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1、海洋能的利用Utilization of Ocean Energy,田 砾青岛理工大学 2011年5月,汇报提纲,海洋能分类及特点海洋能利用技术及措施国内外海洋能利用现状团队可能的切入点,1.海洋能分类及特点,1.1海洋能源的种类,潮汐能：潮涨和潮落形成的水的势能 波浪能：海洋表面波浪具有的动能和势能 海流能（潮流能）：海水流动的动能 温差能：表层和深层海水温差的热能 盐差能：盐度不同海水间的化学电位差能 太阳辐射能和风能,1.2海洋能的特点,蕴藏量大 能流的分布不均、密度低 能量多变、不稳定,2.海洋能利用技术及措施,2.1潮汐发电的原理与技术,潮汐能利用的主要方式是发电。通过水库，在涨潮时
2、将海水储存在水库内，以势能的形式保存，在落潮时放出海水，利用高、低潮位之间的落差，推动水轮机旋转，带动发电机发电。,2.1.1潮汐电站的类型,单库单向型、单库双向型和双库单向型,（1）单库单向型,在涨潮时将水库闸门打开，向水库充水，平潮时关闸；落潮后，待贮水库与外海有一定水位差时开闸，驱动水轮发电机组发电。优点是设备结构简单，投资少；缺点是发电断续，1天中约有65以上的时间处于贮水和停机状态。,（2）单库双向型,第一种方案利用两套单向阀门控制两条向水轮机引水的管道。在涨潮和落潮时，海水分别从各自的引水管道进入水轮机，使水轮机单向旋转带动发电机。第二种方案是采用双向水轮机组。,（3）双库单向型,
3、用两个水力相联的水库，可实现潮汐能连续发电。涨潮时，向高贮水库充水；落潮时，由低贮水库排水，利用两水库间的水位差，使水轮发电机组连续单向旋转发电；其缺点是要建两个水库，投资大且工作水头降低。,2.1.2潮汐发电的关键技术,主要包括低水头、大流量、变工况水轮机组设计制造；电站的运行控制；电站与海洋环境的相互作用，包括电站对环境的影响和海洋环境对电站的影响，特别是泥沙冲淤问题；电站的系统优化，协调发电量、间断发电以及设备造价和可靠性等之间的关系；电站设备在海水中的防腐等。,2.2波浪能转换的原理与技术,发电是波浪能利用的主要方式，此外，波浪能还可以用于抽水、供热、海水淡化以及制氢等。基本原理：利用
4、物体在波浪作用下的振荡和摇摆运动；利用波浪压力的变化；利用波浪的沿岸爬升将波浪能转换成水的势能等。,2.2.1三种主要波能利用装置,振荡水柱式装置（有漂浮式和固定式两种）摆式装置（漂浮式和固定式）聚波水库式装置,（1）振荡水柱波能装置,目前已建成的装置都利用空气作为转换介质。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。气室的下部开口在水下与海水连通，上部喷嘴与大气连通。波浪力作用下，气室下部水柱在气室内作强迫振动，压缩空气往复通过喷嘴，将波浪能转换成空气的压能和动能。在喷嘴处安装一个空气透平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。优点是转动机构不与海水
5、接触，防腐性能好，安全可靠，维护方便。缺点是二级能量转换效率较低。,（2）摆式波能装置,摆体是摆式装置的一级能量转换机构。波浪作用下，摆体作前后或上下摆动，将波浪能转换成摆轴的动能。液压装置与摆轴相联，它将摆的动能转换成液压泵的动能，再带动发电机发电。摆体运动很适合波浪大推力和低频的特性。因此，摆式装置的转换效率较高，但机械和液压机构的维护较为困难。另一优点是可以方便地与相位控制技术相结合。相位控制技术可以使波能装置吸收到装置迎波宽度外的波浪能，从而效率大大提高。,（3）聚波水库装置,一级能量转换机构为喇叭型的收缩波道，波道与海连通的一面开口宽，然后逐渐收缩至贮水库。波浪在逐渐变窄的波道中，波
6、高不断地被放大，直至波峰溢过边墙，将波浪能转换成势能贮存在水库中。收缩波道具有聚波器和转能器的双重作用。水库与外海间的水头落差可达3一8m，利用水轮发电机组可以发电。优点是一级转换没有活动部件，可靠性好，维护费用低，系统出力稳定。不足之处是电站建造对地形有要求，不易推广。,2.2.2波浪能利用的关键技术,波浪的聚集与相位控制技术；装置的波浪载荷及在海洋环境中的生存技术；波能装置建造与施工中的海洋工程技术；不规则波浪中的波能装置的设计与运行优化；往复流动中的透平研究,2.3温差能的转换原理与技术,除发电外，温差能利用装置还可以同时获得淡水、深层海水、进行空调并可以与深海采矿系统中的扬矿系统相结合
7、。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、海水淡化厂或海洋采矿、海上城市或海洋牧场的支持系统。总之，温差能的开发应以综合利用为主。,2.3.1海洋温差能转换方式,主要有开式循环和闭式循环两种方式,（1）开式循环系统,真空泵将系统内抽到一定的真空，温水泵把表层水抽入闪蒸器，温海水在闪蒸器内沸腾蒸发，变为蒸汽。蒸汽经管道由喷嘴喷出推动透平运转，带动发电机发电。从透平排出的低压蒸汽进入冷凝器，被由冷水泵从深层海水中抽上的冷海水所冷却，重新凝结为水并排入海中。在开式循环系统中，用海水作工作介质，闪蒸器和冷凝器之间的压差非常小。因此，必须充分注意管道等的压力损耗、且使用的透平尺寸较
8、大。开式循环的副产品是经冷凝器排出的淡水，这是它的有利之处。,（2）闭式循环系统,不以海水而采用一些低沸点的物质（如丙烷、氟利昂、氨等）作为工作介质，在闭合回路内反复进行蒸发、膨胀、冷凝。因为系统使用低沸点的工作介质，蒸汽的工作压力得到提高。闭式循环系统由于使用低沸点工质，可以大大减小装置，特别是透平机组的尺寸。但使用低沸点工质会对环境产生污染。,2.3.2温差能利用的关键技术,海水温差发电实际利用的热效率很低，往往只有2左右,所处理的冷、热水量较多，故相应的各种部件尺寸都很庞大，伸向海底深水层的长冷水管技术难度较大。温差能转换的关键是强化传热传质技术。同时，温差能系统的综合利用，还是一个多学
9、科交叉的系统工程问题。,2.4海流能利用原理与技术,利用方式主要是发电，其原理和风力发电相似。但由于海水的密度约为空气的1000倍，且装置必须放于水下。故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。此外，海流发电装置和风力发电装置的固定形式和透平设计也有很大的不同。海流装置可以安装固定于海底，也可安装于浮体的底部，而浮体通过锚链固定于海上。海流中的透平设计也是一项关键技术。,2.5盐差能的转换原理与技术,盐差能的利用主要是发电。其基本方式是将不同盐浓度的海水之间的化学电位差能转换成水的势能，再利用水轮机发电，具体主要有渗透压式、蒸汽压式和机械化
10、学式等，其中渗透压式方案最受重视。水压塔渗透压系统，强力渗压系统,3.国内外海洋能利用现状,3.1潮汐能利用项目,海洋能中技术最成熟和利用规模最大的最早始于11世纪的潮汐磨坊 最著名的是法国朗斯潮汐电站,3.1潮汐能利用项目,朗斯潮汐电站最早的建议于 1737年提出，1953年由法政府决定兴建，实际建设工作开始于1961年，第一台设备于1966年投入运行，发电站包括24台每台装机容量10Mw的可逆型机组，总计电站容量240MW。水库面积90000m2 灯泡式装置注水门和船闸的阴极保护系统在抵抗盐水腐蚀方面很有效。这个系统使用的是白金阳极，耗电仅为10kW。,3.1潮汐能利用项目,苏联于1968
11、年建成了一座潮汐实验电站。这个钢筋混凝土的站房在摩尔曼斯克附近的一个干船坞中建好，里面装了一台灯泡式水轮机。然后整个站房用拖船拖到站址，下沉到预先准备好的砂石基础上。加拿大于1984年在安纳波利斯建成一座装机容量为2MW的单库单向落潮发电站。采用了全贯流技术，可以比灯泡机组成本低15。多年运行的结果表明，机组完好率达97以上。,3.1潮汐能利用项目,中国是世界上建造潮汐电站最多的国家，在50年代至7O年代先后建造了近50座潮汐电站，但据80年代初的统计，只有8个电站仍正常运行发电。江厦电站是中国最大的潮汐电站，目前已正常运行近20年，但未能达到原设计的发电水平。,3.1潮汐能利用项目,水工建筑
12、在潮汐电站中约占造价的45，传统建造方法多采用重力结构的当地材料坝或钢筋混凝土，工程量大，造价贵。前苏联的基斯拉雅电站采用了预制浮运钢筋混凝土沉箱结构，减少了工程量和造价。潮汐电站的海洋环境问题，主要包括两个方面。一是建造电站对环境产生的影响，如对水温、水流、盐度分层以及水浸到的海滨产生的影响等。二是海洋环境对电站的影响，主要是泥沙冲淤问题。,3.2波浪能利用项目,波浪能是全世界被研究得最为广泛的一种海洋能源。1799年法国人吉拉德父子最早提出了波浪能利用装置的专利。60年代初，日本的益田善雄研制成功航标灯用波浪发电装置，开创了波能利用商品化的先例。全世界近20年建造的 波能示范和实用装置在3
13、0个以上。,3.2波浪能利用项目,挪威 在卑尔根市附近的岛上建造了一座500kw的多共振振荡水柱岸式电站（1985-1988）：三年运行，年均仅输出5kw，一次强风暴袭击导致发电机组掉到海里350kw的聚波水库电站（1986-1991）年平均输出功率约为75kw,3.2波浪能利用项目,日本是近年来研建波浪电站最多的国家。先后建造了漂浮式振荡水柱装置、固定式振荡水柱装置和摆式装置十多座。其特点是可靠性较高，但效率较低。1978年与美、英、加等国合作，在一条由船舶改造的“海明”号漂浮式装置上进行联合试验研究。但发电效率只有6.5%1988年竹中工务店在东京附近建造了一座振荡水柱阵列电站。平均输出约
14、为6kW，供给附近的一个养殖场。计划进行7年的发电试验，已正常运行达10年。,3.2波浪能利用项目,英国是世界上重要的波能研究国家，但示范装置数量少，建造晚。女王大学在能源部支持下于1991年在苏格兰西部的艾莱岛建成一座装机容量 70kW的岸式振荡水柱波浪电站。但建造周期和投资都大大超出预计，效率也不高。苏格兰英维尼斯市于1995年研建了一座称作“鱼鹰”的波浪能一风能联合发电装置。但由于装置结构设计上的失误，在沉放就位过程中沉没。,3.2波浪能利用项目,中国：1985年中科院广州能源研究所开发成功利用对称翼透平的航标灯用波浪发电装置。已有60W至45W的多种型号产品，已累计生产600多台在中国
15、沿海使用，并出口到日本等国家。在珠海市大万山岛研建中国第一座波浪电站并于1990年试发电成功。电站装机容量3kW。中科院广州能源研究所和国家海洋局天津海洋所分别研建了20kW岸式电站、5kw后弯管漂浮式波力发电装置和8kW摆式波浪电站，均试发电成功。,3.3温差能利用主要项目,1881年法国科学家最早提出海洋温差能利用的设想，他的学生于1926年首次进行了海洋温差能利用的实验室原理试验。1929年在古巴的马但萨斯海湾的陆地上，建成了一座输出功率22kW的温差能开式循环发电装置。1979年8月美国在夏威夷建成第一座闭式循环海洋温差发电装置是温差能利用的一个里程碑。,3.3温差能利用主要项目,美国
16、 1978年 Mini-OTEC 500kW闭式循环电站在夏威夷建成，平均输出功率为15kW 1991年11月开始在夏威夷进行开式循环净功生产试验并于1993年4月建成，发电功率为210kW，扣除系统自身用电后的净出力为 40-50kW，并可产生淡水。PICHTR还开发了多功能的温差能利用系统，不仅发电，还产生淡水，进行空调和制冷以及强化的海水养殖等，在太平洋热带岛屿有良好的市场前景。,3.3温差能利用主要项目,日本一共建成3座岸式海洋温差电站 1980年6月东京电力等在瑙鲁建造一座100kW闭式循环温差电站，于1981年10月开始发电试验。1981年8月，九洲电力等又在鹿儿岛县的德之岛开始研
17、建50kw的试验电站，于1982年9月开始发电试验并运行到1994年8月。九洲大学还于1985年建造了一 座75kw的实验室装置，井得到35kw的净出力。,3.3温差能利用主要项目,中国：1980年台湾电力公司便计划将第3和第4号核电厂余热和海洋温差发电并用。1985年中国科学院广州能源研究所建造了两座容量分别为 10W和60W的试验台。,3.4海流能与盐差能研究进展,世界上从事海流能开发的主要有美国、英国、加拿大、日本、意大利和中国等 70年代来，中国舟山的何世钩自发地进行海流能开发，仅用几千元钱建造了一个试验装置并得到了6.3kW的电力输出。80年代初，哈尔滨工程大学开始研究一种新型海流透
18、平，获得较高的效率并于1984年完成60W模型的实验室研究，之后开发出千瓦级装置在河流中进行试验,3.4海流能与盐差能研究进展,美国也于1985年在佛罗里达的墨西哥湾流中试验小型海流透平加拿大也进行了类似于达里厄型垂直风机的海流透平试验，试验机组为5kW 日本大学于1980至1982年在河流中进行 直径为3m的河流抽水试验，以及1988年在海底安装的直径为1.5m，装机容量3.5kW的达里厄海流机组，该装置连续运行了近1年。,3.4海流能与盐差能研究进展,90年代以来，欧共体和中国均开始计划建造海流能示范应用电站。哈尔滨工程大学正在研建75kw的海流电站。意大利在欧共体“焦尔”计划支持下，已完
19、成40kw的示范装置，并与中国合作在舟山地区开展了联合海流能资源调查，计划开发140kW的示范电站。英国、瑞典和德国也在“焦尔”计划的支持下，从1998年开始，正在研建300kw的海流能商业示范电站。,3.4海流能与盐差能研究进展,盐差能的研究以美国、以色列的研究为先，中国、瑞典和日本等也开展了一些研究。但总体上，盐差能研究还处于实验室水平，离示范应用还有较长的路程。,4.团队可能的切入点,海洋能在国家科委和基金委的学科划分中属新能源，但在有关科学协会中又归属海洋学会的海洋工程。而项目申请和管理工作又需在能源口进行，往往得不到足够的重视。实际上，海洋能是新能源与海洋工程的综合课题，其生成与转换原理与海洋科学紧密相关，而应用对象是能源领域。,除中国科学院广州能源研究所一直保持着海洋能源研究室外，海洋能研究的队伍和设备未能得到正规的建设。,研究的主要课题包括：潮汐电站的系统工程与环境评价、海洋温差的热力转换及其与海水淡化、深层海水利用以及深海采矿扬矿系统的综合利用问题、波能转换的理论体系与设计规范、浓差能转换的原理与材料、海流能转换的流体力学问题、海洋能利用中的海洋工程问题和多能互补综合利用问题等,潮汐电站水轮机组的研究，包括：超低水头大容量潮汐发电机组研制、海中水工建筑形式和施工技术等。海岛新能源综合利用试验基地建设。储能、储电技术、温差发电技术研究。,？,谢 谢！,
