可再生能源发电技术第4章 海洋能发电

闪
海
水
蒸
水
泵
器
真 空
淡 水Leabharlann 泵泵箱温海水
冷海水
基本与闭式循环相同，但用温海水闪蒸出来的低压蒸汽来加热低沸点工 质。这样做的好处在于减少了蒸发器的体积，可节省材料，便于维护。
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海水温差发电装置 Ocean Thermal Energy Conversion (OTEC)
除了发电之外，海洋温差能利用装置还可以同时获得淡水、深层海水、 进行空调并可与深海采矿系统中的扬矿系统相结合。
➢ 从各国的情况看，潮汐发电技术比较成熟。利用波浪能、盐度差 能、海水温差能等海洋能进行发电还不成熟，目前仍处于研究试验 阶段。
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4.2 海洋能发电技术
潮汐能
潮汐现象是由地球和天体运动以及它们之间的相互作 用而引起的。在海洋中，月球的引力使地球的向月面 和背月面的水位升高。
潮汐能：因海水涨落及潮水流动所产生的能量。是以 势能形态出现的海洋能。
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海洋能具有如下特点： (1) 海洋能在海洋总水体中的蕴藏量巨大，但单位体积、 单位面积、单位长度所拥有的能量较小，利用效率不高， 经济性差。 (2) 海洋能具有可再生性。 (3) 能量多变，具有不稳定性。 (4) 属于一种洁净能源，无污染。
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海洋能的开发
➢ 人类开发海洋能的历史和水能利用差不多。
Swan Turbines, Univ.of Wales Design concept
Telescopical tower Direct Drive
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海洋温差发电
➢ 温差能是以热能形态出现的海洋能。海洋是地球上一个巨大的太 阳能集热和蓄热器。
➢ 被海水吸收的太阳能，约有60%被1米厚的表层海水所吸收，因此 海水表层水温较高。而在海洋深处海水温度却很低，这个垂直的 温差就是一个可利用的巨大能源。
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大洋平均水温典型垂直分布
全世界海洋温差能的理论估算值为106 kW量 级。 根据中国海洋水温测量资料计算得到的中国 海域的温差能约为1.5x108 kW，其中99％在 南中国海。
➢ 海流的能量来源于太阳能的辐射。海洋和海洋上空的 大气吸收太阳辐射，因海水和空气受热不均而形成温 度、密度梯度，从而产生海水和空气的流动，并形成 大洋环流。
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北半球冬季大洋环流
本
格
拉 洋 流
厄加 勒斯 海流
亲潮
北太平洋洋流 黑 潮
西 澳 洋 流
环南极洋流
北赤道暖流 南赤道暖流
东 澳 洋 流
优点： 占用水道体积小 操作方便 外形小、质量轻 厂房小或不用厂房 发电效率高
缺点： 动密封难度大
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1-流道；2-发电机；3-水轮机
波浪发电
➢ 波浪能是由风把能量传递给海洋而产生的。根据波动理 论，波浪能量与波高的平方成比例。
Pw gh2T /(32 )
➢ 习惯上把海浪分为风浪、涌浪和近岸浪三种。
在于如何抵御风浪破坏。
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聚波储能式
➢ 聚波储能波浪发电方式则舍弃波浪的动能，利用波浪在沿岸的爬 升将波浪能转换成水的势能。它利用狭道将波能集中，使波高增 高至3－8 m而溢出蓄水池，然后像潮汐发电一样将蓄水池内的水 推动水轮发电机，其二次转换实际上就是一般的水力发电，技术 较为成熟。其不足之处是对于地形有一定的要求。
潮汐中蕴藏着巨大的能量：涨潮过程中巨大的动能， 随着海水水位的升高，就转化为势能，在落潮的过程 中，水位逐渐降低，势能又转化为动能。
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潮汐基本知识 ➢海水有规律的、周期性的涨落 现象叫海洋潮汐。白天的涨落叫 “潮”，夜间的涨落叫“汐”。 ➢潮差—潮峰与潮谷的水位差 ➢潮汐周期：半日潮=12.4h，全 日潮：24.8h
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其他
➢ 英国“Pelamis ”海蛇装置， 主要吸收波浪的水平能量。 目前其实验装置容量达 750kW。葡萄牙启用的海蛇 发电站容量达2.25MW。
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➢ 英国牡蛎（Oyster）的波浪发电机，海浪的冲击力使阻力板前后 摆动并推动活塞系统，造成高压的海流，经由管线将高压海水送 往岸边，可用来推动岸边的水力发电机发电。
34?北半球冬季大洋环流厄加勒斯海流西澳洋流东澳洋流黑潮环南极洋流环南极洋流北大西洋洋流加纳利洋流湾流巴西洋流本格拉洋流亲潮南赤道暖流北赤道暖流北太平洋洋流秘鲁洋流35?海流能量?海流能是指海水流动所储存的动能其能量与流速的平方和流量成正比海流能功率p可以表示为海流发电是利用海流的冲击力使水轮机旋转从而驱动发电机发电
海洋能的分类
✓潮汐能 ✓波浪能 ✓海水温差能 ✓海流能 ✓盐差能
海洋能海洋能源按储存形式又可 分为机械能、热能和化学能。
其中，潮汐能、海流和波浪为机 械能，海水温差为热能，海水盐 差为化学能。
各种海洋能的蕴藏量是巨大的， 据估计有750多亿千瓦，其中波 浪能700亿千瓦，温度差能20亿 千瓦，海流能10亿千瓦，盐度差 能10亿千瓦。
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空气式
➢ 空气式又称振荡水柱式。其一级能量转换机构为气室，二级能量 转换机构为空气透平。在波浪力的作用下，气室下部的水柱在气 室内作强迫振动，压缩气室的空气往复通过喷嘴，将波浪能转换 成空气的压能和动能。空气透平安装在喷嘴处并将透平转轴与发 电机相连，则可利用压缩气流驱动透平旋转并带动发电机发电。
➢ 风浪：在风直接作用下生成的海水波动现象，风越大，浪就越高， 波浪的高度基本与风速成正比，风浪瞬息万变，波面粗糙，周期 较短。
➢ 涌浪：波浪以最小的能量损失从其形成区传播开去，在很远的距 离产生涌浪。涌浪的外形圆滑规则，排列整齐，周期比较长。
➢ 近岸浪：风浪和涌浪传到海岸的浅水地区，变成近岸浪，近岸浪 由于岸底对波浪的阻力，波谷展宽变平，波峰发生倒卷破碎。
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潮汐发电原理
利用潮汐的动能发电
利用潮汐的势能发电
由于潮流流速周期性变化，致使发电时间不稳度，发电量较小， 所以潮汐发电多采用后一种形式，即利用潮汐的势能。
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潮汐电站的分类
单库单向式
➢ 单库单向潮汐能发电站：造价低，日均发电10~12小时，潮汐 能不能充分利用，电站效率仅为22%。
单库单向潮汐能发电站布置
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波浪转换的基本原理
➢ 两个阶段：一次转换——波浪能采集系统俘获波能，将波能转换 为另一种形式的机械能；二次转换——转化的机械能转换为电能。 有些还有中间环节，实现传递能量的目的，用于提高一次转换所 得能量载体的速度。
➢ 波能一次转换的方法：
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冲箱式
➢ 冲箱式波能吸收装置是指通过水面上可运动的浮子来吸收波能， 例如，波马达的浮子在波上做垂直方向的升沉运动。为了提高波 能吸能效果，浮子的形状设计极为关键。
其缺点是：因为蒸发器和冷凝器采用表面式换热器，导致这一部分体积
巨大，金属消耗量大，维护困难，另外海水与工质之间需要二次换热，
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减小了可利用温差。
混合式循环系统
闪蒸器
温 海 水 泵
汽轮机
冷
凝
蒸
器
发
器
工质泵
淡 水
发 电 机
冷 海 水 泵
温海水
冷海水
汽轮机
发
电
蒸
机
发
冷
器
凝
工质泵 器
温
淡水冷凝器
冷
海
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海流发电方式 水下风车式
Seaflow300kW/ 2.5m/s 11m diam SST, Lynmouth, Devon, UK
Blue Energy Canada's Current
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system
Blue Concept (Hammerfest Strøm),
Kvalsundet, Norway, 2004 20 pitched water mills 20m diam
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海洋热能转换原理
➢ 将海洋热能转换为机械能，再把机械能转换为电能。在 第一步热能转换中，以海洋受太阳能加热的表层海水 （25℃～28℃）作高温热源，而以500 m～l000 m深处 的海水（4℃～7℃）作低温热源，用热机构成一种热力 循环。从高温热源到低温热源，可获得总温差15℃～ 20℃左右的有效能量。
➢ 典型方案：点头鸭、阀式浮体
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摇板式
➢ 在摇板式波浪电站中，吸能装置是由水室与摆板组成的，水室的 作用是聚波形成立波，增加波能密度，摆板则是与波浪直接接触 的部分，波浪通过摆板做功，转化为机械能。该方式可以增加波 能吸收的水深，但是由于摆板的双向摆动，因此会降低其吸收效 率，增加后壁可对此加以改善。此外，在工艺上摆轴宜至于水面 以上，这在理论上导致摆质点的线速度上小下大，而与波质点线 速度上大下小相矛盾，因此效率更差。
第4章 海洋能发电技术
4.1 海洋能概述 4.2 海洋能发电技术
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4.1 海洋能发电概述
海洋能（Ocean energy）是指依附在海水中的可再生能 源，海洋能主要以潮汐、波浪、温度差、盐度梯度、海 流等形式存在于海洋之中。潮汐能和潮流能源自月球、 太阳和其他星球引力，其他海洋能均源自太阳辐射。
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因此，基于温差能装置可以建立海上独立生存空间并作为海上发电厂、 海水淡化厂或海上采矿、海上城市或海洋牧场的支持系统。
总之，温差能的开发应以综合利用为主。
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海流发电
➢ 海（潮）流主要是指海水大规模相对稳定的流动以及 由于潮汐导致的有规律的海水流动。
➢ 海流的流向是固定的，因此也被称为定海流，而潮流 的流速、流向则有周期性变化。
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汽轮机 闭式循环系统
发电机
冷凝器
温
冷淡
海 水
水
海 水 泵
泵
冷海水
汽轮机
蒸
发
冷
器
凝
工质泵 器
发 电 机
冷 海 水 泵
温海水
冷海水
闭式循环系统的优点：(a) 采用低沸点工质可以提高压力差和压力水平， 同样温度下蒸汽压力比水高得多，如氨在25℃时，饱和压力是1005.1kPa 是同温下水的饱和压力的34.6倍。因此，可以极大地缩小汽轮机尺寸，实 现装置的小型化；(b) 海水不用脱气，免除了这一部分动力需求。
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单库双向式
➢ 单库双向潮汐能发电站：涨落潮均可发电，日均发电16~20小 时，但厂房和机组结构复杂。
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双库单向式
➢ 双库单向潮汐能发电站：可连续发电，效率高，易于并网。 但需建2座堤坝和水闸，造价高。
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发电机组类型
竖轴式发电机组
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最高水位 最低水位
卧轴式发电机组
1-上游水位；2-闸门槽；3-水轮机；4-调速器；5-发电机；6-下游水位
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贯流式发电机组
➢ 灯泡贯流式：将水轮机、变速箱、发电机全部放在一个用混 凝土做成的密封灯泡体内，只有水轮机的桨叶露在外面
优点： 发电效率高 结构紧凑
缺点： 安装不便 占用水道多
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1-流道；2-发电机；3-水轮机；4-灯泡体
➢ 全贯流式：发电机定子装于水道的周壁，水轮机、发电机转 子则装在水道中的一个密封体内。
➢ 根据所用工质及流程的不同，一般可分为开式循环、闭 式循环和混合式循环。
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开式循环系统
闪 蒸 器 温 海 水 泵
温海水
汽轮机 发电机
冷凝器
冷淡
海 水
水
泵
冷海水
蒸
发
器
温
海
工质
水
泵
温海水
开式循环系统不仅能够发电，而且能得到大量淡水副产品， 但因以海水作工作流体和介质，蒸发器与冷凝器之间的压力 非常小，因此必须充分降低管道等的压力损耗。为了获得预 期的输出功率，必须使用极大的透平，其大小可以和风力涡 轮机相比。
环南极洋流
北大西洋洋流
加
湾 流
纳 利 洋
流
秘
鲁
巴
洋
西
流
洋
流
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海流能量
➢ 海流能是指海水流动所储存的动能，其能量与流速的 平方和流量成正比，海流能功率P可以表示为
P 1 Qv 3
2 海流发电是利用海流的冲击力使水轮机旋转，从而驱 动发电机发电。海流发电的原理和风力发电相似，几 乎任何一个风力发电装置都可以改造成为海流能发电 装置。
➢ 1930年在法国首次试验成功海水温差发电。
➢ 早在12世纪，人类就开始利用潮汐能。当时法国沿海就建起了 “潮磨”，利用潮汐能代替人力推磨。
➢ 随着科学技术的进步，人们开始筑坝拦水，建起潮汐电站。目前 世界上最大的潮汐电站是法国的朗斯潮汐电站，我国的江夏潮汐实 验电站为国内最大。
➢ 各种海洋能的蕴藏量非常巨大，很多海洋能至今没被利用的原因 主要有两方面：一是经济效益差，成本高。二是仍有一些技术问题 没有过关。
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Source: Fujita Research
空气式的优势：
➢ 没有任何水下活动部件，结构安全，维护方便； ➢ 它将空气作为能量载体，传递方便，而且可以简单地通过一个收
缩段而提高气流速度，从而与二次转换能很好地匹配。
空气式波浪发电装置分为两类：漂浮式和固定式（也 称岸式）
➢ 漂浮式建造方便，投放点灵活，对潮位变化具有很强的适应性 ➢ 岸式一般建在岸边迎浪侧，施工较为方便，并网简单。主要困境
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➢ 阿基米德浮筒装置：漂浮物上下推动直线电机发电。
➢ 英国“Checkmate ”巨蟒装置，由橡胶而不是钢铁制成。“巨蟒” 实际上是一根装满水的橡皮管，两头封闭。此装置的一头停泊在 即将来临的波浪中，当海浪在上方经过对其产生挤压时，内部可 产生压力波，压力波向前行进，到达尾端时可带动发电机发电。