新能源发电技术 第2版 课件 第7、8讲 潮汐能、波浪能

第7讲潮汐能发电§7.1潮汐与潮汐能人类很早就注意到了海水周期性的涨落现象。

我国古人把白天的海水涨落叫做“潮”，夜间的海水涨落叫做“汐”，合起来称为“潮汐”。§7.1.1潮汐的概念和形成原理

§7.1.2潮汐的描述和分类用于描述潮汐的各个要素如图所示。海面的一涨一落两个过程为一个潮汐循环。相邻的两次高潮（或低潮）间隔的平均时间，称为潮汐的平均周期。按照一个太阴日（24h50min）里有几个涨落周期，潮汐可分为半日潮、全日潮和混合潮三种类型。§7.1.3潮汐能资源及其分布潮汐现象在垂直方向上表现为潮位的升降，

在水平方向上表现为潮流的进退。海水涨落及潮水流动所产生的动能和势能称为潮汐能。很多时候，将潮水流动所具有的动能称为潮流能，而潮汐能特指海水涨落形成的势能。§7.1.3.1

世界潮汐能资源联合国教科文组织的数据，全世界潮汐能的理论蕴藏量约为30亿千瓦（3×109kW）。估计技术上允许利用的约1亿千瓦。有专家估计，其中可以开发的电量为2200亿千瓦时。据中国商业情报网的预测研究报告，世界海洋潮汐能蕴藏量约为27亿千瓦（2.7×109kW），若全部转换成电能，每年发电量大约为1.2万亿度（1.2×1012kWh）。潮汐能大小直接与潮差有关，潮差越大，能量也就越大。实践证明，平均潮差≥3m才有经济效益，否则难于实用化。§7.1.3.1

世界潮汐能资源

§7.1.3.2

我国的潮汐能资源根据908专项任务“我国近海可再生能源调查与研究”中的一部分研究表明，我国近海潮汐能资源技术可开发装机容量大于500kW的坝址（韩家新，2014）共171个，总技术装机容量为2282.91×104kW，年发电量约626.41×108kW·h。其中，大部分潮汐能资源主要集中在浙江和福建两省，其潮汐能技术可开发装机容量为2067.34×104kW，年发电量为568.48×108kW·h，分别占全国可开发量的90.5%和90.73%。据《区划》对中国沿岸130个水道计算统计，中国沿岸潮流能理论平均功率为1395×104kW。中国各主要河流的河口潮汐能资源理论蕴藏量参见教材表7-1中国沿岸潮流能分布参加教材表7-2中国各主要河流的河口潮汐能资源理论蕴藏量参见教材7-3§7.2潮汐发电的特点§7.2.1潮汐发电的优点潮汐发电有很多优点，主要包括：（1）潮汐能源可循环再生。（2）潮汐变化有规律，发电输出没有季节性。（3）靠近用电中心，不消耗燃料，运行费用低。（4）潮汐发电不排放有害物质，不会污染环境。（5）潮汐电站建设不需淹地、移民，还可以综合利用。§7.2.2潮汐发电的不足作为新兴的电力能源，潮汐发电目前也存在一些不足。（1）发电出力有间歇性。（2）水头低，发电效率不高。（3）工程复杂，建设投资大。（4）关于泥沙淤积问题的疑虑。（5）对生物多样性的影响。§7.2潮汐发电的特点§7.3

潮汐发电原理和电站构成和内陆河川的水力发电相比，潮汐能的能量密度很低，相当于微水头发电的水平。世界上平均潮差（是多次潮差的平均值，不是各地潮差的平均值）的较大值约为13～15m。§7.3.1潮汐发电的原理

§7.3.1.1

潮汐发电的方式潮汐发电各种名称的关系，如图所示。涨潮和落潮时，潮汐发电的原理如图所示。§7.3.1.2

潮汐电站的装机容量和发电量电站的可能装机容量，理论上可根据潮汐势能大小计算。式中H——平均潮差（m）；

S——水库平均面积（km2）。P=200H2S（千瓦）建潮汐电站时，年发电量可利用下面公式进行计算：式中F——年度发电量(kW·h)；

a——单向发电时取0.40，双向发电时取0.55；

H——平均潮差（m）；

S——平均水库面积（km2）可用这个公式估算潮汐能蕴藏量和潮汐电站的年发电量。F=aH2

S×106

§7.3.2潮汐电站的结构潮汐电站的选址：潮汐电站可建在三角洲、河口、海滩或其它的受潮汐影响的海水伸展地带，最好选在“口小肚大”的海湾上，这样只要修建一个短短的大坝，就可以围住很多海水，成为一个大水库。潮汐电站的构成：潮汐能电站是综合的建设工程，主要由拦水堤坝、水闸和发电厂三部分组成。有通航要求的潮汐能电站还应设置船闸。§7.4潮汐电站的类型（1）单库单向潮汐电站图7.7单库单向式潮汐电站的布置（2）单库双向潮汐电站图7.8单库双向式潮汐能发电站的布置§7.4潮汐电站的类型（3）双库连续发电潮汐电站图7.9双库单向式潮汐能发电站的布置§7.4潮汐电站的类型§7.5潮汐发电的发展与现状潮汐发电研究已有100多年历史，最早从欧洲开始，德国和法国走在最前面。发电成为潮汐能利用的主要发展方向。直到1960s，潮汐发电才在世界范围内有了较快发展。§7.5.1世界潮汐发电的发展§7.5.2我国潮汐发电的发展1950s－1970s，先后建了约50座潮汐电站，但据1980s初的统计，其中大多数已经不再使用。我国的潮差偏小，平均潮差都<5m，因而潮汐发电的经济效益不会太高，电站设计须着眼于大坝建造所带来的交通、围垦、滩涂等资源的综合利用效益上。我国长期发电运行的6座潮汐电站参见教材表7-5我国有6个长期运行的潮汐电站，总装机容量6MW左右，每年可发电1000多万千瓦时。本课程配套教材：《新能源发电技术》朱永强赵红月，

机械工业出版社“十三五”国家重点出版物出版规划项目卓越工程能力培养与工程教育专业认证系列规划教材第8讲波浪能和波浪能发电§8波浪能和波浪发电

§8.1波浪的成因和类型海水在风等外力作用下沿水平方向的周期性运动，形成波浪，俗称海浪。波浪的能量来自于风和海面的相互作用，是风的一部分能量传给了海水，变成波浪的动能和势能。风传递给海水的能量取决于风速、风与海水作用时间及作用路程，表现为不同速度、不同“大小”的波浪。海浪的波高从几毫米到几十米，

波长从几毫米到数千公里，

周期从零点几秒到几小时以上。波浪的分类（按形成和发展的过程）风浪，指的是在风的直接吹拂作用下产生的水面波动。

风浪可从其形成区域传播开去，出现在距离很远的海面。这种不在有风海域的波浪称为涌浪。外海的风浪或涌浪传到海岸附近，受水深和地形作用会改变波动性质，出现折射、波面破碎和倒卷，这就是近岸浪。海浪的等级（根据波高大小）通常将风浪分为10个等级，将涌浪分为5个等级：水面上的大小波浪交替，有规律地顺风滚动前进；水面下的波浪随风力不同做直径不同、转速不同的圆周或椭圆运动，如图8.1所示。海浪的运动海岸附近的波浪折射§8.2

波浪能资源的分布和特点波浪的前进，产生动能，波浪的起伏产生势能。形成波浪的原动力主要来自于风对海水的压力以及其与海面的摩擦力，波浪能是海洋吸收了风能而形成的，其根本来源是太阳能（风能也来自于太阳能）。波浪的能量与波浪的高度、波浪的运动周期以及迎波面的宽度等多种因素有关。因此，波浪能是各种海洋能源中能量最不稳定的一种。§8.2.1全球波浪能资源根据联合国教科文组织1981年出版物的估计数字，全世界的波浪能的理论蕴藏量为30亿千瓦。估计技术上允许利用的波浪能约占1/3，即10亿千瓦。波浪能年平均功率密度的全球分布图参见教材图8.3（图中的数字表示离岸深水处的波浪能平均值（kW/m）§8.2.2我国波浪能资源我国海岸线长，海域辽阔。根据海洋观测资料统计，我国沿海海域年平均波高在2~3m，波浪周期平均6~9秒，波浪功率可达17~39kW/m，渤海湾更高达42kW/m。据《中国新能源与可再生能源1999白皮书》统计结果，进入岸边的波浪能理论平均功率为1285万千瓦。省份台湾浙江广东福建山东海南江苏辽宁其他数量/万kw429.1205.317416616156.329.125.538.1占比/%33.41613.512.912.54.42.31.22.9

[微软用户1]新表格我国波浪能资源分布表§8.2.3波浪能的优点在海洋能中，波浪能除可循环再生以外，还有以下优点：1）以机械能形式存在，在各种海洋能中品位最高；2）在海洋能中能流密度最大，3）海浪无处不在，波浪能在海洋中分布最广。4）波浪能可通过较小的装置实现其利用；5）波浪能可提供可观的廉价能量。§8.3波浪发电装置的基本构成波浪发电是波浪能利用的主要方式。波浪发电，一般是通过波浪能转换装置，先把波浪能转换为机械能，再最终转换成电能。§8.3波浪发电装置的基本构成波浪能利用的关键是波浪能转换装置，通常经三级转换：1）波浪能采集系统(即受波体)，捕获波浪的能量；2）机械能转换系统(中间转换装置)，把捕获的波浪能转换为某种特定形式的机械能；3）发电系统，与常规发电装置类似，用空气涡轮机或水轮机等设备将机械能传递给发电机转换为电能。§8.4波浪能的转换方式波浪发电装置的种类很多……但波浪能的转换方式，大体上可分为四类：1）机械传统式2）空气涡轮式3）液压式4）蓄能水库式§8.4波浪能的转换方式（1）机械传动式（2）空气涡轮式这种装置结构简单，而且以空气为工质，没有液压油泄露的问题。（3）液压式液压式指通过某种泵液装置将波浪能转换为液体（油或海水）的压能或位能，再由油压马达或水轮机驱动发电机。波浪运动使海面浮体升沉或水平移动，从而产生工作流体的动压力和静压力，驱动油压泵工作，将波浪能转换为油的压能或产生高压液体流，经油压系统输送，再驱动发电机发电。这类装置结构复杂，成本也较高。但由于液体的不可压缩性，当与波浪相互作用时，液压机构能获得很高的压强，转换效率也明显高。（4）蓄能水库式蓄能水库式，也叫收缩斜坡聚焦波道式。

其实就是借助上涨的海水制造水位差，然后实现水轮机发电，类似潮汐发电。这类装置结构相对简单，而且由于有水库储能，可实现较稳定和便于调控的电能输出，是迄今最成功的波浪能发电装置之一。但一般获得的水位不高，因此效率也不高，而且对地形条件依赖性强，应用受到局限。根据系留状态，波浪能转换装置可分为两大类：（1）固定式（2）漂浮式。第一代装置，是最初在岸边发展的早期装置，第二代装置，是后来近岸或海床锚碇式的，第三代装置，创新的离岸波浪能转换装置。§8.5波浪能装置的安装模式§8.5波浪能装置的安装模式各种波浪能转换装置，往往都需要一个主梁或主轴，即一种居中的、稳定的结构，系锚或固定在海床或海滩。根据主梁与波浪运动方向的几何关系，波浪能转换装置可分为三种不同的模式：（1）终结型模式（2）减缓型模式（3）点吸收模式§8.5波浪能装置的安装模式§8.6典型的波浪能发电装置（1）振荡水柱式（OWC）

发展最早、研究最多也是目前最成熟的波浪能利用装置。Wells涡轮机水注上升和下降时，经过气轮机的气流方向是相反的，气轮机的旋转方向如果来回变化，发电也时正时负……（2）振荡浮子式（Buoy）包含浮体及连结其上的加速管。加速管中间的工作圆筒(内有工作活塞)，上下两边开口，可使水畅流无阻。能量吸收装置是一对具弹性的软管泵，受工作活塞操控。随着波浪运动，浮子上下起伏使软管伸张及松弛，可以压迫海水经止逆阀到中心的涡轮机及发电单元。（3）点头鸭式（Duck）鸭子的“胸脯”对着海浪传播的方向，随着海浪的波动，像不倒翁一样不停地摆动。摇摆机构带动内部的凸轮/铰链机构，改变工作液体的压力，从而带动工作泵，推动发电机发电。

（3）点头鸭式（Duck）为提高能量的吸收效率，“点头鸭”的运动应与水粒子的运动轨迹相一致，而在长波中的效率可以通过改变节点控制脊骨的弯曲度来实现。

它可以同时将波浪的动能和势能转换，理论上为所有波能转换器中最有效的一种，效率达到90%以上。往往要在狭长的浮动主梁骨架上，并排（有一定的间隔）放置多个“鸭子”，甚至可以延伸到几千米长。“点头鸭”主要作为终结型装置，主梁的方向调整为沿着波前的方向。（4）海蛇式（Pelamis）由一系列圆柱形钢壳结构单元铰接而成，外型类似火车。

（4）海蛇式（Pelamis）当波浪起浮带动整条装置时就会起动铰接点，其内部的液压圆筒的泵油会起动液压马达经过一个能量平滑系统。

在每个铰接点产生的电力藉由一共同的海底缆线传输到岸上。（5）摆式（Pendulum）摆式波浪能电站，其工作原理