新能源发电技术(海洋能)

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。§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。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？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。《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。§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，如图所示：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。§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。§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，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……§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”。（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。（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。（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，由若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”波浪发电项目，每条“海蛇”的装机容量为750kW。（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。（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，装置的各部分工作正常，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。在该电站原有基础上，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基本达到国际同时期的先进水平。§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。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波浪发电的发展§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。洋流方向基本不变，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海流发电的发展状况进行海流能技术研发的国家，有中、美、英、加、日、意等。其中美、日和英等发达国家进行了较多的潮流