第5章-海洋能

第5章海洋能海洋占地球表面积达70.8%，和陆地一样，是人类赖以生存的基本条件。海洋蕴藏着巨大的能量，是支撑人类社会发展的一个重要的能量来源。海洋能资源分为三大类。第一类是海底或海床下储存的矿物能，如石油、天然气、天然气水合物(可燃冰)；第二类是海水中溶存的痕量元素铀、锂及重水等所含的化学能；第三类是以力学、热、物理化学形态存在的海洋机械能、海洋热能(温差能)、海洋盐差能、海洋光合能(生物能)，其中海洋机械能又分为潮汐能、波浪能、海流能等。前两类是非再生能源，第三类是可再生能源。本章中所称的海洋能就是指第三类海洋能。海洋能资源具有以下特点：(1)总蕴藏量大。技术允许利用的功率为64亿kW，为目前全世界发电装机总量的2倍。(2)非耗竭、可再生。由于海洋能是海洋永不间断地接受着太阳辐射和月亮、太阳的作用而储存起来的，所以是可再生的。(3)能量密度低。潮汐能的潮差较大值为13~15m，我国的最大值仅8.9m；海流能的流速较大值为1.5~2.0m/s，我国最大值为1.5m/s；波浪能的年平均波高较大值为3~5m，最大波高可达24m以上，我国沿岸年平均波高1.6m，最大值10m以上；温差能的表、深层海水温差较大值24ºC，我国最大值与此相当；盐差能是海洋能中能量密度最大的一种，其渗透压一般为2.51MPa，相当于256m水柱。(4)随时空存在一定变化。温差能主要集中在低纬度大洋深水海域；潮汐能主要集中在沿岸海域，海流能主要集中在北半球两大洋西侧；波浪能近海、外海都有，但以北半球两大洋东侧中纬度(30º~40ºN)和南极风暴带(40º~50ºS)最富集；盐差能主要在江河入海口附近沿岸。在时间上，除温差能和海流能较稳定外，其他均有明显的日、月变化和年变化，不过各种海洋能能量密度的变化一般均具有规律性，可以预报。(5)开发利用的一次性投资大，单位造价高。开发海洋能资源存在风、浪、流等动力作用、海水腐蚀、海洋生物附着、能量密度低等问题，致使转换装置设备庞大，要求材料强度高、防腐性能好，设计施工技术复杂，投资大、造价高。但海洋能发电在沿岸和海上进行，不占用土地，不需迁移人口，而且还具有综合效益。(6)对环境无害。第1节波浪能海洋中的波浪有时轻摇慢拍，有时汹涌澎湃，有时排山倒海，其中蕴涵着巨大的能量，称为波浪能。波浪能是海面多频谱不规则波动的机械能，而海面的波动则主要是由风和大气压力的变化引起的，海面的风是产生波浪最主要的动力来源。海浪又分风浪、涌浪和近岸浪。风浪是海风直接吹动形成的；涌浪是在风停以后或风速风向突然变化时，在原来的海区剩余的波浪，或者是从别的海区传播过来的余浪；风浪和涌浪传到海岸边的浅水地区变成近岸浪。海洋波浪的能量密度随海域的地理位置、气象条件的不同而有别。南半球和北半球40º~60º纬度间的风力最强，波浪能极为丰富；赤道两侧30º之内的信风区也具有良好的波候。据估算，世界上条件比较好的沿海区的波浪能资源储量大概超过2TW(2×106MW)。中国大部分海岸的年平均波浪能流密度为2~7kW/m，全国海岸波浪能资源理论平均功率约为12.9GW。利用波浪能发电是一百多年来人类追求的目标，随着现代科学技术的迅速发展和人类社会对能源供应和生态环境保护的需求日益迫切，海洋波浪发电呈现出了广阔的前景。一、波浪的产生和发展海面波浪的产生始于风。大气的循环产生了风，风给海面以力(压力和剪切)的作用，推动海面产生运动的趋势。同时海面在重力和表面张力的作用下形成了复原力，要恢复海面的稳定。于是在海面形成了一种振动系统，使海面发生波动。波动是从张力波开始的，其波长从几毫米到几厘米，频率在10~100Hz的范围内。这种张力波产生的一系列细微波集合成细波，一边继续吸收风的能量，一边迅速成长，向频率低的重力波过渡。当波成长到波高接近波长的七分之一时，就会迅速显示出不稳定的状态而呈卷浪之势。实际的海浪是由许多不同波高、波长(或频率)及不同前进方向的波所组成。波高随着受风时间和与上风距离的增大而增加。在波浪的成长过程中，波长短(频率高)的波会最先发生破碎，伴随能量的扩散，只有波长长的低频波能继续成长，使波动能量的频谱向低频方向移动。从风区上端到下游海面的距离称做吹送距离，风从风区上端刮到下游海面的时间称做吹送时间。波浪的成长不会随着吹送距离和吹送时间的增加而无限增大，即风浪的能量会很快达到饱和。在大海中，吹送距离极大，所以波浪的状态不受吹送距离和时间的影响，一般只由风速来决定，这时的风波称为充分发展的波。研究表明，充分发展的风波波高和周期分别与风速的平方和一次方成正比。当风区离开海面时，风波还将继续存在并传播，直至在海水摩擦和湍动的作用下消耗掉其储存的能量为止。另一种情况是风浪传播到海岸，由于浅层海床和岸边岩石的阻滞作用，波浪破碎，释放出巨大的能量，趋于消散。这些都是风浪的衰退过程。从波浪的产生、发展到消退，同时伴随着能量的吸收、积累和释放。波浪的能量与波浪的运动息息相关。二、波浪的运动虽然海洋波浪的运动非常复杂，但是其基本的运动规律和其他机械波的运动具有共性。研究波浪的传播、波浪能量，首先要研究组成波浪的水的微团(质点)的运动。水微团相对于海面的垂直位移使波浪具有势能；波浪在海面上的水平传播，使波浪具有动能。海洋中最大量的波浪是深水波，产生于海水的平均深度大于波长的海面。波浪中的微团在垂直方向作圆周运动，不同水层微团的运动半径随深度呈指数减小。在浅水中，微团作椭圆形运动，其能量由于水与海床的摩擦而耗散。对于深水波，微团主要受到重力和圆周运动向心力的作用；摩擦力、表面张力和惯性力都可以忽略。波面上的水微团A受重力mg和向心力mrω2的作用，其中m是微团的质量，r是运动半径，ω是角速度。波面的微团受到的向心力是由风施加的。F是微团所受的重力和向心力的合力，方向向内，垂直于波面的切线。F向波面内部传递，是波传播的振动动力。波浪是由各种不同相位和振幅的正弦波叠加而组成的十分复杂的波形，可以用傅里叶级数展开为很多不同的正弦波，所以正弦波是波浪的基波。分析基波是认识波的特性的基础。在波面上水的微团作半径为a的圆周运动，a即为波的振幅，等于波高的一半。波沿x方向运动(传播)，但水的微团在x方向只作圆周运动范围内的循环往复，并不随波的传播而移动，整个波的运动形态是由于不同水的微团连续运动的相位差产生的。质量为mkg水的微团的受力情况如图所示。微团在浪尖的位置P1，受到向上的离心力作用，离心力为mv2/a或maω2。式中，v是微团运动的线速度，m/s；ω是圆周运动的角速度，1/s；a是运动半径(波的振幅)，m。随后，该微团下降，而邻近的作圆周运动但相位滞后的微团上升到浪尖。P2的位置是在波谷，微团受到向下的力达到最大。P3和P4点在平均波面上，该处波面的切线与微团受的合力垂直。下面分析微团和波的运动速度。设在t=0时，微团处在平均水平面的位置上，其随后的位置上，有因为gaω2cosΦ。同时，斜率还可以表示为其中h为高于平均水平面的高度。由上面三式，可得同时，还有解上面两方程，得波的一般方程形式为h=asin[(2π/λ)x-t]，所以，可以得到波长运动周期为颗粒速度波的速度为波速c是波运动的相速度，与振幅a及颗粒速度v无关。三、波浪能及功率波浪的能量与其运动的振幅的平方和周期成正比。经常发生在深海区域的长周期(约10s)、大振幅(约2m)的波浪，用来发电具有广阔的前景，其每米浪宽的平均能流为50~70kW。在单个有规律的波中，水面附近的水滴在圆周轨道上运动，在波传递的方向上处于不同的相位。在竖直方向上，振幅等于波峰到波谷距离的一半，并随深度的增加呈指数下降。如果海床的深度大于0.5λ，则粒子会保持圆周运动，随深度增加(z的负方向)，水滴的圆周运动半径可以按下式估算：考虑深度z处单位波面宽度的微元体dxdz，其总动能可以表示为其中Ek为在x方向单位宽度的波所具有的能量。将前式代入，在z方向积分，得到其中则得到根据波动理论，波具有的势能与动能相同，即因此，单位表面积的波所具有的总能量为粒子离平均位置的垂直距离为速度的水平分量为任意时刻，位于x处单位波面宽度的波的功率为式中，p1和p2为单位波面宽度、高为dz的微元所受到的压力。压差p1-p2实际上与在圆周上作旋转运动的粒子势能的变化有关，即将前式代入，得到将上式代入前式，积分，得根据波的相速度，有由于所以以上假设波是简单的正弦函数估算了波的能量和功率。实际的波是很不规则的，其功率可以用下式估算：其中，Hs是有效波高，定义为式中，arms是水面平均位置的均方根，在相同的时间间隔内测量n次，然后计算得到；h是瞬时颗粒位置；Te是能量周期，按0.36T估算。四、波力发电波浪能具有以下特点：(1)能量密度小、运动速度慢。每米波前的能量通常为20~80kW，由波浪形成的水头一般只有2~3m，需要将分散的波浪能转换为集中的能量。(2)往复运动。每个周期内海水的运动方向循环一次，需要将往复运动转变成转向不变的圆周运动。(3)不稳定。(4)工作坏境恶劣。波浪能利用有很多困难，主要有：(1)波的振幅、相位和方向都是不规则的，使能量利用设备的设计很困难。(2)波的强度变化无常，能量利用设备要能够忍受。通常，50年中会有1年的最高波高是平均波高的10倍。因此，利用设备应该能承受其正常功率的100倍。(3)功率峰值通常在深水波中出现，使得波浪能利用设备的安装非常困难。(4)波浪的周期是5~10s(频率0.1Hz)。这种不规则的慢速运动与发电设备要求的几乎高出500倍的频率很难匹配。波力发电是波浪能利用的主要方式。波浪的运动形式是比较复杂的，能被利用来进行发电的主要有以下几种。首先是利用波浪的垂直运动，具体有下面几种。(1)浮体垂直摆荡式或称漂浮式利用可以漂浮在海面上的浮体，在和海面垂直的平面内由波浪推动着振荡或摆动，从而获得机械能。①点头鸭式波力发电装置。因外形而得名。当波浪从左边冲过来时，由乎右边没有波浪冲击力，故鸭体失去平衡，产生摆动。波浪中表层海水质点作圆周运动，表面海水分子的运动直径和波高相同，但随着水深的增加，水质点运动直径迅速减小。当波浪冲击到鸭体时，表层海水给予鸭体的冲击力大，深层海水给予鸭体的冲击力小，这就使鸭体抬头。波峰过去后，鸭体点头。如此循环。鸭体吸收波能的效率可达80%~90%。鸭体摆动的过程中，带动内部的花键泵转动，压出高压的油流，高压油驱动油马达旋转，从而带动发电机发电。该装置结构简单，效率高，安全性好，可以阵列布置进行大规模发电，向陆地输电。目前已能发出功率15kW的电量。②波动筏式。由若干钢制或钢筋混凝土制的箱形筏块连成一排而组成。整个装置浮在海面上，和波浪一起上下浮荡，筏块的状态总保持和波形一致。在筏块随着波浪起伏运动的过程中，筏块之间的夹角不断改变，在两个筏块之间安装一个液压装置就可以将其中的能量提取出来，从而将波能转换为电能。该发电装置的效率可达50%。其结构简单，造价低，易于组装和维护，安全性好，可以经受大风大浪的袭击。(2)气柱振荡式。可以是岸式，也可以离岸固定，利用自行车打气筒的原理。其特点是有一个下端开口的空腔，其下半部分是海水，上半部分是空气。其中的水柱可以和具有某种频率的波浪激发产生共振，推动空气柱做功。当海流起伏时，空腔内的水位随着上升、下降，压出或吸入空气，形成高速气流，气流使空气涡轮机旋该装置发电能力较小，从几瓦到几百瓦，但结构简单，运行稳定。该装置是由空气推动空气涡轮机发电的，空气柱是往复振荡的，需要采取一定的措施，使空气涡轮机单向转动。其次是利用流体静压力的变动，有下面几种。(1)拉塞尔整流式。是一种闸式结构，面对海洋设有两组单向门：一组是允许水流进入储水池的B门，另一组则是只允许水流从集水池流出的A门。这两个水池由一个水轮机