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海洋能利用技术 新能源利用技术 2011.10.24 定义 覆盖地球表面71的海洋是世界上最大的太阳 能采集器。太阳辐射到地球表面的能量换算为 电功率约为80万亿kw，其中海洋每年吸收的太 阳能相当于37万亿kwh，每km2大洋表面水层 含有的能量相当于3800桶石油燃烧发出的热量 ，因此海洋又被称为“蓝色油田”。 每年的海洋能可供地球多少年？ 备注：全球每天消耗石油量已达7100万桶,中国750万桶。 海洋面积约3.61亿平方千米。 定义 海洋能指依附在海水中的可再生能源，海洋 通过各种物理过程接收、储存和散发能量，这 些能量以潮汐、波浪、温度差、盐度梯度 、海流等形式存在于海洋之中。 更广义的海洋能源还包括海洋上空的风能、海洋表面 的太阳能以及海洋生物质能等。 海洋能特点 n海洋能密度低。海洋能在海洋总水体中 的蕴藏量巨大，而单位体积、单位面积、 单位长度所拥有的能量较小。这就是说， 要想得到大能量，就得从大量的海水中获 得。 n海洋能具有可再生性。海洋能来源于太 阳辐射能与天体间的万有引力，只要太阳 、月球等天体与地球共存，这种能源就会 再生，就会取之不尽，用之不竭。 海洋能特点 n海洋能有较稳定与不稳定能源之分。 较稳定的为温度差能、盐度差能和海流能。不稳 定能源分为变化有规律与变化无规律两种。属于 不稳定但变化有规律的有潮汐能与潮流能。人们 根据潮汐潮流变化规律，编制出各地逐日逐时的 潮汐与潮流预报，预测未来各个时间的潮汐大小 与潮流强弱。潮汐电站与潮流电站可根据预报表 安排发电运行。既不稳定又无规律的是波浪能。 n海洋能属于清洁能源，也就是海洋能一旦 开发后，其本身对环境污染影响很小。 海洋能总量 据权威统计，全世界海洋能的理论 可再生量超过760亿千瓦。 海水温差能约400亿千瓦 盐度差能约300亿千瓦 潮汐能大于30亿千瓦 波浪能约30亿千瓦。 全球到2030年的电力装机容量将增长至48亿千瓦。我国 电力装机容量2009年底将达8.6亿千瓦 潮 汐 能 潮汐能 潮汐现象是指海水在天体（主要是月球潮汐现象是指海水在天体（主要是月球 和太阳）引潮力作用下所产生的周期性和太阳）引潮力作用下所产生的周期性 运动，习惯上把运动，习惯上把海面垂直方向涨落海面垂直方向涨落称为称为 潮汐潮汐，而，而海水在水平方向的流动海水在水平方向的流动称为称为潮潮 流流。因为太阳。因为太阳、月亮与地球之间的万有月亮与地球之间的万有 引力与地球自转的运动使得海洋水位形引力与地球自转的运动使得海洋水位形 成高低变化成高低变化, ,这种高低变化这种高低变化, ,称之为称之为潮汐潮汐 。 潮汐的发生和太阳，月球 都有关系，也和我国传统 农历对应。在农历每月的 初一即朔点时刻处太阳和 月球在地球的一侧，所以 就有了最大的引潮力，所 以会引起“大潮”，在农 历每月的十五或十六附近 ，太阳和月亮在地球的两 侧，太阳和月球的引潮力 你推我拉也会引起“大潮 ”；在月相为上弦和下弦 时，即农历的初八和二十 三时，太阳引潮力和月球 引潮力互相抵消了一部分 所以就发生了“小潮” 。 正月初一 十五or十六 海洋的潮汐中蕴藏着巨大的能量。在涨潮 的过程中，凶涌而来的海水具有很大的动 能，而随着海水水位的升高，就把海水的 巨大动能转换为势能，在落潮的过程中， 海水奔腾而去，水位逐渐降低，势能又转 换为动能 据专家们估计，全球海洋中所蕴藏的潮汐 能约有30亿kw，若能把它充分利用起来， 其每年的发电量可达33480万亿kwh 潮汐能月亮的礼物 潮汐发电 n潮汐能利用的主要方式是发电，潮汐 发电与水力发电的原理相似。通过贮 水库，在涨潮时将海水贮存在贮水库 内，以势能的形式保存，然后，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。 潮汐发电 n具体地说，潮汐发电就是在海湾或有潮 汐的河口建一拦水堤坝，将海湾或河口 与海洋隔开构成水库，再在坝内或坝房 安装水轮发电机组，然后利用潮汐涨落 时海水位的升降，使海水通过轮机转动 水轮发电机组发电。潮汐电站按照运行 方式和对设备要求的不同，可以分成单 库单向型、单库双向型和双库单向型三 种。 潮汐发电 n单库单向型是在涨潮时将贮水库闸门 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。单 库单向发电方式的优点是设备结构简 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。 四个工况 10-12h 22% 潮汐发电 n单库双向型有两种设计方案。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。 六个工况 16-20h发电 潮汐发电 n双库单向型采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。 六个工况 24h 56% 潮汐发电的主要优点 n潮汐能是一种清洁、不污染环境、不影响生态平衡的可再生能源。 潮水每日涨落，周而复始， 取之不尽，用之不竭。 n它是一种相对稳定的可靠能源，很少受气候、水文等自然因素的影 响，全年总发电量稳定，不存在丰、枯水年和丰、枯水期影响。 n潮汐电站不需淹没大量农田构成水库，因此，不存在人口迁移、淹 没农田等复杂问题。 n潮汐电站不需筑高水坝，即使发生战争或地震等自然灾害，水坝受 到破坏，也不至于对下游城 市、农田、人民生命财产等造成严重 灾害。 n潮汐能开发一次能源和二次能源相结合，不用燃料，不受一次能源 价格的影响，而且运行费用低，是一种经济能源。但也和河川水电 站一样，存在一次投资大、发电成本低的特点。 n机组台数多，不用设置备用机组。 潮汐发电的主要缺点 n潮差和水头在一日内经常变化出力有间歇性，给 用户带来不便。 n潮汐存在半月变化，潮差可相差二倍，故保证出 力、装机的年利用小时数也低。 n潮汐电站建在港湾海口，通常水深坝长，施工、 地基处理及防淤等问题较困难。故土建和机电 投资大，造价较高。 n潮汐电站是低水头、大流量的发电形式。涨落潮 水流方向相反，水轮机体积大，耗钢量多， 进 出水建筑物结构复杂。 潮汐发电应用现状 n20世纪初，欧、美一些国家开始研究潮汐发电 。第一座具有商业实用价值的潮汐电站是1967 年建成的法国郎斯电站。该电站位于法国圣马 洛湾郎斯河口。郎斯河口最大潮差13.4米，平 均潮差8米。总装机容量24万千瓦，年发电量5 亿多度，输入国家电网。 n1968年，前苏联在其北方摩尔曼斯克附近的基 斯拉雅湾建成了一座800千瓦的试验潮汐电站。 n1980年，加拿大在芬地湾兴建了一座2万干瓦试 验潮汐电站。 潮汐发电应用现状 n世界上适于建设潮汐电站的20几处地方，都在 研究、设计建设潮汐电站。其中包括：美国阿 拉斯加州的库克湾、加拿大芬地湾、英国塞文 河口、阿根廷圣约瑟湾、澳大利亚达尔文范迪 门湾、印度坎贝河口、俄罗斯远东鄂霍茨克海 品仁湾、韩国仁川湾等地。 n潮汐发电的主要研究与开发国家包括法国、前 苏联、加拿大、中国和英国等，它是海洋能中 技术最成熟和利用规模最大的一种。全世界潮 汐电站的总装机容量为265mw。 潮汐发电应用现状 n我国潮汐能的理论蕴藏量达到1.9亿千瓦，年发电 量2750亿度，其中200kw以上电站424处，总量21790mw,年发 电量624亿度。 n在我国沿海，特别是东南沿海有很多能量密度较高，平均潮 差45m，最大潮差78m。其中浙江、福建两省蕴藏量最 大，约占全国的80.9%。 n我国的潮汐能资源在沿海的分布是不均匀的，以福建（ 10329mw）和浙江（8910mw）为最多，站址分别为88处 和73处。其次是长江口北支（属上海和江苏（704mw） ）和 辽宁（594mw） 、广东（573mw） 、广西（387mw） 、山东 （118mw） 。 我国主要港口潮差概况 （单位：m） 大潮差小潮差 湛 江4.872.18（平均） 黄 浦2.500.3 高 雄0.400.20 基 隆1.200.30 厦 门4.602.90 福 州5.703.60 上 海3.002.00 青 岛3.481.91 天 津 2.48 秦皇岛 1.00 大 连2.561.39 世界主要潮汐电站 法国朗斯潮汐电站 江厦潮汐发电站 加拿大安娜波利斯潮汐电站 潮汐能涡轮-这个平台名为“seagen”，上面装有两 个涡轮机。2008年，seagen被安装在北爱尔兰斯特 兰福特湾的潮流中，可为当地家庭提供1.2兆瓦电量。 波 浪 能 波浪能 n波浪能是指海洋表面波浪所具有的动能 和势能。波浪能是海洋能源中能量最不 稳定的一种能源。波浪的能量与波高的 平方、波浪的运动周期以及迎波面的宽 度成正比。 n波浪能的大小可以用海水起伏势能的变 化来进行估算，即p0.5th2（p为单位波 前宽度上的波浪功率，单位kw/m；t为波 浪周期，单位s；h为波高，单位m。 波浪能 n南半球和北半球4060纬度间的风力最强。在盛风 区和长风区的沿海，波浪能的密度一般都很高。例如 ，英国沿海、美国西部沿海和新西兰南部沿海等都是 风区，有着特别好的波候。而我国的浙江、福建、广 东和台湾沿海为波能丰富的地区。 n我国沿海有效波高约为23m、周期为9s的波列，波 浪功率可达1739kw/m，渤海湾更高达42kw/m。利用 中国沿海海洋观测台站资料估算得到，中国沿海理论 波浪年平均功率约为1.3107 kw。但由于不少海洋台站 的观测地点处于内湾或风浪较小位置，故实际的沿海 波浪功率要大于此值 波浪能利用 n波浪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 。 n波浪能利用几种基本原理 利用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 。 n经过70年代对多种波能装置进行的实验室研究和 80年代进行的实海况试验及应用示范研究，波浪 发电技术已逐步接近实用化水平，研究的重点也 集中于3种被认为是有商品化价值的装置，包括振 荡水柱式装置、摆式装置和聚波水库式装置。 波浪能利用 n振荡水柱波能装置可分为漂浮式和固定式两种。 目前已建成的振荡水柱波能装置都利用空气作为 转换的介质。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。在 喷嘴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。振荡水柱波能装置的优点是转动机构不 与海水接触，防腐性能好，安全可靠，维护方便 。其缺点是二级能量转换效率较低。 波浪能利用 n摆式波能装置也可分为漂浮式和固定式两种。在 波浪的作用下，摆体作前后或上下摆动，将波浪 能转换成摆轴的动能。与摆轴相联的通常是液压 装置，它将摆的动能转换成 液力泵的动能，再带 动发电机发电。摆体的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。摆式装置的 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 度以外的波浪能，从而大大提高装置的效率。 波浪能利用 n聚波水库装置利用喇叭型的收缩波道，作为一级 能量转换机构。波道与海连通的一面开口宽，然 后逐渐收缩通至贮水库。波浪在逐渐变窄的波道 中，波高不断地被放大，直至波峰溢过边墙，将 波浪能转换成势能贮存在贮水库中。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3-8m，利用水轮发电机组可以发电 。聚波水库装置的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。 波浪能利用现状 n1985年，英国在苏格兰的艾莱岛建造了一 座75千瓦的振荡水柱波力电站，1991年建 成且并入当地电网。1995年8月，英国建 造了第一座商业性波浪能发电站，输出 功率为2兆瓦，可满足2000户家庭的用电 要求。 n日本已有数座波浪能发电站投入运行， 其中兆瓦级的“海明号” 波浪能发电船， 是世界上最著名的波浪能发电装置 波浪能利用现状 n我国波力发电虽起步较晚，但发展很快。目前，在我 国沿海航线已安装了数百台这种小型波力发电装置。 经过15年的努力，我国已拥有成熟的航标灯用波力发 电装置的设计、制造技术，产品产量逐年上升，90年 代中期并向日本出口。 n1989年，装机容量为3 kw的我国第一座波力电站在南 海大万山岛建成。1991年，国家科委决定在5年内建造 3座kw级波力示范电站，即20 kw的岸式波力电站，8 kw的摆式波力电站和5 kw的后弯管漂浮式波力发电装 置. n到2000年，在广东、海南和山东各建一座100 kw级岸 式波力电站；至2020年，在山东、海南、广东各建1座 1000 kw级的岸式波力电站。 世界上第一个商业海浪发电厂-“海蛇”位于葡萄牙 北部海岸，2008年刚刚投入运转。“海蛇”的发电机 是一个150米长的钢铰接结构，通过弯曲移动带动水轮 发电机发电，可产生750千瓦电量。 图片展示的是一种利用海浪发电的新奇设计，按比例 缩小的“巨蟒”。“巨蟒”的橡胶材料身体柔软可弯 曲，内部装满海水。海浪在“巨蟒”内部产生压力波 ，压力波不断向前行进最终带动尾部的发电机。 这种漂浮物是位于澳大 利亚西部弗里曼特尔附 近一家实验性海浪发电 厂的组成部分。每个漂 浮物可在海浪的作用下 山下移动，进而带动海 水穿过铺设于海床上的 管道并最终来到陆地， 陆上的涡轮将在海水带 动下发电。 活塞发威-在设计上，这些漂浮物至少要潜入水下6米 。其上半部分在海浪经过时被迫向下移动，而后又重 新回到原有位置。这一过程会压缩中空结构内部空气 ，被压缩的空气将穿过所携带的发电机。 温 差 能 温差能 n温差能是指海洋表层海水和深层海水之间水温之 差的热能。 n赤道附近太阳直射多，其海域的表层温度可达25- 28，波斯湾和红海由于被炎热的陆地包围，其 海面水温可达35。而在海洋深处500-1000m处海 水温度却只有3-6。这个垂直的温差就是一个可 供利用的巨大能源。在大部分热带和亚热带海区 ，表层水温和1000m深处的水温相差20以上，这 是热能转换所需的最小温差。 开式循环系统主要包括真空泵、温水泵、冷水泵、闪蒸器、冷凝器 、透平一发电机组等部分。真空泵先将系 统内抽到一定的真空，接着起动温水泵把表 层的温水抽入闪蒸器，由于系统内已保持有一定的真空度，所以 温海水就在闪蒸器内 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。 闭式循环系统不以海水而采用一些低涕点的物质（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。 闭式循环与开式循环的系统组件及工作方式均 有所不同，开式系统中的闪蒸器改为蒸发器。当温水泵将 表层海水抽上送往蒸发器时 ，海水自身并不蒸发；而是通过蒸发器内的盘管把部分热量传递给低沸点的工作 流体 ，如氨水。温水的温度降低，氨水的温度升育并开始沸腾变为氨气。氨气经过透平的 叶片通道，膨胀作功， 推动零平旋转。透平排出的氨气进入冷凝器、在冷凝器内由冷 水泵抽上的深层冷海水冷却后重新变为液态 氨，再用氨泵（工质泵）把冷凝器中的液 态氨重新压进蒸发器，以供循环使用。 温差能理论效率 温差能理论效率 温差能利用现状 n温差能的主要利用方式为发电，首次提出利用海 水温差发电设想的是法国物理学家阿松瓦尔， 1926年，阿松瓦尔的学生克劳德试验成功海水温 差发电。1930年，克劳德在古巴海滨建造了世界 上第一座海水温差发电站，获得了10kw的功率。 n1979年，美国在夏威夷的一艘海军驳船上安装了 一座海水温差发电试验台，发电功率53.6千瓦。 n1981年，日本在南太平洋的瑙鲁岛建成了一座100 千瓦的海水温差发电装置，1990年又在鹿儿岛建 起了一座兆瓦级的同类电站。 温差能利用现状 n 1985年中国科学院广州能源研究所开始对温差利用中 的：种“雾滴提升循环”方法进行研究。这种方法 于 1977年由美国的ridgway等人提出，其原理是利用表 层和深层海水之间的温差所产生的焓降来提高海 水 的位能。据计算，温度从20度降到7度时，海水所释 放的热能可将海水提升到125m的高度，然后再利用水 轮机发电。该方法可以大大减小系统的尺寸，并提高 温差能量密度。1999年，广州能源研究所在实验室实 现 了将雾滴提升到21m高度的记录。同时，该所还对 开式循环过程进行了实验室研究，建造了两座容量分 别为 10w和60w的试验台。 盐 差 能 盐差能 盐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。 盐差能发电 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、蒸汽压式和机协化学式等，其中渗透压 式方案最受重视。将一层半透膜放在不同盐度 的两种海水之间，通过这个膜会产生一个压力 梯度，迫使水从盐度低的一侧 通过膜向盐度高 的一侧渗透，从而稀释高盐度的水，直到膜两 侧水的盐度相等为止。此压力称为渗透压，它 与海水的盐浓度及温度有关。 盐差能利用现状 n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 究还处于实验室试验水平，离示范应用还有较长的路 程。 n70年代至80年代，以色列和美国的科学家对水压塔和 强力渗透系统均进行了实验研究，中国西安冶金建筑 学院也于1985年对水压塔系统进行了试验研究。 n盐差能开发的技术关键是膜技术。除非半透膜的渗透 流量能在目前水平的基础再提高一个数量级，并且 海水可以不经预处理。否则，盐差能利用难以实现商 业化。 海 流 能 海流能 n海流能是指海水流动的动能，主 要是指海底水道和海峡中较为稳 定的流动以及由于潮汐导致的有 规律的海水流动。 n海流能的能量与流速的平方和流