開發海洋水電能源

1 潮汐能開發

隨著人們對過度依賴化石能源的日益擔憂，尋找新的可再生和可持續能源已成為人們的重點關注目標。尋找可行的替代能源也成為能源領域面臨的關鍵挑戰。

地球表面的3/4都覆蓋著水，因而水順理成章地成為尋求替代能源進而補充未來能源結構的合理目標。地球、月球與太陽之間引力的相互作用產生的動態潮汐能，成為一種可行的替代能源，這也是安德里茨水電公司(Andritz Hydro)子公司安德里茨水電哈默菲斯特(Hammerfest)公司的重點創新領域。該公司致力于設備制造，旨在開發清潔、可再生和可預測的潮汐能。

安德里茨水電哈默菲斯特公司所開發的第一款預先商用潮汐能發電機，于2011年底在歐洲海洋能源中心(EMEC)的一家潮汐能試驗場正式安裝。這是一套轉子直徑為21 m的海底座架設備，它利用漲潮和退潮雙向發電，平均每日發電時間可達17 h。

在歐洲海洋能源中心的現場試驗只是整個開發項目的最后一步。項目始于20世紀90年代中期，由挪威一家技術啟動公司——哈默菲斯特斯特羅姆(Hammerfest Strom)公司承擔，該公司曾于2003年在克瓦爾松(Kvalsundet)峽灣安裝了1臺300kW的潮汐發電水輪機。

這臺原型設備已在挪威運行數年，是第一臺永久并入公共電網的潮汐發電水輪機，已運轉17000多小時，發電量的98%被輸入公共電網。

當前的這臺HS1000設備是一個水平軸單轉子固定連接艙雙向發電水輪機，葉片長度為9.5 m，最大節距角為280°。轉子節距角和發電機扭矩由軟件控制可達到最佳運行效率，發電潮汐流速為1～4 m/s。

HS1000水輪機適用于水深為30～100 m、浪高為10 m的水域，它可以在最極端的海洋環境下安全運行。

HS1000水輪機由一個重為150 t、高為22 m的地下工程固定，地下工程上又壓蓋了800 t的壓重，以防止地質斷層或其他極端環境條件下出現滑坡或傾覆。水輪機由一個長為 3.5km的海下電纜與海岸相連，電纜配備高壓輸電芯和光纖通信網絡。

2 設備安裝

HS1000水輪機于2011年12月在歐洲海洋能源中心利用近海工程船進行安裝，分為3個階段:

(1)將地下工程放置到海底;

(2)進行壓載;

(3)須將連接艙與地下工程相銜接。

在蘇格蘭的嚴冬條件下，全過程完成只用了32 h。當時監測到的最大風速達100海浬/h，因此為充分利用每一個出現的天氣狀況，必須進行周密計劃。

迄今為止，設備的良好運行狀態已超過預期，HS1000水輪機不僅遵循了預計的發電曲線，而且絲毫沒有超出設計的荷載包絡線。在充分運行狀態下，每年發電量可達400多億kW·h。

下一階段的測試工作將持續大約半年時間，將重點圍繞水輪機的可利用率與可靠性展開評估。設備每月的能源產出及同期的水輪機效率將由一個獨立的第三方來計算，并由此證明HS1000水輪機已達到并超出其設計性能目標。

3 商業化之路

對300kW的哈默菲斯特斯特羅姆原型及HS1000水輪機開展的廣泛性能測試，已經為該技術的商業化做好了充分準備。目前正在對設計做進一步的改進，以提升全球各潮汐能發電地點的能源捕獲潛力。這些改進包括為每個潛在潮汐發電場址的轉子葉片幾何進行詳細的水動力學優化，并針對漲潮與退潮方向并不完全吻合的地點引入偏航機制。

挪威第一臺潮汐發電機安裝至今已10a有余，安德里茨水電哈默菲斯特公司正努力在全球實現該技術商業化的可行性應用。

首批將為蘇格蘭可再生能源公司在艾拉海峽(Sound of Islay)規劃建設的10MW潮汐發電站，以及梅簡(Mey Gen)公司在彭特蘭(Pentland)海峽內灣(Inner Sound)規劃建設的86MW潮汐發電站提供水輪機設備。

艾拉海峽工程位于艾拉島到內赫布里底(Inner Hebrides)群島之間的潮流上。這項大型開發工程最初由蘇格蘭政府批準建設，其工程選址有以下3個方面的原因:

(1)潮流迅速但不湍急(最高3.4 m/s);

(2)地點有遮蔽，易于設備安裝，可便于全年進行維護和監測;

(3)4km之外即可在艾拉接入國家電網。

每臺機組生產的電流將通過 6.6 kV的電纜輸送到一座近海變電站，在此調壓至33 kV，然后輸入艾拉的國家電網。產出電量預計可滿足島上3000居民的用電需求，同時也可為當地幾家威士忌酒廠提供電力。

除此之外，蘇格蘭可再生能源公司還計劃將這一水輪機用于彭特蘭海峽正在考察規劃的一座更大型的潮汐能發電站。該電站計劃裝機容量為95MW，目前正在進行選址評估考察，期待可以在該電站中使用更大裝機容量的HS1000水輪機。預計在未來的2～3 a之內可獲得批準進行項目建設。

4 MeyGen項目

MeyGen潮汐能項目是世界領先的海洋能源開發項目，將在歐洲潮汐能最豐富的地點開發潮汐資源。MeyGen公司獲得了英國皇家財產局對該地區的租賃協議，項目所在區域位于斯特洛馬(Stroma)島與蘇格蘭大陸東北角之間的海峽(內灣)。該海域潮流迅速(可達5 m/s)，預計到2020年，發電量可供 40000戶蘇格蘭家庭使用。

項目將分期建設，采取“邊開發邊觀察”的策略，一期工程最多安裝86臺水輪機(86MW)?？紤]到該項目首先需要證明這種能源開發理念的可行性，MeyGen公司計劃先在內灣安裝最多6臺機組作為示范工程，隨后再陸續開發其余的租賃區域。

示范工程將提供水輪機組與外圍環境之間互動情況的重要信息，從而為后續階段的詳細設計與水輪機安裝奠定基礎。

項目一期工程期間，每臺水輪機都會有其專門的輸出電纜，通過基巖中的水平鉆孔將其與海岸相連。在岸上會將電纜匯聚，并將輸出電流變為高壓電流，再輸入國家電網。

MeyGen公司須與安德里茨水電哈默菲斯特公司密切合作，以確保工程的相關技術能夠應對該地區可能出現的極端環境狀況。

5 未來安裝

示范工程的成功是全面開發該地區潮汐能資源的關鍵步驟。作為示范工程，艾拉工程與MeyGen工程都將提供重要的項目信息與經驗，為未來這項新技術的大規模開發與商業化應用奠定基礎。

英國大部分最適合開發潮汐能的沿海水域都歸屬英國皇家財產局管轄，該局已頒發了1000MW裝機的潮汐能開發許可。除了英國之外，全世界其他適合開發潮汐能的地點包括加拿大、美國、挪威、法國、智利、印度、東南亞以及澳大利亞的很多地區。對這些地區潮汐能的商業開發也正在研究當中。全球潮汐能開發的總裝機容量為10～100 GW。