的生活樓也方便了工作人員起居生活。第三階段是撤離狀態，當天氣預報將有惡劣海況時，為避免風力海浪的破壞損失，盡早停止風和太陽能發電，通過升降樁驅動裝置將平臺體降至海面上，然后將升降樁從海底拔出，最后將可移動式海上平臺拖航至海港內。

4 成果與展望

可移動式海上新能源動力平臺已于2010年8月 11日通過國家發明專利授權，該平臺可避免惡劣海況對發電裝置帶來的毀滅性破壞，具有非常高的推廣應用價值。本系統可以為我國豐富的海洋能源的開發提供可靠、易行的新途徑，從而攻克因惡劣海況無法正常利用海洋能源的難題，為風能、太陽能發電在海洋領域的擴大應用研究提供了技術支撐，具有重要的技術效益。同時也可以快速地帶動相關產業的發展。

（1）可再生能源業。可帶動風能、太陽能發電在海洋領域的發展，具有廣闊的市場應用前景。隨著我國能源需求逐年上升，本系統對逐步改善我國以煤炭為主的能源結構和電力供應結構，使我國能源、經濟與環境的發展相互協調，將發揮出越來越大的作用。

（2）石油開采業。近年來，我國海洋石油的開發正在快速的發展，海洋鉆井平臺、采油平臺、海底管線、海岸工程的數量隨探明地質儲量的增加而同步增長，但開發工程中鉆探了許多邊遠的單井，無法集中投資開采。而采用該系統可以避免冒險投資，不僅節省投資固定導管架的制造費用，昂貴的安裝費用，而且節省常年運轉的電力投資費用。因此，運用該動力平臺，將有效地解決目前邊遠石油單井的開采難題，具有非常大的社會和經濟效益。

(3) 船舶行業。還可將該成果應用于船舶上。當船舶處于停泊狀態時，可使船舶主機停止工作，充分利用本系統進行發電，這樣可以大大減少用于發電的柴油消耗。同時也減少了 CO2的排放，環保節能，可以取得巨大的經濟效益。

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