逆向思維 絕處逢生——波浪能發電的應用研究

2020-11-26 中國科學院

遊亞戈 海洋波浪能專家。1956年出生於北京,1982年畢業於武漢水運工程學院船舶設計與工程專業,1988年畢業於哈爾濱船舶工程學院結構專業,獲碩士學位。現為中國科學院廣州能源研究所研究員,海洋能實驗室首席科學家。1988年開始從事海洋波浪能研究,主要研究方向為波浪能轉換中的水動力學計算,波浪載荷研究,新型波能裝置研究,海洋波浪能獨立發電系統研究等。先後承擔了國家「九五」攻關項目4項,「十五」「863」項目一項,自然科學基金一項。1992年獲中國科學院自然科學獎二等獎(第二獲獎人)。

似是而非的研究方向

凡到過海邊的人都會感受到大海的力量。大海中有無窮無盡的能量。據世界能源委員會的調查顯示,全球可利用的波浪能達到20億千瓦,相當於目前世界電產量的2倍。因此,自古以來人們便開始發明各種各樣的裝置,試圖讓波浪變成可控制的動力。目前波浪能裝置的設想已經有上千種之多,但海洋波浪能利用至今仍未走向實用。其原因究竟在哪裡?

波能裝置不同於其他裝置的一個最主要之處是其工作環境。波能裝置工作在狂暴的大海裡,環境極其惡劣且不穩定,這給波能裝置的設計造成了極大的難度。人們往往顧此失彼,設計出來的波能裝置不是存在這個問題,就是出現那個問題,或轉換效率低下,或可靠性差,或成本昂貴,或工作不穩定等。這些問題有些是相互牽連的,解決了其中一個問題,又引起其他問題。

研究海洋波浪能發電技術,當然希望它具有商業價值。因此,按照習慣的思維方式,首要的研究便是提高效率、降低成本。這些研究論文佔了論文總數的大部分。人們提出了相位控制、負載控制、聚波等方法,發明各種葉輪和導葉等來提高波能裝置的轉換效率;採用結構優化、提出各種施工方法以降低成本。而如何提高波能裝置的工作穩定性的問題,則是人們研究投入最小的一個問題,大家的一致做法是把波能裝置發出的不穩定的電輸入電網了事,這是一個看上去最簡單的方法。

其實事情並不那麼簡單。將波能裝置發出的電上網意味著波浪能發電的成本要降到電網收購價之下,波浪能發電技術才有可能具有商業價值。這無疑對波能裝置的效率和成本提出了更高的要求。於是人們更加注重追求波能裝置的高效率和低成本,提出了一項又一項設計,卻總是陷入解決這個問題就帶來另一個問題的怪圈:提高了效率也增加了成本,降低成本時又降低了效率。儘管波浪能發電技術仍在進步,但想遵循這條研究路線,使得波浪能發電的成本要降到電網收購價之下,還有非常長的一段路要走。而且,在中國,這幾乎是不可能的。中國的海洋波浪能的能流密度只有歐洲的1/10,這意味著中國的波浪能發電成本應該比歐洲高得多。

逆向思維 開拓新的研究方向

在花了十幾年時間,做過許多嘗試後,我們逐漸認識到,在中國這樣波浪能流密度較低的國家,靠提高效率、降低成本是不可能使波浪能發電成本降到電網收購電價之下的。這是個令人沮喪的結論。但也正是這一結論,迫使我們反思自己的研究。經過一番長考之後,我們終於從上述怪圈中跳了出來。我們認識到,既然波浪能發電成本降到電網收購電價之下是不可能的,就不要再單純的提高效率、降低成本了,而是要採用逆向思維:提高波浪能發電的價值,哪怕成本有所上升。

提高波浪能發電的價值的方法便是發展獨立的、用戶可直接使用的波浪能發電技術。只有這樣,波浪能發電技術在電網不能到達的、常規能源又昂貴的地方才能找到市場。因此,要想使波浪能發電技術具有經濟價值,首要的不是解決效率、成本這些看上去與經濟有關的問題,而是發電穩定性這個看上去與經濟無關的問題;不解決這一問題,就不能做到獨立地為用戶供電,同時也就沒有了市場。在解決穩定發電問題基礎上,才應依次考慮可靠性問題、成本問題和效率問題。

正確的分析產生正確的方案

穩定發電看上去並不是一件容易的事。如果將海洋波浪看成是一個系統,將用戶看成另一個系統,那麼這兩個系統都是不穩定的。大海中的波浪是時小時大的,幾乎每一個波都不一樣;用戶的用電也不會根據波浪能量的大小而變,他們只根據自己的意志用電。怎樣才能使一個不穩定系統滿足另一個不穩定系統的需要呢?

其實,波浪並不像看上去那麼不穩定,儘管幾乎每一個波都不相同,但波浪能在某種意義上卻是平穩的。從數學上來說,波浪能在時間系列上屬於平穩隨機過程,它的平均功率如果以秒為單位計,是非常不穩定的;但如果以分鐘計,就穩定得多;如果以10分鐘計,就比太陽能還要穩定!

通過上述分析,我們找到了解決這一問題的突破口,這就是,在波浪能發電的系統裡必須有一個足夠大的蓄能環節。波能裝置將不穩定的波浪能不斷地輸入蓄能環節,用戶又根據自己的需求從蓄能環節中使用能量,這樣便使得不穩定的波浪能滿足了不穩定的用戶的需要。

建立蓄能環節這一方案的正確性很快就證實了。我們通過建一個高位蓄水池,在實驗室裡實現了將不穩定的波浪能轉換成穩定的能量輸出的試驗。接下來的問題就是如何實現蓄能環節了。

機遇偏愛有準備的人

大容量的蓄能環節是方案實現的關鍵。蓄能的方式有很多,但並不能滿足一般情況下波能裝置的需要。例如,如果波能裝置附近有山,可以考慮在山上建一個蓄水池作為蓄能環節,可是這個方法不適用於沒有山的地方,因此不具有普遍性。蓄電池也可以作為蓄能環節,但成本太高。這個問題困擾了我們很久。直到一個偶然的機會,在一次學術報告會上,報告者在提到物質在飽和蒸汽壓下氣態液態的轉換時,使我們受到了啟發,終於想出了用相變實現蓄能的辦法。用這種辦法,無需建高位蓄水池,只要在裝置邊上建一個壓力罐就行了。

這一研究進展解決了波浪能獨立發電技術的關鍵問題,給波浪能利用技術帶來了廣闊的前景,還使得波能裝置的效率、可靠性有所提高,成本有所下降;使得中國的波浪能利用研究走上了一條與發達國家不同的、更適合中國海洋波浪能發展的道路。

撰稿人:遊亞戈

點評:

對于波浪能發電裝置的研究,普遍的做法是致力於併入電網運行,重點放在提高效率、降低成本上。但由於我國海洋波浪能密度太低,要把發電成本降到電網收購價以下,目前幾乎是不可能的。這就給此項研究判了「極刑」。在這種情況下,能源所的研究人員採用逆向思維,拓寬視野,根據波浪能發電裝置的特點,揚長避短,致力於應用在新的領域,即用在邊遠的海疆海島等電網達不到的地方,把研究重點轉到提高穩定性上,使研究工作絕處逢生,成果儘快得到應用。

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