海洋能：專利挖掘“藍色經濟”丨邁向碳達峰

　　近日，第五批國家工業遺產名單新鮮出爐，溫嶺江廈潮汐試驗電站作為總裝機量中國第一、世界第四大的潮汐電站，榜上有名。溫嶺江廈潮汐試驗電站是我國第一座潮汐能雙向發電站，從1980年5月投入運行至今，累計發電超過2.35億千瓦時，為我國大規模商業開發潮汐能積累了工程經驗和技術儲備。

 

　　今年10月，國務院印發的《2030年前碳達峰行動方案》提出，要探索深化地熱能以及波浪能、潮流能、溫差能等海洋新能源開發利用。行動方案為我國海洋新能源的開發利用指明方向。

 

　　“海洋新能源通常指海洋中所蘊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中國知識產權報記者表示，近年來，隨著我國技術攻關取得重大突破，一大批擁有自主知識產權的海洋能技術由試驗樣機向工程樣機成功轉變，這對于我國加快先進成熟綠色低碳技術裝備推廣應用，確保碳達峰、碳中和目標如期實現，都具有十分重要的意義。

 

　　創新發掘潮汐“寶藏”

 

　　潮汐電站的發電機組都在海平面之下，是真正的“深藏不露”。潮汐能是潮汐運動時產生的能量，是人類利用最早的海洋動力資源。1972年3月，原國家計劃委員會正式批準建設溫嶺江廈潮汐試驗電站，重點圍繞潮汐能特點、潮汐機組研制、海工建筑物技術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”時期重點科技攻關項目。

 

　　如今，這個由龍源電力集團股份有限公司運營的潮汐試驗電站安裝了6臺雙向燈泡貫流式水輪發電機組，總裝機容量4.1兆瓦。“作為潮汐能發電的試驗基地，溫嶺江廈潮汐試驗電站運行41年來始終堅持發電和試驗并舉，堅持依靠現代技術對電站進行改造和完善，取得了豐碩成果，為我國潮汐能的開發利用積累了許多寶貴的經驗。”柳沈律師事務所合伙人姚冠揚介紹，2015年，隨著專利“一種六工況三葉片轉輪雙向潮汐發電水輪機”在該電站落地應用以及1號機組增擴容改造完成，該電站安裝了國際上首次研發的三葉片六工況雙向高效運行的潮汐發電機組轉輪，填補了國內潮汐電站在設計優化及多工況運行方式等方面的技術空白。

 

　　姚冠揚通過專利檢索后發現，經過多年的技術攻關，2015年清華大學和龍源電力集團股份有限公司溫嶺江廈潮汐試驗電站在潮汐能技術開發方面取得了重大突破，針對現有技術中的4葉片轉輪潮汐發電水輪機組僅能保證一個工況下的效率、震動和壓力脈動大等技術問題，對導葉和轉輪的型線進行近百次優化，世界范圍內首次在三葉片的水輪機上實現了全部六個工況下的高效率運行。

 

　　清華大學能源與動力工程系流體機械及工程研究所所長王正偉作為“一種六工況三葉片轉輪雙向潮汐發電水輪機”專利的第一發明人，在潮汐發電方面進行了20余年技術攻關，取得了一系列創新成果。他介紹，目前，世界上所有其他的潮汐發電水輪機組都采用的是4葉片的轉輪。傳統觀念認為，4葉片轉輪具有控流能力強，流道內壓力脈動小的特點，而王正偉團隊結合我國潮汐能情況提出了三葉片轉輪。

 

　　據了解，在研發過程中，王正偉團隊通過30多個導葉和60多個轉輪的型線優化，成功將葉片上的壓力脈動降低到比傳統的4葉片轉輪的壓力脈動還略低，同時還提高了機組的過流量，保證了潮起潮落時機組具有更多的發電量、更高的效率和更小的壓力脈動及振動。

 

　　姚冠揚表示，目前，受到單機發電機組規模的限制，全球范圍內潮汐發電裝置的成本相對較高。相信，隨著潮汐發電技術進一步取得突破，在不遠的將來必將形成一批可借鑒、可復制、可推廣的典型案例，加快先進成熟綠色低碳技術裝備推廣應用。

 

　　專利增添波浪“動能”

 

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

 

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

 

　　自2002年開始，盛松偉帶領團隊從事新型海洋波浪能開發利用。經過近10年的攻堅克難，盛松偉團隊在漂浮鷹式波浪能發電裝置方面取得重大突破，并于2012年在多個發達國家提交名為“一種具有半潛船特征的漂浮鷹式波浪能發電裝置”的專利申請，解決了波浪能裝置效率低、建造與維護成本高以及投放后難以回廠維護或維修的難題。

 

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

 

　　近年來，在相關專利的基礎上，盛松偉團隊進一步攻關，突破了海上漂浮式波浪能裝置無法長期穩定發電的系列難題，完成了鷹式波浪能技術由試驗樣機向工程樣機的成功轉變。2015年11月,運用相關專利建設的100千瓦工程樣機“萬山號”在珠海市萬山島開始實海況試驗。兩年后，“萬山號”在珠海市萬山島并網發電，實現了我國波浪能電力首次進入海島居民家庭使用。

 

廣告

　　爾后，在中國科學院和南方電網的支持下，盛松偉團隊利用相關專利實現了我國波浪能裝置在近海、遠海并網供電。2018年8月31日，260千瓦“波+光+儲-海水淡化”海上可移動能源平臺“先導一號”在我國西沙開展了遠海發電試驗，通過海底電纜成功并入遠海海島電網，標志著我國成為全球首個在深遠海布放波浪能發電裝置并成功并網的國家。

 

　　盛松偉表示，擁有中國、歐盟、日本和加拿大發明專利的半潛式波浪能養殖旅游通訊平臺技術，已由研發和示范進入多省商業化建設運行階段；擁有中國、美國、英國和澳大利亞發明專利的鷹式波浪能發電技術，已完成2臺500千瓦波浪能裝置“舟山號”及“長山號”的建設，正在開展實海況試驗；同時在國家重點研發項目支持下，廣州能源所聯合南方電網正在開展單臺裝機1兆瓦的波浪能裝置研建，預計2022年完成建設并投放南海示范運行，支撐我國海上碳達峰、碳中和目標實現。（本報記者 陳景秋）