近海可再生能源发电

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近海可再生能源发电【近海可再生能源发电】近海可再生能源主要有近海风能、波浪能、潮流能、温差能、盐差能等。其中，相对于其他近海能源而言，近海风力发电技术比较成熟，已经进入了商业化运营阶段。波浪能和潮流能发电技术近年来取得了长足的进步。各国科技工作者开发了多种发电装置，部分已经建成了试验电站，随着相关技术的进一步发展，波浪能和潮流能发电系统将成为继风电之后实现商业化运营的可再生能源。温差能和盐差能，由于技术条件的限制，距离实际的开发利用还有相当的距离。因此，目前可利用的近海可再生能源主要包括近海风能、波浪能和潮流能。
基本介绍中文名：近海可再生能源发电
外文名：Offshore renewableenergy power generation
学科：电气工程
领域：能源利用
套用：近海潮汐能、风能等综合利用
特点：不同类型近海能源综合利用
背景海洋覆盖着地球70%的表面，蕴涵着巨大能量，据估算其能量总和大大超过了目前全球能源的需求。在现有的技术条件下，可利用的海洋能主要分布在近海。近海能源是清洁的可再生能源，科学地开发和利用对缓解能源危机和环境污染问题，具有重要意义。我国东部海岸线漫长，近海可再生能源资源丰富，而恰好我国东部沿海地区经济发达、电力负荷密集、电网强大，这些都为大规模的开发和利用近海可再生能源创造了有利条件和动力。与此同时，我国正在实施海洋资源和可再生能源开发的发展战略，近海可再生能源作为一种重要的海洋资源和清洁能源，其开发和利用是国家发展战略的必然要求。由此可见，近海可再生能源将成为中国未来能源结构中的重要组成部分。近海可再生能源主要有近海风能、波浪能、潮流能、温差能、盐差能等。其中，相对于其他近海能源而言，近海风力发电技术比较成熟，己经进入了商业化运营阶段;波浪能和潮流能发电技术近年来取得了长足进步，各国科技工作者开发了多种发电装置，部分己经建成了试验电站，随着相关技术的进一步发展，波浪能和潮流能发电系统将成为继风电之后实现商业化运营的可再生能源;温差能和盐差能由于受技术条件限制，距离实际开发利用还有相当距离。因此，目前可利用的近海可再生能源主要包括近海风能、波浪能和潮流能。需要指出的是，波浪能和潮流能发电系统虽然取得了可喜的进展，但波浪能和潮流能装置的可靠性差是制约其不能实现商业化运营的主要因素之一。此外，当风暴潮来临，漂浮的波浪能和潮流能发电装置很容易被损坏，这样不仅由于装置损毁造成经济损失，同时还对过往船只、海上建筑物和海堤的安全产生巨大威胁。因此不管是从提高波浪能和潮流能发电装置可靠性还是从海域和海岸的安全性出发，都必须有可靠的固定和承载波浪能和潮流能发电装置。与此同时，值得注意的是，近海风力发电装置的基础平台技术成熟，如果能够利用近海风电的基础平台，融合近海风力发电、波浪能发电和潮流能发电，构建近海可再生能源综合发电平台，不仅能够大大提高近海可再生能源发电系统的可靠性，还为近海可再生能源的商业化运营奠定基础。各种近海发电方式研究综述近年来，世界各国在近海可再生能源发电方面开展了广泛研究，主要研究包括4个方面的内容，即风力发电，波浪能发电，潮流能发电，近海可再生能源综合发电。风力发电近海风能资源丰富，海上风力发电近年来发展迅速，截至2011年底，世界海上风力发电累计装机容量己达4GW 。世界各国相继建成了大型的海上风力发电场。我国自2004年开始在广东、上海、浙江、江苏、山东等沿海地区规划建设海上风力发电场，并于2010年在上海东海大桥建成了亚洲首座大型近海风力发电场。目前对于近海风力发电的研究主要集中在以下几个方面：(a)近海风能资源的评估及近海风力发电场的选址。一般来说，海上风资源的评估应基于数据监测和建模技术，而海上风力发电场的选址除了需要考虑风能资源、水深和海底地质条件以外，在总体规划时对海上建筑物、轮船航道、渔业生产和海生动物的生态环境等的影响也应考虑；(b)近海风力发电系统基础结构研究。海上风力发电机组基础结构有重力式结构、单桩结构、三脚架结构、导管架结构和浮式结构，分别对应不同的水深和海床条件。其中单桩结构是目前海上风力发电场套用最多的一种结构，其次是重力式结构；(c)近海风力发电机组的研究。目前海上风力发电机组容量主要集中在2MW至5MW 。採用的发电形式主要有间接驱动的双馈感应发电机、直驱永磁发电机以及混合式发电系统。现在正在开发的近海风力发电机组容量将达6MW至10 MW；(d)近海风力发电场接入方式。一般情况下，近海风力发电机组按照一定的规律排列分布，经内部集电网路与海上升压变电站相连线，然后採用交流或者直流方式併网；(e)近海风力发电场的併网运行。由于风力发电的随机性和间歇性的特点，会引起电网子系统之间的功率交换的快速变化，对电网的安全稳定运行产生了重要的影响。併网运行方向研究工作开展较多，成果也多，主要包括:风力发电机组及其元件的建模、风力发电场的等效建模、含风力发电场电网的安全稳定分析和控制以及电能质量问题等。波浪能发电波浪能方面的研究主要集中于波浪能发电装置及其控制器的开发。波浪能发电装置多种多样，按照能量转换方式进行分类，大致分为振荡水柱式、摆式、筏式、收缩波道、点吸收、鸭式等。近年来建成的振荡水柱式波浪发电装置主要有英国的LIMPET、中国广东汕尾100 kW固定式电站。採用筏式波浪能利用技术的有英国McCabe波浪泵波力装置和海蛇(Pelamis)波能装置。收缩波道电站有挪威的350 kW的固定式收缩波道装置以及丹麦的WaveDragon 。点吸收式装置有英国的AquaBuOY装置、阿基米德浮子、PowerBuoy以及波浪骑士装置等。目前，由3台750 kW的海蛇波浪能发电装置构成的波浪能发电场己经在葡萄牙建成，并己进入商业化试运营。在波浪能发电系统的控制和併网技术方面，採用解藕控制技术跟蹤波浪能最大功率，设计全功率的“背靠背”变换器及其控制策略，以满足波浪能发电系统併入电网运行的要求。潮流能发电潮流能发电装置主要可以分成水平轴式和垂直轴式2种结构。目前己研製成功的垂直轴式潮流发电装置主要有:加拿大Blue Energy公司研製的试验样机，最大功率等级达到100 kW;义大利Ponte diArchimede International Sp A公司和Maple、大学合作研发的130 kW垂直轴水轮机模型样机。此外，美国GCK Technology公司对一种具有螺旋形叶片的垂直轴水轮机(GHT)进行了研究。日本大学对垂直轴式Darrieu、型水轮机进行了一系列的设计及性能试验研究。在中国，哈尔滨工程大学较早地开展了垂直轴潮流能发电装置的研究，研製了40 kW的样机并进行了海上试验，同时在垂直轴水轮机的水动力学方面也开展了大量的理论研究。中国海洋大学设计了基于柔性叶片的垂直轴潮流能发电装置，并对水轮机的结构、参数和性能进行了最佳化设计。与垂直轴式结构相比，水平轴式潮流能发电装置具有效率高、自启动性能好的特点，若在系统中增加变桨或对流机构则可使机组适应双向的潮流环境。英国Marine Current Turbin 。公司设计了世界上第1台大型水平轴式潮流能发电装置—300 kW的“Seaflow"，并于2003年成功进行了海上试验。该公司第2阶段商业规模的1. 2MW双叶轮结构的“Seagen”样机也于2008年成功进行了试运行。在中国，2005年浙江大学开始了潮流能发电装置的研究，2009年研製成功了25 kW的半直驱式潮流能发电机组，并进行了海上试验。2010年开发了20 kW液压传动式潮流能发电装置，实现了平稳的功率输出和变桨距运行。另外东北师範大学也开发了用于海洋探测仪器的2kW低流速潮流能发电装置，并对其中密封、防腐等关键技术进行了研究。近海可再生能源综合发电目前在近海可再生能源综合发电系统方面的研究还很少。Rahman等提出了基于海上风能和潮流能的混合发电系统，构建了仿真系统，通过仿真模型分析了潮流与海上风能之间的相关性，验证了混合发电系统的可行性。Da等设计了风能和潮流能混合发电系统的控制策略，实现了两种发电装置的最大功率跟蹤控制。在此基础上，Rahman等研究利用潮流能发电机可在发电机状态和电动机状态灵活切换的特点，平滑风力发电系统的功率波动，使得风能和潮流能混合发电系统输出平稳的功率。综合能源发电研究展望研究思路综上所述，近年来在近海可再生能源发电方面己经开展了大量的研究工作，成果主要集中在近海风力发电平台的设计和安装，近海风力发电机组的设计、控制和併网运行，以及波浪能发电和潮流能发电装置的设计和控制等方面。但这些工作都是以单一的近海可再生能源发电为研究对象，利用率低而且可靠性差。在近海可再生能源综合发电方面有一些初步的研究，但只涉及风能和潮流能，而且只是概念和初步仿真。为此，研究近海可再生能源综合发电，融合近海风力发电、波浪能发电和潮流能发电，发挥综合优势，提高发电的利用率和可靠性。该系统具有以下特性：(a)分别捕获位于海面以上几十米的风能、海平面上的波浪能和海平面以下的潮流能，垂直分布高度差达近百米；(b)发电装置具有不同的输出特性，风力发电的随机性较强，波浪能发电周期性变化，且具有一定的随机性，潮流能发电相对平稳，并可以精确预测；( c)近海可再生能源发电系统远离岸边，最远可达几十千米。这一系列特性对近海可再生能源综合发电系统的设计、分析、控制以及併网运行，提出了必须研究的一系列内容。研究内容近海可再生能源综合发电研究架构如图所示，主要包括3个方面的研究内容。