耕耘“藍(lán)色沃土” 收獲“綠色動(dòng)力”——中國(guó)海洋能開發(fā)利用成果豐碩
(改革開放40周年科技系列報(bào)道之能源篇③)
“八月濤聲吼地來(lái)，頭高數(shù)丈觸山回。”唐代詩(shī)人劉禹錫筆下的浙江錢塘潮，猶如一群蘊(yùn)含強(qiáng)大生命力的猛獸，發(fā)出震天動(dòng)地的吼聲，從蒼茫渺遠(yuǎn)的大海奔騰而來(lái)，之后又觸山而回。一代代生息繁衍在大海之濱的中國(guó)人，在錢塘潮起潮落之間，領(lǐng)略著大海的雄渾與壯美，感受著滔天巨浪帶來(lái)的心靈震撼。
隨著對(duì)海洋的了解不斷深入，中國(guó)人越來(lái)越深刻地認(rèn)識(shí)到，海洋除了是天然“大糧倉(cāng)”，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(chǎn)資源，蘊(yùn)含著巨大的能量，可以說(shuō)是人類取之不盡、用之不竭的能量寶庫(kù)。
打開海洋能量寶庫(kù)并不容易，它考驗(yàn)著一個(gè)國(guó)家在能源領(lǐng)域的科研水平和技術(shù)實(shí)力。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期努力，特別是改革開放40年來(lái)的不懈奮斗，中國(guó)在海洋能領(lǐng)域，特別是在潮汐能、潮流能、波浪能等開發(fā)利用方面，獲得了長(zhǎng)足進(jìn)步，取得了豐碩成果。
新型潮汐能技術(shù)為大規(guī)模開發(fā)奠定基礎(chǔ)
潮汐能是指海水受月球、太陽(yáng)對(duì)地球產(chǎn)生的引潮力作用而周期性漲落所儲(chǔ)存的勢(shì)能，其主要利用方式是發(fā)電。通過(guò)建筑攔潮壩，利用潮水漲落形成的水位差，推動(dòng)水輪機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，其原理與水力發(fā)電相似。國(guó)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(fā)電對(duì)水輪發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)和性能提出很高要求。對(duì)于潮汐能開發(fā)利用的具體方式，劉偉民解釋說(shuō)主要有單庫(kù)雙向、單庫(kù)單向、雙庫(kù)單向和雙庫(kù)雙向等傳統(tǒng)方式和潮汐澙湖、動(dòng)態(tài)潮汐能等具有環(huán)境友好特點(diǎn)的新型潮汐能技術(shù)。傳統(tǒng)攔壩式潮汐能技術(shù)早在數(shù)十年前就已實(shí)現(xiàn)商業(yè)化運(yùn)行。目前，國(guó)際上在運(yùn)行的攔壩式潮汐電站主要采用單庫(kù)方式。如建于1966年的法國(guó)朗斯電站，采用單庫(kù)雙向工作方式，即通過(guò)攔壩形成一個(gè)水庫(kù)，在漲潮時(shí)或落潮時(shí)均可發(fā)電，平潮時(shí)不發(fā)電;建于1984年的加拿大安納波利斯電站采用單庫(kù)單向工作方式，只有一個(gè)水庫(kù)，且只在落潮時(shí)發(fā)電。
無(wú)論在傳統(tǒng)攔壩式潮汐能技術(shù)還是在新型潮汐能技術(shù)方面，中國(guó)都取得了突出成就。在前者方面，劉偉民介紹說(shuō)，20世紀(jì)80年代中國(guó)裝機(jī)容量最大的潮汐電站——浙江溫嶺江廈潮汐電站和浙江玉環(huán)縣海山潮汐電站是典型代表。江廈電站第一臺(tái)機(jī)組于1980年5月投產(chǎn)發(fā)電。2007年，該電站6號(hào)機(jī)組進(jìn)行了技術(shù)改造，使電站總裝機(jī)容量由3200千瓦增加到3900千瓦。2012年，1號(hào)機(jī)組開始擴(kuò)容增效改造，單機(jī)容量增加了200千瓦，這樣江廈潮汐電站總裝機(jī)容量達(dá)4100千瓦，位列世界第四。截至2017年年底，該電站已累計(jì)實(shí)現(xiàn)發(fā)電量2.14億千瓦時(shí)。海山潮汐電站于1975年建成，是國(guó)內(nèi)最早的潮汐電站，總裝機(jī)容量150千瓦，年發(fā)電量31萬(wàn)千瓦時(shí)，日平均發(fā)電20.5小時(shí)。
在萬(wàn)千瓦級(jí)潮汐電站研究方面，劉偉民介紹說(shuō)，2009—2015年，中國(guó)開展了一系列萬(wàn)千瓦級(jí)潮汐電站的預(yù)可行性研究報(bào)告，包括浙江臺(tái)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(cè)算的平均出廠電價(jià)與國(guó)際潮汐能電站發(fā)電價(jià)格相當(dāng)。
在新型潮汐能技術(shù)研究方面，劉偉民介紹說(shuō)，中國(guó)科學(xué)家主要開展了利用海灣內(nèi)外潮波相位差發(fā)電研究和動(dòng)態(tài)潮汐能技術(shù)研究，前者旨在研究如何利用海灣內(nèi)外潮波相位差進(jìn)行潮汐能發(fā)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(guò)建造一個(gè)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(cè)引起潮汐的相位差，并產(chǎn)生水位差來(lái)推動(dòng)壩體內(nèi)的雙向渦輪機(jī)進(jìn)行發(fā)電，已完成數(shù)模分析方法、適用模型機(jī)組水力學(xué)特性研究和在福建東山島等潛在開發(fā)利用站址初選等工作。這些為大規(guī)模開發(fā)潮汐能奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。
潮流能發(fā)電技術(shù)應(yīng)用進(jìn)入兆瓦時(shí)代
1978年的3月17日，也就是全國(guó)第一次科學(xué)大會(huì)召開的前一天，神州大地即將迎來(lái)希望時(shí)刻。名不見經(jīng)傳的浙江定海人何世鈞和他的同事小心翼翼地將租來(lái)的小渡輪錨泊在西堠門航道潮流最急的地方，把水輪機(jī)下放入海，并在渡輪兩邊固定。隨著水輪機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，發(fā)電機(jī)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(shí)歡呼聲一片。何世鈞終于實(shí)現(xiàn)了20年的夙愿：用潮流能發(fā)電點(diǎn)亮生活。他因此被譽(yù)為“中國(guó)第一個(gè)用潮流發(fā)電的人”。
潮流能與潮汐能相伴而生，都是月球和太陽(yáng)的引潮力作用于海水的結(jié)果，所不同的是潮流能為引潮力使海水產(chǎn)生周期性的往復(fù)水平運(yùn)動(dòng)而形成的動(dòng)能，潮汐能則為引潮力作用使海水周期性漲落所儲(chǔ)存的勢(shì)能。潮流能的發(fā)電原理和風(fēng)力發(fā)電類似，即把水流的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，進(jìn)而將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。世界上首個(gè)實(shí)現(xiàn)商業(yè)化并網(wǎng)試驗(yàn)運(yùn)行的潮流能發(fā)電系統(tǒng)為北愛爾蘭“Sea Gen(海洋發(fā)電機(jī))”，裝機(jī)容量1.2兆瓦。
何世鈞潮流發(fā)電的成功是中國(guó)在此領(lǐng)域內(nèi)發(fā)展的一個(gè)里程碑，在此之后，在國(guó)家相關(guān)科技計(jì)劃和專項(xiàng)資金等的支持下，潮流能技術(shù)開發(fā)與應(yīng)用得到快速發(fā)展。2002年，哈爾濱工程大學(xué)完成了中國(guó)首座漂浮式潮流實(shí)驗(yàn)裝置“萬(wàn)向Ⅰ”，約3年后，又推出海底固定式垂直軸潮流實(shí)驗(yàn)電站“萬(wàn)向Ⅱ”。2011年，由該大學(xué)設(shè)計(jì)并完成裝機(jī)的潮流發(fā)電水輪機(jī)“海明Ⅰ”成功實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)運(yùn)行和并網(wǎng)輸電。此外，浙江大學(xué)和東北師范大學(xué)也都設(shè)計(jì)研制了各具特色風(fēng)格的潮流發(fā)電水輪機(jī)。
2016年1月初，裝機(jī)容量3.4兆瓦的“LHD林東模塊化大型海洋潮流能發(fā)電機(jī)組”總成平臺(tái)在浙江舟山下海，這是中國(guó)首臺(tái)自主研發(fā)生產(chǎn)的裝機(jī)功率世界最大的潮流能發(fā)電機(jī)組，包括總成平臺(tái)系統(tǒng)、雙向調(diào)節(jié)水輪機(jī)渦輪系統(tǒng)及傳動(dòng)系統(tǒng)、增變速系統(tǒng)及發(fā)電機(jī)組系統(tǒng)等15大系統(tǒng)，擁有50多項(xiàng)核心專利。7月27日，隨著浮吊船將兩個(gè)24米高、230噸重的發(fā)電組模塊精準(zhǔn)吊裝至海下總成平臺(tái)，中國(guó)潮流能發(fā)電進(jìn)入“兆瓦時(shí)代”，在潮流能源開發(fā)利用領(lǐng)域走在了世界前列。
鷹式波浪能發(fā)電性能直追國(guó)際水平
海洋波浪能是由風(fēng)能轉(zhuǎn)化而來(lái)的一種能量，風(fēng)吹過(guò)海洋，通過(guò)海-氣相互作用把能量傳遞給海水，形成波浪，將能量?jī)?chǔ)存為勢(shì)能(水團(tuán)偏離海平面的位勢(shì))和動(dòng)能(水體運(yùn)動(dòng))。據(jù)統(tǒng)計(jì)，地球上海洋所具有波浪能的理論值大大超過(guò)世界當(dāng)前總發(fā)電量，全球可供開發(fā)的波浪能約30億千瓦。中國(guó)沿岸波浪能資源非常豐富，但分布不均勻，臺(tái)灣省沿岸最多，約為429萬(wàn)千瓦，占全國(guó)總量的1/3，其次是浙江、廣東、福建和山東沿岸，共約706萬(wàn)千瓦，約占全國(guó)總量的55%，
波浪能發(fā)電裝置通常由三大系統(tǒng)組成，即能量俘獲系統(tǒng)(一級(jí)能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng))、二級(jí)能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)和三級(jí)能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。依據(jù)能量俘獲系統(tǒng)的不同，波浪能發(fā)電技術(shù)可分為點(diǎn)吸收型式、截止式、消耗式等，依據(jù)二級(jí)能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的不同，可分為氣動(dòng)式、液壓式、液動(dòng)式、直驅(qū)式等。
在國(guó)家自然科學(xué)基金會(huì)、科技部、中國(guó)科學(xué)院相關(guān)科技計(jì)劃和專項(xiàng)資金的支持下，2010年海洋能專項(xiàng)資金設(shè)立以后，有十幾個(gè)研究所和大學(xué)開展了振蕩浮子式、擺式、筏式等波能轉(zhuǎn)換裝置的研究，主要研究機(jī)構(gòu)包括：中國(guó)科學(xué)院廣州能源研究所、國(guó)家海洋技術(shù)中心、上海交通大學(xué)、中國(guó)海洋大學(xué)、中船重工717所和大連理工大學(xué)等。有的完成了實(shí)驗(yàn)室模型試驗(yàn)，有的研制了工程樣機(jī)并進(jìn)行了海試，基本實(shí)現(xiàn)了自主創(chuàng)新的技術(shù)過(guò)程。
據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，中國(guó)目前開發(fā)的波浪能裝置約40個(gè)，裝機(jī)容量范圍在10瓦到300千瓦之間。鷹式波浪能發(fā)電裝置“萬(wàn)山號(hào)”是其中的卓越代表，該裝置由中國(guó)科學(xué)院廣州能源所研制，針對(duì)中國(guó)海洋能資源特點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)制造，前期裝機(jī)容量為120千瓦，后續(xù)擴(kuò)大到200千瓦。該裝置整體長(zhǎng)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(shè)定深度成為波浪能發(fā)電設(shè)備。
2015年7月，“萬(wàn)山號(hào)”建造完成并順利轉(zhuǎn)場(chǎng)。4個(gè)月之后，“萬(wàn)山號(hào)”在珠海市萬(wàn)山島海域投放。海試期間，其主體浮態(tài)正常，吸波浮體姿態(tài)穩(wěn)定、回應(yīng)敏捷，能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)投入工作，其在小于0.5米浪高的波況下頻繁蓄能、發(fā)電。
特別值得一提的是，“萬(wàn)山號(hào)”在海試期間成功抵御熱帶氣旋的襲擊，在風(fēng)暴與大浪的環(huán)境下持續(xù)穩(wěn)定發(fā)電，驗(yàn)證了其優(yōu)秀的波浪能俘獲能力、轉(zhuǎn)換效率、穩(wěn)定性和可靠性，多項(xiàng)關(guān)鍵性指標(biāo)接近國(guó)際上較為成熟的波浪能技術(shù)。
記者 張保淑
責(zé)編：謝源
