海洋能：專利挖掘“藍(lán)色經(jīng)濟(jì)”丨邁向碳達(dá)峰

　　近日，第五批國家工業(yè)遺產(chǎn)名單新鮮出爐，溫嶺江廈潮汐試驗(yàn)電站作為總裝機(jī)量中國第一、世界第四大的潮汐電站，榜上有名。溫嶺江廈潮汐試驗(yàn)電站是我國第一座潮汐能雙向發(fā)電站，從1980年5月投入運(yùn)行至今，累計(jì)發(fā)電超過2.35億千瓦時(shí)，為我國大規(guī)模商業(yè)開發(fā)潮汐能積累了工程經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)儲(chǔ)備。

 

　　今年10月，國務(wù)院印發(fā)的《2030年前碳達(dá)峰行動(dòng)方案》提出，要探索深化地?zé)崮芤约安ɡ四?、潮流能、溫差能等海?a href='http://theclergymen.com/xinnengyuan/' target='_blank'>新能源開發(fā)利用。行動(dòng)方案為我國海洋新能源的開發(fā)利用指明方向。

 

　　“海洋新能源通常指海洋中所蘊(yùn)藏的可再生的自然能源。潮汐能、波浪能作為其中最主要的能源，是一種易于直接利用、取之不竭的可再生清潔能源。”中國科學(xué)院廣州能源研究所（下稱廣州能源所）海洋能研究室主任盛松偉對(duì)中國知識(shí)產(chǎn)權(quán)報(bào)記者表示，近年來，隨著我國技術(shù)攻關(guān)取得重大突破，一大批擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的海洋能技術(shù)由試驗(yàn)樣機(jī)向工程樣機(jī)成功轉(zhuǎn)變，這對(duì)于我國加快先進(jìn)成熟綠色低碳技術(shù)裝備推廣應(yīng)用，確保碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)如期實(shí)現(xiàn)，都具有十分重要的意義。

 

　　創(chuàng)新發(fā)掘潮汐“寶藏”

 

　　潮汐電站的發(fā)電機(jī)組都在海平面之下，是真正的“深藏不露”。潮汐能是潮汐運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的能量，是人類利用最早的海洋動(dòng)力資源。1972年3月，原國家計(jì)劃委員會(huì)正式批準(zhǔn)建設(shè)溫嶺江廈潮汐試驗(yàn)電站，重點(diǎn)圍繞潮汐能特點(diǎn)、潮汐機(jī)組研制、海工建筑物技術(shù)問題研究和綜合利用等四大方面展開，并將其列為國家“六五”時(shí)期重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目。

 

　　如今，這個(gè)由龍?jiān)措娏瘓F(tuán)股份有限公司運(yùn)營的潮汐試驗(yàn)電站安裝了6臺(tái)雙向燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)組，總裝機(jī)容量4.1兆瓦。“作為潮汐能發(fā)電的試驗(yàn)基地，溫嶺江廈潮汐試驗(yàn)電站運(yùn)行41年來始終堅(jiān)持發(fā)電和試驗(yàn)并舉，堅(jiān)持依靠現(xiàn)代技術(shù)對(duì)電站進(jìn)行改造和完善，取得了豐碩成果，為我國潮汐能的開發(fā)利用積累了許多寶貴的經(jīng)驗(yàn)。”柳沈律師事務(wù)所合伙人姚冠揚(yáng)介紹，2015年，隨著專利“一種六工況三葉片轉(zhuǎn)輪雙向潮汐發(fā)電水輪機(jī)”在該電站落地應(yīng)用以及1號(hào)機(jī)組增擴(kuò)容改造完成，該電站安裝了國際上首次研發(fā)的三葉片六工況雙向高效運(yùn)行的潮汐發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)輪，填補(bǔ)了國內(nèi)潮汐電站在設(shè)計(jì)優(yōu)化及多工況運(yùn)行方式等方面的技術(shù)空白。

 

　　姚冠揚(yáng)通過專利檢索后發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過多年的技術(shù)攻關(guān)，2015年清華大學(xué)和龍?jiān)措娏瘓F(tuán)股份有限公司溫嶺江廈潮汐試驗(yàn)電站在潮汐能技術(shù)開發(fā)方面取得了重大突破，針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中的4葉片轉(zhuǎn)輪潮汐發(fā)電水輪機(jī)組僅能保證一個(gè)工況下的效率、震動(dòng)和壓力脈動(dòng)大等技術(shù)問題，對(duì)導(dǎo)葉和轉(zhuǎn)輪的型線進(jìn)行近百次優(yōu)化，世界范圍內(nèi)首次在三葉片的水輪機(jī)上實(shí)現(xiàn)了全部六個(gè)工況下的高效率運(yùn)行。

 

　　清華大學(xué)能源與動(dòng)力工程系流體機(jī)械及工程研究所所長王正偉作為“一種六工況三葉片轉(zhuǎn)輪雙向潮汐發(fā)電水輪機(jī)”專利的第一發(fā)明人，在潮汐發(fā)電方面進(jìn)行了20余年技術(shù)攻關(guān)，取得了一系列創(chuàng)新成果。他介紹，目前，世界上所有其他的潮汐發(fā)電水輪機(jī)組都采用的是4葉片的轉(zhuǎn)輪。傳統(tǒng)觀念認(rèn)為，4葉片轉(zhuǎn)輪具有控流能力強(qiáng)，流道內(nèi)壓力脈動(dòng)小的特點(diǎn)，而王正偉團(tuán)隊(duì)結(jié)合我國潮汐能情況提出了三葉片轉(zhuǎn)輪。

 

　　據(jù)了解，在研發(fā)過程中，王正偉團(tuán)隊(duì)通過30多個(gè)導(dǎo)葉和60多個(gè)轉(zhuǎn)輪的型線優(yōu)化，成功將葉片上的壓力脈動(dòng)降低到比傳統(tǒng)的4葉片轉(zhuǎn)輪的壓力脈動(dòng)還略低，同時(shí)還提高了機(jī)組的過流量，保證了潮起潮落時(shí)機(jī)組具有更多的發(fā)電量、更高的效率和更小的壓力脈動(dòng)及振動(dòng)。

 

　　姚冠揚(yáng)表示，目前，受到單機(jī)發(fā)電機(jī)組規(guī)模的限制，全球范圍內(nèi)潮汐發(fā)電裝置的成本相對(duì)較高。相信，隨著潮汐發(fā)電技術(shù)進(jìn)一步取得突破，在不遠(yuǎn)的將來必將形成一批可借鑒、可復(fù)制、可推廣的典型案例，加快先進(jìn)成熟綠色低碳技術(shù)裝備推廣應(yīng)用。

 

　　專利增添波浪“動(dòng)能”

 

　　“除了潮汐能外，另一個(gè)埋藏在海洋中的能源寶藏就是波浪能。”盛松偉介紹，波浪能發(fā)電具有巨大的潛力，不僅可以為邊遠(yuǎn)海島等提供清潔能源，還能利用波浪能提供的動(dòng)力進(jìn)行海水淡化以及為海洋養(yǎng)殖平臺(tái)或測量儀器提供電力。

 

　　近年來，隨著我國科研院所和企業(yè)投入資金、技術(shù)和人才加緊攻關(guān)，波浪能利用技術(shù)不斷取得突破。2020年，由廣州能源所研發(fā)設(shè)計(jì)，招商局重工（深圳）有限公司建造的我國首臺(tái)500千瓦波浪能發(fā)電裝置“舟山號(hào)”交付使用。這是我國目前單臺(tái)裝機(jī)功率最大的波浪能發(fā)電裝置。

 

　　自2002年開始，盛松偉帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)從事新型海洋波浪能開發(fā)利用。經(jīng)過近10年的攻堅(jiān)克難，盛松偉團(tuán)隊(duì)在漂浮鷹式波浪能發(fā)電裝置方面取得重大突破，并于2012年在多個(gè)發(fā)達(dá)國家提交名為“一種具有半潛船特征的漂浮鷹式波浪能發(fā)電裝置”的專利申請，解決了波浪能裝置效率低、建造與維護(hù)成本高以及投放后難以回廠維護(hù)或維修的難題。

 

　　“波浪能裝置的樣式各種各樣，但工作原理都是將波浪的動(dòng)能和勢能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能等能夠利用的能源。然后，再將得到的機(jī)械能傳遞到旋轉(zhuǎn)機(jī)械中（如透平、液壓馬達(dá)等）；最后，再將旋轉(zhuǎn)機(jī)械中的機(jī)械能通過發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)化為電能，輸送給用戶。”盛松偉表示。

 

　　近年來，在相關(guān)專利的基礎(chǔ)上，盛松偉團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步攻關(guān)，突破了海上漂浮式波浪能裝置無法長期穩(wěn)定發(fā)電的系列難題，完成了鷹式波浪能技術(shù)由試驗(yàn)樣機(jī)向工程樣機(jī)的成功轉(zhuǎn)變。2015年11月,運(yùn)用相關(guān)專利建設(shè)的100千瓦工程樣機(jī)“萬山號(hào)”在珠海市萬山島開始實(shí)海況試驗(yàn)。兩年后，“萬山號(hào)”在珠海市萬山島并網(wǎng)發(fā)電，實(shí)現(xiàn)了我國波浪能電力首次進(jìn)入海島居民家庭使用。

 

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　　爾后，在中國科學(xué)院和南方電網(wǎng)的支持下，盛松偉團(tuán)隊(duì)利用相關(guān)專利實(shí)現(xiàn)了我國波浪能裝置在近海、遠(yuǎn)海并網(wǎng)供電。2018年8月31日，260千瓦“波+光+儲(chǔ)-海水淡化”海上可移動(dòng)能源平臺(tái)“先導(dǎo)一號(hào)”在我國西沙開展了遠(yuǎn)海發(fā)電試驗(yàn)，通過海底電纜成功并入遠(yuǎn)海海島電網(wǎng)，標(biāo)志著我國成為全球首個(gè)在深遠(yuǎn)海布放波浪能發(fā)電裝置并成功并網(wǎng)的國家。

 

　　盛松偉表示，擁有中國、歐盟、日本和加拿大發(fā)明專利的半潛式波浪能養(yǎng)殖旅游通訊平臺(tái)技術(shù)，已由研發(fā)和示范進(jìn)入多省商業(yè)化建設(shè)運(yùn)行階段；擁有中國、美國、英國和澳大利亞發(fā)明專利的鷹式波浪能發(fā)電技術(shù)，已完成2臺(tái)500千瓦波浪能裝置“舟山號(hào)”及“長山號(hào)”的建設(shè)，正在開展實(shí)海況試驗(yàn)；同時(shí)在國家重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目支持下，廣州能源所聯(lián)合南方電網(wǎng)正在開展單臺(tái)裝機(jī)1兆瓦的波浪能裝置研建，預(yù)計(jì)2022年完成建設(shè)并投放南海示范運(yùn)行，支撐我國海上碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)實(shí)現(xiàn)。（本報(bào)記者 陳景秋）