“八月濤聲吼地來,頭高數丈觸山回。”唐代詩人劉禹錫筆下的浙江錢塘潮,猶如一群蘊含強大生命力的猛獸,發出震天動地的吼聲,從蒼茫渺遠的大海奔騰而來,之后又觸山而回。一代代生息繁衍在大海之濱的中國人,在錢塘潮起潮落之間,領略著大海的雄渾與壯美,感受著滔天巨浪帶來的心靈震撼。

隨著對海洋的了解不斷深入,中國人越來越深刻地認識到,海洋除了是天然“大糧倉”,為人類提供了豐富的魚類資源等之外,還貯藏著豐富的礦產資源,蘊含著巨大的能量,可以說是人類取之不盡、用之不竭的能量寶庫。

打開海洋能量寶庫并不容易,它考驗著一個國家在能源領域的科研水平和技術實力。經過長期努力,特別是改革開放40年來的不懈奮斗,中國在海洋能領域,特別是在潮汐能、潮流能、波浪能等開發利用方面,獲得了長足進步,取得了豐碩成果。

新型潮汐能技術為大規模開發奠定基礎

潮汐能是指海水受月球、太陽對地球產生的引潮力作用而周期性漲落所儲存的勢能,其主要利用方式是發電。通過建筑攔潮壩,利用潮水漲落形成的水位差,推動水輪機帶動發電機發電,其原理與水力發電相似。國家海洋局第一海洋研究所研究員劉偉民指出,由于蓄積的海水流量大,而水平面的落差不大,且呈間歇性,所以潮汐能發電對水輪發電機結構和性能提出很高要求。對于潮汐能開發利用的具體方式,劉偉民解釋說主要有單庫雙向、單庫單向、雙庫單向和雙庫雙向等傳統方式和潮汐澙湖、動態潮汐能等具有環境友好特點的新型潮汐能技術。傳統攔壩式潮汐能技術早在數十年前就已實現商業化運行。目前,國際上在運行的攔壩式潮汐電站主要采用單庫方式。如建于1966年的法國朗斯電站,采用單庫雙向工作方式,即通過攔壩形成一個水庫,在漲潮時或落潮時均可發電,平潮時不發電;建于1984年的加拿大安納波利斯電站采用單庫單向工作方式,只有一個水庫,且只在落潮時發電。

無論在傳統攔壩式潮汐能技術還是在新型潮汐能技術方面,中國都取得了突出成就。在前者方面,劉偉民介紹說,20世紀80年代中國裝機容量最大的潮汐電站——浙江溫嶺江廈潮汐電站和浙江玉環縣海山潮汐電站是典型代表。江廈電站第一臺機組于1980年5月投產發電。2007年,該電站6號機組進行了技術改造,使電站總裝機容量由3200千瓦增加到3900千瓦。2012年,1號機組開始擴容增效改造,單機容量增加了200千瓦,這樣江廈潮汐電站總裝機容量達4100千瓦,位列世界第四。截至2017年年底,該電站已累計實現發電量2.14億千瓦時。海山潮汐電站于1975年建成,是國內最早的潮汐電站,總裝機容量150千瓦,年發電量31萬千瓦時,日平均發電20.5小時。

在萬千瓦級潮汐電站研究方面,劉偉民介紹說,2009—2015年,中國開展了一系列萬千瓦級潮汐電站的預可行性研究報告,包括浙江臺州三門灣健跳港潮汐電站(21兆瓦)(1兆瓦=1000千瓦)、浙江溫州甌飛潮汐電站(451兆瓦)、山東威海乳山口潮汐電站(40兆瓦),測算的平均出廠電價與國際潮汐能電站發電價格相當。

在新型潮汐能技術研究方面,劉偉民介紹說,中國科學家主要開展了利用海灣內外潮波相位差發電研究和動態潮汐能技術研究,前者旨在研究如何利用海灣內外潮波相位差進行潮汐能發電,并且已完成福建三沙灣新型潮汐能利用方式可行性分析;后者的研究集中在通過建造一個垂直于海岸的“T”型水壩,干擾沿大陸架海岸平行傳播的潮汐波,從而在大壩兩側引起潮汐的相位差,并產生水位差來推動壩體內的雙向渦輪機進行發電,已完成數模分析方法、適用模型機組水力學特性研究和在福建東山島等潛在開發利用站址初選等工作。這些為大規模開發潮汐能奠定了技術基礎。

潮流能發電技術應用進入兆瓦時代

1978年的3月17日,也就是全國第一次科學大會召開的前一天,神州大地即將迎來希望時刻。名不見經傳的浙江定海人何世鈞和他的同事小心翼翼地將租來的小渡輪錨泊在西堠門航道潮流最急的地方,把水輪機下放入海,并在渡輪兩邊固定。隨著水輪機的運轉,發電機開始隆隆作響,懸掛在渡輪上的幾十盞電燈隨即亮起,船上和岸上頓時歡呼聲一片。何世鈞終于實現了20年的夙愿:用潮流能發電點亮生活。他因此被譽為“中國第一個用潮流發電的人”。

潮流能與潮汐能相伴而生,都是月球和太陽的引潮力作用于海水的結果,所不同的是潮流能為引潮力使海水產生周期性的往復水平運動而形成的動能,潮汐能則為引潮力作用使海水周期性漲落所儲存的勢能。潮流能的發電原理和風力發電類似,即把水流的動能轉化為機械能,進而將機械能轉化為電能。世界上首個實現商業化并網試驗運行的潮流能發電系統為北愛爾蘭“Sea Gen(海洋發電機)”,裝機容量1.2兆瓦。

何世鈞潮流發電的成功是中國在此領域內發展的一個里程碑,在此之后,在國家相關科技計劃和專項資金等的支持下,潮流能技術開發與應用得到快速發展。2002年,哈爾濱工程大學完成了中國首座漂浮式潮流實驗裝置“萬向Ⅰ”,約3年后,又推出海底固定式垂直軸潮流實驗電站“萬向Ⅱ”。2011年,由該大學設計并完成裝機的潮流發電水輪機“海明Ⅰ”成功實現全自動運行和并網輸電。此外,浙江大學和東北師范大學也都設計研制了各具特色風格的潮流發電水輪機。

2016年1月初,裝機容量3.4兆瓦的“LHD林東模塊化大型海洋潮流能發電機組”總成平臺在浙江舟山下海,這是中國首臺自主研發生產的裝機功率世界最大的潮流能發電機組,包括總成平臺系統、雙向調節水輪機渦輪系統及傳動系統、增變速系統及發電機組系統等15大系統,擁有50多項核心專利。7月27日,隨著浮吊船將兩個24米高、230噸重的發電組模塊精準吊裝至海下總成平臺,中國潮流能發電進入“兆瓦時代”,在潮流能源開發利用領域走在了世界前列。

鷹式波浪能發電性能直追國際水平

海洋波浪能是由風能轉化而來的一種能量,風吹過海洋,通過海-氣相互作用把能量傳遞給海水,形成波浪,將能量儲存為勢能(水團偏離海平面的位勢)和動能(水體運動)。據統計,地球上海洋所具有波浪能的理論值大大超過世界當前總發電量,全球可供開發的波浪能約30億千瓦。中國沿岸波浪能資源非常豐富,但分布不均勻,臺灣省沿岸最多,約為429萬千瓦,占全國總量的1/3,其次是浙江、廣東、福建和山東沿岸,共約706萬千瓦,約占全國總量的55%,

波浪能發電裝置通常由三大系統組成,即能量俘獲系統(一級能量轉換系統)、二級能量轉換系統和三級能量轉換系統。依據能量俘獲系統的不同,波浪能發電技術可分為點吸收型式、截止式、消耗式等,依據二級能量轉換系統的不同,可分為氣動式、液壓式、液動式、直驅式等。

在國家自然科學基金會、科技部、中國科學院相關科技計劃和專項資金的支持下,2010年海洋能專項資金設立以后,有十幾個研究所和大學開展了振蕩浮子式、擺式、筏式等波能轉換裝置的研究,主要研究機構包括:中國科學院廣州能源研究所、國家海洋技術中心、上海交通大學、中國海洋大學、中船重工717所和大連理工大學等。有的完成了實驗室模型試驗,有的研制了工程樣機并進行了海試,基本實現了自主創新的技術過程。

據不完全統計,中國目前開發的波浪能裝置約40個,裝機容量范圍在10瓦到300千瓦之間。鷹式波浪能發電裝置“萬山號”是其中的卓越代表,該裝置由中國科學院廣州能源所研制,針對中國海洋能資源特點進行設計制造,前期裝機容量為120千瓦,后續擴大到200千瓦。該裝置整體長36米、寬24米、高16米,在海上既可以像船舶一樣漂浮,也可以下潛至設定深度成為波浪能發電設備。

2015年7月,“萬山號”建造完成并順利轉場。4個月之后,“萬山號”在珠海市萬山島海域投放。海試期間,其主體浮態正常,吸波浮體姿態穩定、回應敏捷,能量轉換系統投入工作,其在小于0.5米浪高的波況下頻繁蓄能、發電。

特別值得一提的是,“萬山號”在海試期間成功抵御熱帶氣旋的襲擊,在風暴與大浪的環境下持續穩定發電,驗證了其優秀的波浪能俘獲能力、轉換效率、穩定性和可靠性,多項關鍵性指標接近國際上較為成熟的波浪能技術。

記者 張保淑