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引用 美国“试水”海上风力发电   

2014-10-18 05:51:59|  分类: 科技博览 |  标签: |举报 |字号 订阅

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今年5月,美国能源部拨款给新泽西州、俄勒冈州和弗吉尼亚州的3个示范项目。一些州政府也正在为其建造海上风电场的雄心开辟道路,开发商则表示他们最快可于明年开始在海洋中安置涡轮机。


科学探索

 
 

位于缅因州卡斯汀的漂浮式涡轮机是美国当前唯一的海上风电设备。图片来源:美联社

 

  在专家看来,发展海上风电面临的环境和技术挑战是完全可以克服的。

  位于美国缅因州的卡斯汀镇仿佛是一处被时光遗忘的地方。17世纪早期,开始有人到此定居。如今,街道上排列着拥有几百年历史的建筑物。船儿在小小的港湾里摇动,由粗糙石板建成的白色灯塔则在一座高高的山丘上“站岗放哨”。

  不过,就在离岸边500米远的海上,未来的气息透过灰色的薄雾若隐若现。一台淡黄色的风力涡轮机在波浪中摇晃,薄薄的叶片缓慢地旋转着。这个20米高的家伙建于去年6月,是一种试验性漂浮设计,规模只有实际大小的1/8。它最多可提供20千瓦电力,基本够6个美国家庭用电。不过,因为是美国近海唯一的海上风力发电场,这个被称为VolturnUS的建筑物正引发广泛关注。

  过去几十年间,其他国家如比利时、英国、丹麦和德国在其海岸线周围建造了大规模的涡轮机发电场。然而,由于环境顾虑、官僚制度和政治反对,美国开发海上风电的努力一直没有结果。不过,一切或许将很快得以改观。生态研究显示,经过周密计划建立的风电场不会明显伤害到鸟类或海洋哺乳动物。商业人士和政客对开发和投资海上风电的兴趣也日益增加。

  今年5月,美国能源部拨款给新泽西州、俄勒冈州和弗吉尼亚州的3个示范项目。一些州政府也正在为其建造海上风电场的雄心开辟道路,开发商则表示他们最快可于明年开始在海洋中安置涡轮机。

  从理论上讲,这种潜力是巨大的。包括难以达到的深水地区,美国近海预计可产生4万亿瓦电力,足够提供4倍于该国现有用电需求的电量。不过,在该领域获得快速发展前,支持者不得不证明海上风电在经济意义上可以同其他能量来源竞争,而且必须清除各州和联邦政府在管制海上风电项目时设置的各种错综复杂的规定。

  “我不认为我们在该领域已毫无顾虑。”美国国家可再生能源实验室长期关注海上风电的研究人员Walt Musial表示,我们需要证明其在实践中是可行的。

  海上试验

  没有一个项目在开发海上风电时面临的挑战能超过波士顿能源管理公司建立的鳕鱼岬海上风电场。此项目距离卡斯汀西南处350公里,旨在充分利用马萨诸塞州科德角附近南塔基湾强劲的风力和相对平静的水域。

  鳕鱼岬海上风电场计划包括130台涡轮机,每台约有80米高,共占地65平方公里。该能源管理公司表示,风力发电场建成后,将拥有468兆瓦发电量,可为科德角以及附近的玛莎葡萄园岛和南塔基岛提供75%的电力。

  然而,十几年来,该项目一直面临着强烈反对。包括非营利性组织等一些机构认为该项目将伤害鸟类和其他野生动物,增加消费者负担的电力价格,并威胁到进入私人空域的飞机。而几乎所有的司法判决一直都站在鳕鱼岬海上风电场这边,其发言人Mark Rodgers表示,即便需要应对的上诉即将到来,该项目还是打算在2015年开建。

  鳕鱼岬海上风电场是美国第一个完成主要环境评估的海上风电项目。它对海洋哺乳动物的影响或许更难以预测。研究人员和环保人士尤其担忧在海上风力发电场的建设阶段,当巨大的钢梁敲进海床会产生相当于一场小型爆炸的声音,足以扰乱一些海洋哺乳动物的行为。

  为避免出现诸如损害海洋哺乳动物听力等严重问题,鳕鱼岬海上风电场被要求至少配备一名观察员监视每台涡轮机的安装。该风电场施工和环境项目经理Rachel Pachter表示,如果海洋哺乳动物在距安装地点750米内,公司将延缓打桩。

  一旦完工,海上风力发电场甚至可以为海洋哺乳动物带来好处。研究人员发现众多海上涡轮机可以变成人工鱼礁,而今年发表的一项研究利用追踪数据发现,在德国和英国,海豹会寻找正在运营的风电场涡轮机。主导该研究的英国圣安德鲁斯大学海洋生物学家Deborah Russell介绍说,这些海豹可能喜欢风电场所提供的远离船只的保护。

  除了对野生动物的担忧,美国海上风力发电场的支持者还不得不解决飓风问题。尽管马萨诸塞大学风能中心主任、机械工程师James Manwell表示,诸如石油平台等海上建筑物的经历为涡轮机的安装提供了信心。不过,加固涡轮机需要额外的钢铁却增加了花费。公司不得不决定如何平衡为应对罕见飓风而加固风电场所带来的开支和好处。

  漂浮式涡轮机

  对于开发商来说,其面临的一个大问题是在美国沿海建设风电场是否具有经济意义。任何与迎合环境条例或应对严重风暴相关的额外努力,都将会增加建设成本,而海上风电场正处于同丰富的廉价天然气竞争的阶段。

  为此,开发商正在实验不同的设计,希望能降低支出。由单根巨型管子插入海床构建的单桩结构通常是最便宜的,而且很好地经受过考验。不过,一些开发商正尝试构建将三根桩子绕在中心柱附近的多桩结构,这与海上石油和天然气平台使用的结构相似。随着涡轮机变大,这些多桩设计可能更加稳固,并且比单桩更廉价。

  另一种解决方案是让涡轮机漂浮起来,就像研究人员在卡斯汀所做的试验性设计一样。来自缅因大学的工程师Habib Dagher和同事将中空混凝土管子固定在涡轮机底部。通过3根钢丝绳将其连接到海床中的锚上,涡轮机在波浪中非常稳固。这样的设计可在更深的海域中操作,而利用单桩直接插入海床是不切实际的。Dagher介绍说,这样建造还相对便宜,因为相关部件可以在岸上生产,然后将其运到目的地。

  不过,他和同事不得不证明实际尺寸大小的漂浮式结构可以在大风暴中直立并且稳固。对示范涡轮机安装后测量的数据显示,这种设计表现不错。Dagher表示,即使在80公里/小时的大风中,涡轮机也只倾斜了5.9度。这表明实际尺寸大小的设备能在500年一遇的强劲风力中保持稳固。

  在Musial看来,10年前漂浮式涡轮机并没有受到重视,但如今它们正成为严肃的竞争者。在葡萄牙岸边安装的一台2兆瓦试验性漂浮式涡轮机从2012年起成功运转至今,日本也拥有两台已和电网连接的漂浮式涡轮机。同时,美国能源部门表达了对该设计的兴趣:今年能源部资助的3个示范项目之一将在俄勒冈州库斯贝海上350米深处配置5台6兆瓦漂浮式涡轮机。

  政治问题

  在专家看来,发展海上风电面临的环境和技术挑战是完全可以克服的。特拉华大学研究海上风电政策的专家Willett Kempton认为,目前最大的障碍是各种纷繁复杂的政策规则。它们将减缓项目进度,并且为开发商和投资者提供了并不充分的确定性。

  其他项目也因政治、政策和成本方面的担心而深受其害。例如,在缅因州,由挪威能源公司Statoil参与的一项建造价值1.2亿美元风电场的交易,因在该州州长选举时承诺向其他开发商重开投标过程而土崩瓦解。

  Kempton极力称赞欧洲国家为推动海上风电发展所提供的能源政策和财政激励。例如,丹麦设立了到2020年一半用电通过风力发电获得的目标。为实现这个目标,需要将电网连接到海上风力发电场,并为来自这些设备的电力设置合理价格。

  相较于美国联邦政府提供的短期税收抵免政策,这种长期的支持对于风电行业更具吸引力,因为前者的消失与否在很大程度上依赖于选举周期中国会的一时心血来潮。

  美国一些州正开始为相关项目提供更好的支持以鼓励投资者和开发商。例如,马里兰州为开发商提供补贴的做法极大鼓舞了早先在马里兰州海岸建造一个大型风电场的努力。

  不过,就目前而言,使涡轮机成功下水的最大机会在于美国北部地区。

  今年9月,开发商Deepwater Wind获得了明年年中作为示范项目一部分在罗得岛州海岸安装涡轮机所需的联邦政府的最终批准。波士顿能源管理公司则希望尽快建设更大的鳕鱼岬海上风电场。

  为实现该目标,位于马萨诸塞州的新贝德福德港口正赶着完成最后的准备,以保证其有能力操作1400吨起重机,将涡轮机搬运到船上,然后运到鳕鱼岬海上风电场。同时,大型挖掘机每天24小时不间断作业以加深港口。

  马萨诸塞州清洁能源中心海上风电项目主任Bill White正管理着新贝德福德项目。在他看来,接下来的几个月里“我们将知道鳕鱼岬海上风电场是否能变成现实”。(闫洁)

来源:中国科学报

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