第4章-海洋能發(fā)電

1、新能源發(fā)電技術,2,第4章 海洋能發(fā)電技術,4.1 海洋能概述4.2 海洋能發(fā)電技術4.3 海洋能發(fā)電的未來展望,3,4.1 海洋能發(fā)電概述,海洋能簡介海洋的面積約為3.62億KM2，占地球表面積的70.9%，是一個龐大的能源寶庫，既是吸能器，有是蓄能器，蘊涵著巨大的動力資源。海洋能包括潮汐能、波浪能、海流能（潮流能）、海水溫差能和海水鹽差能，初潮汐能和海流能來源于星球間的引力作用外，其他海洋能均來自于太陽輻射各種海洋

2、能的總蘊含量為1580億kw，可開發(fā)利用106億kw,4,海洋能的分類潮汐能 是指海水漲潮和落潮形成的水的動能和勢能，由星球間的引力作用而形成。波浪能 是指海洋表面波浪所具有的動能和勢能。海水溫差能 是指海洋表層海水與深層海水之間的溫差所形成的發(fā)電能。海流能（潮流能） 是指海水流動的動能。主要值海底水道和海峽中較為穩(wěn)定的流動，以及潮汐導致的有規(guī)律流動。 鹽差能 是指海水與淡水之間，以及不同鹽濃

3、度的海水之間所形成的化學電位差能。,其中，潮汐能、海流和波浪為機械能，海水溫差為熱能，海水鹽差為化學能,5,海洋能的特點海洋能在海洋總水體中的蘊藏量巨大，但單位體積、單位面積、單位長度所擁有的能量較小，利用效率不高，經(jīng)濟性差海洋能具有可再生性能量多變，具有不穩(wěn)定性屬于一種潔凈能源，無污染,6,中國海岸和海洋能中國海岸線 18400 多 km有6500多個島嶼，島嶼海岸線14000多km海域面積473萬多km2中國海洋能蘊

4、藏 6.3 億 kW潮汐能： 1.9 億 kW波浪能： 1.5 億 kW溫差能： 1.5 億 kW海流能： 0.3 億 kW鹽差能： 1.1 億 kW,7,海洋能的開發(fā),,人類開發(fā)海洋能的歷史和水能利用差不多。1930年在法國首次試驗成功海水溫差發(fā)電。早在12世紀，人類就開始利用潮汐能。當時法國沿海就建起了“潮磨”，利用潮汐能代替人力推磨。隨著科學技術的進步，人們開始筑壩攔水，建起潮汐電站。目前世界上最大的潮汐電站是法國

5、的朗斯潮汐電站，我國的江夏潮汐實驗電站為國內最大。各種海洋能的蘊藏量非常巨大，很多海洋能至今沒被利用的原因主要有兩方面：一是經(jīng)濟效益差，成本高；二是仍有一些技術問題沒有過關。從各國的情況看，潮汐發(fā)電技術比較成熟。利用波浪能、鹽度差能、海水溫差能等海洋能進行發(fā)電還不成熟，目前仍處于研究試驗階段。,8,4.2 海洋能發(fā)電技術,潮汐是由于太陽和月球對地球各處引力的不同所引起的海水有規(guī)律的周期性的漲落現(xiàn)象潮汐能：因海水漲落及潮水流動所產(chǎn)

6、生的能量，以勢能形式出現(xiàn)的海洋能。潮汐中蘊藏著巨大的能量：漲潮過程中巨大的動能，隨著海水水位的升高，就轉化為勢能，在落潮的過程中，水位逐漸降低，勢能又轉化為動能。,潮汐能,9,10,11,潮汐的要素潮位過程線 潮汐水位隨時間而變化的過程線潮差 潮峰與潮谷的水位差，一般最高為7~10米潮汐周期 高潮或低潮間的間隔時間，根據(jù)地球自轉和月球公轉，一般為12h25min潮汐的類型半日潮：多數(shù)海區(qū)潮汐的漲落24h50

7、min（天文學上稱為一個太陰日）有兩個周期 , 半日一個周期 。如中國黃海、東海全日潮：一個太陰日出現(xiàn)一個高潮和低潮。北部灣混合潮：每日升降兩次和一次混雜出現(xiàn)。中國南海不正規(guī)半日潮不正規(guī)全日潮一個全日潮周期為25h50min成為一個太陰日,潮汐能發(fā)電的原理及型式,潮汐能發(fā)電原理潮汐發(fā)電，就是利用海水漲落及其所造成的水位差來推動水輪機，再由水輪機帶動發(fā)電機來發(fā)電。,其發(fā)電的原理與一般的水力發(fā)電差別不大。不過，一般的水力發(fā)電的水

8、流方向是單向的，而潮汐發(fā)電則不同。從能量轉換的角度來說，潮汐發(fā)電首先是把潮汐的動能和位能通過水輪機變成機械能，然后再由水輪機帶動發(fā)電機，把機械能轉變?yōu)殡娔堋?潮汐能發(fā)電的原理及型式,潮汐能發(fā)電原理潮汐發(fā)電按照能量形式的不同分為利用潮汐動能發(fā)電：利用漲落潮水的流速直接沖擊水輪機發(fā)電。利用潮流動能發(fā)電一般流速大于1m / s , 且潮流較強時考慮，其結構簡單造價低但是，發(fā)電不穩(wěn)定利用潮汐勢能發(fā)電：在海灣或者河口修筑攔潮大壩，利用壩內

9、外漲落潮時候的水位差來發(fā)電。利用勢能發(fā)電造價高、發(fā)電量大,14,潮汐電站的分類,單庫單向式單庫單向潮汐能發(fā)電站：造價低，日均發(fā)電10~12小時，潮汐能不能充分利用，電站效率僅為22%。,15,,單庫雙向式單庫雙向潮汐能發(fā)電站：漲落潮均可發(fā)電，日均發(fā)電16~20小時，但廠房和機組結構復雜。,16,,雙庫單向式雙庫單向潮汐能發(fā)電站：可連續(xù)發(fā)電，效率高，易于并網(wǎng)。但需建2座堤壩和水閘，造價高。,17,潮汐電站的水輪發(fā)電機組類型,豎軸式發(fā)

10、電機組,優(yōu)點：結構簡單運行可靠,缺點：廠房面積大工程投資高適用于小型潮汐電站,18,,臥軸式發(fā)電機組,1-上游水位；2-閘門槽；3-水輪機；4-調速器；5-發(fā)電機；6-下游水位,優(yōu)點：合理選擇發(fā)電機轉速檢修方便效率較高,缺點：廠房大適用于潮汐5m以下的中小型機組,19,,貫流式發(fā)電機組燈泡貫流式：將水輪機、變速箱、發(fā)電機全部放在一個用混凝土做成的密封燈泡體內，只有水輪機的槳葉露在外面,1-流道；2-發(fā)電機；3-

11、水輪機；4-燈泡體,優(yōu)點：發(fā)電效率高結構緊湊,缺點：安裝不便占用水道多,20,,1-流道；2-發(fā)電機；3-水輪機,優(yōu)點：占用水道體積小操作方便外形小、質量輕廠房小或不用廠房發(fā)電效率高,缺點：動密封難度大,全貫流式：發(fā)電機定子裝于水道的周壁，水輪機、發(fā)電機轉子則裝在水道中的一個密封體內。,21,波浪發(fā)電,水在風和重力的作用下發(fā)生起伏運動稱為波浪；波浪能是由風把能量傳遞給海洋而產(chǎn)生的。根據(jù)波動理論，波浪能量與波高的平方

12、成比例 h — 波高（m）；T— 周期（s）習慣上把海浪分為風浪、涌浪和近岸浪三種。風浪：在風直接作用下生成的海水波動現(xiàn)象，風越大，浪就越高，波浪的高度基本與風速成正比，風浪瞬息萬變，波面粗糙，周期較短。涌浪：波浪以最小的能量損失從其形成區(qū)傳播開去，在很遠的距離產(chǎn)生涌浪。涌浪的外形圓滑規(guī)則，排列整齊，周期比較長。近岸浪：風浪和涌浪傳到海岸的淺水地區(qū)，變成近岸浪，近岸浪由

13、于岸底對波浪的阻力，波谷展寬變平，波峰發(fā)生倒卷破碎。,,22,波浪轉換的基本原理,兩個階段：一次轉換——波浪能采集系統(tǒng)俘獲波能，將波能轉換為另一種形式的機械能；二次轉換——轉化的機械能轉換為電能。有些還有中間環(huán)節(jié)，實現(xiàn)傳遞能量的目的，用于提高一次轉換所得能量載體的速度。波能一次轉換的方法：,23,沖箱式,沖箱式波能吸收裝置是指通過水面上可運動的浮子來吸收波能，例如，波馬達的浮子在波上做垂直方向的升沉運動。為了提高波能吸能效果，浮子

14、的形狀設計極為關鍵。典型方案：點頭鴨、閥式浮體,24,搖板式,在搖板式波浪電站中，吸能裝置是由水室與擺板組成的，水室的作用是聚波形成立波，增加波能密度，擺板則是與波浪直接接觸的部分，波浪通過擺板做功，轉化為機械能。該方式可以增加波能吸收的水深，但是由于擺板的雙向擺動，因此會降低其吸收效率，增加后壁可對此加以改善。此外，在工藝上擺軸宜至于水面以上，這在理論上導致擺質點的線速度上小下大，而與波質點線速度上大下小相矛盾，因此效率更差。,

15、25,空氣式,空氣式又稱振蕩水柱式。其一級能量轉換機構為氣室，二級能量轉換機構為空氣透平。在波浪力的作用下，氣室下部的水柱在氣室內作強迫振動，壓縮氣室的空氣往復通過噴嘴，將波浪能轉換成空氣的壓能和動能?？諝馔钙桨惭b在噴嘴處并將透平轉軸與發(fā)電機相連，則可利用壓縮氣流驅動透平旋轉并帶動發(fā)電機發(fā)電。,26,,空氣式的優(yōu)勢：沒有任何水下活動部件，結構安全，維護方便；它將空氣作為能量載體，傳遞方便，而且可以簡單地通過一個收縮段而提高氣流速度，

16、從而與二次轉換能很好地匹配?？諝馐讲ɡ税l(fā)電裝置分為兩類：漂浮式和固定式（也稱岸式）漂浮式建造方便，投放點靈活，對潮位變化具有很強的適應性岸式一般建在岸邊迎浪側，施工較為方便，并網(wǎng)簡單。主要困境在于如何抵御風浪破壞。,27,28,聚波儲能式,聚波儲能波浪發(fā)電方式則舍棄波浪的動能，利用波浪在沿岸的爬升將波浪能轉換成水的勢能。它利用狹道將波能集中，使波高增高至3－8 m而溢出蓄水池，然后像潮汐發(fā)電一樣將蓄水池內的水推動水輪發(fā)電機，其二次

17、轉換實際上就是一般的水力發(fā)電，技術較為成熟。其不足之處是對于地形有一定的要求。,29,其他,英國“Pelamis ”海蛇裝置，主要吸收波浪的水平能量。目前其實驗裝置容量達750kW。葡萄牙啟用的海蛇發(fā)電站容量達2.25MW。,30,,英國牡蠣（Oyster）的波浪發(fā)電機，海浪的沖擊力使阻力板前后擺動并推動活塞系統(tǒng)，造成高壓的海流，經(jīng)由管線將高壓海水送往岸邊，可用來推動岸邊的水力發(fā)電機發(fā)電。,31,,阿基米德浮筒裝置：漂浮物上下推動直線電

18、機發(fā)電。,英國“Checkmate ”巨蟒裝置，由橡膠而不是鋼鐵制成。“巨蟒”實際上是一根裝滿水的橡皮管，兩頭封閉。此裝置的一頭停泊在即將來臨的波浪中，當海浪在上方經(jīng)過對其產(chǎn)生擠壓時，內部可產(chǎn)生壓力波，壓力波向前行進，到達尾端時可帶動發(fā)電機發(fā)電。,32,海洋溫差發(fā)電,溫差能是以熱能形態(tài)出現(xiàn)的海洋能。海洋是地球上一個巨大的太陽能集熱和蓄熱器。被海水吸收的太陽能，約有60%被1米厚的表層海水所吸收，因此海水表層水溫較高。而在海洋深處海水溫

19、度卻很低，這個垂直的溫差就是一個可利用的巨大能源。,大洋平均水溫典型垂直分布,全世界海洋溫差能的理論估算值為106 kW量級。根據(jù)中國海洋水溫測量資料計算得到的中國海域的溫差能約為1.5x108 kW，其中99％在南中國海。,33,,海洋熱能轉換原理將海洋熱能轉換為機械能，再把機械能轉換為電能。在第一步熱能轉換中，以海洋受太陽能加熱的表層海水（25℃～28℃）作高溫熱源，而以500 m～l000 m深處的海水（4℃～7℃）作低溫熱源

20、，用熱機構成一種熱力循環(huán)。從高溫熱源到低溫熱源，可獲得總溫差15℃～20℃左右的有效能量。根據(jù)所用工質及流程的不同，一般可分為開式循環(huán)、閉式循環(huán)和混合式循環(huán)。,34,,開式循環(huán)系統(tǒng)開式循環(huán)系統(tǒng)不僅能夠發(fā)電，而且能得到大量淡水副產(chǎn)品，但因以海水作工作流體和介質，蒸發(fā)器與冷凝器之間的壓力非常小，因此必須充分降低管道等的壓力損耗。為了獲得預期的輸出功率，必須使用極大的透平，其大小可以和風力渦輪機相比。,35,,閉式循環(huán)系

21、統(tǒng),閉式循環(huán)系統(tǒng)的優(yōu)點：(a) 采用低沸點工質可以提高壓力差和壓力水平，同樣溫度下蒸汽壓力比水高得多，如氨在25℃時，飽和壓力是1005.1kPa是同溫下水的飽和壓力的34.6倍。因此，可以極大地縮小汽輪機尺寸，實現(xiàn)裝置的小型化；(b) 海水不用脫氣，免除了這一部分動力需求。其缺點是：因為蒸發(fā)器和冷凝器采用表面式換熱器，導致這一部分體積巨大，金屬消耗量大，維護困難，另外海水與工質之間需要二次換熱，減小了可利用溫差。,36,,混合式循

22、環(huán)系統(tǒng),基本與閉式循環(huán)相同，但用溫海水閃蒸出來的低壓蒸汽來加熱低沸點工質。這樣做的好處在于減少了蒸發(fā)器的體積，可節(jié)省材料，便于維護。,溫海水先閃蒸后加熱工質,溫海水先加熱工質后閃蒸,37,海水溫差發(fā)電裝置 Ocean Thermal Energy Conversion (OTEC),除了發(fā)電之外，海洋溫差能利用裝置還可以同時獲得淡水、深層海水、進行空調并可與深海采礦系統(tǒng)中的揚礦系統(tǒng)相結合。因此，基于溫差能裝置可以建立海上獨立生存空間并

23、作為海上發(fā)電廠、海水淡化廠或海上采礦、海上城市或海洋牧場的支持系統(tǒng)。總之，溫差能的開發(fā)應以綜合利用為主。,陸上型,海上型,38,海流發(fā)電,海（潮）流主要是指海水大規(guī)模相對穩(wěn)定的流動以及由于潮汐導致的有規(guī)律的海水流動。海流的流向是固定的，因此也被稱為定海流，而潮流的流速、流向則有周期性變化。海流的能量來源于太陽能的輻射。海洋和海洋上空的大氣吸收太陽輻射，因海水和空氣受熱不均而形成溫度、密度梯度，從而產(chǎn)生海水和空氣的流動，并形成大洋環(huán)

24、流。,39,,北半球冬季大洋環(huán)流,40,,海流能量,海流能是指海水流動所儲存的動能，其能量與流速的平方和流量成正比，海流能功率P可以表示為海流發(fā)電是利用海流的沖擊力使水輪機旋轉，從而驅動發(fā)電機發(fā)電。海流發(fā)電的原理和風力發(fā)電相似，幾乎任何一個風力發(fā)電裝置都可以改造成為海流能發(fā)電裝置。,,,,,41,海流發(fā)電方式,水下風車式,Seaflow300kW/ 2.5m/s 11m diam SST, Lynmouth, Devon, UK

25、,Blue Energy Canada's Current system,Blue Concept (Hammerfest Strøm), Kvalsundet, Norway, 200420 pitched water mills 20m diam,42,,Swan Turbines, Univ.of WalesDesign conceptTelescopical towerDirect Drive Low

26、 speed PM generator Fixed Pitch Automated Furling Mechanism Gravity base,Seaflow15-20m rotor diameter 750kW - 1.5MW Twin turbinesMonopiles- known technology from oil rigs (Seacore Ltd.)Turbines can be lifted up4

27、-5 MW park,Source: MCT Ltd,43,,螺旋水輪機式也稱戈洛夫（Gorlov）水輪機，由著名的垂直軸darrieus風力機演變而來，采用了螺旋式葉片并由多個葉片纏繞成圓筒狀。不需要額外的偏航調節(jié)系統(tǒng)，海水中任何方向的水流產(chǎn)生的阻力和升力都能產(chǎn)生對轉動軸的有效力矩，從而提高了海流能的獲取效率。,貫流水輪機式與低水頭水庫貫流水輪機相類似，貫流水輪機式海流發(fā)電裝置采用水平軸水輪機，導流罩使海流的進口流道呈喇叭形，

28、對水流具有良好的增速作用，可以提高水輪機的效率。,44,,花環(huán)式由一串螺旋槳組成的，它的兩端固定在浮筒上，浮筒里裝有發(fā)電機。整個電站迎著海流的方向漂浮在海面上，就像獻給客人的花環(huán)一樣。它的發(fā)電能力通常較小，一般只能為燈塔和燈船提供電力，至多不過為潛水艇上的蓄電池充電而已。,,花環(huán)式海流發(fā)電站示意圖,駁船式這種發(fā)電站實際上是一艘船，船舷兩側裝著巨大的水輪，在海流推動下不斷地轉動，進而帶動發(fā)電機發(fā)電。這種發(fā)電船的發(fā)電能力約為5萬千瓦

29、，發(fā)出的電力通過海底電纜送到岸上。當有狂風巨浪襲擊時，它可以駛到附近港口避風，以保證發(fā)電設備的安全。,45,,降落傘式,這種電站也是建在船上的。將50個降落傘串在一根長154米的繩子上，用來集聚海流能量。繩子的兩端相連，形成一環(huán)形，然后，將繩子套在錨泊于海流中的船尾兩個輪子上。,缺點：海流發(fā)電存在一系列的關鍵技術問題，包括安裝維護、電力輸送、防腐、海洋環(huán)境中的載荷與安全性能等。,科里歐利斯式、超導磁體,46,海洋鹽差發(fā)電,海洋鹽度差能,

30、鹽度差能是指海水和淡水之間或兩種含鹽濃度不同的海水之間的化學電位差能。主要存在于河海交接處。同時，淡水豐富地區(qū)的鹽湖和地下鹽礦也可以利用鹽差能。鹽差能是海洋能中能量密度較大的一種可再生能源。,47,,滲透壓,以世界大洋海水的平均鹽度35為計，即平均每千克海水中約有35克鹽，在水溫為20℃時，這種鹽分濃度的滲透壓為2418×105 Pa。因此從理論上講，在河海交界處，海水和河水之間相當于有約240米高的水頭差。而在死海和紅海

31、的個別地點，在近海底的鹽度大270，流入死海的約旦河口的滲透壓為500個大氣壓，這個壓強相當于約5000 m高壩的水頭。,48,鹽差發(fā)電方法,滲透壓式鹽差能發(fā)電系統(tǒng)：基于滲透原理，包括強力滲壓系統(tǒng)、水壓塔系統(tǒng)和壓力延滯滲壓系統(tǒng)三種。強力滲壓系統(tǒng),由滲流器和海水、淡水之間滲透壓的存在，深水池中的淡水會通過滲流器不斷向海水側遷移，深水池水位下降很多（可達200多米），深水池水位與河水的水位形成較大落差。,49,,水壓塔滲壓系統(tǒng),水壓塔的淡

32、水側下半部由半透膜組成，向水壓塔內充入海水，由于鹽差產(chǎn)生滲透壓，淡水通過半透膜向水壓塔內滲透，當塔內水位上升到水塔最高端，水從導管噴射出來，沖擊沖擊式水輪機轉輪葉片旋轉帶動電機發(fā)電。,50,,在滲透壓的作用下，淡水通過半透膜滲透到壓力室同海水混合，混合淡水后的海水將具有更高的壓力，由此驅動安裝在壓力室海水出口處的水輪機發(fā)電。,壓力延滯滲透系統(tǒng),51,,滲析電池發(fā)電系統(tǒng)（濃差電池法）,利用由陰離子滲透膜和陽離子滲透膜分隔的鹽濃度不同的溶液

33、間形成的電位差，直接將化學能轉化為電能。濃度為0.085%的淡水和海水作為膜兩側的溶液的情況下，可在界面產(chǎn)生約為80 mV的電位差，如果把多個這類電池串聯(lián)起來，可以形成較高的電壓。,52,,滲析電池發(fā)電系統(tǒng)（濃差電池法）,由于該系統(tǒng)需要采用面積大而且昂貴的滲透膜，因此發(fā)電成本很高。不過這種離子滲透膜的使用壽命很長，而且即使?jié)B透膜破裂了也不會給整個電池帶來嚴重影響。例如1000只串聯(lián)電池組成的電池組電壓為80 V，如果有一個膜損壞，輸出電

34、壓僅損失0.1%。另外，這種電池在發(fā)電過程中電極上會產(chǎn)生有用的副產(chǎn)品Cl2和H2，產(chǎn)生額外的經(jīng)濟效益。,53,,蒸汽壓差發(fā)電系統(tǒng),蒸汽壓式根據(jù)鹽水和淡水具有不同蒸汽壓力的原理研究出來的，也就是說，在同一溫度下鹽水的蒸汽壓比淡水蒸汽壓低，在空室內，水蒸氣會很快從淡水上方流向海水上方，可以利用鹽差產(chǎn)生的水蒸氣使汽輪機轉動,54,海洋能發(fā)電的未來展望,潮汐能將得到更大規(guī)模的利用波浪能有望稱為獨立行業(yè)，近期主要是岸式波浪能電站，大規(guī)模利用主要