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可再生能源|前沿研究丨海洋可再生能源的前景( 二 )


我们面临的挑战就是如何用最少的费用开发和存储这些能源 。 这涉及技术、基础设施、成本节约、投资、环境影响、海洋管理、政府政策和立法等方面的问题 。 政府对MRE领域的管制比较强 。 为了能更好地开展工作 ， 我们还需收集海床粗糙度、波面高度、潮流、涡流和湍流等数据信息 。 图1中生长在苏格兰海床的极北海带(Laminaria hyberborea)向我们展示了海床的环境是多么复杂 。 为了清除MRE系统中的障碍 ， 人们已制订出各种多学科MRE技术发展方案路线图 ， 包括设备测试、并网费用和MRE技术的测试(尚无国际测试标准) 。 小规模的试点项目对设备的初期测试和优化非常重要(如在西班牙坎塔布里亚环境水力学研究院(IH Cantabria)进行的项目) 。
而海洋测试站点则可提供试点规模放大和完整的原型条件 。 例如 ， 苏格兰奥克尼郡的欧洲海洋能源中心(建于2003年 ， 连接14个泊位 ， 在25~50m处测试波浪和潮汐相关设备)；波浪中心(Wave Hub)(连接4个泊位 ， 水深60~100m ， 位于英格兰康沃尔海岸)；爱尔兰的高威海湾四分之一规模测试点和贝尔马利特全规模测试点；美国能源部赞助的三个国家MRE中心——西北国家海洋可再生能源中心(NNMREC) ， 测试点位于俄勒冈海岸、普吉特海湾和华盛顿湖；西南国家海洋可再生能源中心(SNMREC) ， 在佛罗里达海峡测试相关设备；夏威夷国家海洋可再生能源中心(HINMREC) ， 主要测试波浪能转换器和热能转换器设备 。 加拿大海洋可再生能源中心(Marine Renewables Canada)对上述测试中心的信息进行了对比整理 。
可再生能源|前沿研究丨海洋可再生能源的前景
本文插图

图1 极北海带(Laminaria hyberborea)生长在苏格兰彭特兰湾水深达30m的地方 。 彭特兰湾是苏格兰大陆和奥克尼群岛之间的一片海峡 ， 是世界上利用潮汐能的最佳位置 ， 潮流速度可以超过5m?s–1
下面分别介绍开采海洋能源的不同技术 。 更详细的内容可以参考Day等关于MRE设备的文章、Khan等关于海洋涡轮机的文章、Drew等关于波浪能转换器的文章 ， 以及Adcock等关于潮汐能测试模型的文章 。
（一）海上风电能源
海上风力涡轮机技术来源于由发电风车改进而来的陆上风力涡轮机(图2(a)所示为由美国克利夫兰的Charles F.Brush建立的12kW风力涡轮机) 。 海上风力涡轮机一般由三个叶片组成 ， 和陆上风力涡轮机相似 ， 如图2(b)所示 。 海上和陆上的风力发电技术一直在快速发展 ， 目前最大的风力涡轮机是美国超导公司(AMSC)建造的SeatitanTM10MW风力涡轮机 。 其轮轴高125m ， 转子直径为190m ， 转速为10r?min–1 ， 叶尖速度接近100m?s–1 ， 额定功率为10MW 。 该风力涡轮机的转子直径未来可能进一步升级至250m ， 额定功率可达20MW 。 以这么快的速度运转 ， 噪声和叶片腐蚀是有待解决的问题 。 科学家正对海上漂浮式风力涡轮机的深水组装进行更深入的研究 。 例如 ， Principle Power在位于葡萄牙海域的一个漂浮式平台上安装了一台2MW的海上风力涡轮机 ， 预计将来最大功率容量会达到150MW 。
可再生能源|前沿研究丨海洋可再生能源的前景
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图2 风力涡轮机技术的进化 。 (a)Charles F.Brush的发电风车 ， 建于1887—1888年(图片由维基百科提供)；(b)位于比利时北海桑顿浅滩的现代海上风电场 ， 由瑞普尔(Repower)生产的5MW轴流式涡轮机组成(图片由Hans Hiller提供 ， 来自维基百科)
虽然海上风电技术正在快速发展 ， 但还是存在一些工程问题 。 例如 ， 在海洋环境中海洋基础设施和悬浮支撑结构的设计和建设；基于3D计算流体动力学(CFD)的涡轮机设计问题；转子叶片先进材料的使用；更复杂和强大的控制系统 ， 降低叶片损耗的方法 ， 以及船舶操纵的安全控制；海上基础设施的共享(如发电、储存和海水养殖) 。 图3所示为根据CFD模拟出的当风穿过瑞典南海岸Lillgrund海上风电厂的一排涡轮机后产生的效果以及涡轮机后部的3D旋流效果图 。


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