第五章 新能源之海洋能.pptx

1 5海洋能 海洋是一个巨大的能源宝库 地球表面积约为5 1 108km2 其中 海洋面积达3 6 108km2 北半球海洋占60 7 南半球海洋占80 9 以海平面计 全部陆地的平均海拔约为840m 而海洋的平均深度却为3800m 整个海水的容积为1 37 109km3 世界上最深的海是太平洋的马里亚纳海沟 其深度达11034m 2 3 海洋能 海水运动中产生的可再生能 称为海洋能 也称蓝色能源 海洋能源来自月球 太阳等星球的引力及太阳辐射等引起的反水流动产生的能量 海洋能主要有波浪能 潮汐能 海流等 此外还有盐差能 温差能等 海洋能的特点是蕴藏量大 可以再生 海水温差能的可用功率达1010千瓦数量级 潮汐能 波浪能 海流能 海水盐差能等的可再生功率达109千瓦数量级 4 可再生的海洋能源 海洋是一个巨大的能源宝库 仅大洋中的波浪 潮汐 海流等动能和海洋温度差 盐度差能等的存储量高达天文数字 这些海洋能源都是取之不尽 用之不竭的可再生能源 5 可再生的海洋能源 海洋能源通常指海洋中所蕴藏的可再生的自然能源 主要为潮汐能 波浪能 海流能 潮流能 海水温差能和海水盐差能 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 究其成因 潮汐能和潮流能来源于太阳和月亮对地球的引力变化 其他均源于太阳辐射 6 海洋能的特点 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 它具有可再生性 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 7 海洋能的特点 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 既不稳定又无规律的是波浪能 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 开发环境严酷 一次性投资大 转换装置造价高 要求材料强度高 防腐性好 8 海洋能利用 所谓海洋能利用 就是应用科学原理 技术措施和设备装置将海洋能转换成电能或其他形式的可用能的过程 早在11世纪 人们就能够利用潮汐的涨落推磨 卸货或带动机具加工农产品 锯木等 1913年法国科学家派恩在诺德斯特兰德岛和大陆之间筑坝建起了世界第一座潮汐发电站 从此人类开始从海里获得了电能 1966年法国建成朗斯潮汐能发电站 装机容量24万千瓦 年发电5 44亿千瓦小时 是目前世界上最大的潮汐电站 9 世界新能源 50年代后期中国曾兴起潮汐发电热 建设了一批潮汐能电站 目前江厦试验电站装机容量为500千瓦的机组正在运行 1965年日本研制用于航标灯的波力发电装置成功 目前日本 英国 挪威 中国等国家正在研究波力发电的试验 其中较大的是由日本等5国研制在日本海试验的 海明 号波力发电船 日本曾建有岸式波力发电试验站 中国研制成对翼型空气涡轮机式波力发电装置 装在南海航标灯上试用 美国在夏威夷驳船上进行了50千瓦容量海水温差发电试验 10 潮汐能 潮汐能是以位能形态出现的海洋能 海水涨落的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 月球对地球的引力方向指向月球中心 其大小因地而异 同时地表的海水又受到地球运动离心力的作用 月球引力和离心力的合力正是引起海水涨落的引潮力 用万有引力计算 月球所产生的最大引潮力可使海水面升高0 563m 太阳引潮力的作用为0 246m 杭州湾的最大潮差达8 93m 北美加拿大芬地湾最大潮差更达19 6m 一般认为海水的自由振动频率与受迫振动频率一致而导致的共振会使潮差显著增大 11 潮汐能 全世界潮汐能的理论蕴藏量约为3 109kW 我国海岸线曲折 全长约1 8 104km 沿海还有6000多个大小岛屿 组成1 4 104km的海岸线 漫长的海岸蕴藏着十分丰富的潮汐能资源 我国潮汐能的理论蕴藏量达1 1 108kW 其中浙江 福建两省蕴藏量最大 约占全国的80 9 12 潮汐能 因月球引力的变化引起潮汐现象 潮汐导致海水平面周期性地升降 因海水涨落及潮水流动所产生的能量 称为潮汐能 潮汐能是以位能形态出现的海洋能 是指海水潮涨和潮落形成的水的势能 13 潮汐中的巨大能量 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 14 潮差 潮起潮落所形成的水位差 即相邻高潮潮位与低潮潮位的高度差 称为潮位差或潮差 通常 海洋中的潮差不大 一般只有几十厘米至1m左右 而在喇叭状海岸或河口的地区 其潮差就比较大 15 蓝色的煤海 据专家们估计 全球海洋中所蕴藏的潮汐能约有27亿kW 若能把它充分利用起来 其每年的发电量可达33480万亿kW h 无怪乎人们把巨大的潮汐能誉为 蓝色的煤海 16 潮汐发电原理 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 潮汐发电首先是把潮汐的动能和位能通过水轮机转变为机械能 然后再由水轮机带动发电机 把机构能转变为电能 具体来说 是在海湾建一个拦水堤坝 中间留一个缺口安装水轮发电机组 在涨潮和落潮时 海水都能通过水轮机带动发电机发电 17 潮汐发电类型 潮汐电站按照运行方式和对设备要求的不同 分成单库潮汐电站和双库潮汐电站 单库型又分为单库单向型 单库双向型双库型又分为双库连接方案和双库配对方案 双库连接方案是一个库进水 另一个库泄水 两库之间建电站 双库配对方案是实际就是两个单库的配合运行 以保证连续性 还有一种发电结合抽水蓄能式潮汐电站 在海潮达到最高位又未退潮之际用泵从海侧向库侧泵水 使库内水位提高 以增加发电量 由于而泵水扬程比发电时落差小 发电量比耗电量多 18 19 潮汐发电的主要优点 潮汐电站的水库都是利用河口或海湾来建造的 不占用耕地 也不像河川水电站或火电站那样要淹没或占用大量的良田 它既不像河川水电站那样受洪水和枯水季节的影响 也不像火电站那样污染环境 是一种既不受气候条件影响而又非常 干净 的发电站 潮汐电站的堤坝较低 建造容易 其投资也相对较少 是一种相对稳定的可靠能源 因为潮汐的涨落具有规律性 可以做出准确的长期预报 20 世界主要潮汐电站 21 潮汐能发电站 法国朗斯潮汐电站 22 潮汐能发电站 23 加拿大安纳波利斯潮汐试验电站建成于1984年工作水头为1 4 7 1m 设计水头5 5m 单台机组额定功率17 8MW 最大出力20MW 转轮直径7 6m 电站运行为单库 单向发电 每个潮期工作6 6 5小时 全年发电约45GWh 据估计若采用双向发电的方案 发电成本增加20 而发电只增加10 24 江厦潮汐发电站 25 波浪能 波浪能是以动能形态出现的海洋能 波浪是由风引起的海水起伏现象 它实质上是吸收了风能而形成的 通常一个典型的海洋中部在8s的周期内会涌起1 5m高的波浪 波浪能的大小可以用海水起伏势能的变化来进行估算 P 0 5TH2 kW m s m2 当有效波高为1m 周期为9s时 在1m的波宽度上 波浪的功率为4 5kW 实际上波浪功率的大小还与风速 风向 连续吹风的时间 流速等诸多因素有关 据估计全世界可开发利用的波浪能达2 5 109kW 我国沿海有效波高约为2 3m 周期为9s的波列 波浪功率可达17 39kW m 渤海湾更高达42kW m 利用前景诱人 26 波浪能 波浪能是指海洋表面波浪所具有的动能和势能 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 波浪能是海洋能源中能量最不稳定的一种能源 27 波浪能 全世界波浪能的理论估算值为109kW量级 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 3 107kW 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 其中浙江 福建 广东和台湾沿海为波浪能丰富的地区 28 波浪能利用 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 波浪能利用装置的种类繁多 有关波能装置的发明专利超过千项 获得专利证书的也达数百件 波浪能利用被称为 发明家的乐园 29 波浪能利用的基本原理 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 早期海洋波浪能发电付诸实用的是气动式波力装置 道理很简单 就是利用波浪上下起伏的力量 通过压缩空气 推动汲筒中的活塞往复运动而做功 波浪发电类型 振荡水柱型 通过波浪压缩空气 用压缩空气驱动叶轮 带动发电装置发电 机械型 利用波浪推动活动部件 活动部件驱动油 水等中间介质 中间介质推动转换发电装置发电 水流型 利用收缩水道将波浪引入高位水库形成水位差 利用水头直接驱动水轮发电机组发电 波浪发电装置 1 浮体 用于安装发电设备 使装置能浮于海面 须具有一定容积与浮力 结构坚固2 波浪能接收器 用于接收或吸收波浪能量 由于波浪能密度低 需要足够大尺寸 3 波力放大器 将吸收到的分散波浪能变成集中能量的设备 一般波浪冲压力为2 4 104Pa 必须变成1 47 1 96 107Pa 4 原动机 发电机 完成波浪能向电能转换5 电器控制与自动控制设备 波浪发电应用 1 海上波力发电浮航标 需要航标灯的地方往往波浪也较大 其成本已低于太阳能航标2 波力发电船 实际上是漂浮在海上的发电厂 通过海底电缆输送电到陆地并网 3 岸式波力发电站 33 波浪发电站示意图 波浪能供电的灯光浮标 35 波浪能发电 36 漂浮式 37 OvertoppingDevices 38 固定式 39 OscillatingWaterColumn 40 OscillatingWaterColumnDevice 41 42 温差能 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 由太阳投射到地球表面的太阳能大部分被海水吸收 使海洋表层水温升高 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 据估计 如果利用这一温差发电 其功率可达2 109kW 43 温差能 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 海洋的表面把太阳的辐射能的大部分转化成为热水并储存在海洋的上层 另一方面 接近冰点的海水大面积地在不到1000m的深度从极地缓慢地流向赤道 这样 就在许多热带或亚热带海域终年形成20 以上的垂直海水温差 利用这一温差可以实现热力循环并发电 44 温差发电原理 温差发电的基本原理是利用海洋表面的温海水 26 28度 加热某些低沸点工质并使之汽化 或通过降压使海水汽化以驱动汽轮机发电 同时利用从海底提取的冷海水 4 6度 将做功后的乏气冷凝 使之重新变成液体 温差发电方式 1 开式循环系统 还可制取淡水 46 闭式循环 介质可以是丙烷 氟里昂 氨 48 混合循环 50 海洋热能转换技术 OTEC 51 海洋温差能利用 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以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 1979年在夏威夷海面一条驳船上 成功运行了一套闭式循环发电机组 用海面28度海水和70米深处的3 3度海水作冷热源 发出50KW的电力 扣除耗电 净输出15KW除了闭式循环发电技术接近成熟外 其它利用海洋热能的方式也在研究之中 全世界有99个国家有海洋资源可以利用 目前 全世界利用海洋热能发电容量达1MW 53 盐差能 盐差能是以化学能形态出现的海洋能 地球上的水分为两大类 淡水和咸水 全世界水的总储量为1 4 109km3 其中97 2 为分布在大洋和浅海中的咸水 在陆地水中 2 15 为位于两极的冰盖和高山的冰川中的储水 余下的0 65 才是可供人类直接利用的淡水 海洋的咸水中含有各种矿物和大量的食盐 1km3海水里即含有3600万t食盐 利用大海与陆地河口交界水域的盐度差所潜藏的巨大能量一直是科学家的理想 据估计世界各河口区的盐差能达3 1010kW 可能利用的即有2 6 109kW 54 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 盐差能是海洋能中能量密度最大的一种可再生能源 55 盐差能的利用 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 化学式等 其中渗透压式方案最受重视 盐差能发电还处于研发阶段 以色列建立了一座150KW盐差能发电试验装置 56 海流能 海流能是另一种以动能形态出现的海洋能 所谓 海流 就是海水的运动 主要是指海水的水平运动 即大量的海水从一个海域长距离地流向另一个海域 风吹动海水 使水表面运动起来 而水的黏性又将这种运动传到海水深处 随着深度增加 海水流动速度降低 有时流动方向也会随着深度增加而逐渐改变 甚至出现下层海水流动方向与表层海水流动方向相反的情况 不同海域的海水其温度和含盐度常常不同 它们会影响海水的密度 海水温度越高 含盐量越低 海水密度就越小 这种两个邻近海域海水密度不同也会造成海水环流 海水流动会产