清洁能源概论-课件-第4章-水能

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4.1概述4.2水能的开发与应用复习思考题第四章水能水能资源（

hydropowerresources）是指水体的动能、势能和压力能等能量资源。水能资源有广义、狭义之分。广义概念：广义的水能资源包括河流的水能、潮汐水能、波浪能、海流能等。狭义概念：狭义的水能资源是指河流的水能资源，是河流中自由流动的能量。我们通常所说的水能资源是指狭义的水能资源，即就是河流流动的能量资源。4.1概述一、水能的概念4.1.1我国水能资源的特点水能：水的机械能有动能和势能两类，而水的势能又分为位置势能和压力势能。水的位置势能是水的重力势能，是由重力作用引起的。天然水的压力势能主要是由水在流动方向上的水压和大气压引起的。如果假设天然水在流动方向上的水压不变，水的压力势能主要是大气压引起的。大气压随海拔的升高而减小，水由高处流往低处，水的压力势能增加。对于汇流入海的水体，由于水深的大大增加，单位体积水的表面积减小，水表面由于大气压引起的压力减小，水的压力势能也减小；因此，从水源到最后汇流入海，可以认为单位体积水体的压力势能变化相对于重力势能的变化很小。4.1概述4.1.1我国水能资源的特点一、水能的概念水能：水的动能是由于水流动而产生的能量。雨水落在地上，由于重力作用向低处流，水的重力势能转化为水的动能和水的压力势能。由雨水补给的天然水流的机械能是由水体最初的相对于低处某水位的重力势能而产生的。此外，由壤中流和地下水源进入河流补给地表水的水体，会汇入水的动能和压能转变的动能，补给水量的同时也补充地表河流的水能。4.1概述4.1.1我国水能资源的特点一、水能的概念4.1概述二、我国的水能资源四大特点水能资源总量丰富，但人均占有量较低水能资源空间分布不均衡江、河流来水量的年内和年际变化大，水能资源时间分布不均水能资源的开发利用程度较低4.1.1我国水能资源的特点4.1概述三、我国的海洋能源4.1.1我国水能资源的特点中国有一个广阔的海域，大陆的海岸线超过18000公里，海域面积超过470万平方公里。广阔的海域提供了非常丰富的海洋能源。如清洁的可再生能源（主要包括海流能、潮汐能、温差能、波浪能，盐差能和海洋生物质能。更广义的海洋能还包括海上风能、太阳能等海洋表面蓄积的能源），海洋能源具有良好的前景。特别是中国经济发达的沿海地区是主要的能量消耗区域，为了使能源利用最大化，应缩短输电距离，则该地区的负荷与发电站距离比较近，这也促使沿海地区大力发展海洋能源。4.1概述4.1.2水能的转化及利用一、淡水的转化利用水电作为重要“绿色”能源，是水力资源利用的有效途径，为世界各国所重视。在国际权威性会议或论坛上，不论是1992年里约热内卢各国首脑会议通过的可持续发展全球行动计划(《21世纪议程》)，还是2002年约翰内斯堡峰会上关于可持续发展的文件，或是2003年京都全球水论坛，都明确地把水电列入可再生能源之列。我国拥有世界上最丰富的水能资源，水电的开发利用自然受到广大学者的关注[4]。为了缓解经济快速增长产生的能源危机和环境污染，大力发展水电是21世纪我国采取的重要措施。水电作为一种清洁的可再生能源，不但能够提供电力，而且具有防洪、灌溉、航运、旅游等综合利用效益，更有利于节约煤炭、石油资源，减少环境污染，因此，大力开发水电是社会经济可持续发展的必然选择。4.1概述4.1.2水能的转化及利用二、海洋能的转化利用海洋拥有巨大的未开发能量。尽管20世纪70年代的石油危机增加了人们对海洋能源的兴趣，但相对来说，很少有人将其视为可行的能源替代品。事实上，水力发电大坝是众所周知的大规模生产水基能源，但海洋也是一种高度可开发的水基能源。海洋能源有多种形式，如地热通风口，洋流和海浪。到目前为止研究的商业上最可行的资源是洋流和海浪，它们都经历了有限的商业开发。据估计，海洋和潮汐流的总能耗约为5TW，与世界总耗电量相当。整个海洋中有大约8,000-80,000TWh/年或1~10TW的波浪能，波浪能提供“每平方米可用能量比风能或太阳能多15-20倍”。4.1概述4.1.3水能的发展概况根据最新统计，我国水能资源可开发装机容量约660GW，年发电量约3万亿kW•h，按利用100年计算，相当于1000亿t标准煤，在常规能源资源剩余可开采总量中仅次于煤炭。经过多年发展，我国水力发电装机容量和年发电量已突破300GW和1万亿kW•h，分别占全国的20.9%和19.4%，水力发电工程技术居世界先进水平，形成了规划、设计、施工、装备制造、运行维护等全产业链整合能力。我国水能资源总量、投产装机容量和年发电量均居世界首位，与80多个国家建立了水力发电规划、建设和投资的长期合作关系，是推动世界水力发电发展的主要力量。目前，全球常规水力发电装机容量约1000GW，年发电量约4万亿kW•h，开发程度为26%（按发电量计算）。发达国家水能资源开发程度总体较高，如瑞士达到92%、法国88%、意大利86%、德国74%、日本73%、美国67%；发展中国家水力发电开发程度普遍较低，如我国水力发电开发程度为37%，与发达国家相比仍有较大差距，还有较广阔的发展前景。今后全球水力发电开发将集中于亚洲、非洲、南美洲等资源开发程度不高、能源需求增长快的发展中国家，预测2050年全球水力发电装机容量将达2050GW。4.1概述4.1.3水能的发展概况4、水能资源开发的问题生态环保压力不断加大移民安置难度持续提高水力发电开发经济性逐渐下降抽水蓄能规模亟待增加4.2水能的开发与应用

一、海洋热能转换（OTEC）方案设计和原理分析

二、海洋能发电系统效率分析一、海洋热能转换（OTEC）方案设计和原理分析4.2水能的开发与应用海洋能源的综合利用主要由海洋能源组成三部分，包括波浪能供应系统，太阳能池塘集热系统和海洋热能转换（OTEC）系统，如图4-1所示。

、系统的整体结构和工作原理4.2水能的开发与应用在上图波浪能供应中系统中，波能可以转换成电能为系统中的泵提供动力。海水被提取出来从泵1送到太阳池的温水箱集热系统，由热交换器加热太阳池的对流层低层（低层的温度）对流层可以达到90°C），然后是高温海水被送入热电发电系统。在里面热电发电系统，高温海水首先进入闪光室。在低压环境中，一些高温海水迅速蒸发成蒸汽蒸发室，保持未蒸发的高温海水回到温水箱循环利用。该蒸汽进入蒸发室并加热低沸点通过蒸发器盘管点流体。加热后，蒸汽液化将淡水储存在淡水箱中。加热的液体是加热煮沸并蒸发形成高压蒸汽，并且高压蒸汽进入汽轮机驱动蒸汽涡轮机驱动发电机发电。流体流入冷凝器冷却和冷凝，并且冷凝的液体流体被送入蒸发室回收。

、系统的整体结构和工作原理4.2水能的开发与应用波浪能供电系统的建设和成本比其他发电设备较低。动能和海洋表面波的潜在能量可以通过波能量供应的初级转换系统转换成其他形式能量。吸收波能的装置采用振荡浮动式，该方式具有效率高的优点。通过波浮子振荡获得的能量可以通过中间转换部分的液压转换装置稳定传播，中间转换阶段的稳定能量传输到二次转换阶段，并在此阶段转换成电能，二次转换阶段由液压马达和发电机组成，如图4-2所示。

、波浪能供电系统的结构和工作原理4.2水能的开发与应用太阳池是一个盐水池，逐渐增加盐度。它可以抑制垂直方向自然对流减少的热量损失，以及间歇性和不稳定的太阳能能量可以变成一个连续稳定的热源。我们使用的非对流太阳池由三层组成。表面是对流层上部，盐度和温度较低，非常薄，接近大气温度。中间层称为非对流区且盐温度随深度增加而增加，太阳池的底部称为对流层低层，它也是储热层，具有最高的温度和盐度，并接近饱和盐水，主要作用是吸热和储存，如图4-3所示。

、太阳能池集热系统的结构和工作原理4.2水能的开发与应用为了防止太阳在池墙壁顶部的移动和池的坍塌，池壁设计为一个斜坡，比例坡度是1：1。太阳池深度的选择取决于对储热的要求。太阳辐射强度随着水深呈现指数下降，仅水深80厘米的辐射强度是太阳池表面的27.6％。很明显，太阳能池表面可以传递更多的辐射能量到泳池，但它只能提供更薄的保温。虽然更深的太阳池底部获得更少的辐射能量，但其隔热层较厚且保温性能较好。因此，太阳池设计为2~5米，它可以长时间储存大量的热量，并且具有低热损失和高储存效率。吸热组件在太阳池的底部。太阳池底部的涂层采用黑色吸热材料，可吸收太阳辐射并将水温提高到90°C以上，

、系统条件选择二、海洋能发电系统效率分析4.2水能的开发与应用为了使循环流体氨在蒸发器中具有足够的过热度并且在冷凝器中具有足够的过冷度，保证热海水温度降低2°C，冷海水温度增加2°C。根据海水的实际温度和蒸发器与冷凝器之间热交换的工作过程，每个链路的温度设置如下表4-1所示。

、系统条件选择位置温度，

°C温水箱入口25温水箱出口60蒸发器入口60蒸发器出口60冷凝器入口

25冷凝器出口254.2水能的开发与应用氨循环系统的温度时间（T-S）图如图4-4所示，可以通过检查获得图4-4中每个点的参数。

、OTEC系统的计算4.2水能的开发与应用图4-4中各点的物理性质如表4-2所示。

、OTEC系统的计算位置点压强

温度焓值熵值干燥度12.61601469.704.6621.03251346.984.660.931.0325298.251.1242.6126.5305.751.1252.6160472.791.674.2水能的开发与应用根据表4-2中的数据，Rankine循环效率为系统计算如下：

、OTEC系统的计算发电机效率

设定为0.9。涡轮效率

设置为0.8。系统总效率为：4.2水能的开发与应用发电机功率设定为100kW，蒸发器传热为：

、海水泵能耗计算海水流动时的流量：冷凝器传热为：假设温暖的海水的特征温度是入口和出口温度的平均值蒸发器和冷海水的特征温度温度是出口和入口温度的平均值冷凝器，表4-2显示了该特征温暖的海水温度为58.5，比热容在恒定压力下为

，特征温度冷海水的温度为26.5°C，恒压下的比热为

。温暖海水的流量为：4.2水能的开发与应用冷海水流量：

、海水泵能耗计算海水该系统的主要能耗是温暖的海水泵1和冷海水泵2能耗，温水泵的功率由泵功率计算。计算公式如下：其中

是温暖海水的流量，h是泵的升力，

是泵效率为0.6。冷海水泵的能耗是：4.2水能的开发与应用温暖的海水和冷海水泵的功耗是：

、海水淡化效率

是蒸发器的传热，

是蒸发潜热，闪蒸室的流量为：温暖海水的特征温度为58.5°C，汽化潜热为

，海水闪蒸比为：太阳能池和波浪能发电系统被用作OTEC的辅助系统，可以提高OTEC的效率。4.2水能的开发与应用

、优势分析(1)、该系统使用混合的OTEC，可以解决电力和水的问题。提供多种产品可以提高系统的整体效率。(2)、利用太阳能提高温水温度，提高闪光比，减少闪光量。降低了冷水管道的建设成本，降低了冷水泵的能耗。(3)、当太阳能足以确保夜间或阴天的供暖需求时，太阳能池可储存能量，从而实现生产的连续性。(4)、利用丰富的海浪能量可以获得OTEC系统中海水泵的功率，从而降低OTEC对外部电源的依赖，甚至实现整个系统的能量自给自足。4.2水能的开发与应用4.2.1淡水能淡水资源是水能资源的一种，指陆地上的淡水资源。它是由江河及湖泊中的水、高山积雪、冰川以及地下水等组成的。其中河流水能在淡水能中占比较大，河流水能指陆地上的河流中所蕴藏的水能资源，范围比水能资源小。在世界上可再生能源中，河流水能资源的开发利用较早，技术也已经很成熟，利用效率得到了很大提高，经济效益也较其他能源更加突出。可以将水能资源划分为三类进行统计：一是水能资源理论蕴藏量，二是技术可开发水能资源，三是经济上可开发水能资源，三者通常用装机容量或年发电量表达。河流水能资源的理论蕴藏量的计算公式为：其中，N为水能蕴藏量，千瓦(kW)；Q为年平均径流量，m3/s；H为河流落差，单位是米(m)。4.2水能的开发与应用4.2.2海洋能海洋能一般是指海洋中含有可再生的自然能量。主要包括海流能、潮汐能、温差能、波浪能，盐差能和海洋生物质能。更广义的海洋能还包括海上风能、太阳能等海洋表面蓄积的能源。1、温差能指的是海洋表层海水和深海水温差的热量2、潮汐能是指海水的潮汐涨落之间形成的潜在能量3、波浪能是指海洋表面波浪所具有的动能和势能4、盐差能是以海洋能的化学形式出现的4.2水能的开发与应用4.2.2海洋能一、海洋热能转换（OTEC）

OTEC的历史和现状：OTEC用于发电的概念是由法国物理学家Mr.JaquesD’Arsoval于1881年提出的，表4-3总结了多年来OTEC在世界不同地区的发展。1995佐贺大学开始测试新的4.5KW循环装置（Kalina循环，Uehara循环）1997印度国家海洋技术研究所（NIOT）就OTEC研究签署合作备忘录2003佐贺大学在日本佐贺县伊万里市完成30KW多用途OTEC发电厂2005OPOTEC（促进海洋热能转换组织）在日本佐贺成立2013在日本的久米岛（KumejimaIsland）建造了一座1.25兆瓦的OTEC发电厂，该岛为该岛的总用电量提供了10％的电力消耗4.2水能的开发与应用4.2.2海洋能

OTEC工作原理：用泵将海水送至蒸发器，泵由25至30℃的热表面水加热，并蒸发至蒸汽。然后蒸汽转动涡轮机并启动发电机，从而发电。典型的闭环OTEC系统如图4-5所示。4.2水能的开发与应用4.2.2海洋能在开放循环的OTEC系统中，温暖的海水被用作工作流体。并在真空室中蒸发，产生蒸汽。蒸汽通过低压涡轮机膨胀，该涡轮机连接到发电机以产生电力。离开涡轮机的蒸汽然后通过冷水管将深海水冷凝。如果在系统中使用表面冷凝器，则冷凝蒸汽保持与冷海水分离并提供淡化水。循环的示意图如图4-6所示。4.2水能的开发与应用4.2.2海洋能

未来发展前景OTEC工厂的选址标准：对于OTEC设备产生大量功率，表面和深海水之间的温差必须至少为20°C。因此，用于OTEC设备操作的合适场地必须具有至少700米或更大的海洋深度。OTEC能源的潜力：通过计算OTEC可以开采多少能量。DSW（海水深度）的多工业应用：除供电外，OTEC还能够为其运行提取大量的DSW。它温度低，矿物质丰富，无病原体，稳定。其开发产品有如下用途——用作空调或附近温室的冷却源；生产高质量的矿泉水；由于其营养价值，DSW可有效用于水产养殖；由于DSW比表面海水更纯净和更清洁，因此通过直接利用DSW可以减小提取锂材料的成本；DSW的营养特性也使其成为食品，而化妆品和制药行业的一些元素也来自DSW。挑战：开发商业规模的陆基OTEC工厂的主要挑战是成本，4.2水能的开发与应用4.2.2海洋能二、潮汐能（1）潮汐能的工作原理：潮汐能来源于天体运动，直接受地球与太阳、月球之间的引力影响。由于月球对地球的引力和地球自身自转产生的离心力影响，绝大部分潮汐每日产生两次，这种被称作半日潮。月球每29.5天绕地球一周，这称作月球周期，期间引力的变化会带来潮汐潮高潮位的不同，形成大小潮。按潮汐周期和潮汐形态系数两种方法进行分类，即半日潮、全日潮和混合潮。从海洋运动中提取潮汐能的技术已经相对成熟，并以商业规模运行，在潮汐资源的过程中，发电方式有多种，主要分为：单库双向开发、单库单向开发和双库单向开发，如下图4-7所示。4.2水能的开发与应用4.2.2海洋能

单库双向开发方式。在涨潮、落潮阶段都发电，目前应用最广泛的是此种方式，最适应自然潮汐过程。

单库单向开发方式。机组只在涨潮或者落潮时发电。由于涨潮发电潮汐能的利用率较落潮发电的低，多采用是落潮发电。

双库单向开发方式。与上述两种方式不同，采用此类发电方式的潮汐能电站具有两个相连的水库，两个水库间的水位差作为机组发电水头。4.2水能的开发与应用4.2.2海洋能二、潮汐能（2）潮汐能史：从11世纪开始，在英国和法国河流已被用于驱动碾磨谷物的磨轮。在20世纪60年代的LaRance，法国使用10个240kW灯泡涡轮机委托建造了第一个商业潮汐拦河坝系统。（3）资源潜力：全球海洋能源估计约为400万兆瓦。如果开发得当，年产量可能超过2020年预计的世界电力消耗量的15％左右。许多可以开发的水能站点尚未进行检查或调查。世界银行预计，到2040年，发展中国家将需要500万兆瓦的新电力，潮流发电可能是一个非常适合的机会。(4)潮汐能的优势：作为一种可再生资源，潮流可以预测，几十年来精度在98％以内。未来几年，潮汐流可在几分钟内准确预测。潮流与风，雾，雨和云等主要天气条件无关，不会影响潮流的预测。太阳能发电是受雨，云和雾的影响。风力涡轮机受到平静天气的影响，而潮汐周期与月亮的上升有关。4.2水能的开发与应用4.2.2海洋能二、潮汐能（5）潮汐能的应用：海洋污染长期以来一直是一个严重的环境问题。海水净化是一个重要问题。学者们提出了一种新的内陆水净化方法，即利用潮汐能，通过安装封闭的可渗透路堤或人工泻湖来净化水质。基本上，内陆湖泊的能源利用有两种形式。一个是在人工泻湖的海床上使用一个充气袋，如图4-8所示，另一个是在堤坝的海中使用浮子。简而言之，人工泻湖与堤坝之间或人工泻湖与堤坝驳船之间的水位均衡改变了人工泻湖中的水位，并产生水流通过人工泻湖的可渗透堤坝。通过人工泻湖路堤中的石块和岩石之间的空隙流动通过利用生物效应减少了水污染。4.2水能的开发与应用4.2.2海洋能二、潮汐能内陆人工泻湖原理示意图。4.2水能的开发与应用4.2.2海洋能二、潮汐能潮汐能的应用中介绍了两种类型的能源利用系统。在这两个系统中，学者在封闭的水域或靠近海洋的湖泊中建造了一个人工泻湖。在一个系统中，将一个充气袋放在人工泻湖中。在另一个系统里，学者在海中放置了一个浮子。袋子和浮子分别连接到大海和泻湖。如果使用袋子，海水根据潮汐通过连接管流入和流出。如果在海中使用浮子，由于潮汐引起的浮子的上下运动，淡水通过管道流入和流出。即袋的膨胀和收缩以及浮子的上下运动引起泻湖中水位的上下。泻湖中的水位变化在泻湖的可渗透堤岸中产生水流。由于可渗透堤作为生物过滤器起作用，水被水流净化。为了避免混淆，学者给出了四个系统的理论，即“海中的浮子”，“人工泻湖中的浮子”，“海中的袋子”和“人工泻湖中的袋子”。4.2水能的开发与应用4.2.2海洋能二、潮汐能A.海中的浮子在淡水湖中的人工泻湖与海洋中的浮体之间的水流示例。使用浮体的系统如图4-9所示。4.2水能的开发与应用4.2.2海洋能二、潮汐能B.人工泻湖中的浮子在淡水湖中的人工泻湖与海洋中的浮体之间的水流示例。使用浮体的系统如图4-10所示。4.2水能的开发与应用4.2.2海洋能二、潮汐能C.海中的袋子淡水湖中的人工泻湖和海洋中的袋子之间的水流示例，使用袋子的系统如图4-11所示4.2水能的开发与应用4.2.2海洋能二、潮汐能D.人工泻湖的袋子淡水湖中的人工泻湖和海洋中的袋子之间的水流示例，使用袋子的系统如图4-12所示4.2水能的开发与应用4.2.2海洋能三、波浪能波浪能是由海水受风的作用产生，以机械能形式存储。风扰动海水形成波浪，因此波浪能归根结底来源于太阳能。通常太阳传送给波浪的能量比率很低，但经过长距离的传输，波浪能逐渐增加，总量可观。与太阳能和风能等可再生能源相比，波浪能具有能流密度大、持续时间长等优点，具有广阔的开发前景。一般来说波浪能发电装置有三级转换方式(应用直线发电机时只有两级转换)，第一级主要通过与波浪直接接触的浮体吸收波浪的能量，第二级将浮体的运动增速或者转换成液压能，第三级将机械能或液压能转换成电能等。(1)波浪能发电装置波浪能发电装置一般有如下三种分类方法：

根据装置是否系泊可以分为漂浮式、固定式；4.2水能的开发与应用4.2.2海洋能三、波浪能

根据波浪吸收原理不同可分为振荡水柱式(OscillatingWaterColumn，OWC)、摆式(Pendulum)、筏式(Raft)、收缩波道式(TaperedChannelWavePowerDevice)、点吸收(振荡浮子式)(PointAbsorber)、鸭式(Duck)等[29]；

按照装置投放点差异可分为岸式(Shoreline)、近岸式(Near-shore)、海上式(Offshore)。按照波浪的吸收原理划分波浪能发电装置较为普遍，装置的吸收效率、工作环境和内部构造与吸收原理紧密相关。(2)波浪能发电技术难点研究波浪能开发利用时，由于海洋环境的复杂性，使得波浪能发电装置仍然处于待成熟阶段，目前面临的主要问题有：4.2水能的开发与应用4.2.2海洋能三、波浪能1、波浪的随机性导致波浪能整体利用率偏低2、极端恶劣环境导致波浪能发电装置可发电率低3、真实海域中的海浪频率与发电机工作的频率不能匹配4.2水能的开发与应用4.2.3水能的发展前景1.国家新能源发展趋势近年来，我国对能源的需求也越来越大，虽然能源产量有较大幅度提升，但是供需缺口依旧很大，我国能源产业现状不容乐观，能源发展面临着巨大的压力和挑战；以煤炭为主的产业结构布局不合理，能源开发利用技术水平总