新能源技术海洋能 樊

1、第第8章章海洋能发电海洋能发电8 海洋能发电海洋能发电8.1 海洋能概述海洋能概述 海洋能源通常指海洋中所蕴藏的可再生的自然海洋能源通常指海洋中所蕴藏的可再生的自然能源，主要为能源，主要为潮汐能潮汐能、波浪能波浪能、海流能（潮流海流能（潮流能）能）、海水温差能海水温差能和和海水盐差能海水盐差能。更广义的海洋。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。以及海洋生物质能等。8.1 海洋能概述海洋能概述 海洋能的特点海洋能的特点 1可再生性：由于可再生性：由于海水潮汐、海流海水潮汐、海流和波浪等运动周和波浪等运动周而复始，永不

2、休而复始，永不休止，所以海洋能止，所以海洋能是可再生能源；是可再生能源； 2属于一种洁净属于一种洁净能源，无污染；能源，无污染； 3能量多变，具能量多变，具有不稳定性，有不稳定性，运用起来比较运用起来比较困难；困难； 4总量巨大，但总量巨大，但分布不均、分分布不均、分散，能流密度散，能流密度低，利用效率低，利用效率不高，经济性不高，经济性差差。 8.1 海洋能概述海洋能概述 海洋能的分类海洋能的分类 1 1潮汐能潮汐能 潮汐能是以位能形态出现的海洋能，是指海水潮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。海水涨落的潮汐现象是由涨和潮落形成的水的势能。海水涨落的潮汐现象是由

3、地球和天体运动以及它们之间的相互作用而引起的。地球和天体运动以及它们之间的相互作用而引起的。主要是指海水潮涨和潮落形成的水的势能，利用的原主要是指海水潮涨和潮落形成的水的势能，利用的原理与理与水力发电水力发电的原理类似，而且潮汐能的能量与潮量的原理类似，而且潮汐能的能量与潮量和潮差成正比。和潮差成正比。8.1 海洋能概述海洋能概述 海洋能的分类海洋能的分类 2 2海流能海流能 海流能是另一种以动能形态出现的海洋能。所谓海流能是另一种以动能形态出现的海洋能。所谓海流主要是指海底水道和海峡中较为稳定的流动以及海流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。海流能也主要

4、用由于潮汐导致的有规律的海水流动。海流能也主要用来发电，发电原理与来发电，发电原理与风力发电风力发电类似。但是由于海水的类似。但是由于海水的密度比较大，而且海流发电装置必须置于海水中，所密度比较大，而且海流发电装置必须置于海水中，所以海流发电还存在了以下一些关键技术：安装维护、以海流发电还存在了以下一些关键技术：安装维护、电力输送、防腐、海洋环境中的载荷与安全性能、海电力输送、防腐、海洋环境中的载荷与安全性能、海流装置的固定形式和透平设计等。流装置的固定形式和透平设计等。 8.1 海洋能概述海洋能概述 海洋能的分类海洋能的分类 3 3波浪能波浪能 波浪能是海洋能利用研究中近期研究最多、政府波浪

5、能是海洋能利用研究中近期研究最多、政府投资项目最多和最重视的一种能源。波浪能是指海洋投资项目最多和最重视的一种能源。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。波浪能浪能是海洋能源中能量最不稳定的一种能源。波浪能是由风把能量传递给海洋而产生的，它实质上是吸收是由风把能量传递给海洋而产生的，它实质上是吸收了风能而形成的。能量传递速率和风速有关，也和风了风能而形成的。能量传递速率和风速有关，也和风与水相互作

6、用的距离（即风区）有关。与水相互作用的距离（即风区）有关。8.1 海洋能概述海洋能概述 海洋能的分类海洋能的分类 4 4温差能温差能 温差能是指海洋表层海水和深层海水之间水温之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。赤道附近太阳直射多，其海域的表层温度差的热能。赤道附近太阳直射多，其海域的表层温度可达可达25252828，波斯湾和红海由于被炎热的陆地包围，波斯湾和红海由于被炎热的陆地包围，其海面水温可达其海面水温可达3535，而在海洋深处，而在海洋深处5005001000m1000m处海处海水温度却只有水温度却只有3 366，这个垂直的温差就是一个可供，这个垂直的温差就是一个可供利

7、用的巨大能源。海洋温差能转换主要有开式循环和利用的巨大能源。海洋温差能转换主要有开式循环和闭式循环两种方式。温差能利用的困难主要是温差太闭式循环两种方式。温差能利用的困难主要是温差太小，能量密度太低。温差能转换的关键是强化传热传小，能量密度太低。温差能转换的关键是强化传热传质技术。质技术。8.1 海洋能概述海洋能概述 海洋能的分类海洋能的分类 5 5盐差能盐差能 盐差能是以化学能形态出现的海洋能。它是指海盐差能是以化学能形态出现的海洋能。它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，淡水丰富电位差能。主

8、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。地区的盐湖和地下盐矿也可以利用盐差能。 在淡水与海水之间有着很大的渗透压力差（相当在淡水与海水之间有着很大的渗透压力差（相当于于240m240m的水头）。从原理上来说，可通过让淡水流经的水头）。从原理上来说，可通过让淡水流经一个半渗透膜后再进入一个盐水水池的方法来开发这一个半渗透膜后再进入一个盐水水池的方法来开发这种理论上的水头。如果在这一过程中盐度不降低的话，种理论上的水头。如果在这一过程中盐度不降低的话，产生的渗透压力足可以将水池水面提高产生的渗透压力足可以将水池水面提高240m240m，然后再，然后再把水池水泄放，让

9、它流经水轮机，从而提取能量。把水池水泄放，让它流经水轮机，从而提取能量。 8.2 海洋能发电原理及应用海洋能发电原理及应用 潮汐能发电潮汐能发电 潮汐是海水受太阳、月球和地球引力的相互作用后，所发潮汐是海水受太阳、月球和地球引力的相互作用后，所发生的周期性涨落现象。生的周期性涨落现象。 潮汐过程线潮汐过程线8.2 海洋能发电原理及应用海洋能发电原理及应用 潮汐能发电潮汐能发电 单库单向作用单库单向作用 ” ”落潮发电落潮发电” ” 步骤步骤 向水库注水；向水库注水；等候，直至水库中的水到退潮，这样使库内外产生等候，直至水库中的水到退潮，这样使库内外产生一定的水头；一定的水头；将水库中的水通过水

10、轮机放入大海中，直到海水涨将水库中的水通过水轮机放入大海中，直到海水涨潮，海水水头降到最低工作点为止；潮，海水水头降到最低工作点为止；第二次涨潮时重复以上工作步骤。第二次涨潮时重复以上工作步骤。 也可以反过来，使海水从海里向水库注入时推动也可以反过来，使海水从海里向水库注入时推动水轮机发电，这种方式称为水轮机发电，这种方式称为“涨潮发电涨潮发电”。但是，蓄。但是，蓄水库的坝边通常是斜坡形的，所以水库的坝边通常是斜坡形的，所以“落潮发电落潮发电”一般一般更为有效。更为有效。8.2 海洋能发电原理及应用海洋能发电原理及应用 潮汐能发电潮汐能发电 单库双向作用单库双向作用 步骤步骤 通过水闸向库内注

11、水；通过水闸向库内注水；等候，使水在库内保持一段时间；等候，使水在库内保持一段时间；利用落潮发电；利用落潮发电；通过水闸将库中的水泄干；通过水闸将库中的水泄干；等候一段时间；等候一段时间；涨潮发电。涨潮发电。 无论是单向发电还是双向发电，出力的大小都与无论是单向发电还是双向发电，出力的大小都与水库的深度、潮差以及电站的结构设计有关。水库的深度、潮差以及电站的结构设计有关。8.2 海洋能发电原理及应用海洋能发电原理及应用 我国潮汐发电概况我国潮汐发电概况 站名站名位置位置型式型式机组机组数量数量装机容量装机容量每年耗电量每年耗电量/万度万度建站建站时时间间投产投产时间时间设计设计/kW实际实际/

12、kW设计设计实际实际沙山沙山浙江温岭浙江温岭单库单向单库单向1401409.38.519581959.10岳甫岳甫浙江象山浙江象山单库单向单库单向47544751751606.219701972.5海山海山浙江玉环浙江玉环双库单向双库单向2752752150315719731975江厦江厦浙江温岭浙江温岭单库双向单库双向65006500650015001107011619721980白沙口白沙口山东乳山山东乳山单库单向单库单向616061606640232/ /19701978.8浏河浏河江苏太仓江苏太仓双向双向双贯流式双贯流式275275215025619701978.7筹东筹东福建长乐福建

13、长乐卧轴轴伸式卧轴轴伸式140140140/ / /19581959果子山果子山广西广西龙门港龙门港单库单向单库单向140140140/ / /19761977.2我国运行发电的主要潮汐电站简况表我国运行发电的主要潮汐电站简况表8.2 海洋能发电原理及应用海洋能发电原理及应用 我国潮汐发电概况我国潮汐发电概况 我国的潮汐能开发技术研究已取得很大进展。我国的潮汐能开发技术研究已取得很大进展。小小型潮汐电站开发技术已趋成熟。江厦潮汐电站已成功型潮汐电站开发技术已趋成熟。江厦潮汐电站已成功地使用了我国自己设计制造安装的双向贯流灯泡型机地使用了我国自己设计制造安装的双向贯流灯泡型机组，水轮机具有正、反

14、向发电和泄水的工况。为了保组，水轮机具有正、反向发电和泄水的工况。为了保证潮汐电站的发电质量，提高经济效益，有些电站也证潮汐电站的发电质量，提高经济效益，有些电站也采用了新的电子技术，实行自动运行控制。江厦潮汐采用了新的电子技术，实行自动运行控制。江厦潮汐电站利用计算机能正确地做潮位预报，能够保证机组电站利用计算机能正确地做潮位预报，能够保证机组的最大出力。的最大出力。8.2 海洋能发电原理及应用海洋能发电原理及应用 海流和潮汐实际上是同一潮波现象的两种不同表现海流和潮汐实际上是同一潮波现象的两种不同表现形式。潮汐是潮波运动引起的海水垂直升降，潮流是潮形式。潮汐是潮波运动引起的海水垂直升降，潮

15、流是潮波运动引起的海水水平流动。一般来说，开阔的外海潮波运动引起的海水水平流动。一般来说，开阔的外海潮差小，流速亦小，靠岸边越大，在港湾口、水道地区流差小，流速亦小，靠岸边越大，在港湾口、水道地区流速显著变化。潮流涨落方向如果呈旋转变化，则称旋转速显著变化。潮流涨落方向如果呈旋转变化，则称旋转流，一般发生在较开阔的海区；潮流涨落方向如果为正流，一般发生在较开阔的海区；潮流涨落方向如果为正反向变化，则称往复流，一般发生在较狭窄的水域。反向变化，则称往复流，一般发生在较狭窄的水域。 海流能的利用方式主要是发电，其原理和风力发电海流能的利用方式主要是发电，其原理和风力发电相似，几乎任何一个风力发电装

16、置都可以改造成为海流相似，几乎任何一个风力发电装置都可以改造成为海流发电装置。发电装置。海流发电海流发电 8.2 海洋能发电原理及应用海洋能发电原理及应用 l 海流发电装置的两种方式海流发电装置的两种方式链式发电系统链式发电系统 旋转式发电系统旋转式发电系统 海流能发电原理及应用海流能发电原理及应用 7.4.2 海洋能发电原理及应用海洋能发电原理及应用 链式海流发电装置：链式海流发电装置： 它主要由它主要由降落伞降落伞、环状链条环状链条、驱动轮驱动轮和和发电机发电机组成。组成。一般在环状链条上装有多个降落伞，链条在降落伞的带一般在环状链条上装有多个降落伞，链条在降落伞的带动下会转动，同时使驱动

17、轮转动，驱动轮与船上发电机动下会转动，同时使驱动轮转动，驱动轮与船上发电机相连。当降落伞顺着海流方向时。由于海流的作用，降相连。当降落伞顺着海流方向时。由于海流的作用，降落伞张开，当降落伞转到与海流相对的方向时，伞口收落伞张开，当降落伞转到与海流相对的方向时，伞口收拢，带有降落伞的链条的运动使驱动轮转动。挂有降落拢，带有降落伞的链条的运动使驱动轮转动。挂有降落伞的链条自动地向驱动轮的下游漂移，所以降落伞和链伞的链条自动地向驱动轮的下游漂移，所以降落伞和链条的方向可以始终与流速较大的海流的方向保持一致。条的方向可以始终与流速较大的海流的方向保持一致。海流能发电原理及应用海流能发电原理及应用 8.

18、2 海洋能发电原理及应用海洋能发电原理及应用 链式海流发电装置链式海流发电装置 海流能发电原理及应用海流能发电原理及应用 8.2 海洋能发电原理及应用海洋能发电原理及应用 旋转式海流发电装置：旋转式海流发电装置： 这种发电装置有一台带外罩的水轮机。在喉部有一这种发电装置有一台带外罩的水轮机。在喉部有一台用轮缘固定方式固定的双转式水轮机。当叶轮旋转速台用轮缘固定方式固定的双转式水轮机。当叶轮旋转速度加快时，可变式水轮叶片呈悬链线形，这样可最大限度加快时，可变式水轮叶片呈悬链线形，这样可最大限度地利用海流。水轮机边缘有多个动力输出装置，动力度地利用海流。水轮机边缘有多个动力输出装置，动力输出装置带

19、动发电机组，从而使水轮机的旋转运动转换输出装置带动发电机组，从而使水轮机的旋转运动转换为电能。这种装置通常采用绷紧式三点系泊装置进行固为电能。这种装置通常采用绷紧式三点系泊装置进行固定。可以减少海面船舶活动造成的影响，发出的电能通定。可以减少海面船舶活动造成的影响，发出的电能通过电缆输往岸上。过电缆输往岸上。海流能发电原理及应用海流能发电原理及应用 8.2 海洋能发电原理及应用海洋能发电原理及应用 海流能发电原理及应用海流能发电原理及应用 旋转式海流发电装置旋转式海流发电装置 8.2 海洋能发电原理及应用海洋能发电原理及应用 波浪具有一定的动能和势能。波浪具有一定的动能和势能。波浪能利用的关键

20、是波波浪能利用的关键是波浪能转换装置，通常波浪能要经过三级转换浪能转换装置，通常波浪能要经过三级转换：第一级为受：第一级为受波体，它将大海的波浪能吸收进来；第二级为中间转换装波体，它将大海的波浪能吸收进来；第二级为中间转换装置，它优化第一级转换，产生出足够稳定的能量；第三级置，它优化第一级转换，产生出足够稳定的能量；第三级为发电装置，与常规发电装置类似。为发电装置，与常规发电装置类似。 波浪发电是波浪能利用的主要方式。波浪能利用装置波浪发电是波浪能利用的主要方式。波浪能利用装置大都源于大都源于几种基本原理几种基本原理，主要是：利用物体在波浪作用下，主要是：利用物体在波浪作用下的振荡和摇摆运动；

21、利用波浪压力的变化；利用波浪的沿的振荡和摇摆运动；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。岸爬升将波浪能转换成水的势能等。其中具有商品化价值其中具有商品化价值的装置包括有：振荡水柱式装置、摆式装置和聚波水库式的装置包括有：振荡水柱式装置、摆式装置和聚波水库式装置三大类。装置三大类。波浪能发电原理及应用波浪能发电原理及应用 8.2 海洋能发电原理及应用海洋能发电原理及应用 波浪能发电原理及应用波浪能发电原理及应用 关于波浪能的计算关于波浪能的计算波浪能的大小可以用海水起伏势能的变化来进行估算，根据波浪理论，波浪能的大小可以用海水起伏势能的变化来进行估算，根据波浪理论，波浪

22、能量与波高的平方成比例。波浪功率，即能量产生或消耗的速率，既与波浪能量与波高的平方成比例。波浪功率，即能量产生或消耗的速率，既与波浪中的能量有关，也与波浪到达某一给定位置的速度有关。按照波浪中的能量有关，也与波浪到达某一给定位置的速度有关。按照Kinsman(1965年年) 的公式，一个严格简单正弦波单位波峰宽度的波浪功率的公式，一个严格简单正弦波单位波峰宽度的波浪功率 为：为：WP232WgPH T 式中：式中：H为波高，为波高，T为波周期，为波周期，为海水密度，为海水密度，g为重力加速度。如有一周为重力加速度。如有一周期为期为10s，波高为，波高为2m的涌浪涌向波浪发电装置，波列的的涌浪涌

23、向波浪发电装置，波列的10m波峰波峰L的功率的功率为：为：322223(1.2 /)(980/) (2 10) (10 )(10)32WLg cmcm scmscmP127410/(1/10)WLPergsergsW它表明每它表明每10m波峰宽度的波浪功率等效为波峰宽度的波浪功率等效为400kW。8.2 海洋能发电原理及应用海洋能发电原理及应用 波浪能发电原理及应用波浪能发电原理及应用 波浪鸭装置波浪鸭装置 .波动水柱装置波动水柱装置 “坝礁坝礁”波浪能利用装置波浪能利用装置 波波浪浪能能利利用用装装置置8.2 海洋能发电原理及应用海洋能发电原理及应用 波浪能发电原理及应用波浪能发电原理及应用

24、 波浪鸭装置：波浪鸭装置：他的形状设计成能最大限度地吸收波浪能他的形状设计成能最大限度地吸收波浪能的形状。从左边过来的波浪使波浪鸭摆动，波浪鸭右边做成的形状。从左边过来的波浪使波浪鸭摆动，波浪鸭右边做成柱形，使右边的海面不再有波浪，能量从摇摆轴上获得。这柱形，使右边的海面不再有波浪，能量从摇摆轴上获得。这个装置的效率比较高，该装置需要解决这样两个问题：个装置的效率比较高，该装置需要解决这样两个问题：需需要把低速的摇摆运动转换成发电机需要的高速转动；要把低速的摇摆运动转换成发电机需要的高速转动；需要需要把电能从一定水深中活动的装置上输送到较远的地方去。把电能从一定水深中活动的装置上输送到较远的地

25、方去。8.2 海洋能发电原理及应用海洋能发电原理及应用 波浪能发电原理及应用波浪能发电原理及应用 波动水柱波浪能发电装置波动水柱波浪能发电装置 波动水柱波浪能发电装置工作原理波动水柱波浪能发电装置工作原理 波动水柱波浪能发电装置波动水柱波浪能发电装置 ：当波浪遇到部分浸在水中的当波浪遇到部分浸在水中的空腔时，空腔中水柱会上下波动，从而引起上部气体或液体空腔时，空腔中水柱会上下波动，从而引起上部气体或液体的压力变化。空腔可通过某种涡轮机与大气相连，并从涡轮的压力变化。空腔可通过某种涡轮机与大气相连，并从涡轮机获得能量。这类装置的主要优点是可以把低速的波浪运动机获得能量。这类装置的主要优点是可以把

26、低速的波浪运动变成速度较高的气流，设备可以不浸在海水中。变成速度较高的气流，设备可以不浸在海水中。8.2 海洋能发电原理及应用海洋能发电原理及应用 波浪能发电原理及应用波浪能发电原理及应用 “坝礁坝礁”波浪能利用装置：波浪能利用装置：波浪进入靠近海面的开口，波浪进入靠近海面的开口，流经一组导片和旋转叶片。由于波浪的折射，波浪从各个方流经一组导片和旋转叶片。由于波浪的折射，波浪从各个方向进入结构物的中心部分。旋转的叶片使海水在中心区呈螺向进入结构物的中心部分。旋转的叶片使海水在中心区呈螺旋状向下运动。这种旋转的水柱就像一个液体飞轮，似水轮旋状向下运动。这种旋转的水柱就像一个液体飞轮，似水轮机转动

27、，从而可以推动发电机发电。机转动，从而可以推动发电机发电。 坝礁波浪能转换装置坝礁波浪能转换装置 沿海地区供电的坝礁发电装置沿海地区供电的坝礁发电装置 8.2 海洋能发电原理及应用海洋能发电原理及应用 波浪能发电原理及应用波浪能发电原理及应用 波浪能利用的关键技术：波浪能利用的关键技术：波浪聚集与相位控制技术；波浪聚集与相位控制技术；波能装置的波浪载荷及在海洋环境中的生存技术；波能装置的波浪载荷及在海洋环境中的生存技术；波能装置建造和施工中的海洋工程技术；波能装置建造和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；不规则波浪中的波能装置的设计与运行优化；波浪能的稳定发电技术和独

28、立发电技术等。波浪能的稳定发电技术和独立发电技术等。 8.2 海洋能发电原理及应用海洋能发电原理及应用 海洋温差能发电原理及应用海洋温差能发电原理及应用 海洋温差能发电：海洋温差能发电：利用海洋表层暖水与底层冷水间温利用海洋表层暖水与底层冷水间温差来发电。工作方式一般可分为开式循环、闭式循环和混差来发电。工作方式一般可分为开式循环、闭式循环和混合式循环三种方式。合式循环三种方式。 海洋热能转换的基本过程海洋热能转换的基本过程 8.2 海洋能发电原理及应用海洋能发电原理及应用 海洋温差能发电原理及应用海洋温差能发电原理及应用 闭式循环闭式循环是利用海洋表层的温水来蒸发氨或氟里昂是利用海洋表层的温

29、水来蒸发氨或氟里昂之类的工作流体。蒸汽流经涡轮机后，再由从海洋深处抽之类的工作流体。蒸汽流经涡轮机后，再由从海洋深处抽上来的冷水冷凝成液体。上来的冷水冷凝成液体。 闭式循环闭式循环 8.2 海洋能发电原理及应用海洋能发电原理及应用 海洋温差能发电原理及应用海洋温差能发电原理及应用 开式循环开式循环，表层水本身就是流体。表层水在小于其，表层水本身就是流体。表层水在小于其蒸汽压的压力下蒸发，蒸汽流经涡轮机，然后如同氟利蒸汽压的压力下蒸发，蒸汽流经涡轮机，然后如同氟利昂在闭式循环中那样冷却和凝聚。昂在闭式循环中那样冷却和凝聚。 开式循环开式循环 8.2 海洋能发电原理及应用海洋能发电原理及应用 海洋

30、温差能发电原理及应用海洋温差能发电原理及应用 混合式循环系统混合式循环系统 8.2 海洋能发电原理及应用海洋能发电原理及应用 海洋温差能发电原理及应用海洋温差能发电原理及应用 对于温差能发电，对于温差能发电，无论是闭式工作循环还是开式无论是闭式工作循环还是开式工作循环，都类似于常规的热电站，只是工作温度低工作循环，都类似于常规的热电站，只是工作温度低一些，而且海洋热能电站用的是表层海水的热量，而一些，而且海洋热能电站用的是表层海水的热量，而不是燃料燃烧产生的热量。这种发电的基本原理是选不是燃料燃烧产生的热量。这种发电的基本原理是选取一种易挥发的介质如液态氨、丙烷等，使其被海面取一种易挥发的介质如液态氨、丙烷等，使其被海面的高温海水汽化，气体从高温室的高温海水汽化，气体从高温室( (海面温水海面温水) )向低温室向低温室( (海底冷