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1、1,第4章 海洋能发电技术,4.1 海洋能概述4.2 海洋能发电技术,2,4.1 海洋能发电概述,海洋能（Ocean energy）是指依附在海水中的可再生能源，海洋能主要以潮汐、波浪、温度差、盐度梯度、海流等形式存在于海洋之中。潮汐能和潮流能源自月球、太阳和其他星球引力，其他海洋能均源自太阳辐射。,3,海洋能的分类潮汐能波浪能海水温差能海流能盐差能,海洋能海洋能源按储存形式又可分为机械能、热能和化学能。其中，潮汐能、海流和波浪为机械能，海水温差为热能，海水盐差为化学能。各种海洋能的蕴藏量是巨大的，据估计有750多亿千瓦，其中波浪能700亿千瓦，温度差能20亿千瓦，海流能10亿千瓦，盐度差能1
2、0亿千瓦。,4,海洋能具有如下特点：(1) 海洋能在海洋总水体中的蕴藏量巨大，但单位体积、单位面积、单位长度所拥有的能量较小，利用效率不高，经济性差。(2) 海洋能具有可再生性。(3) 能量多变，具有不稳定性。(4) 属于一种洁净能源，无污染。,5,海洋能的开发,人类开发海洋能的历史和水能利用差不多。1930年在法国首次试验成功海水温差发电。早在12世纪，人类就开始利用潮汐能。当时法国沿海就建起了“潮磨”，利用潮汐能代替人力推磨。随着科学技术的进步，人们开始筑坝拦水，建起潮汐电站。目前世界上最大的潮汐电站是法国的朗斯潮汐电站，我国的江夏潮汐实验电站为国内最大。各种海洋能的蕴藏量非常巨大，很多海
3、洋能至今没被利用的原因主要有两方面：一是经济效益差，成本高。二是仍有一些技术问题没有过关。从各国的情况看，潮汐发电技术比较成熟。利用波浪能、盐度差能、海水温差能等海洋能进行发电还不成熟，目前仍处于研究试验阶段。,6,4.2 海洋能发电技术,潮汐现象是由地球和天体运动以及它们之间的相互作用而引起的。在海洋中，月球的引力使地球的向月面和背月面的水位升高。潮汐能：因海水涨落及潮水流动所产生的能量。是以势能形态出现的海洋能。潮汐中蕴藏着巨大的能量：涨潮过程中巨大的动能，随着海水水位的升高，就转化为势能，在落潮的过程中，水位逐渐降低，势能又转化为动能。,潮汐能,7,潮汐基本知识海水有规律的、周期性的涨落
4、现象叫海洋潮汐。白天的涨落叫“潮”，夜间的涨落叫“汐”。潮差潮峰与潮谷的水位差潮汐周期：半日潮=12.4h，全日潮：24.8h,8,潮汐发电原理,利用潮汐的动能发电利用潮汐的势能发电,由于潮流流速周期性变化，致使发电时间不稳度，发电量较小，所以潮汐发电多采用后一种形式，即利用潮汐的势能。,9,潮汐电站的分类,单库单向式单库单向潮汐能发电站：造价低，日均发电1012小时，潮汐能不能充分利用，电站效率仅为22%。,单库单向潮汐能发电站布置,10,单库双向式单库双向潮汐能发电站：涨落潮均可发电，日均发电1620小时，但厂房和机组结构复杂。,11,双库单向式双库单向潮汐能发电站：可连续发电，效率高，易
5、于并网。但需建2座堤坝和水闸，造价高。,12,发电机组类型,竖轴式发电机组,13,卧轴式发电机组,1-上游水位；2-闸门槽；3-水轮机；4-调速器；5-发电机；6-下游水位,14,贯流式发电机组灯泡贯流式：将水轮机、变速箱、发电机全部放在一个用混凝土做成的密封灯泡体内，只有水轮机的桨叶露在外面,1-流道；2-发电机；3-水轮机；4-灯泡体,优点：发电效率高结构紧凑,缺点：安装不便占用水道多,15,1-流道；2-发电机；3-水轮机,优点：占用水道体积小操作方便外形小、质量轻厂房小或不用厂房发电效率高,缺点：动密封难度大,全贯流式：发电机定子装于水道的周壁，水轮机、发电机转子则装在水道中的一个密封
6、体内。,16,波浪发电,波浪能是由风把能量传递给海洋而产生的。根据波动理论，波浪能量与波高的平方成比例。习惯上把海浪分为风浪、涌浪和近岸浪三种。风浪：在风直接作用下生成的海水波动现象，风越大，浪就越高，波浪的高度基本与风速成正比，风浪瞬息万变，波面粗糙，周期较短。涌浪：波浪以最小的能量损失从其形成区传播开去，在很远的距离产生涌浪。涌浪的外形圆滑规则，排列整齐，周期比较长。近岸浪：风浪和涌浪传到海岸的浅水地区，变成近岸浪，近岸浪由于岸底对波浪的阻力，波谷展宽变平，波峰发生倒卷破碎。,17,波浪转换的基本原理两个阶段：一次转换波浪能采集系统俘获波能，将波能转换为另一种形式的机械能；二次转换转化的机
7、械能转换为电能。有些还有中间环节，实现传递能量的目的，用于提高一次转换所得能量载体的速度。波能一次转换的方法：,18,冲箱式冲箱式波能吸收装置是指通过水面上可运动的浮子来吸收波能，例如，波马达的浮子在波上做垂直方向的升沉运动。为了提高波能吸能效果，浮子的形状设计极为关键。典型方案：点头鸭、阀式浮体,19,摇板式在摇板式波浪电站中，吸能装置是由水室与摆板组成的，水室的作用是聚波形成立波，增加波能密度，摆板则是与波浪直接接触的部分，波浪通过摆板做功，转化为机械能。该方式可以增加波能吸收的水深，但是由于摆板的双向摆动，因此会降低其吸收效率，增加后壁可对此加以改善。此外，在工艺上摆轴宜至于水面以上，这
8、在理论上导致摆质点的线速度上小下大，而与波质点线速度上大下小相矛盾，因此效率更差。,20,空气式空气式又称振荡水柱式。其一级能量转换机构为气室，二级能量转换机构为空气透平。在波浪力的作用下，气室下部的水柱在气室内作强迫振动，压缩气室的空气往复通过喷嘴，将波浪能转换成空气的压能和动能。空气透平安装在喷嘴处并将透平转轴与发电机相连，则可利用压缩气流驱动透平旋转并带动发电机发电。,Source: Fujita Research,21,空气式的优势：没有任何水下活动部件，结构安全，维护方便；它将空气作为能量载体，传递方便，而且可以简单地通过一个收缩段而提高气流速度，从而与二次转换能很好地匹配。空气式波
9、浪发电装置分为两类：漂浮式和固定式（也称岸式）漂浮式建造方便，投放点灵活，对潮位变化具有很强的适应性岸式一般建在岸边迎浪侧，施工较为方便，并网简单。主要困境在于如何抵御风浪破坏。,22,聚波储能式聚波储能波浪发电方式则舍弃波浪的动能，利用波浪在沿岸的爬升将波浪能转换成水的势能。它利用狭道将波能集中，使波高增高至38 m而溢出蓄水池，然后像潮汐发电一样将蓄水池内的水推动水轮发电机，其二次转换实际上就是一般的水力发电，技术较为成熟。其不足之处是对于地形有一定的要求。,23,其他英国“Pelamis ”海蛇装置，主要吸收波浪的水平能量。目前其实验装置容量达750kW。葡萄牙启用的海蛇发电站容量达2.
10、25MW。,24,英国牡蛎（Oyster）的波浪发电机，海浪的冲击力使阻力板前后摆动并推动活塞系统，造成高压的海流，经由管线将高压海水送往岸边，可用来推动岸边的水力发电机发电。,25,阿基米德浮筒装置：漂浮物上下推动直线电机发电。,英国“Checkmate ”巨蟒装置，由橡胶而不是钢铁制成。“巨蟒”实际上是一根装满水的橡皮管，两头封闭。此装置的一头停泊在即将来临的波浪中，当海浪在上方经过对其产生挤压时，内部可产生压力波，压力波向前行进，到达尾端时可带动发电机发电。,26,海洋温差发电,温差能是以热能形态出现的海洋能。海洋是地球上一个巨大的太阳能集热和蓄热器。被海水吸收的太阳能，约有60%被1米
11、厚的表层海水所吸收，因此海水表层水温较高。而在海洋深处海水温度却很低，这个垂直的温差就是一个可利用的巨大能源。,大洋平均水温典型垂直分布,27,全世界海洋温差能的理论估算值为106 kW量级。根据中国海洋水温测量资料计算得到的中国海域的温差能约为1.5x108 kW，其中99在南中国海。,28,海洋热能转换原理将海洋热能转换为机械能，再把机械能转换为电能。在第一步热能转换中，以海洋受太阳能加热的表层海水（2528）作高温热源，而以500 ml000 m深处的海水（47）作低温热源，用热机构成一种热力循环。从高温热源到低温热源，可获得总温差1520左右的有效能量。根据所用工质及流程的不同，一般可
12、分为开式循环、闭式循环和混合式循环。,29,开式循环系统开式循环系统不仅能够发电，而且能得到大量淡水副产品，但因以海水作工作流体和介质，蒸发器与冷凝器之间的压力非常小，因此必须充分降低管道等的压力损耗。为了获得预期的输出功率，必须使用极大的透平，其大小可以和风力涡轮机相比。,30,闭式循环系统,闭式循环系统的优点：(a) 采用低沸点工质可以提高压力差和压力水平，同样温度下蒸汽压力比水高得多，如氨在25时，饱和压力是1005.1kPa是同温下水的饱和压力的34.6倍。因此，可以极大地缩小汽轮机尺寸，实现装置的小型化；(b) 海水不用脱气，免除了这一部分动力需求。其缺点是：因为蒸发器和冷凝器采用表
13、面式换热器，导致这一部分体积巨大，金属消耗量大，维护困难，另外海水与工质之间需要二次换热，减小了可利用温差。,31,混合式循环系统,基本与闭式循环相同，但用温海水闪蒸出来的低压蒸汽来加热低沸点工质。这样做的好处在于减少了蒸发器的体积，可节省材料，便于维护。,32,海水温差发电装置 Ocean Thermal Energy Conversion (OTEC),除了发电之外，海洋温差能利用装置还可以同时获得淡水、深层海水、进行空调并可与深海采矿系统中的扬矿系统相结合。因此，基于温差能装置可以建立海上独立生存空间并作为海上发电厂、海水淡化厂或海上采矿、海上城市或海洋牧场的支持系统。总之，温差能的开发
14、应以综合利用为主。,33,海流发电,海（潮）流主要是指海水大规模相对稳定的流动以及由于潮汐导致的有规律的海水流动。海流的流向是固定的，因此也被称为定海流，而潮流的流速、流向则有周期性变化。海流的能量来源于太阳能的辐射。海洋和海洋上空的大气吸收太阳辐射，因海水和空气受热不均而形成温度、密度梯度，从而产生海水和空气的流动，并形成大洋环流。,34,北半球冬季大洋环流,35,海流能量,海流能是指海水流动所储存的动能，其能量与流速的平方和流量成正比，海流能功率P可以表示为海流发电是利用海流的冲击力使水轮机旋转，从而驱动发电机发电。海流发电的原理和风力发电相似，几乎任何一个风力发电装置都可以改造成为海流能
15、发电装置。,36,海流发电方式,水下风车式,Seaflow300kW/ 2.5m/s 11m diam SST, Lynmouth, Devon, UK,Blue Energy Canadas Current system,Blue Concept (Hammerfest Strm), Kvalsundet, Norway, 200420 pitched water mills 20m diam,37,Swan Turbines, Univ.of WalesDesign conceptTelescopical towerDirect Drive Low speed PM generator F
16、ixed 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 up4-5 MW park,Source: MCT Ltd,38,螺旋水轮机式也称戈洛夫（Gorlov）水轮机，由著名的垂直轴darrieus风力机演变而来，采用了螺旋式叶片并由多个叶片缠绕成圆筒状。不需要额外的偏航调节系统，
17、海水中任何方向的水流产生的阻力和升力都能产生对转动轴的有效力矩，从而提高了海流能的获取效率。,贯流水轮机式与低水头水库贯流水轮机相类似，贯流水轮机式海流发电装置采用水平轴水轮机，导流罩使海流的进口流道呈喇叭形，对水流具有良好的增速作用，可以提高水轮机的效率。,39,花环式由一串螺旋桨组成的，它的两端固定在浮筒上，浮筒里装有发电机。整个电站迎着海流的方向漂浮在海面上，就像献给客人的花环一样。它的发电能力通常较小，一般只能为灯塔和灯船提供电力，至多不过为潜水艇上的蓄电池充电而已。,花环式海流发电站示意图,40,驳船式这种发电站实际上是一艘船，船舷两侧装着巨大的水轮，在海流推动下不断地转动，进而带动
18、发电机发电。这种发电船的发电能力约为5万千瓦，发出的电力通过海底电缆送到岸上。当有狂风巨浪袭击时，它可以驶到附近港口避风，以保证发电设备的安全。,41,降落伞式,这种电站也是建在船上的。将50个降落伞串在一根长154米的绳子上，用来集聚海流能量。绳子的两端相连，形成一环形，然后，将绳子套在锚泊于海流中的船尾两个轮子上。,缺点：海流发电存在一系列的关键技术问题，包括安装维护、电力输送、防腐、海洋环境中的载荷与安全性能等。,42,海洋盐差发电,海洋盐度差能,盐度差能是指海水和淡水之间或两种含盐浓度不同的海水之间的化学电位差能。主要存在于河海交接处。同时，淡水丰富地区的盐湖和地下盐矿也可以利用盐差能
19、。盐差能是海洋能中能量密度较大的一种可再生能源。,43,渗透压,以世界大洋海水的平均盐度35为计，即平均每千克海水中约有35克盐，在水温为20时，这种盐分浓度的渗透压为2418105 Pa。因此从理论上讲，在河海交界处，海水和河水之间相当于有约240米高的水头差。而在死海和红海的个别地点，在近海底的盐度大270，流入死海的约旦河口的渗透压为500个大气压，这个压强相当于约5000 m高坝的水头。,44,盐差发电方法,渗透压式盐差能发电系统：基于渗透原理，包括强力渗压系统、水压塔系统和压力延滞渗压系统三种。强力渗压系统,45,水压塔渗压系统,46,在渗透压的作用下，淡水通过半透膜渗透到压力室同海
20、水混合，混合淡水后的海水将具有更高的压力，由此驱动安装在压力室海水出口处的水轮机发电。,压力延滞渗透系统,47,渗析电池发电系统（浓差电池法）,利用由阴离子渗透膜和阳离子渗透膜分隔的盐浓度不同的溶液间形成的电位差，直接将化学能转化为电能。浓度为0.085%的淡水和海水作为膜两侧的溶液的情况下，可在界面产生约为80 mV的电位差，如果把多个这类电池串联起来，可以形成较高的电压。,48,渗析电池发电系统（浓差电池法）,由于该系统需要采用面积大而且昂贵的渗透膜，因此发电成本很高。不过这种离子渗透膜的使用寿命很长，而且即使渗透膜破裂了也不会给整个电池带来严重影响。例如1000只串联电池组成的电池组电压
21、为80 V，如果有一个膜损坏，输出电压仅损失0.1%。另外，这种电池在发电过程中电极上会产生有用的副产品Cl2和H2，产生额外的经济效益。,49,蒸汽压差发电系统,蒸汽压式根据盐水和淡水具有不同蒸汽压力的原理研究出来的，也就是说，在同一温度下盐水的蒸汽压比淡水蒸汽压低。,50,蒸汽压发电装置,51,海洋能发电的未来展望,潮汐能将得到更大规模的利用波浪能有望称为独立行业，近期主要是岸式波浪能电站，大规模利用主要要利用漂浮式波浪能发电站可作为战略能源的海洋温差能将得到更进一步发展，与海洋开发综合实施，建立海上独立生存空间和工业基地海流能将在局部地区得到规模化应用海洋能发电技术是多种学科技术的综合,
