海上发电：更远、更深——英国拟打造世界最大的北海风电产业园区

发布时间：12年05月05日

编译易家康

为了降低二氧化碳排放量，英国正在计划尝试一项大胆的工程设想：即酝酿把本国大部分电力生产转移到近海发电设施上。这是3月初在伦敦召开的2010年海洋学国际会议上透露出的。为此，《新科学家》杂志召集了有关专家分析了这项工程可能面临的诸多挑战，并将专家的观点意见以及会议提出的一些具体设想作了如下报道。

向低碳迈进

　　历史上，英国并非首次在海上进行工程创新实验。上世纪，北海油田就采用创新技术成功地从深海开采石油和天然气。据悉，致力开发新型能源所耗资金比美国航空航天局（NASA）把宇航员送上月球还多。

　　由于致使全球变暖等诸多潜在因素的存在，因此有必要实施新一轮的循环创新投资计划，目标是以不产生二氧化碳的方式生产能源。同时，向近海迁移或建造发电设施也有助于英国政府履行其承诺的碳减排目标，即到2020年和2050年碳排放分别减至1990年代的34%和80%。

　　与波能和潮汐能发电相比，近海发电最成熟的技术莫过于风力发电，而且有多个项目已经付诸或正在实施。今年1月，英国皇冠地产公司拍卖了位于北海数千平方公里的海域，用于打造世界上最大的北海风力发电产业园区。十年后，矗立在这片海域上的6000台涡轮机组其发电能力可达300亿瓦，足够提供英国1/4的电力需求。

　　根据英国碳信托投资公司地质学家贝尼·赛克斯（Benj Sykes）的评估，这项作为地球最庞大工程之一的风力发电产业区的开发，其工程造价将达到750亿英镑之巨，“相当于再建造8座海底隧道。”他指出，初期最大的挑战是如何保证整个工程获利而便于融资。要做到这一点，就需要对一系列技术乃至施工设计形成新的思维，旨在削减成本开支。

　　鉴于近海风力涡轮机组体积庞大，从地基到涡轮机顶端高达220米。为了有效地将涡轮机组安置在水深60米处的海床上，地基必需严格按标准建造以保证其便捷安装。而英国若想达到碳排放预期目标，安装速度必需从现在的11天一台加速到每天两台以上。赛克斯指出：“在较深海域安置涡轮机是极其困难的，这对于获得上述建造速度是一项巨大挑战。”

　　为了加快风力涡轮机组的安装速度，英国碳信托投资公司近期发起了一项竞标活动。从其资助的7项设计方案来看，有定位于海下的三角支架或其他构造不同的设计，各具特色。尽管存在浮力问题，不过在海床上设置系泊设备即可将涡轮机组安装到位。

　　一般来说，涡轮机组的安装方式先是以部件形式被运送到海上，然后再进行组装。而赛克斯正在考虑另一种构想，即利用安置在三角支架上的锚链直接在海上将涡轮机沉降到海床上。也就是说，整个构建在陆地上建造，然后用驳船拖到海上再沉降到位。

　　在维修方面，由于在汹涌的海面上接近涡轮机组充满艰险，赛克斯坦言，有时利用直升机把维修工程师送至涡轮机上，不仅减少风险，还可降低成本。“在北海，不是每个人都有这样的想法。”当然，最大的问题是如何降低自然风对涡轮机的影响。赛克斯认为，涡轮机在工作时自身应蓄积部分电能，便于在风力平缓时保证其电量的输出。

水墙效应

　　风力涡轮机组并不是唯一获取近海能量的手段。世界上首座借助潮汐发电的设施安装在北爱尔兰斯特兰福特海峡入口处，其两台涡轮机由直径16米的巨大旋翼驱动（每台发电容量600千瓦），被分别安置在一个水平横梁的两端――横梁由一个固着在海底的纵向轴支撑。需要维修时，将横梁提升后涡轮机便浮出水面。

　　潮汐发电机运作模式类似风力涡轮机，但是它直接面对冲力更强大的洋流，其施加到旋翼翼片上的冲击力有时超过100吨以上。负责建造潮汐发电机的海洋洋流涡轮机公司技术部主管彼得·弗拉克尔（Peter Fraekel）说：“潮汐袭来时就像一栋七层楼高的高速运动水墙，并以每秒2米的速度冲击而来。”他坦言，这是一股难以阻挡的力量。若不是开发出用于制造旋翼翼片的碳素纤维材料，潮汐发电机组很可能就不复存在。

　　自2008年12月以来，潮汐发电机组一直在满负荷运行。弗拉克尔目前已着眼未来的规划，并根据发电量的大小在调整旋翼的尺寸。他认为：旋翼最大直径不宜超过24米。与其制造更大体积的涡轮机，还不如建造最佳尺寸的涡轮机阵列。今年3月，海洋洋流涡轮机公司获得在奥克尼群岛及周边海域的潮汐开采权，获准生产1亿瓦电力的开发项目――其发电能力是斯特兰福特潮汐发电机组的80倍。

　　对波能发电目前相对滞后的状况，英国再生能源联合会的彼得·马迪根（Peter Madigan）认为，尽管其不及风力和潮汐发电为人们所青睐，但预计开发速度会加快。原因之一是缺乏成熟的样机和波功率测试设施。然而，随着在奥克尼建立了欧洲海洋能源中心，这种局面已有所改观。如在康沃尔半岛建造的波能发电中心，其利用置于海底的“即插式插座”装置，实际是测试波能的一种新尝试。

监测海洋

　　监测海洋的方法将被自行充电的“浮板”――波浪滑行器――所取代：这种利用波能和阳光转换成电能的海洋监测装置，可以连续数月在海上航行，如近期完成了从夏威夷到加州圣地亚哥4000公里的试航。

　　派遣勘测船在海上收集资料不仅耗资昂贵，而且传统的浮标只能在单一地点采集信息。为了解决了上述问题，夏威夷卡穆埃勒水上机器人公司建造了一种既适应性强又价廉的水上自动推进装置。

海上发电-2

十年后，这片波涛汹涌的海面将被打造成风电产业园区，左为北海油田一钻井平台

　　波浪滑行器颇似海面上的漂浮物，其附设的一根电缆和水下几米处的一套翼状体相连。水上机器人公司的贾斯汀·曼利（Justin Manley）说：“滑行器完全由波浪产生的电力驱动。”波浪在抬升滑行器升降的过程中，后者与海平面保持一定的倾角，进而产生推力。同时借助排水管产生的推力，波浪滑行器平均速度为2.25节（每秒1.2米）。

　　波浪滑行器装有全球定位系统、传感器和通讯等设施，其电能由太阳能电池板提供，航行路线则由电脑控制的方向舵设定，不受海浪行进方向约束。曼利说：“只需在电脑上设定线路即可，也可以通过全球定位系统，导航是非常准确的。”

　　波浪滑行器既可以沿着设定的航线在海上观测海洋状况，也可以潜入海下作为一个通讯中继站，其行动的无声息用作声纳系统十分理想，还可以跟踪配备无线电标识的海洋动物以及替代固定浮标传递相关信息――如美国海洋与大气管理局（NOAA）为搜索海啸预警信号而设立的监测网络（固定浮标）。

　　NOAA太平洋海洋环境实验室主任埃迪·伯纳德（Eddie Bernard）对波浪滑行器或其他机器人推进装置的评价是：这些新开发的装置正在创新信息收集技术，“仅包租一艘海洋科考船一天的费用就需20000美元，为此，我们需要一种廉价的获取更多信息的方式或更多的选择方案。”

翼状天线

　　机器人潜艇在水下收集信号或与其他操作人员沟通时多少会遇到一些麻烦，那是因为无线电信号在海下传播不畅的缘故。如同潜艇不定期浮出水面核实其所在位置，经常会发生偏离航线的问题。这个问题现在可能已得到解决。

　　由于在潜艇上设置了背负式翼状天线，这种固定在绳索上的天线，需要时可随时伸出水面进行通讯联络，包括采集全球定位系统指令，装上摄像机甚至可用作潜艇操作人员的“潜望镜”。翼状天线是由马萨诸塞州布鲁克海洋技术公司的杰克·皮斯库拉（Jake Piscura）设计制造的。他坦言，随着芯片技术的发展（体积缩小、内存扩大）得以在小型机器人潜艇上的应用成为可能。

　　皮斯库拉的这项工作是由弗吉尼亚州阿灵顿市的美国海军研究所资助的。该所的罗伯特·海德里克（Robert Headrick）表示，美国海军对机器人潜艇巡逻港口颇感兴趣，这不仅有利于监视来自海上的攻击，而且翼状天线会让这些潜艇保持经常的联络，同时还可以保持隐蔽状态。