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国际水资源海岸和海洋会议工程

太阳能：对潜在的绿色和清洁能源在沿海和近海应用的评述

Vinod Kumar, R.L.Shrivastava, S.P.Untawale

摘要

世界对能源和矿产资源的渴望似乎是无法满足的。本文的研究揭示了目前化石燃料的自然储量代表了150年（煤），58年（天然气）和几乎46年（石油）的当前利率消费量。海洋覆盖了大约71％的地球表面和充足深奥的资源，这种蓝色经济激起了人们利用海洋财富的兴趣，如高强度能源石油和天然气的开采，航运，渔业，和海洋采矿（硫化物，锰结核，钴结壳，甲烷水合物）等。大多数离岸能源被用于作为燃料，烹饪，保持舒适的条件，娱乐，保存商品，蒸馏等。将高级能源转换成低级能源如进行水加热，蒸馏，冷却等是不利的，因为丰富的低级能源本身就能够有效地这样做。太阳能PV/T技术可以充分满足海上能源需求，虽然太阳能的水平成本（LCOE）比任何其他可再生能源都要高，但移动性，可移植性和离岸设施的可行性是可再生能源中占主导地位的因素，这些性质对于太阳能恰恰是有利的。在本文中，各种离岸能源的应用解释了太阳能替代传统油气燃料的潜力。使用化石燃料造成的污染及对海洋生物造成的破坏也得到了审查。

关键词：海洋太阳能、沿海和近海太阳能PV/T、海洋能量强度、海洋污染。

1.简介

海洋能源是世界上最大的尚未开发的可再生能源。据估计，0.1％的海洋中的能量可以提供五倍于全世界能源需求（EUOEA，2014）的能量。海洋是燃料，矿物质，食品，药品的丰富来源，并且也为运输提供便利。海洋贸易包括石油和天然气开采，采矿矿物，海产品和运输等。

符号	名称
LCOE	能量水平成本
PV/T	光伏/热
TWh	瓦特/小时
OTEC	海洋热能转换
INES	国际核和放射事件量表
FIT	上网电价
CSP	集中太阳能发电
NGL	天然气液体
Gte	千兆吨
OECD	经合组织经济合作与发展组织
POP	持久性有机污染物
DDT	二氯二苯三氯乙烷
PCB	聚氯联苯

据IEA（2014）报告，目前世界电力需求相当于17500 TWh。同时有潜力通过海洋发展电力200008万亿KWh。海洋能源包括潮汐能，潮汐（海洋）潮流，波浪能，温度梯度（OTEC），盐度梯度。海洋活动大致分为两类：陆上和离岸。陆上能量需求可以通过任何常规和非常规技术来实现；离岸能源需求包括海洋能源利用设备，渔业，海洋采矿，海洋贸易，运输，航运等。为了满足离岸能源需求，需要随时携带燃料。此外，在长期离岸停留或异常发生的情况下，燃料耗尽的后果可能成为生存的主要挑战。一个独立的系统，如果能够拥有自救的能力，可能会是一个救生的选择。

与常规能源相关的瓶颈，为非常规能源的开发打开了大门。海洋活动中的大多数能量可以通过在自然资源中可大量获得的低级能量来满足。因此在这些活动使用高级能源是不明智的。此外，土地田地疯狂占有和密集占据，对安装新的发电厂提出了巨大的挑战。Trapani Kim和Millar Dean L.提出了马耳他群岛的离岸光伏（PV）技术作为土地稀缺的解决方案，利用太阳能具有巨大的潜力，针对可居住土地的稀缺的状况，环境问题和保护生态平衡需要部署太阳能发电作为常规能源的替代品。由于其清洁性，移动性，安装紧凑性，系统独立性，普适性，免维护性，太阳能越来越受欢迎。

图一 2011年全球最终能源消耗估计的可再生能源份额（Ren21GSR，2013）

1.1 太阳能

太阳构成与磁场交织的热等离子体，能量通过核聚变产生的氢核转化为氦。 由太阳的表面温度5762K（Kreith F，Kreider JF，1978）输出的太阳能量为3.8times;102ordm;MW，其中一小部分即1.7times;1014kW的发射能量被地球吸收。然而，一年的世界能源需求量只是30分钟的太阳辐射到地球的能量，但是由于大气的吸收、衍射和反射，太阳发出的能量并未全部到达地球。因此，太阳常数由直接暴露于太阳光并且垂直于太阳的每单位面积上太阳照射的太阳辐射定义，为1.368kW /m2（Kalogirou S.A，2004）。

太阳能利用系统大致分为两类：太阳能热和太阳能光伏（PV）。热系统捕获太阳能并将其用于热应用，例如空间加热和冷却，水加热，脱盐等，而光伏系统将阳光直接转换成电，而不用插入发动机。Ghaffour Noreddine等人（2014）提出了一个可再生能源驱动的综合海水淡化系统，由于太阳能光伏产生高级能量，不推荐降级为低等级能源使用如水加热，脱盐，蒸馏等。

社会技术 - 海洋环境对太阳能能源利用的商业适用性包括 -

· 空气和海水的冷却提高了PV转换效率（Skoplaki E和Palyvos JA，2009）。

·用于清洁面板。

·从W到MW的模块化和可扩展系统。

·通过遮蔽水来减少水的蒸发和藻类的生长。

·浮力用以支撑简单的结构设计。

·环保。

·接近能源需求的丰富空间的可用性。

限制

·咸水腐蚀和结垢。

·需要强大的浮式平台设计，以确保抵抗台风的耐久性。

·海洋生态系统的转移和生物的生计。

·目前，世界各地都没有鼓励部署的政策。

1.1.1 太阳能集热器

太阳能集热器是系统的核心，其捕获太阳能热量并将其传递到循环介质。 市售的太阳能收集器见图2（a）-（f）。 Ayden Hakan等人（2014）设想了太阳能预热和过热的OTEC系统。 Yamada Noboru等人（2009）模拟了使用5000平方米平板收集器的太阳能提升OTEC系统，效率提高了1.5倍。 大多数机载热能需求包括用于对洗浴和清洁的水加热，空间加热和冷却，烹饪，食品和商品的保存，渔业等。现有技术的太阳能收集器能够有效地满足要求。

图二（a）平板收集器：黑色吸收器板连接到 一系列提升管上，其吸收太阳能并将其能量传递到循环流体。可获得高达80°C的温度。

图二(b)真空管：两个同心管，内管涂有优良的选择性吸收涂层，外管高度透明。 管之间的通道被抽真空并且端部被熔化。 阳光穿过外玻璃管并被内管吸收。

图二（c）线性菲涅耳反射器：抛物线槽的修改形式，其分成长行的平面/曲面镜。集中通量被向下的固定接收器吸收

图二（d）中央接收器：放置在地面上的多个定日镜将太阳辐射集中在放置在固定塔顶上的中心接收器上

图二（e）抛物面盘：配备全点双轴太阳能跟踪器的点聚焦太阳能集中器。 小的斯特林机或涡轮机放置在焦点处以吸收集中的热量。

图二（f）抛物面槽：内部弯曲反射器在抛物槽形状配备单轴跟踪。 一个线性吸收体放置在焦线处以吸收能量。

1.1.2 太阳能光伏

太阳能光伏系统的最大优势是其尺寸，使其能够产生从微瓦到兆瓦的能量。它的结构坚固，简单，几乎免维护。现有技术的光伏模块转换效率在商业上在15-20％的范围内，但是在60年代和70年代早期，PV装置在其寿命期间产生的能量小于其制造所需的能量。现在投资回收期为2-4年，面板寿命却已超过30年。Trapani Kim等人（2013）研究了与常规海洋可再生能源技术的竞争性能相比较的新型光伏太阳能应用。

1. 福岛第一灾难后日本的重大突破

2011年3月11日在日本发生了大地震，15米海啸使得福岛第一核电站的三个反应堆的电力供应和冷却变为无效，三个核心在前三天完全熔化。事故在INES标度评级为7。在第4天至第6天观察到严重的放射性释放容量净额2719兆瓦，因事故损失而被注销（WNA，2014年）。为了确保早日恢复电力和生活，日本政府选择通过实施上网电价（FIT）计划以依赖可再生能源。在FIT计划下，当地公司需要以政府确定的价格购买20年可再生能源用以产生电力。截至2012年年底，70000KW光伏太阳能发电厂已安装并设定了2013年安装5300MW的目标，到2020年达到28GW，到2030年达到53GW的长期计划，国内一次能源需求的百分比可以通过太阳能提供（电力技术，2014年）。

日本正在建设的主要太阳能项目是位于福岛县南马索的东芝100MW发电厂Tomakomai的一座200MW太阳能发电厂，和位于Atsumi半岛Tahara市的77MW光伏发电厂。

2.1 鹿儿岛南岛岛巨型太阳能发电厂

图三 鹿儿岛南岛岛超大海上太阳能发电厂（电力技术，2014年）

一座70兆瓦的鹿儿岛南岛岛超大太阳能发电厂是日本最大的海上公用事业规模的太阳能发电厂。它包括290,000个多晶型光伏电池，配备140个逆变器，Opticool冷却系统。该巨型太阳能发电厂在2013年11月后14个月的时间内建造，建造时间创造了记录。年发电能力为78,800MWh。据估计，所产生的电力将提供大约22,000个平均家庭需求，并且每年减少25,000吨二氧化碳（动力技术，2014年）。

3.海洋能源

3.1 石油

石油是世界上使用最广泛的主要能源，估计当前全球石油储量为16,500亿桶。原油是在地下岩石中发现的烃类化合物的复杂混合物。已经花了数百万年的时间来将死亡的植物和藻类材料转化为沉积在底部的厚层有机物材料。随后，热和压力对该沉降进行作用将其转化为原油。通过深层钻探提取的天然原油在其天然原始状态下不是非常有用，需要进行分馏。图-4显示原油的分馏。分馏所需的加热范围为20℃至400℃。最先进的集中太阳能发电（CSP）技术能够产生高达3000℃的温度，并且该技术可以有效和经济地部署用于原油的馏分蒸馏。

图四 分馏

3.2 天然气

天然气的产生与原油类似，是来源于生物。它是烃的混合物，主要构成成分是甲烷（CH4）。甲烷是无色，无味和无毒的气体，比空气轻。回收的天然气不能方便地使用。为了提高气体的质量，需要加工和精炼。

3.3 海洋水电

水电在电力生产中的全球份额为15％，工厂遍布世界各地。就海洋水电而言，潮汐能和波浪能技术占主导地位。在2011年增加了韩国254MW的潮汐发电项目和西班牙的300KW波浪能发电厂。此后，商业海洋能力在2012年底仍以大约527MW的潮汐能占据主要份额（REN21 GSR，2013）。海洋波浪和海洋-潮汐能源资源在2013年具有最高的全球能源和全球成本（WEC，2013），因为主要成本有助于安装，生产和分配。

3.4 风能

风力被用作发电，从古时起就作为家庭，小规模工厂，农场房屋，面粉厂等的原动机。

Pinson P.等人（2013）提出了海上风力发电的想法，并讨论了风力的动力特性及其对发电的影响。在选择用于安装风力发电系统的场地时，关键术语容量比被定义为在给定时段的平均输出与最大输出的比率。对于优良的场地位置，其值为45％或更高，通常为20％-35％。由于更强和更一致的海风的可用性，海上风力涡轮机非常有效。

Esteban M. Dolores等人（2011）讨论并比较了海上风力与其他可再生能源和常规能源系统。风速随着离岸边距离增加而增加，但是也对建筑物的固定以及离岸电网的连接造成困难。浮动基础在一定程度上解决了这个问题。用于捕获高风速和高度的最大功率;建议更高的轮毂高度和更大的转子直径。过去十年间风力发电量的年增长率约为25％。2012年全球风力发电量占总发电量的2.3％，同比增长44GW，达到282GW。

3.5 波浪能和潮汐能

海浪和潮汐是由于太阳、地球和月球之间的重力而产生的。虽然在海浪中有巨大的能量，但慢运动波和最少集中能量原则成为限制，将大波高与较长波长和较长能量脉冲时间进行集成。天然波具有不规则的形状，尺寸和频率，在开采能量之前需要在设备的操作限度内选择平滑的。

3.5.1 波浪能

波是振荡的不规则的和低频的能量源，它必须在连接到电网之前转换为60 Hz频率。深海的波浪强度比沿海地区的波浪强度强3〜8倍。在海上建设坚实的基础和结构是一个巨大的挑战; 并且要在这种类型的装置中提供完全浸没在海底的结构。由Holmager Morten（2010）计算的波浪功率为 -

其中 P =功率（kW / m），

k =常数，

H =以米为单位的波高（波峰到波谷），lt;

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