混合扩散器增强型水动力-光伏阵列在河口通道中的设计与技术经济评估

《ENERGY CONVERSION AND MANAGEMENT》：Design and techno-economic assessment of a hybrid diffuser-augmented hydrokinetic–PV array in an estuarine channel

　　迭戈·L.S. 科斯梅 | 安娜·D.E.F. 罗查 | 奥斯瓦尔多·R. 萨维德拉 | 清明辉·L. 德利马 | 丹尼森·Q. 奥利维拉 | 拉米罗·G.R. 卡马乔
马兰豪联邦大学，电气能源研究所，巴坎加校区，65085-580，圣路易斯-MA，巴西

**摘要**
本文对一种混合潮汐-光伏发电概念进行了技术和经济评估，该概念应用于巴西圣马科斯湾的博凯朗海峡。研究探讨了纵向尾流恢复现象、其对阵列效率的影响，以及涡轮机间距、安装容量和能量产出之间的权衡，而不是比较不同的涡轮机配置。在方法上，明确地对尾流相互作用进行了建模，并将规模经济和学习曲线效应纳入成本分析中。为了减轻尾流引起的损失，光伏模块被集成到浮动混合单元中，从而实现了同一空间区域的共同利用。引入了一种混合能量密度指标，用于评估涡轮机间距、单元数量和局部太阳辐射下的总潮汐和太阳能输出。基于流体动力学模拟，制定了阵列尺寸标准，并将其应用于混合能源农场的概念设计。结果表明，尽管尾流效应降低了下游的水动力发电量，但光伏集成部分抵消了这些损失，并显著提高了整个站点的生产力。总体而言，所提出的混合配置实现了具有竞争力的、操作上现实的平准化能源成本（LCOE），支持了潮汐-太阳能系统在河口应用和模块化可再生能源部署中的技术和经济可行性。

**引言**
电力是人类福祉的基本要素，支持着关键行业；然而，尽管可再生能源正在扩展，但在2050年之前，化石燃料仍将占全球发电量的大约三分之一，二氧化碳排放量将持续上升，而2°C的碳预算将在21世纪40年代初耗尽[1]。在这种背景下，潮汐流能量因其高可预测性和低环境影响而脱颖而出，在巴西尤其如此，特别是在北部和东北部地区，那里的潮汐范围超过6米，流速经常超过2米/秒[2]。
研究已经确定了巴西具有高潜力的潮汐流能量地点，特别是在马兰豪州的圣马科斯湾（功率密度可达3千瓦/平方米），以及巴伊亚州的托多斯奥斯桑托斯湾（强流速超过1米/秒）[2][3][4]。后续研究在东北部绘制了多个可行区域，尤其是在圣马科斯河口复合体[5][6]。最近的高分辨率建模将这一范围扩展到了赤道大陆架，揭示了亚马逊河口的新候选地点。帕拉河口尤为突出，其流速超过1.5米/秒，功率密度接近1千瓦/平方米，这得益于潮汐和河流动力之间的独特相互作用[7][8]。
巴西亚马逊地区约有100万居民无法获得足够的电力，主要分布在偏远的河岸和原住民社区，这使得传统的电网扩展不可行，需要分散式解决方案[9][10]。然而，这些人口位于河岸沿线，为利用这些水道的水动力潜力创造了有利条件，作为一种清洁且可预测的能源来源。平均流速通常在1.5至2米/秒之间[11][12]，这代表了可持续河流发电的重要技术机会，被认为是支持这些偏远社区社会经济发展的关键策略[13][14]。
在亚马逊地区，由于河流通常较浅，安装大型水动力涡轮机具有挑战性，因此采用较小的模块化单元更为可行。这种方法在经济上可行，可用于服务孤立社区，并可以通过将光伏太阳能板集成到结构中来优化，创建自主且可扩展的混合系统[15]。可再生能源来源的本地互补性有效地促进了能源增益和成本降低[16]。近年来，许多研究都关注了可再生能源来源之间的互补性，包括[17][18]等作品。互补性指的是资源在空间、时间和时空维度上的变化。它包括空间互补性（不同地区在不同时间的资源可用性）、时间互补性（同一地区内不同来源随时间的互补发电模式），以及时空互补性（同时存在于空间和时间上）[19]。为了量化互补性，文献中提出了几种指标，基于不同的方法——如统计指标[20]和基于波动的指标[21][22]。
如[18]所示，潮汐流和太阳能来源之间的互补性比其他可再生能源组合更强，提供了更高的日稳定能量，使其特别适合混合潮汐-太阳能系统。此外，浮动太阳能系统的部署提高了总发电量和区域利用效率，同时减轻了通常与陆地安装相关的土地使用影响。

[23]中的研究建立了一个简化的基线，用于估算博凯朗站点的成本和能源产量。本文通过一种建模方法扩展了这一分析，该方法考虑了涡轮机之间的尾流相互作用、混合单元的集成以及规模和经济效应的影响。这种更全面和现实的方法得出了更为保守的平准化能源成本（LCOE）估计，充分反映了能量产出、系统复杂性和生命周期成本之间的权衡。

本文提出了一种基于尾流的潮汐-太阳能能源系统的技术经济评估，应用于巴西圣马科斯湾的博凯朗海峡案例研究。所提出的框架旨在评估尾流相互作用、涡轮机纵向间距和部署规模如何共同影响能量产出、成本结构和最终的平准化能源成本（LCOE）。首先，通过数值模拟量化了扩散器增强型水动力涡轮机（DAHTs）之间的尾流相互作用。这允许基于尾流恢复定义物理上一致的纵向间距标准，避免了任意的布局假设，并为阵列设计提供了物理基础。然后将这些流体动力学相互作用扩展到阵列规模，累积的尾流效应降低了下游的能源产量，并直接影响农场的整体性能。接下来，将光伏发电集成到浮动混合单元中，作为在同一空间区域内共同利用的策略。通过这种方式，光伏发电部分补偿了与尾流相关的水动力损失，并提高了站点的整体生产力。为了支持这一分析，引入了一种混合潮汐-太阳能能量密度指标，将潮汐和光伏发电结合在一个统一的空间框架内，作为评估站点生产力和土地/水利用效率的新指标。
在此基础上，基于LCOE进行了技术经济评估，综合考虑了尾流效应、规模经济和学习曲线动态在资本支出（CAPEX）和运营支出（OPEX）方面的影响。将尾流感知能源建模与规模和经济效应结合到成本预测中，是本文的主要方法创新之一。尽管尾流感知建模导致更保守的能源估计和更高的单位成本，但混合化、部署规模和学习动态的综合效应使得LCOE具有竞争力且操作上现实。

尽管本文通过博凯朗海峡的案例研究进行了说明，但所提出的方法并不特定于该地点，可以扩展到具有类似特征的其他河口通道，如几何限制、大的潮汐范围、强烈的水流和有利的太阳能资源可用性。因此，该框架为河口环境中模块化水动力和混合能源农场的预可行性评估提供了有用的基础。

**本文的主要贡献包括：**
- 提出了一种灵活且可扩展的混合潮汐-太阳能发电单元，适用于集成到微电网中，为孤立社区服务，并适用于河口和河流环境；
- 通过数值模拟量化了扩散器增强型水动力涡轮机之间的尾流相互作用，从而为混合微农场和水动力电厂的纵向间距建立了物理上一致的标准；
- 引入并实施了一种混合能量密度指标，将潮汐和光伏发电结合在一个统一的空间框架内，为评估站点生产力和土地/水利用效率提供了决策支持指标；
- 提出了博凯朗海峡混合水动力-光伏能源农场的概念设计和技术评估，包括阵列布局、尾流感知性能估计和电网互联架构；
- 基于LCOE进行了混合潮汐-太阳能电厂的技术经济评估，明确纳入了规模经济和学习曲线效应，展示了累积安装如何影响成本轨迹和项目的整体可行性。

本文的其余部分结构如下：第2节描述了博凯朗海峡的地理特征和能源潜力。第3节详细介绍了所采用的水动力涡轮机的关键运行参数。第4节描述了尾流分析的方法和涡轮机间距的标准。第5节介绍了混合发电单元的概念架构，第6节详细阐述了混合能源农场的设计。第7节基于LCOE方法对系统进行了经济评估。第8节分析了涡轮机柱之间的纵向间距对年能源产量和最终LCOE的影响。最后，第9节总结了主要发现并提出了未来研究的方向。

**案例研究：博凯朗海峡**
圣马科斯湾位于巴西马兰豪州的北部海岸（图1.a和1.b）。该地区具有较大的潮汐范围，变化超过6米[3][24]，潮汐流速超过2.5米/秒[23][25]，这极大地有利于潮汐能的利用。此外，圣马科斯湾位于高太阳辐射区，这是赤道附近地区的典型特征。

**结论**
本文对应用于巴西圣马科斯湾博凯朗海峡的混合水动力-光伏能源农场进行了基于尾流的技术经济评估。与简化的前期可行性分析方法不同，所提出的框架明确整合了流体动力尾流相互作用、阵列规模部署限制、规模经济效应以及学习曲线效应，从而提供了对系统性能和成本的物理上一致且操作上现实的评估。

**作者贡献声明：**
- Diego L.S. Cosme：软件开发、方法论研究、数据分析
- Anna D.E.F. Rocha：验证工作、方法论研究、数据分析
- Osvaldo R. Saavedra：初稿撰写、形式化分析、概念框架构建
- Shigeaki L. de Lima：数据可视化
- Denisson Q. Oliveira：方法论设计
- Ramiro G.R. Camacho：数据可视化

**利益冲突声明：**
作者声明他们没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。

**致谢：**
本研究是在国家海洋与河流能源科学技术研究所（INEOF）的指导下进行的，并得到了国家科学技术发展委员会（CNPq）的财政支持（项目编号：408339/2024-1）。作者还感谢马拉尼昂州研究与科学技术发展基金会（FAPEMA）提供的支持，该基金会对研究活动和数据收集工作起到了重要作用。