工業(yè)化循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)的新能源應(yīng)用

趙仕琦 凌長(zhǎng)明

摘 要：現(xiàn)有陸基工業(yè)化循環(huán)水養(yǎng)殖市場(chǎng)體量大、產(chǎn)量高，存在能耗高、污染環(huán)境等問(wèn)題，以及新能源利用效率低，應(yīng)用于循環(huán)水養(yǎng)殖范圍少等問(wèn)題，因此本項(xiàng)目提出應(yīng)用新能源滿足和匹配陸基養(yǎng)殖基地用能需求，建成具有地方海岸特色的新能源應(yīng)用保障示范基地，研究方案擬設(shè)計(jì)太陽(yáng)能熱電系統(tǒng)集熱及發(fā)電，利用潮汐能提供高壓水頭，又可直接發(fā)電及海水淡化，還可以做測(cè)試研究的示范平臺(tái)。

關(guān)鍵詞：潮汐能；海水淡化；太陽(yáng)能；新能源；循環(huán)水養(yǎng)殖

中圖分類號(hào)：X714 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：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(guó)是全球最大的海水養(yǎng)殖國(guó)，2018年，全國(guó)水產(chǎn)養(yǎng)殖總產(chǎn)量超過(guò)5000萬(wàn)噸，我國(guó)成為世界上唯一養(yǎng)殖水產(chǎn)品總量超過(guò)捕撈總量的主要漁業(yè)國(guó)家。陸基工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖具有資源節(jié)約、環(huán)境友好和產(chǎn)品安全等特點(diǎn)，是世界水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的重要發(fā)展方向之一，也是實(shí)現(xiàn)水產(chǎn)養(yǎng)殖與環(huán)境和諧發(fā)展的重要途徑。現(xiàn)有文獻(xiàn)研究表明工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖，單產(chǎn)量24462225kg/hm2時(shí)，耗電量93913695kWh/hm2，單位產(chǎn)量電耗為5.07kWh/kg。研究表明，我國(guó)水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的能耗強(qiáng)度為0.24萬(wàn)噸標(biāo)煤/萬(wàn)元產(chǎn)值，是農(nóng)業(yè)平均值的1.26倍。我國(guó)水產(chǎn)養(yǎng)殖二氧化碳排放量高。

現(xiàn)有工業(yè)化循環(huán)水養(yǎng)殖市場(chǎng)體量大、產(chǎn)量高，存在能耗高、污染環(huán)境等問(wèn)題，因此發(fā)展可再生能源解決其能耗是非常重要的，同時(shí)因?yàn)楝F(xiàn)有新能源利用效率低，應(yīng)用于循環(huán)水養(yǎng)殖范圍少等問(wèn)題，因此開(kāi)展本項(xiàng)目新能源系統(tǒng)應(yīng)用研究與示范。

1 潮汐能與太陽(yáng)能應(yīng)用于循環(huán)水養(yǎng)殖的國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

目前海洋能應(yīng)用于循環(huán)水養(yǎng)殖研究較少，研究熱點(diǎn)主要集中在潮汐能發(fā)電。國(guó)外關(guān)于潮汐能發(fā)電的研究持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、涉及領(lǐng)域廣泛，技術(shù)相對(duì)成熟，總體而言，英國(guó)和美國(guó)的潮汐能研究則更為成熟，相關(guān)文獻(xiàn)數(shù)量龐大。我國(guó)關(guān)于潮汐能發(fā)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(duì)潮汐能的技術(shù)開(kāi)發(fā)、發(fā)展前景、資源利用等方面，而對(duì)沿海地區(qū)應(yīng)用于循環(huán)水養(yǎng)殖的潮汐能的研究較少，國(guó)內(nèi)未見(jiàn)有應(yīng)用型示范基地的報(bào)導(dǎo)。

直驅(qū)式潮汐能反滲透海水淡化技術(shù)是近年發(fā)展起來(lái)的一種海洋能海水淡化技術(shù)。相比于間驅(qū)式潮汐能反滲透海水淡化系統(tǒng)，直驅(qū)式潮汐能反滲透海水淡化系統(tǒng)可減少潮汐能先發(fā)電再用電能驅(qū)動(dòng)反滲透海水淡化裝置的兩次能量轉(zhuǎn)換損失，具有能效高和成本低等優(yōu)勢(shì)。目前，關(guān)于直驅(qū)式潮汐能反滲透海水淡化技術(shù)的研究主要來(lái)源于廣東海洋大學(xué)凌長(zhǎng)明教授課題組。課題組研究團(tuán)隊(duì)在海洋能海水淡化方面已經(jīng)進(jìn)行了近十年的研究，先后進(jìn)行了潮汐能聚能增壓方案的熱力學(xué)性能分析、潮汐能直接驅(qū)動(dòng)海水淡化方法的優(yōu)勢(shì)分析，以及直驅(qū)式潮汐能反滲透海水淡化系統(tǒng)性能計(jì)算模型及分析等研究。關(guān)于直驅(qū)式潮汐能反滲透海水淡化系統(tǒng)的性能研究有待進(jìn)一步開(kāi)展。

太陽(yáng)能利用技術(shù)主要有太陽(yáng)能熱利用技術(shù)、太陽(yáng)能發(fā)電和太陽(yáng)能光化學(xué)轉(zhuǎn)換等，太陽(yáng)能熱發(fā)電技術(shù)在美國(guó)、澳大利亞、德國(guó)等國(guó)家已經(jīng)比較成熟，并得到了實(shí)際應(yīng)用。國(guó)內(nèi)相關(guān)研究起步較晚。對(duì)于太陽(yáng)能光發(fā)電技術(shù)，目前的研究主要集中在太陽(yáng)能電池板的材料方面。中科院電工所對(duì)太陽(yáng)能發(fā)電整體系統(tǒng)進(jìn)行了研究和設(shè)計(jì)，并建立了1MW的塔式太陽(yáng)能發(fā)電項(xiàng)目。南開(kāi)大學(xué)光電子薄膜與器件研究所在薄膜電池技術(shù)方面，四川大學(xué)在碲化鎘電池方面已經(jīng)取得了卓越的成果。

2 工業(yè)化循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)的新能源應(yīng)用方案

本文的方案旨在應(yīng)用新能源（潮汐能和太陽(yáng)能）滿足和匹配陸基養(yǎng)殖基地用能需求，建成具有地方海岸特色的新能源應(yīng)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(chǔ)設(shè)施，如圖1。研究可以為陸基工業(yè)化循環(huán)水養(yǎng)殖基地提供能源動(dòng)力支撐的新能源技術(shù)及其示范。

研究方案擬設(shè)計(jì)太陽(yáng)能熱電系統(tǒng)集熱及發(fā)電，利用潮汐能提供高壓水頭，又可直接發(fā)電及海水淡化，還可以做測(cè)試研究的示范平臺(tái)，如圖2所示。

陸基工業(yè)化循環(huán)水養(yǎng)殖常需要水溫調(diào)節(jié)，需要大量的熱能，因此采用太陽(yáng)能集熱與供熱技術(shù)。太陽(yáng)能集熱裝置冬季收集熱量加熱池水，多余熱量?jī)?chǔ)在蓄熱水箱（相變材料保溫）。夏天采用太陽(yáng)能光伏板發(fā)電（供循環(huán)水泵和增氧機(jī)等），多余電量?jī)?chǔ)在蓄能系統(tǒng)。

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(shí)水池蓄水，退潮時(shí)池水位有較高水頭，利用池水位差發(fā)電。水輪機(jī)發(fā)電同時(shí)驅(qū)動(dòng)增壓器，產(chǎn)生高壓水頭海水，為養(yǎng)殖循環(huán)水提供循環(huán)動(dòng)力，并利用高壓水頭進(jìn)行海水淡化。同時(shí)優(yōu)化和整合太陽(yáng)能和潮汐能運(yùn)行方案，實(shí)現(xiàn)新能源間互補(bǔ)運(yùn)行，用富余電量，抽水至潮汐能高位蓄水池蓄能等技術(shù)，進(jìn)行季節(jié)性產(chǎn)能調(diào)節(jié)和晝夜錯(cuò)峰負(fù)荷運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)新能源間互補(bǔ)運(yùn)行。

工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖采用傳統(tǒng)能源系統(tǒng)存在很大的改進(jìn)與提升空間。本文在研究了潮汐能與太陽(yáng)能的國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀，提出了陸基工業(yè)化循環(huán)水養(yǎng)殖基地采用新能源技術(shù)的方案，減少能量轉(zhuǎn)換過(guò)程，提高可再生能源的利用效率。

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