作者:廖洋 袁艺 来源:中国科学报 发布时间:2013-9-12 9:13:58
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照进现实的海洋梦
直击中国海洋大学百千瓦潮流能发电装置示范项目

▲王树杰参与现场施工
 

▲中国海洋大学100千瓦潮流能发电装置
 
■本报记者 廖洋 通讯员 袁艺
 
东有大海,溺水浟浟只。螭龙并流,上下悠悠只。海洋,神秘、奇幻,为万物赖以生存;海洋资源,非唾手可得却驱人孜孜不倦,求其若渴。
 
浩瀚无际的大海蕴藏着万千能量,让无数海洋人魂牵梦绕。而在山东青岛,有这样一支队伍,正一步步将他们的海洋梦转变为现实。近日,记者一行驱车来到青岛市黄岛区,实地探访了中国海洋大学的100千瓦潮流能发电装置示范项目。
 
在经历了三个多小时车程后,记者乘船前往斋堂岛,在那里,见到了该项目的负责人中国海洋大学教授王树杰。在此之前,这位文质彬彬的教授已经和他的团队持续进行了近三个月的户外现场施工。8月3日,斋堂岛海域,我国自主研发的首台100千瓦海洋潮流发电装置见证了首次下水发电的历史时刻。
 
上午10点 ,在铺缆船、运输船和起重船三条施工船的协同作业下,一台巨型潮流能发电装置缓缓沉入水下。
 
来到现场,眼前的这个发电装置由两台50千瓦的水轮机组成,水轮机直径超过10米,高高的塔架上装有巨大的翼型叶轮,总高度达到18米,相当于6层楼的高度。随着海缆铺设工作的完成,海缆与位于岸上的控制系统顺利对接,潮流能发电装置成功启动。从控制室里传出的欢呼声告诉我们:这个“大家伙”运行良好,已经开始承担它的发电使命。
 
项目相关人员告诉我们,这台由中国海洋大学独立研发的海洋潮流发电装置,吸收了大型风电机最新设计理念和控制技术,先后攻克密封、防海水腐蚀等数道技术难关,最终顺利实现了先进潮流发电装置部件和整机本土化生产。 该装置的运行,可以将水下的海流转化为绿色、环保的电能,单台装置即可满足300多户居民日常用电。
 
我们和中国海洋大学项目团队的成员们一起体验着成功后的喜悦,潮流能发电的“奥秘”也在兴奋的交谈中一一浮现。
 
探秘:建在海底的“发电站”
 
采访初始,王树杰介绍,潮流能是海洋水道和海峡中较为稳定的海水流动以及潮汐导致的有规律的海水流动所产生的动能。当被问及为什么想要开发潮流能,王树杰的回答直接而坦白:“我们就是想把海洋能提取出来,造福人类。”
 
王树杰的出发点并不难理解。在全球能源紧张的局面下,我国的能源结构状况也受到了极大的挑战,并日益影响我国国民经济的发展。从依赖传统能源到发展可再生清洁能源,这样的转变已成为各国摆脱能源困境的重要路径。
 
在采访中记者了解到,此次用于海岛独立供电的100千瓦水平轴潮流能发电装置,采用的是水平轴可变桨水轮机和塔架式支撑结构,并具有完备的电力变换与控制系统,利用海底潮流对巨型叶轮的冲击产生动能,通过海底电缆与岛上的集控室相连接,最终转化为电能。
 
早在2008年,王树杰研制的5千瓦柔性叶片潮流能水轮机的海试样机就在胶南斋堂岛成功完成了海试,为潮流能发电系统在当地海流环境中能够稳定运行、提高发电效率积累了不少经验。国家海洋局可再生能源专项资金项目“500千瓦海洋能独立电力系统示范工程”的设立,帮助王树杰和他的团队在潮流能应用研究上又迈出了关键的一步。
 
王树杰告诉记者:“从整个项目开始的理论分析、数值模拟、原理性试验和小比尺的模型试验,到中比尺的模型试验,再到海上试验样机,以及如今的示范工程,整个过程跨越了多个研究阶段,难度非常大。”多年的研究积累打通了理论研究到实践应用的壁垒,王树杰带领的团队在中国海洋大学的学科优势和研究成果的基础上做了大量的准备工作,而“量”的积累终于带来了今天“质”的回报。
 
从海洋能独立电力系统示范工程落户斋堂岛那天起,无论是初期的选址还是海洋环境、水文、地质具体数据的测量,再到基础工程的建设,整个团队日夜奋战在施工现场。正是他们追梦的坚定使得潮流能发电机组成功下水试运行。
 
创新:为潮流能梦想插上翅膀
 
多学科的交流和碰撞使这个示范项目从起始阶段就具备了全新的理念。王树杰介绍:“海洋能的技术开发与利用,是一个多学科交叉的领域,涉及海洋环境、海洋工程、机械工程、控制工程等多个学科,项目实施过程中,中国海洋大学工程学院的海工系、机电系、自动化与测控系的专家教授密切合作,还联合了海洋环境学院、海洋地球科学学院的部分专家教授,同时得到了牵头单位中海油和多家制造、施工安装协作单位的大力协助,在国家海洋局、青岛市和学校的支持下,团队成员付出了很多艰辛才有了今天。”
 
为了确保项目顺利实施,他们在试验中不断创新。将不同学科交融、互动,为解决项目中的各项难题奠定了坚实的基础。通过跨学科实践和产学研合作,团队顺利完成了示范工程的选址、潮流发电机组和控制系统的设计与制造等工作。
 
要在海底放置如此庞大的发电装置,是如何解决选址问题的呢?项目组专家告诉记者,在装置设计及施工方案设计前要对工程海域水文及地质环境条件进行勘测。通过多处资源测试与评估、局部海域走航现场实测,项目组认为斋堂岛海域的潮流能资源条件较好,流速较快、水深及地质条件较适合于进行潮流能开发利用,经过详细的勘察与评估,他们最终选定斋堂岛南端作为示范工程站址。
 
那么,如果遇到台风、风暴潮等极端天气,海底的发电装置又如何避免受到损伤呢?王树杰说:“当机组需要检修,或者遇到极端天气,流速非常高,超出机组本身所承受能力的时候,控制系统就对叶片‘发布指令’,使其顺桨。这样可对机组起到保护作用,增加其使用寿命。”
 
据了解,我国海域海水流速普遍偏低,为了在资源条件并不优越的情况下最大限度获取能量,项目组的专家们在发电机组水轮机上安装了海流计,以实时观测海流变化。工作人员介绍,安装海流计,可以实时监控海流的流速和方向,根据监控反馈的数据来控制叶片的角度,不同的流速对应一个最佳获能角度,这就做到了最大能量的获取。
 
然而,困难与挑战远不止如此。机组在水下长期运行,在水压条件下的旋转动密封问题也是必须要面对的技术难题。由于研制的潮流能发电机组采用了座底式支撑结构,需要依靠重力将机组整体置于海底,水轮机通过主轴将旋转运动传递到密闭壳内的发电机中,整个传输过程必须在密封环境下完成。课题组通过多次陆上测试与压力试验,取得了比较好的效果,保证了该装置能够长期安全可靠的运行。
 
如今,这个安置在斋堂岛海底的100千瓦潮流能发电装置,由研究团队自主设计和研发,其中多项技术填补了国内空白。不只是王树杰,团队里的每个人一谈到这组庞大的设备都如数家珍,言语神色中的执着让我们感动。
 
蓝色能源:难“能”方显可贵
 
海洋能的合理开发与利用,是应对气候变化、实现节能减排目标的必然要求,是发展海洋经济、服务海洋生态文明建设的现实需要,也是培育战略性新兴产业、加快经济发展方式转变的一项重要举措。但海洋能的开发与利用无疑是海洋工程领域的一大挑战,无论是对偏远海岛的发展,还是对海上科学研究、资源开发而言,能源始终扮演着先行军的角色,也始终是海洋人追求的目标。
 
从2010年国家启动了海洋可再生能源的专项资金项目起,青岛市加快了开发利用海洋可再生能源、向海洋要电的步伐。此次100千瓦潮流能发电示范项目就受到该资金的支持。
 
王树杰表示:“我国对海洋能的开发与利用一直非常重视。而我们经过近十年的摸索,也爱上了海洋能事业,我们将再接再厉,努力深化和拓展海洋能利用技术的研究与应用。”
 
据介绍,这个项目建成以后,既是我国北方第一个海岛独立供电的示范项目,也是我国第一个正式运行的示范工程项目,它不仅对海岛独立供电有着典型的示范效应,同时也对后续海洋能的发展具有十分重要的示范意义。
 
而对于斋堂岛的居民来说,得到实惠最重要。例如,潮流能发电在确保居民日常生活用电的同时,还可以满足海产品加工、制冰、养殖等村企的正常生产经营的用电需求。记者在与海岛居民交流时,不难发现从他们眼睛里流露出来的不只是好奇,更多的是一份期待。
 
采访即将结束,我们的船缓缓离开斋堂岛。回望斋堂岛海面,风平浪静。可我们知道,在海底,有一个“大家伙”正悄悄地开启“潘多拉的盒子”,把海洋能源绵绵不绝地送向它身边这片充满活力的海岸。
 
《中国科学报》 (2013-09-12 第6版 动态)
 
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