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日本海洋能源开发】多家企业竞相开发形态迥异新技术

2018-4-22 21:43| 发布者: dymodel| 查看: 178| 评论: 0|原作者: laoztou

摘要: 资料1.黑潮流速分布图 (出处:IHI、东芝、东大及三井物产战略研发布资料) 【日经BP社报道】前几篇文章主要介绍了日本海洋能源的概要及波力发电。本文将为读者介绍潮汐、海流及温度差发电的开发状况。这是一场 ...
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资料1.黑潮流速分布图
(出处:IHI、东芝、东大及三井物产战略研发布资料)

【日经BP社报道】前几篇文章主要介绍了日本海洋能源的概要及波力发电。本文将为读者介绍潮汐、海流及温度差发电的开发状况。这是一场力争充分利用堪称海洋资源象征的全球第二大洋流“黑潮”、以及能源蕴藏量巨大的表层与深层海水温度差的挑战。

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资料1.黑潮流速分布图
(出处:IHI、东芝、东大及三井物产战略研发布资料)
       关于潮汐和海流,是利用达到一定以上流速的海水能量。原理与风力发电相同,能源设备的技术性课题较少,海水的密度是空气(风)的800倍。另一方面,也由于密度高,而在叶片长度方面存在极限。并且,潮汐及海流速度较慢,关键要确保每秒流速在2米以上的场所。

       潮汐能发电是利用受太阳、地球及月球重力的影响,1天出现4次的潮汐的水流动力,潮汐产生在特定的海峡等处。场所极为有限,但比较接近陆地,供电投资负担相对较小,海汐流向等可提前预知。

       海流是指在偏西风等的作用下生成的宽一百公里以上的巨大洋流,其中蕴藏着巨大的能量。其优点在于朝着一定的方向流动,但从陆地到海底的距离较远。黑潮是日本领海内海流的代名词,但黑潮的流向有时会发生变化,所以又有“黑潮蛇行”之说(资料1)。

       对于潮汐和海流的开发,目前正在推进潮汐能发电的商业化,并力争充分利用海流。笔者在前几篇文章中曾介绍过,海外大企业已经开始与风险企业合作,在具有潮汐能(潮差)发展潜力的海域竞相推进实证业务准备工作。大规模潮汐能发电群(阵列)计划已经登场。

       在日本,1980年代,日本大学在来岛海峡成功实现了全球首例潮汐能发电。之后,日本大学及新日本制铁公司继续进行相关研究,2002年,日本海上保安厅在明石海峡设置了用于浮灯标电源的小型系统,但并未进行正式的实证研究。不过,现在以日本新能源产业技术综合开发机构(NEDO)为核心,有关方面开始致力于利用海洋能源的技术开发川崎重工业公司凭借综合实力向潮汐能发电发起挑战

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资料2.川崎重工正在开发的潮汐能发电装置
(出处:川崎重工业)
       川崎重工在海洋能源中着眼于潮汐能发电。该公司拥有船舶螺旋桨、潜水艇、海洋技术及燃气轮机等大量业务基础。并认为可充分利用自身的综合实力。其开发计划于2011年入选NEDO海洋能源技术研究开发事业,在日本国内实施了海域调查等。该公司计划将来还要利用黑潮进行潮汐能发电。

       川崎重工的涡轮机共3枚叶片,直径为18米,利用3只脚固定在水深40米~50米的海底(资料2)。海水流速在2.7米以上,设备利用率为40%,额定输出功率为1000千瓦。叶片1分钟转15圈,转一圈需要4秒钟时间,速度较慢。

       在维护时,需要拉起涡轮机或重新设置,会产生较大的负担,因此川崎重工在努力使维护变得更为省力。目前正在对各种系统进行探讨,例如,使放置发电设备等的短舱能够与设置在海底的结构物(基础)分离并轻松拉到海上等。并且,由于潮流的流向1天会改变4次,因此目前正专注于可确保基础部分稳定的设计。为了防止贝壳及藻类附着在设备上,还将改进涂装。

       除了在日本开展业务外,川崎重工还力争在以英国为首的海外实现潮汐能发电商业化。其预定的开发日程是,自2012年起实施10分之1规模的模型试验,自2015年起在苏格兰的欧洲海洋能源中心(EMEC:European Marine Energy Center)进行实证试验。在EMEC取得一席之地,就能够进行发电技术的实际验证,并成为进军海外市场的阶梯。

       笔者在以前的文章中介绍过,Openhydro公司、Atotalantisu公司及Hammer Shaft公司等全球潮汐能设备企业都在与大型企业合作(接受参股),成立涵盖设计、海洋环境、制造、装配、建设及运转的事业体,包括整条供应链开展业务。

       在苏格兰,很多事例是风险公司开发涡轮机,然后在相关企业的协助下实现商业化,该国对综合工程企业川崎重工也寄予了厚望。首席部长萨蒙德曾多次提到该公司进军EMEC的意义。

 

资料3.水中浮体式海流发电系统
(出处:IHI、东芝、东京大学及三井物产战略研发布资料)

作为系统开发实证实验,NEDO于2012年度采纳了3项潮汐能发电业务。其中佐世保重工业公司是利用液压技术进行发电;五洋建设公司等是利用桥墩,以悬挂在桥墩上的形式设置发电设备;三井海洋开发公司采用浮体式技术,在浮体上部设置垂直轴型风力发电设备,下部设置潮汐能涡轮机。

资料3.水中浮体式海流发电系统
(出处:IHI、东芝、东京大学及三井物产战略研发布资料)
       富士电机公司与全球最大的水力发电设备企业德国Voith Hydro公司共同设立了富士Voith Hydro公司。力争在日本国内促进利用潮汐能发电及波力发电。Voith Hydro正在积极推进潮汐能发电实证试验,目前正在苏格兰EMEC实施规模达1兆瓦、在韩国珍岛实施规模达110千瓦的实验。 

利用螺桨风筝进行海流发电 

       东京大学、IHI公司、东芝公司及三井物产战略研究所目前正在进行全球首例浮体式海流发电概念实证试验。这也NEDO的要素研究委托业务。 

       该系统就像在海中放风筝一样拴连在海底固定的一点上,像飞机一样稳定地漂浮在海水中。即在海底放置压重物,用一根线缆连接叶片,使其像风筝一样漂在水中(资料3)。在东京大学,利用水槽成功完成了40分之1规模的实验。通过以0.1毫米为单位调整叶片,实现了平衡,可避免发电机出现回旋下降的情况。 

       今后计划进一步扩大规模,进行3分之1乃至2分之1规模的实证试验。力争在2020年之前实现2000千瓦设备的实用化。日本拥有流速快、流量大、流幅宽的黑潮,潜力巨大。在从水面到水下100米左右的范围内,海流速度较快,因此像风向标一样使涡轮机漂在深50米左右的海中。连接2台直径为40米的涡轮机,使输出功率达到2兆瓦。如果运转率为70%,流速达到3海里(每秒1.6米),便可产生较大的经济效益。

风险公司描绘的宏伟构想 

       新领域的技术大多是由不拘泥于定论的风险企业开发出来的。NOVA ENERGY公司代表董事铃木清美提倡的“金枪鱼型潮汐能发电机”就是其中之一。该公司的“金枪鱼涡轮机”采用前细后粗的金枪鱼形状,后部安装了3枚弯曲的螺旋桨(叶片) 

涡轮机顶端用“万向节”(Universal Joint)连接,一直保持最佳朝向。由于涡轮机沿着水流方向旋转,因此螺旋桨顶端不会出现气穴现象(因气泡产生及消失造成的空洞现象)。由于是低速旋转,因此不会对水中生物产生影响,涡轮机旋转时不会给鱼等造成伤害。有望实现相当低的成本。 

       目前正在淡路岛岩屋海域的明石海峡进行实际验证。全长6米、螺旋桨直径为3米、额定输出功率为10千瓦的NT-001,和全长14米、螺旋桨直径为7米、额定输出功率为300千瓦的NT-0302款机型已经投产。这两款产品都是在流速达到1.5海里(每秒0.78米)的情况下就能开始发电。 

       铃木社长提出了利用金枪鱼涡轮机的多种应用方式。如果安装在船只(浮体)上,投锚固定,便可利用潮汐旋转涡轮机,成为发电船,可用作小型电动船的“海上供电站”。或者在明石海峡大桥的桥墩上设置300千瓦的涡轮机,用于大桥的照明器具及桥墩照明。 

       铃木社长还提出了大容量发电装置构想。使每个单元的输出达到2000千瓦,并将之进行组合,就可构成大容量发电群(涡轮机阵列)。在NOVA ENERGY自主开发的长120米的大型浮标上设置4个500千瓦的螺旋桨,就构成了1个单元输出2000千瓦的发电装置。在2公里见方的海中可设置200个单元,这样就可形成共计40万千瓦的大容量发电设施(资料4)。在垂直浮标的水上20米处设置控制室,在此保管2兆瓦的发电机、液压马达及电力控制板等。 

       就整个系统概括而言,就是使螺旋桨涡轮机以3~4海里(每秒1.5~2米)的流速旋转,利用低转速大输出的无漏液压泵将旋转力转变为压力,利用软管将动压输送至海上控制室,通过液压马达旋转发电机。将上部作为直升飞机场,利用直升飞机运输进行内部设备维护。

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