新能源与分布式发电技术05海洋能多种发电技术

海洋的巨大威力巨大的海浪可把13吨重的整块巨石抛到20米高处，能把1.7万吨的大船推上海岸。1968年，一艘巨型油轮，在好望角海域被狂涛巨浪折为两段〔想想这是怎么原因？详见教材引例故事〕如果海洋中蕴藏的丰富能源能够为人类所用，那人类也许再也不必为能源问题担忧了。关注的问题浩瀚的海洋中蕴藏着怎样的能量？海洋中的各种能量都是怎样形成的？大洋中的海流又能否利用？不同深处的海水温差如何转变为电能？咸海水中的盐分和发电有什么联系？海洋能发电的设备有什么特点？海洋能发电的开展状况如何？教学目标了解海洋能资源的形成原因和表现特征，了解海洋能发电的各种方式和相关思路，理解海洋能发电的特点和意义。海和洋海和洋是有区别的，是不同的概念。远离陆地的水体局部为洋，靠近大陆的水体局部为海。 洋是海洋的主体局部，占海洋总面积的89%。 海是海洋的边缘局部。海洋是地球上广阔而连续的咸水水体的总称，是相互连通的。海洋的水底地形，像个大水盆〔详见教材〕。§5.1海洋的概念地球外表的总面积约5.1亿平方公里，其中海洋的面积占71%，聚集了地球97%的水量。趣闻：假设地球外表是平整的球面，将就会怎样？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。以潮汐、波浪、温度差、盐度梯度、海流等形式存在。除了潮汐能和潮流能来源于太阳和月亮对地球的引力作用以外，其他几种都来源于太阳辐射。海洋能源又可分为机械能、热能和化学能。想想上面五种形式的海洋能都是什么类型？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。§5.2海洋能资源海洋是超大的太阳能接收体和存储器，是个“蓝色油田〞。据联合国教科文组织估计，海洋能可再生总量为766亿千瓦。其中 温差能为400亿千瓦，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6亿千瓦。§5.2.1世界海洋能资源也有学者给出不同的估计。?中国新能源与可再生能源1999白皮书?公布的结果： 沿海潮汐能资源可开发总装机容量为2179万千瓦，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； 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，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。§5.2.2我国海洋能资源§5.2.3海洋能的特点海洋能的特点，主要表达在以下几个方面：〔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。§5.3波浪发电

§5.3.1波浪的成因和类型波浪的能量来自于风和海面的相互作用，传递的能量取决于风速、风与海水作用时间及作用路程。小知识：巨大浪涌往往是风暴来袭的前兆？海浪的类型风浪，在风的直接吹拂作用下产生的水面波动。由风引起的波浪在靠近其形成的区域才被称为风浪。风浪传播开去，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。外海的波浪传到海岸附近，因水深和地形会改变波动性质，出现折射、波面破碎和倒卷，这就是近岸浪。小知识：“无风不起浪〞和“无风三尺浪〞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。海浪的运动§5.3.2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。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。§5.3.2.1全球波浪能资源波浪能年平均功率密度的全球分布，如下图：想想：哪些地方的波浪能比较便于利用？§5.3.2.2我国波浪能资源我国海岸线长，海域辽阔。90%以上分布在经济兴旺而常规能源缺乏的东南沿海，主要是浙江、福建和广东沿海，以及台湾省沿岸。据波浪能能流密度和开发利用的自然环境条件， 首选浙江、福建沿岸，应为重点开发利用地区， 其次广东东部、长江口和山东半岛南岸中段。§5.3.2.3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〕在海洋中分布最广。4〕可通过较小的装置实现其利用；5〕可提供可观的廉价能量。§5.3.3波浪发电装置的根本构成波浪发电，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。波浪上下起伏或左右摇摆，能够直接或间接带动水轮机或空气涡轮机转动……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，捕获波浪的能量；2〕机械能转换系统，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。§5.3.4波浪能的转换方式波浪能的转换方式，大体上可分为四类：—机械传统式—空气涡轮式—液压式—蓄能水库式〔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〕液压式通过某种泵液装置将波浪能转换为液体的压能或位能，再由油压马达或水轮机驱动发电机。这类装置结构复杂，本钱也较高。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，是迄今最成功的方式之一。但一般效率不高，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固定式和漂浮式。§5.3.5波浪能装置的安装模式根据主梁与波浪运动方向的关系，波浪能转换装置可分为：〔1〕终结型模式……〔2〕减缓型模式……〔3〕点吸收模式……§5.3.6典型的波浪能发电装置〔1〕振荡水柱式〔OWC〕水注上升和下降时，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……小知识：Wells涡轮机〔详见教材〕〔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，从而带开工作泵，推动发电机发电。可同时将波浪的动能和势能转换，理论效率到达90%以上。浮动主梁骨架上，可并排放置多个“鸭子〞。〔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。

〔5〕摆式〔Pendulum〕1983年建造了一座推摆式波浪能电站。通过浮板的摆动将波浪能转换为液压产生电力。这是日本的波浪能电站中效率较高的一个。

〔6〕收缩坡道式在电站入口处设置喇叭形聚波器和逐渐变窄的楔形导槽，当波浪进入宽阔一端向里传播时，波高不断地被放大，直至波峰溢过边墙，转换成势能。水流从楔形流道上端流出，进入一个水库，然后经过水轮机返回大海。〔7〕其它海浪发电装置其它多种新型海浪发电装置的原理和图片，详见教材。波浪能转换发电系统的主要构造§5.3.7代表性波浪能发电工程〔1〕英国75kW和500kW的LIMPET岸式海洋动力能源转换器，是一种振荡水柱型〔OWC〕波浪能装置。1991年在苏格兰爱雷岛上建成75kW工程。2000年又在同一岛屿上建成一座500kW的工程，是目前世界上最成功的海浪发电装置。〔2〕挪威350kW的TAPCHAN1986年，在挪威贝尔根附近一个小岛上，建造了一座装机容量为350kW波浪能电站。特色：开口约60m的喇叭形聚波器和长约30m的楔形导槽。电站从1986年建成后，一直正常运行到1991年，年平均输出功率约为75kW，是比较成功的一座波浪电站。〔3〕英国750kW的海蛇“海蛇〞由英国海洋动力传递公司设计。漂浮式，由假设干圆柱形钢壳结构单元铰接而成。第一个“海蛇〞波能装置2002年3月完成。承接建造了葡萄牙北部海岸“海蛇〞波浪发电工程，

每条“海蛇〞的装机容量为750kW。〔5〕日本“巨鲸〞号“巨鲸〞是日本海洋科学中心于1990s初开始研建。一个包括波浪发电、海上养殖和旅游业在内的综合利用方案。安装了1台10kW、2台50kW和2台30kW的发电机组，于1998年完成制造，投放于三重县外海。1998年9月开始持续两年的实海况试验，装置的各局部工作正常，总发电效率最大可达12%。〔6〕欧共体2MW的OSPREYOSPREY意思是海洋涌浪动力可再生能源，实际上是波浪能和风能两用的近岸装置。1995年英国制造了OSPREY-1，总容量2MW，其中沉箱式波能发电装置500kW，风能1500kW，造价$350万，下水时装置受到损坏。英国又开始研建OSPREY2000，装机容量仍为2MW。〔7〕中国大万山岛3kW和20kW岸基OWC1989年，中科院广州能源研究所，在珠海市大万山岛，建成中国第一座波浪能试验电站。这座3千瓦的岸式振荡水柱型波浪能电站，采用人造水道和Wells涡轮机。在该电站原有根底上，1996年完成20千瓦电站的建造。〔8〕中国广东汕尾100kW岸基OWC2001年建成的100kW岸式波力电站，位于广东省汕尾市遮浪镇，是一座与并网运行的岸式OWC型波浪能电站。这座电站的建设成功，使我国大型波能装置的设计、建造、保护等各方面均有较大程度的提高，使我国的波能转换研究根本到达国际同时期的先进水平。§5.3.8波浪发电的开展1799年，世界上第一个关于波浪能发电的专利。20世纪中叶以来，波浪能利用得到了越来越多的关注和重视。波浪能发电的设想在世界各地不断涌现。1964年，世界上第一个海浪发电装置——航标灯。1970s末，日本、美、英等国合作研制了“海明〞号发电船，还有远离海岸的电力传输装置，并进行了海上试验。中国也是波浪能研发的主要国家之一，在世界上有一定影响。1989年，中国第一座波浪电站建成并试发电成功。1996年改建为20千瓦。1999年，100千瓦摆式波浪能电站试运行成功。2000年，100千瓦岸式振荡水柱式电站建成发电。目前至少已累计生产600多台在中国沿海使用，并出口到日本等国家。§5.3.8波浪发电的开展§5.4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。相对波浪而言，海流能的变化平稳且有规律。 洋流方向根本不变，流速也比较稳定； 潮流会周期性地改变大小和方向。§5.4.1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。例如杭州湾海潮。洋流的动能非常大，如佛罗里达洋流和墨西哥洋流。海流的能量海流能资源在全国沿岸的分布，在辽宁、山东、浙江、福建和台湾沿海的海流能较为丰富。根据沿海能源密度、理论蕴藏量和开发利用的环境条件等因素，浙江舟山和渤海海峡等海域条件良好。海流能的资源分布§5.4.2海流发电的开展状况 中国是世界上潮流发电研究最早的国家。1978年，有农民企业家造了一个试验装置，得到了6.3kW的电力输出。哈工大经过屡次样机试验，2000年建成70kW实验电站。 海流发电有许多优点不必像潮汐发电那样，修筑大坝，还要担忧泥沙淤积；也不像海浪发电那样，电力输出不稳。目前海流发电虽然还处在小型试验阶段，它的开展还不及潮汐发电和海浪发电，但人们相信，海流发电将以稳定可靠、装置简单的优点，在海洋能的开发利用中独树一帜。§5.4.3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。轮叶的转轴有与海流平行的，也有与海流垂直的，如下图。教材中，图5.35和图5.36为两个轮叶式海流发电机的实例，分别为： 英国洋流涡轮机公司制造的SeaGen轮叶式海流发电装置， 佛罗里达大西洋大学研发的“海底发电机〞。〔2〕降落伞式海流发电多个“降落伞〞串联在环形的铰链绳上。当海流的力量会迫使“降落伞〞张开或收拢。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。目前这种海流发电方式还处在原理性研究阶段。§5.5温差发电海水的温差太阳辐射的情况不同，海水的温度是有差异的。

水平分布，一般随着纬度增加而降低。

垂直分布，都是随着深度增加而降低。海水温度大体保持稳定，温度变动范围一般在-2～3℃。§5.5.1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有关研究资料，位于北纬45°至南纬40°的约100个国家和地区都可以进行海洋温差发电。中国的海水温差能分布 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。§5.5.1海水的温差和温差能§5.5.2温差发电的原理§5.5.2.1开式循环系统工作原理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，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，与外界相通，因此称为开式循环。§5.5.2.1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。 －温海水在蒸发器内蒸发后所留下的浓缩水，可用来提炼化工产品； －可以得到大量淡水。§5.5.2.1开式循环系统§5.5.2.2闭式循环系统闭式循环系统用低沸点液体〔如液态氨〕作为工作介质，所产生的蒸气作为工作流体。氨水的沸点33℃，明显低于水，更容易沸腾。闭式循环系统的特点缺点：蒸发器和冷凝器要求高，耗资昂贵。优点：蒸汽压力提高数倍，发电装置体积变小，而发电量可到达工业规模。闭式循环系统一提出，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。§5.5.2.2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。§5.5.2.3混合循环系统据塞贝克效应，假设将两个不同的导体/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。§5.5.2.4直接温差发电§5.5.3温差发电的开展1881年，法国人最早提出利用海水温差发电的设想；1948年，法国在非洲象牙海岸建造了一座7MW的开式循环海水温差发电站。1964年，美国人提出了闭式循环方案。1980年，美国在夏威夷建造了一座1MW的实验装置。日本科学家从1973年开始进行海洋温差发电的研究。日本1981年完成100kW闭式循环温差电站，1993年建成210kW

开式循环装置，净出力为40～50kW。1995年前后印度建成6座5万千瓦的陆基海水温差能电站。1980s年代台湾电力公司和中科院广州能源研究所分别开设进行了温差利用的研究。§5.5.3温差发电的开展温差发电的世界之最世界最早的海水温差发电实验1926年，克劳德在法兰西科学院大厅，……世界第一座海水温差电站1930年，克劳德在古巴海滨……世界第一座实用的海水温差电站

1979年，美国在夏威夷岛西部海域……世界最大的海水温差电站

1990年，日本在鹿儿岛……§5.6盐差发电海水中至少有80多种化学元素，主要以盐类化合物存在，在水里会电离成带正负电荷的两类离子。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。全球海洋的海水盐度分布，参见教材图5.41。河流入海口，往往有显著的盐度差。§5.6.1海水的盐差和盐差能海水的盐差能的分布在半透膜(水能通过,盐不能)隔开的有浓度差异的溶液之间，低浓度溶液透入高浓度溶液的现象，称为渗透现象。发生渗透现象时，假设在浓度大的溶液上施加一个机械压强，恰好能阻止稀溶液向浓溶液发生渗透，那么该机械压强就等于这两种溶液之间的渗透压。§5.6.2渗透和渗透压§5.6.3盐差能发电的方法§5.6.3.1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〔为什么？〕，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。〔2〕水压塔渗压发电水压塔与淡水间用半透膜隔开。先由海水泵向水压塔内充入海水，运行时淡水从半透膜向