波浪能海堤發(fā)電技術研究

頡未鳳

(甘肅鋼鐵職業(yè)技術學院,甘肅 嘉峪關735100)

1 波浪能使用現(xiàn)狀

1.1 背景及意義

隨著全球能源消耗量的增大,新興能源越來越受到重視,開地熱能、海洋能等新能源的研究也越來越多。其中,海洋中波浪能的密度最大,也最具開發(fā)潛力,波浪能因此被認為是一種高質量的海洋資源,其能量轉化效率也較高[1]。我國的海岸線長達上萬海里,波浪能密度平均可達3～7 kW/m,某些地方更高達20 kW/m,可開發(fā)的波浪能儲量非常豐富。全球很多機構都在研究波浪能利用或發(fā)電甚至推進船舶的技術,并取得了一定進展。最先利用波浪能的裝置是1799 年發(fā)明的。近年來,美歐日等地的波浪能發(fā)電技術發(fā)展迅速,而我國從20 世紀70 年代開始起步,并形成了一些科研成果,航標燈就是其中的研發(fā)成果[2],我國近期在浙江舟山研發(fā)建設的波浪能發(fā)電單機平臺,其功率達到了500kW。

圖1 國外波浪能發(fā)電裝置

1.2 波浪能發(fā)電的裝置及其原理

現(xiàn)代波浪能發(fā)電的裝置主要有振蕩式、海蛇式、搖擺式、鷹式等多種樣式[3],見圖1、圖2、圖3,主要通過波浪帶動漂浮裝置上下運動產生機械能,再將機械能轉化為電能。有一些將波浪能轉化為高壓空氣壓力,再噴射出來形成高速氣流,進行推動渦輪發(fā)電機產生電能。目前國內外還設計出了波浪能發(fā)電船,將發(fā)電平臺與船體相結合,或直接給船提供前進動力。

2 目前波浪能發(fā)電面臨的技術問題

2.1 材料問題

海洋的鹽度非常高,且海水及鹽霧具有腐蝕性,裝置長時間在海水中工作會面臨生銹、老化等問題。影響材料強度和裝置壽命。因此波浪能發(fā)電裝置需要耐腐蝕材料制成,且要經過長期鹽霧試驗的考驗,才能投入成熟化商業(yè)應用[4]。

圖2 我國波浪能發(fā)電平臺

圖3 歐盟波浪能發(fā)電平臺

2.2 抗風浪問題

海洋環(huán)境經常面臨臺風巨浪等惡劣環(huán)境,在這種環(huán)境下任何漂浮的平臺都難以幸存,同時也存在破損件污染海洋環(huán)境的可能,甚至對船舶的螺旋槳產生破壞,對航行安全構成威脅。

2.3 成本問題

造價與發(fā)電量之比過高,且波浪能發(fā)電品質不穩(wěn)定,難以儲存等問題直接影響了波浪能的現(xiàn)實化商業(yè)應用。有關研究表面,波浪能發(fā)電成本是火電成本的10 倍左右,而且下海維護非常困難。

3 波浪能發(fā)電海堤技術方案

為解決波浪能發(fā)電存在的技術、成本、安全問題,本文設計了一種匯聚波浪能進行發(fā)電的海堤,該裝置與防波提共同組合工作,既起到加固海堤的作用,也能長期進行發(fā)電,綜合效益顯著。

3.1 波浪能發(fā)電海堤結構

圖4 震蕩水柱式發(fā)電裝置

圖4 為震蕩水柱式海浪發(fā)電裝置,可以將波浪運動轉化為氣室高壓空氣的壓力,再集中釋放形成高速氣流,從而帶動氣體渦輪發(fā)電。由于渦輪發(fā)電機價格昂貴,提高了該形式的發(fā)電技術的建造成本。

圖5 波浪能海堤發(fā)電裝置

本文吸收了震蕩式水柱發(fā)電裝置的技術原理,在此基礎上進行改進,設計了一種波浪能發(fā)電海堤,結合氣體管道,可以匯聚波浪能成為壓縮氣體能,集中釋放,以達到發(fā)電集約化效果,降低其成本。如圖5,建設帶有氣體收集腔的海堤,海堤面臨海水一側的弧形坡度將水平方向的波浪能轉化為垂直方向上下起伏的水柱,水柱在接近垂直的氣腔中壓縮空氣,并通過單向閥門進入管狀氣體收集器,從而產生高壓空氣。許多獨立且并聯(lián)的收集腔內產生的高壓空氣通過高壓空管道聯(lián)通,最終通過渦輪氣體發(fā)電機排向外界大氣,從而帶動渦輪發(fā)電機發(fā)電,流程見圖6。高壓空氣管道的直徑視發(fā)電功率的規(guī)模可以設置φ為0.2m-2m 不等,管道材料以耐鹽霧腐蝕的不銹鋼管或耐腐蝕材料管道為宜。

圖6 波浪能海堤發(fā)電流程

3.2 對波浪能發(fā)電海堤電能產出的估計

波浪在深海區(qū)是上下起伏的橢圓運動,但由于近海海水深度的遞減,波浪會轉化為垂直于海岸線的水平往復運動,普通海浪在岸邊的水平運動可以達到5m/s,其動壓完全轉化為空氣壓力可產生1.1 大氣壓的壓縮空氣,高壓空氣經高壓氣體收集通道再向外界大氣排出,可產生100m/s 的高速氣流,高速氣流帶動渦輪轉動,可產生大功率的電能。按波浪能平均密度3kW-10kW/m,整個系統(tǒng)綜合發(fā)電效率50%計算,1km 的海堤可以匯聚產生1.5MW-5MW 的發(fā)電功率。在北歐等波浪能資源豐富的國家,最高可以輸出50MW/km 的功率密度,接近于一個小型的火電廠的發(fā)電量。

3.3 波浪能發(fā)電海堤的使用維護

高壓空氣的收集有海堤自動完成,只有渦輪發(fā)電機與電器控制室需要人員集中維護。波浪能發(fā)電海堤還應設置自動排水裝置,防止海水進入高壓空管道進而侵蝕渦輪發(fā)電機葉片。也應設置過濾裝置,防止海藻或魚類沖入氣室。由于高壓空氣管道傳輸空氣的同時也起到了高壓容器的作用,即使自然界波浪強度存在短期波動,管道存儲的高壓空氣也能維持發(fā)電裝置一段時間的穩(wěn)定運行,從而提高電能輸出的品質。如果利用波浪的往復運動增加低壓空氣管道,將渦輪發(fā)電機連接在高壓管道和低壓管道之間,可以增大發(fā)電功率,同時也會增加建設成本,是否增設低壓管道,仍需要權衡利弊。

3.4 波浪能發(fā)電海堤的經濟效益

建成以后波浪能海堤非常穩(wěn)定,只有氣體單向閥和渦輪機是活動部件,其它設施可以長期應用而免于維護,維護成本非常低,最昂貴的渦輪發(fā)電機可以減量集中安裝,僅需1-2 臺渦輪機就足夠了,由于發(fā)電機的集中化,維護相對變得簡單多了。按其發(fā)電能力,1km 波浪能發(fā)電海堤每年可產生約2000 萬度電能,還能起到防波作用,其建設成本需1000 萬左右,僅需1 年就能收回建設成本,綜合效益非常顯著。

4 結論

波浪能發(fā)電海堤是一種新的思路,相比其它發(fā)電裝置,免遭受波浪直接沖擊,從而增加了發(fā)電輸出的穩(wěn)定性,延長了設備的使用壽命,它在波浪能豐富區(qū)域尤其適用,經濟效益更高,具有大范圍推廣價值。可以為沿海及海島能源緊缺地區(qū)提供可觀的能源輸入,尤其是邊遠海島如西沙群島、南沙群島等[5],同時可以采用風、光、浪互補形式向大自然提取清潔能源。目前國內外未見類似形式的研究報告,因此在我國具有一定起步優(yōu)勢。建議海洋能源研究機構會同建設部門,開展實踐應用研究,進一步成熟推廣。