基于波浪能技术为海岛供电的方案研究

吴 清 邢 涛 张小店 方连航 洪同庆

（1、海南电网有限责任公司创新管理部，海南 海口570100 2、海南电网有限责任公司三沙供电局安全生产部，海南 海口570100）

我国是海洋大国，拥有300 多万平方公里的海疆,星罗棋布的岛礁达上万个。其中,面积大于500 平方米的岛屿有6500 多个,有常驻居民的岛屿有450 多个。海岛是开拓发展空间、壮大海洋经济的重要依托，是保护海洋环境、维护生态平衡的重要平台，是捍卫国家权益、保障国防安全的战略前沿[1]。由于海岛远离陆地，为保证海岛正常的生产生活，为海岛提供能源与淡水是极其重要的。随着海岛开发的逐步深入，用电需求量逐渐增加。而目前，海岛依然采用传统的化石能源，发电量远不能满足用电需求。因此，能源结构改善需求迫切。岛礁周围拥有丰富的可再生能源，有效利用海岛清洁能源，将其转化为电力、储能、淡水、交通动力等复合资源，建立可独立平稳运行的远洋海岛群综合能量供给系统，对保障海岛能源供应，促进海岛经济发展，推进国家远洋海岛海洋战略的实施，具有重要的意义[2]。

本文以典型远海岛礁为例，概括了海岛能源供给现状，分析了采用海洋可再生能源为海岛供电的优势及波浪能为海岛供电的发展现状，从技术和经济两个方面对波浪能为海岛供电方案开展了评估，探讨了波浪能为海岛供电的可行性，为波浪能技术在远海岛礁的应用提供参考。

1 海岛能源供给现状

我国共有海岛11,000 余个，截至2017 年底，全国实现电力供应海岛仅801 个，其中24 小时供电的716 个。随着我国海洋强国建设的逐步深入，远海岛屿能量供给困难的问题必会解决。

目前，主要采取架设海底电缆，或依靠柴油发电机、燃气轮机等常规化石燃料机组等方式解决海岛供电问题。由于海底地形复杂，海岛与大陆架之间距离较远，铺设海底电缆工程量大、周期长、费用高；此外，海底电缆由于常受海流和内波的影响，经常出现移动的现象，维护工程难度极大。利用柴油供电虽然具有设备成熟和易于安装维护等优点，但也存在燃料运输困难、发电成本高、噪音污染大等缺点，同时柴油机排放的温室气体会破坏脆弱的海岛生态环境，给海岛带来严重的污染问题。

2 可再生能源为海岛供电优势

海岛具有得天独厚的风能、太阳能、海洋能资源，随着可再生能源发电技术的日趋成熟，实现以可再生能源发电为主的海岛群能量供给系统在技术上是完全可行的。由于可再生能源本身是不计成本的，只需要考虑可再生能源转换设备的投资成本，在经济性方面也具有独到的优势。在海岛供电系统的电源方面，Senjyu T 提出了由风电、光伏发电、储能和柴油发电综合的海岛电网[3]；Katsaprakakis D A 设计了一种以风能和太阳能为主要能源，以柴油发电为后备能源的海岛能源供应模式，并从技术和经济相结合的角度分析了包括光伏发电和柴油发电的海岛供电方案[4]；Georgilakis P S 提出了100%可再生能源为海岛供电的可靠性分析[5]；葛福余探讨了海岛太阳能利用的方式，分析了海岛光伏利用存在的问题[6]。

近年来，许多海岛尝试利用太阳能光伏板供电，但需要占用宝贵的岛礁面积，且太阳能发电量小，日发电时间短，不足以满足海岛日常用电量。因此要长效解决能源供应这一问题，只能利用不占用岛礁陆地面积的海洋能源，就地发电，就近使用。

波浪能是绿色可再生能源，其能量利用转换过程完全是一种物理过程，不存在化学反应，不排出有害气体，对环境的影响几乎为零。与其它海洋能源相比，开发利用波浪能有以下优点：a.波浪能能量品质较好，可就地取材、就地使用；b.波浪能蕴藏丰富，实际可开发量较高，我国波浪能的理论存储量为7000 万千瓦左右，开发前景广阔；c.波浪能分布广泛，是一种全天候的能源，各季节间能源密度差距较小；d.波浪能利用对环境友好，利用波浪能不破坏当地自然环境，不产生污染，对自然地理环境无特殊要求；e.波浪能利用具有现实工程意义，利用波浪能装置建立浮岛、防波堤或护岸，形成远海的无浪区，可实现波浪能装置的功能多元化；f.波浪能利用装置一般结构较为简单，建造和维护方便，便于群体化、密集型开发。

3 波浪能为海岛供电方案分析

3.1 波浪能发电技术介绍

波浪重现期短、资源分布广泛。近年来，波浪能已成为最热门的海洋能利用技术，随着各国投入大量资金进行波浪能发电装置的研究，波浪能技术得到了迅速发展。波浪能技术的多种问题具有关联性：提高可靠性与提高转换效率存在矛盾，因此出现了各有侧重的不同方案，导致了波浪能技术的多样性和发散性，尚未进入技术收敛期。根据美国能源部海洋和水动力数据库（MHD），全球有16 个国家在进行波浪能发电研究，英国、中国、美国、澳大利亚、丹麦和西班牙等国的波浪能开发技术和应用规模居世界领先地位。

随着全球环境的逐渐恶化和可再生能源发电技术的进步，太阳能、风能等绿色电力的占比快速增大，欧洲主要通过发展可再生能源来扩大国家电力装机。海岛和临近海岸的大陆均在积极扩展海上风能和海洋能。英国为岛屿国家，其周边海域波浪能、潮流能、风能资源丰富，该国在大力扩大海上风能装机，并建成了海上波浪能发电场，多种装备在开展示范应用；半岛国家西班牙在其西部沿海建成了国家级波浪能发电场，通过海底电缆输送波浪能电力至陆地；丹麦在海上建成了集风力发电与波浪能发电为一体的海上多能互补电站。

我国的波浪能技术研究开始于1979 年。近年来，我国对于海洋能开发战略日益重视，出台了一系列激励政策和措施，“十一五”以来，国家高技术研究发展计划首次在先进能源技术领域设立了“可再生能源技术专题”，特别是在2010 年，国家设立海洋能专项资金。这些政策和措施都极大的刺激了国内对于包括海洋能技术在内的可再生能源的研究和发展。目前，国内对于鸭式波浪能装置、鹰式波浪能发电装置、浮力摆式波浪能装置、荡浮子式漂浮液压海浪发电站、摆式振荡浮子波浪能装置筏式等波浪能发电装置的研究已取得一定成果。

3.2 波浪能为海岛供电现状

在岛屿波浪能供电相关理论研究方面，国内包括中国海洋大学、中科院广州能源所等相关机构对此进行了相关理论和方法的研究，但因国内波浪能起步较晚，大型波浪能发电平台技术在近年才取得重大突破，因而在具体实践方面的相关经验还不多。国外波浪能研究和发展较早，二十世纪九十年，日本、英国、挪威等国家已经开始建设波浪能发电装置为海岛供电，但试点岛屿一般为大型或较大海岛，在海岛边缘建设固定式波浪能发电装置（岸式）；2002 年，英国建造750kW 的“海蛇”离岸漂浮式波浪能发电装置，在葡萄牙北部海岸投入使用；近年来，由于在相关方面技术没有重大关键突破，建设热度有所降低。

在相关资源与配套比较充分的大型岛屿，建设岸式波浪能发电开展并网供应具备较高可行性。我国岛屿众多，但大岛少，小岛多。对个别常住人口多，经济建设需求高的岛屿，能源供应模式可选择性高。但对于远离大陆的诸多小岛，在海岛上开展基础建设和维护成本高，建设难度大。在离岸漂浮式波浪能发电平台技术取得重大突破之前，开展海岛波浪能综合开发应用可行性较低。目前，中科院广州能源研究所在大型离岸漂浮式波浪能发电平台技术方面取得了关键突破并开始试点应用[7]，这为在大量中小型岛屿开展波浪能源开发与利用成为可能。

在海南电网有限责任公司支持下，中科院广州能源研究所承担了“含波浪能发电系统的海岛智能微网关键技术研究及示范应用（任务一、三、六部分）”项目，其研建的大型漂浮式波浪能发电装置“先导一号”实现了在西沙永兴岛并网供电，如图1。该装置装机容量为260kW，包括200kW 波浪能及60kW 太阳能。其中主体波浪能模块可在波况为0.5-5 米范围内捕获波浪能并转换，在理想波况2-3 米范围内转换效率大于20%，处于全球领先水平。如图2，为该装置实海况发电曲线。

图1“先导一号”在西沙海面运行

图2“先导一号”实时发电功率（2018 年8 月10 日10:00-11:00）

3.3 含波浪能技术应用的海岛微电网

波浪能发电的输出功率依赖于气候条件，具有极高的间歇性及不可控性，同时电能质量不高，难以满足用户需求，因此需要采用多能源互补发电技术，同时配备功率型及能量型储能装置，加之可靠的电力电子变换装置(整流器、逆变器等)，通过各发电单元及储能之间的协调控制为居民用户等负载端提供可靠稳定的、电能质量符合标准的电能，从而确保在波浪能、太阳能等源端能量输出不稳定或者负载波动较大的情况下，储能系统可以保证在一定时间内电网的稳定性及不间断性[8][9]。

从全球范围看，日本、美国以及欧洲等发达国家已有商业化海岛微网项目投入运行，技术相对于中国较为成熟。美国阿拉斯加Metlakatla 岛上用一套基于VRLA 的1.4MWh 蓄电池储能系统作为离网式水力发电系统的后备电源，可以800KW 的功率提供90 分钟的应急电能。希腊爱琴海基克拉迪群岛微网示范工程研究了在几种运行状态下，微网从并网稳定切换到孤岛状态的可行性，并分析了微型燃气轮机与柴油发电机组在孤岛模式下的相互影响以及切负荷控制策略。我国海岛微电网多以风力发电机和光伏发电为主，且离网运行时多配备柴油发电机作为备用电源，储能多以蓄电池为主，偶尔配置超级电容。但是为了能源的绿色利用，需要进一步发展海洋波浪能装备，提高海岛电网的供电质量和供电可靠性。

我国南海海岛众多，在已建立独立微电网的海岛，波浪能发电平台模块可通过整流、稳压后接入海岛微电网，与本岛其他能源模式，包括传统柴油发电、光伏发电、风电等能源，接受电网的统一调度和应用，保证微电网的稳定性和可靠性。对于较多尚未建立独立微电网海岛，应综合考量岛上能源的需求量及其应用模式。若以小用户为主，可考虑以波浪能发电模块为基础，在海岛建立独立微小调度模块，将波浪能电力接入后通过调度模块向岛上用户输送；若本岛存在较大电量用户，可考虑直接将波浪能模块接入用户用电单元，直接用电。“先导一号”波浪能发电装置通过10kV 海底电缆，将利用波浪能产生的电力并入永兴岛微电网中，是海岛的电力能源的一个重要补充，如图3所示。

3.4 适用性与经济性分析

受特殊地理位置和环境因素制约，能源供给是限制我国海洋开发的难题之一。现阶段我国南海岛礁能源供给以柴油机为主，供电方式单一、成本高昂，且存在污染，能源结构急需优化。与此相比，波浪能发电清洁无污染，可大幅度减少海岛供电产生的碳排放，符合我国海岛开发新趋势。

图3“先导一号”发电装置接入永兴岛微电网

我国南海地区波浪能资源丰富，波浪能的总储量为84079kW·h/m，有效储量为66336kW·h/m[10]，年发电小时数可超过2000 小时，优于风机的1700 小时和光伏发电的1000 小时。在波浪能开发中，通常波高大于1.3 m 时可用，4.0 m 以上大浪具有较大的破坏能力，不利于发电装置的运行与安全，在此将波浪能开发的可用波高限制在1.3-4.0 m 之间可用波高的出现频率分别是衡量波浪能丰富程度的重要指标。郑崇伟[9][10]等人统计南海海域波浪能流密度的月变化特征、可用波高出现的频率，结果如图2 所示。南海海域在能源最贫乏的4-5 月，本文研究海域的波浪能流密度在2.2 kW/m 以上，仅是在4-6 月可用波高出现频率在50%以下，其余月份可用波高出现频率都在50%以上。因此可以认为，研究海域全年都可进行波浪能资源开发。南海究海域6 级以上大浪频率整体较低，浪向都很有规律，这对于延长波浪能装置的寿命、防灾减灾是有利的。另外，波浪能发电质量稳定，短期内不会出现大幅波动，利于海岛微电网的运行安全。同时，波浪能装置投放在海上，不仅不占用岛礁面积，还可以成为岛礁向外拓展的基站，可有效促进海岛周边资源的开发和利用。

随着波浪能技术成熟度的逐步提高，单位功率造价随着装机容量的增大而减小，未来仍有进一步降低的空间。结合现阶段波浪能装置的建造（如图4）、运维等成本和发电量，预计波浪能发电度电成本可降低至3.35 元/kWh，与现阶段海岛用柴油机发电成本对比已有明显优势，如表1 所示。同时，波浪能发电装备批量化应用将整体降低装置的建造和运维成本，度电成本将进一步降低。

图4 波浪能流密度的月变化特征（左）、可用波高出现的频率（右）

图5 波浪能发电装置单位功率造价（万元/kW）

同时，根据海岛相关发展规划和经济发展需求，现有波浪能技术可拓展养殖、旅游服务等业务，在此基础上开展波浪能综合开发与应用将具备较高的经济价值和社会效应。同时，利用大型漂浮式波浪能发电装置，可针对不同海域固有特征，开展包括海上休闲服务、科学监测观测等在内的海上服务，以此拓宽海上波浪能源的服务对象和应用广度。

4 结论

为解决海岛不断增长的负荷用电需求，全面、高质量促进我国海岛经济发展，本文以海岛能源现状为基础，以实现波浪能为海岛供电为研究目标，进行了技术及经济方面的探讨，得到的主要结论如下：

表1 波浪能与柴油发电机度电成本对比

4.1 采用海洋可再生能源中的波浪能为海岛供电，符合海岛自然环境特点，能缓解海岛能源紧缺问题，可实现保护海岛环境，促进海岛发展的需求。

4.2 波浪能发电技术在逐步成熟，现有的波浪能装置为孤立海岛微电网供电的成功案例，证实采用波浪能为海岛供电的方案在技术上是可行的。如在波浪能发电功能以外拓展其他功能，采用波浪能为海岛供电的方案在经济性上也是可行的。

4.3 采用波浪能发电技术为海岛供电的方案具有可操作性，建议在我国孤立海岛进行大力推广。