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新能源与分布式发电技术制作人：朱永强,许郁,丁泽俊华北电力大学新能源与分布式发电海洋能发电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。新能源与分布式发电海洋能发电§5海洋能多种发电技术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？海洋能发电的发展状况如何？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。新能源与分布式发电海洋能发电海和洋海和洋是有区别的，是不同的概念。远离陆地的水体部分为洋，靠近大陆的水体部分为海。洋是海洋的主体部分，占海洋总面积的89%。海是海洋的边缘部分。海洋是地球上广大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海洋的概念新能源与分布式发电海洋能发电地球表面的总面积约5.1亿平方公里，其中海洋的面积占71%，汇集了地球97%的水量。趣闻：假如地球表面是平整的球面，将就会怎样？新能源与分布式发电海洋能发电海洋能源（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。新能源与分布式发电海洋能发电§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世界海洋能资源不是全能利用。估计技术上允许利用的约64亿千瓦，其中，盐差能30亿千瓦，温差能20亿千瓦，波浪能10亿千瓦，海流能3亿千瓦，潮汐能1亿千瓦。也有学者给出不同的估计。新能源与分布式发电海洋能发电《中国新能源与可再生能源2019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我国海洋能资源新能源与分布式发电海洋能发电§5.2.3海洋能的特点海洋能的特点，主要体现在以下几个方面：（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。新能源与分布式发电海洋能发电§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？新能源与分布式发电海洋能发电海浪的类型风浪，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”新能源与分布式发电海洋能发电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。海浪的运动新能源与分布式发电海洋能发电§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。新能源与分布式发电海洋能发电§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，如图所示：想想：哪些地方的波浪能比较便于利用？新能源与分布式发电海洋能发电§5.3.2.2我国波浪能资源我国海岸线长，海域辽阔。90%以上分布在经济发达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。新能源与分布式发电海洋能发电§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。新能源与分布式发电海洋能发电§5.3.3波浪发电装置的基本构成波浪发电，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。新能源与分布式发电海洋能发电§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）机械传动式新能源与分布式发电海洋能发电（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。新能源与分布式发电海洋能发电（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，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。新能源与分布式发电海洋能发电（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。新能源与分布式发电海洋能发电根据系留状态，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……新能源与分布式发电海洋能发电§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）新能源与分布式发电海洋能发电（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。可同时将波浪的动能和势能转换，理论效率达到90%以上。浮动主梁骨架上，可并排放置多个“鸭子”。新能源与分布式发电海洋能发电（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。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。新能源与分布式发电海洋能发电（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。新能源与分布式发电海洋能发电（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。新能源与分布式发电海洋能发电（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。新能源与分布式发电海洋能发电波浪能转换发电系统的主要构造新能源与分布式发电海洋能发电§5.3.7代表性波浪能发电项目（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项目。2000年又在同一岛屿上建成一座500kW的项目，是目前世界上最成功的海浪发电装置。新能源与分布式发电海洋能发电（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。新能源与分布式发电海洋能发电（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，由若干圆柱形钢壳结构单元铰接而成。第一个“海蛇”波能装置2019年3月完成。承接建造了葡萄牙北部海岸“海蛇”波浪发电项目，每条“海蛇”的装机容量为750kW。新能源与分布式发电海洋能发电（4）日本“海明”号“海明”号波浪发电计划是由日本海洋科学技术中心牵头，美、英、挪威、瑞典、加拿大等国参加。研究工作在一个由船舶改造的漂浮结构上进行，带有13个振荡水柱气室，在船的内室里，安装了几台海浪发电装置。“海明”号的船身结构海底电缆和锚泊设计较成功，但发电效率令人失望，系统总效率不超过6.5%。作为一个大型国际合作项目，“海明”计划的贡献不仅在于获得了大量技术成果，还在世界范围内推动了波浪能研究。新能源与分布式发电海洋能发电（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计划。安装了1台10kW、2台50kW和2台30kW的发电机组，于2019年完成制造，投放于三重县外海。2019年9月开始持续两年的实海况试验，装置的各部分工作正常，总发电效率最大可达12%。新能源与分布式发电海洋能发电（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。2019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。新能源与分布式发电海洋能发电（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。在该电站原有基础上，2019年完成20千瓦电站的建造。新能源与分布式发电海洋能发电（8）中国广东汕尾100kW岸基OWC2019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基本达到国际同时期的先进水平。新能源与分布式发电海洋能发电§5.3.8波浪发电的发展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。新能源与分布式发电