新能源发电技术 第2版 课件 06海洋能

第6讲海洋能多种发电技术海和洋

海和洋是有区别的，是不同的概念。远离陆地的水体部分称为洋，靠近大陆的水体部分称为海。 洋是海洋的主体部分，占海洋总面积的89%。海是海洋的边缘部分。某些特殊的海域，还可以称为海峡或海湾。§6.1海洋及海洋能资源海洋能源（简称海洋能）

海洋能源是海水中蕴藏着的一切的能量资源的总称，通常指海洋中所蕴藏的可再生的自然能源。蕴藏于海水中的海洋能是十分巨大的，这些海洋能源可以不断得到补充，都是取之不尽、用之不竭的可再生能源。§6.1海洋能资源据估计，世界海洋能资源的储量为：

温差能为200亿千瓦，盐差能为300亿千瓦，

潮汐能为30亿千瓦，波浪能为30亿千瓦，

海流能为5亿千瓦§6.1.2世界海洋能资源不是全能利用。估计技术上允许利用的约64亿千瓦，其中，盐差能30亿千瓦，温差能20亿千瓦，

波浪能10亿千瓦，海流能3亿千瓦，潮汐能1亿千瓦。《中国新能源与可再生能源1999白皮书》公布的结果：对可开发装机容量200kW以上的424处港湾坝址，按资源普查经验公式计算， 沿海潮汐能资源可开发总装机容量为2179万千瓦（2.2×104MW），年发电624亿度； 进入岸边的波浪能理论平均功率为1285万千瓦；对130个水道估算， 潮流能理论平均功率1394万千瓦； 温差能理论蕴藏量约(1.2~1.3)×1019kJ，技术可用的约(8~9)×1017kJ，实际可用装机(1.3~1.5)×106MW； 盐差能资源理论蕴藏量约为3.9×1015kJ，理论功率为1.25×105MW。§6.1.3我国海洋能资源§6.1.4海洋能的特点海洋能的特点，主要体现在以下几个方面：（1）蕴藏量丰富，可循环再生。（2）能流分布不均，能量密度低。（3）稳定性较好或者变化有规律。（4）清洁无污染。§6.2海流发电海流，主要指海底水道和海峡中较为稳定的流动(洋流)， 以及由潮汐导致的有规律的海水流动(潮流)。海流能是流动海水的动能，与流速的平方和流量成正比。§6.2.1海流和海流能一般说来，最大流速在2m/s以上的水道，海流能均有实际开发价值。潮流的流速一般2～5.5km/h，在狭窄海峡或海湾里，流速会很大。海流的能量海流能的理论蕴藏量为5亿千瓦。若只有较强的海流才能利用，技术上可利用的海流能约3亿千瓦。也有文献认为，世界上可利用的海流能约为0.5亿千瓦。我国潮流能理论平均功率1394万千瓦。海流能的资源分布§6.2.2海流发电的原理（1）轮叶式海流发电原理和风力发电类似，利用海流推动轮叶，带动发电机。

区别是其动力来源于海洋里的水流而不是天空的气流。轮叶可以是螺旋桨式的，也可以是转轮式的。轮叶的转轴有与海流平行的（类似水平轴风力机），也有与海流垂直的（类似垂直轴风力机），如图6.35所示。轮叶可以直接带动发电机，也可以先带动水泵，再由水泵产生高压水流来驱动发电机组。（2）降落伞式海流发电多个“降落伞”串联在环形的铰链绳上。“降落伞”应有足够的尺寸和间隔。当海流来自“降落伞”的系绳方向时，就会把“降落伞”撑开，并带动它们向前运动；当海流来自“降落伞”顶端时，海流的力量会迫使“降落伞”收拢。铰链绳在撑开的“降落伞”带动下转动，带动安装在船上的铰盘转动，从而驱动发电机发电。（3）磁流式海流发电带电粒子高速地垂直流过强磁场时，可以直接产生电流。磁流式发电装置没有机械传动部件，不用发电机组，海流能的利用效率很高。如果技术成熟、成本合适，可望成为海流发电系统中的性能最优的装置。不过，目前这种海流发电方式还处在原理性研究阶段。§6.2.3海流发电的发展状况进行海流能技术研发的国家，有中、美、英、加、日、意等。其中美、日和英等发达国家进行了较多的潮流发电试验，相对而言走在前列。中国是世界上潮流发电研究最早的国家。

海流发电有许多优点不必像潮汐发电那样，修筑大坝，还要担心泥沙淤积；也不像海浪发电那样，电力输出不稳。§6.3温差发电海水的温差 海水的温度，主要取决于接收太阳的辐射的情况。海水温度大体保持稳定，最高温度很少超过30℃，

各处的温度变动范围一般在-2～3℃。不同地域、不同深度的海水，温度是有差异的。 海水温度的水平分布，一般随着纬度增加而降低。 海水温度的垂直分布，都是随着深度增加而降低。§6.3.1海水的温差和温差能海水温差能 由海洋表层海水和深层海水之间水温差形成的温差热能，是海洋能的一种重要形式。全球的海洋温差能分布

据估计，温差能的理论蕴藏量为200亿千瓦，技术上可利用的温差能约20亿千瓦。也有学者估计，海水温差能可利用功率达100亿千瓦。中国的海水温差能分布 据《中国新能源与可再生能源1999白皮书》统计，我国南海的表层海水温度全年平均在25～28℃，其中有300多万km2海区，上下温度差为20℃左右，是海水温差发电的好地方。

§6.3.2温差发电的原理海洋温差能发电，就是利用海洋表层暖水与底层冷水之间的温度差来发电。通常所说的海洋温差发电，大多是指基于海洋热能转换（OTEC,OceanThermalEnergyConversion）的热动力发电技术，工作方式分为开式循环、闭式循环、混合式循环三种。§6.3.2.1开式循环系统工作原理以表层温海水为工质。先用真空泵将循环系统内抽成真空，再用温水泵把温海水抽入蒸发器。系统内有一定的真空度，温海水在蒸发器内沸腾蒸发，变为蒸汽；蒸汽经管道喷出，推动蒸汽轮机运转，带动发电机发电。蒸汽通过汽轮机后，被冷水泵抽上来的深海冷水冷却，凝结成淡化水后排出。冷海水冷却了水蒸气后又回到海里。作为工作物质的海水，一次使用后就不再重复使用，工作物质与外界相通，因此称为开式循环。§6.3.2.1开式循环系统开式循环的优点 在发电的同时，还可以获得很多有用的副产品。开式循环的不足①低温低压下海水的蒸气压很低。②开式循环的热效率很低。③需要耗用巨量的温海水和冷海水。④在海洋深处提取大量的冷海水，存在许多技术困难。§6.3.2.1开式循环系统§6.3.2.2闭式循环系统1964年，美国海洋热能发电的创始人安德森父子，提出了用低沸点液体（如丙烷和液态氨）作为工作介质，所产生的蒸气作为工作流体的闭式循环方案。水的沸点100℃，氨水的沸点33℃，更容易沸腾。闭式循环系统的特点缺点：蒸发器和冷凝器采用表面式交换器，耗资昂贵；

此外也不能产生淡水。优点：克服了开式循环中最致命的弱点，可使蒸汽压力提高数倍，发电装置体积变小，而发电量可达到工业规模。闭式循环系统一经提出，就得到广泛的赞同和重视，成为目前海水温差发电的主要形式。§6.3.2.2闭式循环系统混合循环系统也是以低沸点的物质为工质。用温海水闪蒸出来的低压蒸汽来加热低沸点工质。既能产生新鲜淡水，又可减少蒸发器体积，节省材料，便于维护。§6.3.2.3混合式循环系统据塞贝克效应，若将两个不同的导体/半导体电极分别置于海洋表层温海水和深层冷海水中，电极间即可产生电压。这种温差发电方法，在具体实现上仍有很多困难，还停留在设想阶段。§6.3.2.4直接温差发电目前很多海洋温差能发电系统仅停留在纸面上，

在达到商业应用前，还有许多技术和经济问题需要解决，包括： （1）转换效率低。 （2）投资成本高。 （3）建设难度大。 （4）选址不容易。§6.4盐差发电海水中至少有80多种化学元素，主要以种类繁多的盐类化合物存在，在水里会电离成带正负电荷的两类离子。经测算，海水中各种盐类的总含量一般为3%～3.5%，全球海水中含有5×1016吨无机盐；盐差能就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，是以化学能形态出现的海洋能。§6.4.1海水的盐差和盐差能全球海洋的海水盐度分布据联合国教科文组织1981年的估计，全球盐差能的理论蕴藏量为300亿千瓦。假设只有降雨量大的地域的盐度差才能利用，估计技术上可利用的约30亿千瓦。也有文献认为，世界各河口区的盐差能达300亿千瓦，可利用的盐度差能约26亿千瓦。我国盐差能资源理论蕴藏量约3.9×1015kJ，理论功率为1.25×105MW，主要集中在各大江河的出海处。同时，我国青海省等地还有不少内陆盐湖可以利用。在半透膜(水能通过,盐不能通过)隔开的有浓度差别的溶液之间，高浓度溶液透入低浓度溶液的现象，称为渗透现象。发生渗透现象时，若在浓度大的溶液上施加机械压强，恰好能阻止稀溶液向浓溶液发生渗透，这个机械压强就等于这两种溶液之间的渗透压强（简称渗透压）。海水与河水之间的盐浓度明显不同。利用渗透压形成水位差，就可以直接驱动水轮发电机发电。提示：渗透的是水分子，要观察“水”的浓度。淡水中水的浓度是100%，海水中水的的浓度小于100%。§6.4.2渗透和渗透压§6.4.3盐差能发电方法渗透压法，就是利用半透膜两侧的渗透压，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， 使海水升高形成水位差，然后利用海水从高处流向低处时提供的能量来发电。关键技术是半透膜技术和膜与海水介面间的流体交换技术，技术难点是制造有足够强度、性能优良、成本适宜的半透膜。§6.4.3.1渗透压法（1）强力渗压发电在河水与海水之间建两座水坝，坝间挖一个低于海平面约200m的水库。前坝内安装水轮发电机组，使河水与水库相连；后坝底部安装半透膜渗流器，使水库与海水相通。水库的水通过半透膜不断流入海水中，水库水位不断下降，这样河水就可以利用它与水库的水位差冲击水轮机旋转，并带动发电机发电。（1）强力渗压发电强力渗压发电系统的投资成本要比燃煤电站高，而且也存在技术上的难点，其中最难的是要在低于海平面200m的地方建造一个巨大的电站，能够抵抗腐蚀的半透膜也很难制造，因此发展的前景不大。（2）水压塔渗压发电水压塔与淡水间用半透膜隔开，并通过水泵连通海水。先由海水泵向水压塔内充入海水，运行时淡水从半透膜向水压塔内渗透，使水压塔内水位不断上升，从塔顶水槽溢出，海水(经管道)冲击水轮机旋转，带动发电机发电。在运行过程中，为了使水压塔内的海水保持一定的盐度，海水泵不断向塔内打入海水。（2）水压塔渗压发电发出的电能，有一部分要消耗在装置本身，如海水补充泵所消耗的能量、半透膜洗涤所消耗的能量。据试验，扣除各种消耗后的总效率约为20%~25%。浓差发电要投入实际使用，尚需要解决许多困难。（3）压力延滞渗透发电压力泵先把海水压缩再送入压力室。运行时淡水透过半透膜渗透到压力室同海水混合。混合后的海水和淡水与海水比具有较高的压力，可以在流入大海的过程中推动涡轮机做功。§6.4.3.2蒸汽压法同样温度下淡水比海水蒸发得快，因此海水一边的饱和蒸汽压力要比淡水一边低得多，在一个空室内蒸汽会很快从淡水上方流向海水上方并不断被海水吸收，这样只要装上汽轮机就可以发电了。采用旋转筒状物使盐水和淡水溶液分别浸湿热交换器表面，可以传递水汽化所要吸收的潜热。§6.4.3.2蒸汽压法蒸汽压发电的最显著的优点是不需要半透膜，这样就不存在膜的腐蚀、高成本和水的预处理等问题。§6.4.3.3浓差电池法浓差电池，也叫渗透式电池、反电渗析电池。一般需要两种不同的半透膜，一种只允许带正电荷的钠离子自由进出，一种则只允许带负电荷的氯离子自由出入。该系统需要采用面积大而昂贵的交换膜