万紫千红!多能互补海洋能集成发电技术研究综述
发布日期：2022/6/8
随着煤炭等化石能源开发逐渐步入夕阳产业行列，全球能源结构正在进行迅速迭代，以太阳能、风能、海洋能等可再生能源为首的清洁能源的崛起，已经成为人类社会发展过程中必不可少的环节。而在诸多能源协同开发的过程中，由于不同能源系统彼此之间存在本质差异，能源捕获与利用常常都是单独设计、孤身运行、自我闭环发展，相互之间缺少联系与协调，由此引发的能源利用率低、供能系统稳定性差等问题层出不穷，已经引起了界内研究人员的重点关注。
因此，加强多能互联、促进各个能源的能量耦合和协同作用，是目前新能源研究领域的重要课题。在2015年，国家发改委和国家能源局就已经提出“加强能源互联，促进多种能源优化互补”的倡议；《全国科技兴海规划（2016-2020 年）》对推进海洋能发电系统的发展和应用示范作出号召。所以，将多种能源同时纳入同一运转系统中进行集成运作，实现不同能源的阶梯利用以及协同调度，是响应上述号召的方法思路。
海洋作为可再生能源的重要来源体，包含了太阳能、风能、波浪能、潮流能等多种不同的能量，在对这些能源进行海上的获取与开采时，应对多能集成的系统分析、设计及电能的处理、信息通讯进行深度整合和建设，因此，海上多能集成发电一体化平台的建立与研究便应运而生。集成发电技术主要在于将风、光、浪、流等能源的捕获、转换、发电和供电紧密融合到同一系统中，该系统在海洋中长期运转，进行自供电与对外供电，与海上各种用电设备之间进行电能传输和信号交换，为不同海洋场景下的能源输入输出提供接口，实现多能源的多级、高效利用。
一、国外研究现状
早在2002 年，意大利的Ponte di Archimede(PdA)公司就在海上建立了名为Kobold的潮流能发电平台（图1），该平台基于竖直轴桨叶轮机，安放了6kW的太阳能发电设备，进行光伏—潮流能互补发电。120kW样机平台在墨西拿海峡进行了海试，采用水泥方块以及多组尼龙材质的固定绳将平台与海底固定。样机参数如表1所示，其上安置六角柱式的内容舱，舱内有传动装置、电机以及电能处理系统，对两组电能进行处理，并通过海底电缆并网发电，Kobold是世界上第一个进行并网发电的多能互补发电平台。
图1 意大利Kobold光伏—潮流能发电平台
表1 Kobold潮流能轮机参数
2007年，Dominic Michaelis（2011）首次提出“Energy Island”的想法，核心构思是在海上搭建一个巨大的平台式漂浮发电系统，在上面阵列分布建立多组风力发电涡轮机，同时，在内部放置太阳能发电板、波浪能发电装置及其他能源收集装置，这样可以将平台所在海域的可再生能源利用最大化，形成一个人工制造的“Energy Island”。同年，荷兰的Lievence部门和KEMA公司对“Energy Island”的技术实现和可行性进行了充分的研究，并对整个发电平台的造价、工期和预期收益进行评估，肯定了“Energy Island”的合理性和可行性。
2008年，丹麦的Floating Power Plant公司实行“Floating Power Plant”计划，打造了名为Poseidon 37的风能、波浪能集成发电综合式平台，如图2所示。整个集成发电平台长23m，宽37m，平台顶部距离夹板高度6m，全平台重约350t。Poseidon 37借鉴了石油塔式钻井的浮台技术，能够抵抗较大的风浪侵蚀。平台在三面设置风力发电机，中间水下安放潮流能水力发电机，两种能源互补发电，可以减小天气和气候对单一发电源的影响，提高发电功率。目前，Floating Power Plant公司已经在丹麦外海进行了样机测试，并继续优化平台尺寸和发电设备参数，将发电成本降低到0.1～0.15 欧元。
图2 Poseidon 37海上风能、波浪能综合发电平台
2011年，苏格兰的Green Ocean Energy Ltd公司将风力发电技术融入振荡浮子式波浪能发电设备中，研制出Wave Treader波浪能-风能联合发电装置（图3），并于2012年完成样机测试。
WaveTreader 发电装置安装于海上的风机基座，利用多组浮体捕获波浪能的起伏运动，驱动基座中心处安装的液压缸轴，依次通过蓄能器、旋转液压引擎以及发电机进行发电。波浪能、风能发电得到的电能经过整流处理，通过海底电缆运输至岸上用电设备，或者直接并网。Wave Treader可以随着波浪方向以及潮差情况随时调整方向，以时刻处于最大获能状态。整个装置长50m，宽23m，浮体材质为玻璃钢，每组发电装置装机容量为600～800kW，设计寿命达20年以上，每隔5年进行一次维护。此外，Green Ocean Energy Ltd公司计划2015～2025 年将在英国附近海域安放7000～8000个Wave Treader装置。
图3 Wave Treader风能波浪能联合发电装置
2012年，瑞典的Minesto公司对一种“Underwater kite”发电机进行研究，初期用于海洋潮流能发电，2015年前后，Minesto将这种潮流能发电机与离岸风力发电系统结合起来，通过DG500装置在海上形成一个用于海洋微电网系统浮标的联合发电平台（图4）。目前，该公司已经将搭载着风—流互补发电系统的海上浮标安装运行，这种海上浮标平台由三组锚链系泊系统固定于海底。在海上极端天气条件下，可以依靠互补发电系统进行发电，为浮标的运行动力和通讯提供电力。
图4 Minesto风—流互补发电电网系统
2015年，美国Gorlov Helical Turbine公司在缅因州科斯克湾建立潮流能和波浪能联合发电站，潮流能轮机采用螺旋桨式设计（图5），包含三组螺旋叶片，这样可以使得轮机运行比较平稳，并能增大启动力矩，可以更好地适应各种海况。
图5 Gorlov潮流能和波浪能联合发电装置
除此之外，Bavarit 等对中等规模局部储能相关联的海上风力机与波浪能发电装置在大西洋岛屿电力供应中的技术进行了研究，从能量转换、互补发电和储能技术等方面对大西洋海域环境下风能与波浪能的利用进行了介绍，模拟仿真了实地电力供应模型，并对两种轮机的作用机理及耦合方法进行了分析和研究；Ahmed 等结合太阳能、风能燃料电池的混合发电模式，对三种供能机组的功率波动进行了研究，并为风机获能部件的优化方法提供了思路。东京大学发明了悬舵式波浪能发电装置和潮流能发电装置，并在东北町进行了样机测试，2014年在冲绳地区实施了温差能利用项目，旨在将多种海洋能进行综合开发利用；西班牙海洋能研究人员对不同尺度下风、浪、流能源的极端海况进行研究，并构建多能集成发电试验场（BIMEP），进行了相关海底电缆的铺设工作；德国杜伊斯堡艾森大学对波浪能和风能集成技术进行了研究，并于2014年进行了样机设计和制作；欧盟实行“海水可再生能源转换平台协同作用”计划，丹麦、西班牙和爱尔兰等国家积极响应计划号召，同时开展同一平台下海洋能集成发电技术的研究；美国正在将风力海浪联合发电应用于军事领域，计划用互补发电站为执行远海任务的UUV、AUV水下航行器充电。
二、国内研究现状
我国海洋资源丰富，随着国家对海洋能源开发的号召越来越强，参与到这个事业中的专家人员也越来越多，对于海上多能集成发电系统的研究，也渐渐繁荣起来。
2001 年，王德茂设计了一种风能和波浪能联合发电的装置（图6），采用摇摆式获能方式。装置设置了两组对称的可转动获能部件，每个获能部件都包含一组海上风能收集装置和海峡波浪能收集装置。当获能部件顺风摇摆时，受到风力做功，波浪能收集装置处于空载状态，当获能部件逆风摇摆时，风能收集装置空载，波浪能被捕获。两种获能装置通过半圆形滑轨和水平轴的结合，将两种能源耦合为同方向的圆周力，从而带动发电机进行发电。这种采用多能源耦合输出发电的装置，在中国是首创的。
图6 摇摆式风能波浪能联合发电装置
2003年，中科院电工研究所在大管岛试制了风力—光伏—波浪能综合互补发电系统（图7），在风能波浪能联合发电站的基础上加装了5kW的太阳能发电系统，并设置电能控制单元，将三种能源的发电体系匹配起来，实现多能互补发电。不过，这样做的实质只是将三种能源的独立模块装到一起，每个模块仍旧是独立运行，只是将发电电能在后期统一进行互补和收集，好处是可以在某个模块发生故障时通过其余模块进行电能补充，提高发电平台稳定性。但是，这样做并未将多能源的捕获进行耦合，且使系统结构较为复杂，安装及维修难度较大，体积较臃肿。
图7 大管道多能互补发电系统
2009年，在国家863项目“海岛可再生独立能源系统研建”的支持下，广州能源所对风能、太阳能、波浪能集成发电系统（图8）进行了研制和建立，在年底于珠海担杆岛进行运行发电，系统中的9组10kW的风机已经全部实现并网，整个发电系统实现24h全天供电。集成发电平台的发电总容量为105kW，其中包含风能90kW，波浪能10kW，太阳能5kW，另外设置备用柴油发电机100kW，为海岛居民以及其他海水淡化装置进行供电，其中每天海水淡化量可达60t。根据系统几年运行的实际情况来看，春、秋、冬三季无须柴油发电机进行电能补充，夏季由于用电量攀升，故需发电机补充供电，整个可再生能源互补发电系统年均发电量大约为1.5×105kWh。
图8 担杆岛可再生能源集成发电系统
2012年，厦门海上发电研究院研制了风浪同步耦合漂浮式海上发电平台，见图9。整个平台包括2组风机、8组波浪能轮机和24个海浪收集浮体。风能和波浪能通过竖直放置的能量收集装置进行聚合，通过传动装置和浮体连接成框架式网状结构，可以大幅提高能源收集的密度。两种能量通过超越离合器进行机械耦合，共同驱动发电机进行发电。该平台已于2014年在厦门海域进行了工程试验，取得了理想效果。
图9 风浪同步耦合漂浮式海上发电平台
2014年，华北电力大学研发了海上风浪互补发电平台，如图10，成功实现了液压蓄能型风能、波浪能互补发电平台，并与当年7月份进行了实海况样机测试。该平台将两种机械能以液压能的形式储存在蓄能器中，然后输出稳定的液压能，驱动马达，进而驱动发电机进行发电，这样可以使能源转化更加稳定。
图10 华北电力大学风浪互补发电平台
除此之外，浙江海洋学院研发了风能、波浪能和潮流能综合发电的发电装置；上海海洋大学设计出机械耦合式海上风力、波浪混合发电系统；柳博瀚等针对海洋可再生能源对一种应用于海上的新型发电装置进行了设计和研究，装置将海面波浪能、海中潮流能以及海上风能集成于同一个发电系统中，各个发电模块均采取驱动液压的思路，将不同性质和密度的能量耦合于同一机组中的液压能，从而使发电机运转产生电能，提高了海洋能发电装置的单机功率；毛亚郎等对海洋能开发的多能互补装置及分布式发电系统进行了研究，从不同海洋能的流体特征和力学差异入手，阐述了目前多能集成发电系统的基本理论框架和实体结构，同时介绍了多能发电配置的优化办法，提出分布式发电微网的思路，为海洋能综合平台的设计和运行成本的降低提供了具有实际意义的参考；邵萌对海洋能多能互补智能供电系统总体开发方案进行了研究与应用探索，结合我国洋流密度较低的情况，研究了多能集成发电的关键性技术，对资源评估方法、选址方案、装置选型参数和系统总体设计等方面进行了详细介绍；吕超等对海洋可再生能源装备技术的共性问题进行了研究，介绍了目前国内外在海洋能捕获装置和发电系统方面的成果及存在的问题，并对于多种海洋能的捕获、转化和利用技术的共性问题进行了进一步探讨；王葛对水平轴潮流能发电轮机的结构进行研究，利用LBM方法研究得到轮机结构对整机获能效率产生的影响。
通过分析以上国内外对于海洋多能互补集成发电装备和技术的发展状况，可以看出，许多研究机构、公司已经对多能集成发电技术进行了尝试，个中翘楚已经进行了装置生产和实地测试，极少数进行了规模化运行。但总的而言，在世界范围内，尚未有足够成功的商业化、产业化实例，原因主要在于技术爬升阶段研发成本仍旧居高不下，大部分前沿理论研究停留在实验室阶段，尚未进行孵化。近些年来，尤其是国内，对于海洋可再生能源开发的政策良好，我国很多研究中心、企业对于海洋能的投入也越来越多，随着先进技术的不断落地，我国乃至世界的海洋多能互补集成发电领域将迎来一个蓬勃发展的时期。
四、多能互补集成发电尚待解决的问题
对于海洋可再生能源集成发电系统的研究已经在研究人员的努力下渐渐展露峥嵘，但在实地应用的过程中，各个子系统通过大量异质元件进行耦合，不同运行模式对多能集成控制策略要求严格，海上多能集成供电平台无论在设计研究还是实践应用中都有着极大的困难，面临着巨大挑战。就从目前领域相关的主要文献来看，在海洋多能集成发电系统中尚需解决的问题有如下几个：
⑴资源评估。不同能源之间的资源分布具有较大的区域性差异，因此，在资源开发前期，根据我国海洋资源特点，对于不同频率和多尺度雷诺数的海洋新能源做好资源评估，根据资源详细分布状况指定发电和电网配套建设计划，实现多能之间的合理顺序开发，是必要之举。
⑵耦合获能。对于海洋能源的初级能量获取是整个能量转换系统中的关键问题，而在多能集成互补发电系统中，几种能量的综合获取和耦合利用更是重中之重。在海上多能平台中，将波浪能发电装置和潮流能发电装置进行综合整体设计，使得横向来流和纵向起伏波浪的能量融为一体，通过液压驱动发电机进行发电），与风光发电系统进行互补，统一进行电能储存利用。因此，要实现海洋能源的高效率使用，需对发电装置的获能部件进行充分的机理研究和优化设计，对风能、潮流能、波浪能的轮机性能进行测试和改进。
⑶整机防腐。由于发电系统长期在海水中运行，易受到风浪侵蚀和海水腐蚀，以及其他海中生物的黏附，造成零件损坏，影响装备寿命。因此，应从整机部件、零件的选材入手，研究耐腐蚀性好、高强度和高硬度的材料机理和制备工艺，增加发电系统的使用寿命。
⑷电机密封。在海洋中，水的压力和冲击都较大，且不稳定，对于发电装置元器件的影响较大，所以密封问题一直是海洋发电设备运行中的痛点和难点，因此，对于少槽多极直驱发电机密封方式的研究极为重要。
五、多能互补集成发电未来发展趋势
多能互补集成发电技术集数种海上能源利用技术于一体，其应用和发展潜力不可估量，通过对目前技术发展现状和技术原理进行分析，可以对日后多能互补集成发电的发展趋势做出如下展望。
⑴海洋平台离岸化。资料显示，我国近海10m水深的区域中，风能资源大约为100GW，20m水深内，风能资源达到300GW，30m水深内，风能资源约490GW，由此可见，随着离岸距离的增大，风能资源愈加丰富；同样，更大的风能资源可以带来更多的波浪能资源，因此，将海上多能发电平台向更深的海域进行拓展，可以获取含量更丰富的能源，同时也可以减少发电设备对于岸边设施和环境的影响。
⑵超导和新材料的应用。发电装置的集成度越高，对于零部件材料的整体重量、可承冲击、防腐蚀性能、电流承载量等有着更高的要求。因此，引入更为优质、更加轻质的新材料，尤其在电能传输时采用磁通密度更高的超导材料，是日后对于海洋集成发电平台选材的重要方法。
⑶轮机容量的大型化。相比风能和太阳能，波浪能和潮流能的能量密度更高，若要充分利用这两种海洋能源，必须不断增大获能轮机容量，以获得更大的功率输出。对于水轮机的研究是未来很长一段时间内新能源领域的重要课题，轮机容量的大型化也是必然的发展趋势。
⑷阵列式布局的水动力研究。无论是海上集成发电系统内部各个发电模块，还是发电平台整体，只有在海中进行阵列式多点布放，才能聚沙成塔，使得获取的海洋能源直线上升。但阵列式布局对周围流体产生的影响以及随之带来的装置水动力环境的影响也是不可忽视的问题，所以，如何在尽可能增加发电装置阵列数量的同时，掌握并控制水动力特性和流场运动机理的改变，是未来相当具有研究价值的问题。
六、结束语
人类的可持续的发展与可再生能源的进步息息相关，海洋的广袤是否成就人类前景的广阔，这个问题的实现需要每一个从事海洋能源研究的人的不懈努力。“十三五”以来，国家政策对于海洋能源的重视程度和支持力度越来越大，这激励着人们对海洋能源开发利用的理论研究、装备制造、技术迭代等进行不知疲倦的研究。多能互补海洋能集成发电为新能源的开发提供了一种新思路，并且未来前景极为广阔，相信在全人类的共同努力下，海洋能会更好地被利用于服务人类、服务地球，使能源丰盛，世界进步。
来源：溪流之海洋人生
