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逆向思维 绝处逢生——波浪能发电的应用研究
  文章来源: 发布时间:2004-10-10 【字号: 小  中  大   

游亚戈 海洋波浪能专家。1956年出生于北京,1982年毕业于武汉水运工程学院船舶设计与工程专业,1988年毕业于哈尔滨船舶工程学院结构专业,获硕士学位。现为中国科学院广州能源研究所研究员,海洋能实验室首席科学家。1988年开始从事海洋波浪能研究,主要研究方向为波浪能转换中的水动力学计算,波浪载荷研究,新型波能装置研究,海洋波浪能独立发电系统研究等。先后承担了国家“九五”攻关项目4项,“十五”“863”项目一项,自然科学基金一项。1992年获中国科学院自然科学奖二等奖(第二获奖人)。

似是而非的研究方向

凡到过海边的人都会感受到大海的力量。大海中有无穷无尽的能量。据世界能源委员会的调查显示,全球可利用的波浪能达到20亿千瓦,相当于目前世界电产量的2倍。因此,自古以来人们便开始发明各种各样的装置,试图让波浪变成可控制的动力。目前波浪能装置的设想已经有上千种之多,但海洋波浪能利用至今仍未走向实用。其原因究竟在哪里?

波能装置不同于其他装置的一个最主要之处是其工作环境。波能装置工作在狂暴的大海里,环境极其恶劣且不稳定,这给波能装置的设计造成了极大的难度。人们往往顾此失彼,设计出来的波能装置不是存在这个问题,就是出现那个问题,或转换效率低下,或可靠性差,或成本昂贵,或工作不稳定等。这些问题有些是相互牵连的,解决了其中一个问题,又引起其他问题。

研究海洋波浪能发电技术,当然希望它具有商业价值。因此,按照习惯的思维方式,首要的研究便是提高效率、降低成本。这些研究论文占了论文总数的大部分。人们提出了相位控制、负载控制、聚波等方法,发明各种叶轮和导叶等来提高波能装置的转换效率;采用结构优化、提出各种施工方法以降低成本。而如何提高波能装置的工作稳定性的问题,则是人们研究投入最小的一个问题,大家的一致做法是把波能装置发出的不稳定的电输入电网了事,这是一个看上去最简单的方法。

其实事情并不那么简单。将波能装置发出的电上网意味着波浪能发电的成本要降到电网收购价之下,波浪能发电技术才有可能具有商业价值。这无疑对波能装置的效率和成本提出了更高的要求。于是人们更加注重追求波能装置的高效率和低成本,提出了一项又一项设计,却总是陷入解决这个问题就带来另一个问题的怪圈:提高了效率也增加了成本,降低成本时又降低了效率。尽管波浪能发电技术仍在进步,但想遵循这条研究路线,使得波浪能发电的成本要降到电网收购价之下,还有非常长的一段路要走。而且,在中国,这几乎是不可能的。中国的海洋波浪能的能流密度只有欧洲的1/10,这意味着中国的波浪能发电成本应该比欧洲高得多。

逆向思维 开拓新的研究方向

在花了十几年时间,做过许多尝试后,我们逐渐认识到,在中国这样波浪能流密度较低的国家,靠提高效率、降低成本是不可能使波浪能发电成本降到电网收购电价之下的。这是个令人沮丧的结论。但也正是这一结论,迫使我们反思自己的研究。经过一番长考之后,我们终于从上述怪圈中跳了出来。我们认识到,既然波浪能发电成本降到电网收购电价之下是不可能的,就不要再单纯的提高效率、降低成本了,而是要采用逆向思维:提高波浪能发电的价值,哪怕成本有所上升。

提高波浪能发电的价值的方法便是发展独立的、用户可直接使用的波浪能发电技术。只有这样,波浪能发电技术在电网不能到达的、常规能源又昂贵的地方才能找到市场。因此,要想使波浪能发电技术具有经济价值,首要的不是解决效率、成本这些看上去与经济有关的问题,而是发电稳定性这个看上去与经济无关的问题;不解决这一问题,就不能做到独立地为用户供电,同时也就没有了市场。在解决稳定发电问题基础上,才应依次考虑可靠性问题、成本问题和效率问题。

正确的分析产生正确的方案

稳定发电看上去并不是一件容易的事。如果将海洋波浪看成是一个系统,将用户看成另一个系统,那么这两个系统都是不稳定的。大海中的波浪是时小时大的,几乎每一个波都不一样;用户的用电也不会根据波浪能量的大小而变,他们只根据自己的意志用电。怎样才能使一个不稳定系统满足另一个不稳定系统的需要呢?

其实,波浪并不像看上去那么不稳定,尽管几乎每一个波都不相同,但波浪能在某种意义上却是平稳的。从数学上来说,波浪能在时间系列上属于平稳随机过程,它的平均功率如果以秒为单位计,是非常不稳定的;但如果以分钟计,就稳定得多;如果以10分钟计,就比太阳能还要稳定!

通过上述分析,我们找到了解决这一问题的突破口,这就是,在波浪能发电的系统里必须有一个足够大的蓄能环节。波能装置将不稳定的波浪能不断地输入蓄能环节,用户又根据自己的需求从蓄能环节中使用能量,这样便使得不稳定的波浪能满足了不稳定的用户的需要。

建立蓄能环节这一方案的正确性很快就证实了。我们通过建一个高位蓄水池,在实验室里实现了将不稳定的波浪能转换成稳定的能量输出的试验。接下来的问题就是如何实现蓄能环节了。

机遇偏爱有准备的人

大容量的蓄能环节是方案实现的关键。蓄能的方式有很多,但并不能满足一般情况下波能装置的需要。例如,如果波能装置附近有山,可以考虑在山上建一个蓄水池作为蓄能环节,可是这个方法不适用于没有山的地方,因此不具有普遍性。蓄电池也可以作为蓄能环节,但成本太高。这个问题困扰了我们很久。直到一个偶然的机会,在一次学术报告会上,报告者在提到物质在饱和蒸汽压下气态液态的转换时,使我们受到了启发,终于想出了用相变实现蓄能的办法。用这种办法,无需建高位蓄水池,只要在装置边上建一个压力罐就行了。

这一研究进展解决了波浪能独立发电技术的关键问题,给波浪能利用技术带来了广阔的前景,还使得波能装置的效率、可靠性有所提高,成本有所下降;使得中国的波浪能利用研究走上了一条与发达国家不同的、更适合中国海洋波浪能发展的道路。

撰稿人:游亚戈

点评:

对于波浪能发电装置的研究,普遍的做法是致力于并入电网运行,重点放在提高效率、降低成本上。但由于我国海洋波浪能密度太低,要把发电成本降到电网收购价以下,目前几乎是不可能的。这就给此项研究判了“极刑”。在这种情况下,能源所的研究人员采用逆向思维,拓宽视野,根据波浪能发电装置的特点,扬长避短,致力于应用在新的领域,即用在边远的海疆海岛等电网达不到的地方,把研究重点转到提高稳定性上,使研究工作绝处逢生,成果尽快得到应用。

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