海洋波浪能及潮流能利用技术进展_part 1
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
名称 煤炭 石油&天然气 石油 天然气 核能&水能 核能 水能 全球 26％ ％ 64％ ％ 10％ ％ 中国 66％ ％ 26％ ％ 8％ ％
1.3 环境问题
• • 人居环境压力 酸雨、 酸雨、碳黑发放 呼吸系统疾病 其它国家的压力 2010年，中国排放 年 的温室气体占22.3%, 的温室气体占 超过美国。 超过美国。
Worldwide electricity consumption horizon: 15000 ~ 25000TWh
海洋能资源估计（Estimated Global OE Resource）
全球可利用的海洋能源与目前电能生产量(17400 TWh/年) 年 同量级。 同量级。 美国的波、 为美国耗电的10％。 美国的波、潮、流资源400TWh/年，为美国耗电的 ％。 英国沿海波能约 120 GW，是英国电力需求量的 2.5倍。 海洋能
海洋能利用技术开发现状（IEA-OES report,2006）
潮汐能 通过筑坝利用潮汐能的技术已经成熟， 通过筑坝利用潮汐能的技术已经成熟，但是这种利 用方式会严重影响局部地区的生态。 用方式会严重影响局部地区的生态。 波浪能& 波浪能&潮流能 在全球范围内，有相当多的技术正在发展。其中， 在全球范围内，有相当多的技术正在发展。其中， 一些技术处于全尺度实型开发状态或正在进行海上 示范实验。 示范实验。 温差能 海洋温差能转换系统的技术处于高级的研发阶段。 海洋温差能转换系统的技术处于高级的研发阶段。 盐差能 海洋盐差能转换的技术处于初期的发展阶段。 海洋盐差能转换的技术处于初期的发展阶段。
波浪能资源分布
地球上有开发价值的波能蕴藏量 地球上有开发价值的波能蕴藏量: 大于 2 TW 蕴藏量:
40 60
30
70
40 30 20 20 30 50 70 30 20 20 10 20 20 40 30 50 40 40 40 20 10 20 20 30 60 70 100 30 15 20 20
3 波浪能利用技术
3.1 波浪特性与能量 3.2 波浪能转换原理、系统与技术 3.3 波浪能发电系统设计 3.4 现有波浪能装置/电站 现有波浪能装置/
3.1 波浪特性与能量
波浪的成因
太阳、月亮引力作用 太阳、 风、大气压变化 海底地震、 海底地震、大陆板块漂移 水面物体兴波
波浪的运动特性
波浪作周期性运动 波浪传播能量 质点在当地作圆或椭圆运动。 质点在当地作圆或椭圆运动。
= 1257 H 2 ⋅ C g (W m)
C g = 0.625 λ
T ≈ 0.8 λ
例如：波长＝ 例如：波长＝50m，H＝1m，P＝5.5kW/m。 ， ＝ ， ＝ 。
3.2 波能转换原理、系统与技术 波能转换原理、
波能转换原理
利用物体受波浪作用的升沉和摆动， 利用物体受波浪作用的升沉和摆动，将 波能转换为机械能。 波能转换为机械能。 利用波浪行进爬升将波浪动能转换为势 再将势能转换为动能和机械能。 能，再将势能转换为动能和机械能。
3.2 波能转换原理、系统与技术 波能转换原理、
波能转换系统
一级能量转换系统： 一级能量转换系统：波浪的能量 二级能量转换系统： 二级能量转换系统：旋转机械能 三级能量转换系统： 三级能量转换系统：
能量俘获装 置
载体机械能 电 能
系统组成
空气透平机 低水头水力透平机 液压系统 机械系统 发电机
3.2 波能转换原理、系统与技术 波能转换原理、
海洋能资源估计（Estimated Global OE Resource）
• Worldwide Marine Renewable’s Resource Distribution:
General hot-spots (indicative / not complete) hot(Tidal, Offshore Wind, Salinity gradient...) Wave OTEC
20% Hydro 0% 1850 1875 1900 1925 1950 1975 2000 2025 2050
Source: Shell Global Scenarios
1.4 能源形势（中国） 能源形势（中国）
能源资源有限 能源效率低下
技术落后 能源利用效率是世界均值的 10% 每 GDP能耗是美国的 4 倍、欧 能耗是美国的 洲的 6 倍、日本的 10倍 。 倍 需求总量 3 G TEC 能源供给 2.6 G TEC 能源缺口超过 0.4 G TEC
世界平均
能源需求巨大（ 能源需求巨大（2020年） 年
RE should provide at lest
0.2 G TEC
1.5 能源对策
2005.01：京都议定书生效 实施清洁发展（ 2005.01：京都议定书生效——实施清洁发展（CDM）机制 实施清洁发展 CDM） 2006.01.01： 可再生能源法》 aw实施 2006.01.01：《可再生能源法》Renewable Energy Law实施 2006－2020： 国家中长期科技发展纲要》 2006－2020：《国家中长期科技发展纲要》——优先发展主题 优先发展主题 2006.05.30： 可再生能源发展专项资金管理办法》 2006.05.30：《可再生能源发展专项资金管理办法》下发 2007.08.30： 可再生能源中长期发展规划》 2007.08.30：《可再生能源中长期发展规划》发布
近50年来海平面上升情况 50年来海平面上升情况
1930年 1930年 2001年 2001年
大气中温室气体富集的浓度变化
夏威夷Mauna Loa 夏威夷 观象台 测量的大气CO2浓 测量的大气 浓 度变化
目前排放大国： 目前排放大国： 美、中、俄、日、印
1856-2004年全球地表温度变化 年全球地表温度变化
应用
优势
劣势
发 电 运输、 运输、供热 高度浓缩能源 机械能 发 电 极高度浓缩能源 运输、 运输、军事
1.2 资源问题
全球累计发现资源 823 G TEC，剩余可开采资源 ，剩余可开采资源139 G TEC。 。 全球剩余资源可开采年限： 全球剩余资源可开采年限：煤炭 80 年、石油 15 年、 天 然气30 然气 年。 中国资源主要是煤，缺乏石油和天然气，水资源丰富。 中国资源主要是煤，缺乏石油和天然气，水资源丰富。 中国资源占全球10％，人均资源是世界人均40% 。 中国资源占全球 ％，人均资源是世界人均 ％， 常规能源资源比例
研究生课程教案（课程编号：013817 （课程编号：013817
Harbin Engineering University
）
—— 哈尔滨，2010.03.15 哈尔滨，
海洋能利用技术
张 亮
哈尔滨工程大学
zhangliang@hrbeu.edu.cn
内容
1. 能源形势与对策 2. 海洋可再生能源 3. 波浪能利用技术 4. 潮流能利用技术 5. 海洋能装置经济性 6. 海洋能技术发展影响因素
中国著名的潮流水道
shore line: 18,000 km islands: 6960
High Tidal current Energy Density Channels
Region Channel Province North Hangzhou Bay Zhejiang Jintang channel Guishan Channel Xihoumen Channel Region Class Max. energy density (kW/m2) I I I I 28.99 25.93 23.89 19.08 3090 Averaged theor. power (MW) 3830
大力调整经济结构 大力调整经济结构 调整 合理开发资源 合理开发资源 开发 积极利用国际资源 积极利用国际资源 利用 加快发展 加快发展RE 发展
2 海洋可再生能源
潮汐能（位能） 潮汐能（位能）： 源于地球旋转和月球、太阳引力，长周期波储存， 源于地球旋转和月球、太阳引力，长周期波储存，能量与潮差和潮 量成正比。 量成正比。 潮流能（动能） 潮流能（动能）： 源于地球旋转和月球、太阳引力，与潮汐相伴， 源于地球旋转和月球、太阳引力，与潮汐相伴，能量与流速平方和 通流量成正比。（海水环流： 。（海水环流 温差）。 通流量成正比。（海水环流：风、温差）。 波浪能（位能和动能） 波浪能（位能和动能）： 源于风的作用，短周期波储存， 源于风的作用，短周期波储存，能量与波高的平方和波动水域面积 成正比。 成正比。 温差能（热能） 温差能（热能）： 源于海面高水温与深层冷水的温差，能量与温度差和水量成正比。 源于海面高水温与深层冷水的温差，能量与温度差和水量成正比。 盐差能（化学能） 盐差能（化学能）： 源于河口水域淡水与海水间的盐度差（梯度）， ），淡水向海水产生渗 源于河口水域淡水与海水间的盐度差（梯度），淡水向海水产生渗 透压力，能量与渗透压差和流量成正比。 透压力，能量与渗透压差和流量成正比。
1 能源形势与对策
资源问题 环境问题 发展问题 技术问题 国家对策
1.1 基本能量
起源 能量来源
太阳能 风 能 太阳 (光源 光源) 光源 水 能 波浪能 生物能 重力 (引力 引力) 引力 地核 热能 化学 燃料 核能 潮汐能 地热能 煤 炭 石 油 天然气 铀 发 电 机械能 供 热 发 电 完全可再生 大部分可再生 很少获取地点； 很少获取地点； 对当地影响大 很少获取地点； 很少获取地点； 对当地影响 污染、 污染、有限资源 重污染、辐射威胁； 重污染、辐射威胁； 有限资源 发 电 供 热 机械能 完全可再生， 完全可再生， 太阳能随处可得 视觉影响，散播或密度低； 视觉影响，散播或密度低； 风能、水能非随处可得； 风能、水能非随处可得； 生物能会导致空气污染
年气候平均） （相对于1961-1990年30年气候平均） 相对于 年 年气候平均
（根据IPCC, 根据 2001改绘） 改绘） 改绘
379 ppmv
壳牌石油所做的能源需求预测
% of Primary Energy 80% Traditional 60% Coal
40%
Oil Gas New Renewables Biofuels Nuclear
波能转换技术
振荡水柱技术（ 振荡水柱技术（OWC） ） ——岸式、离岸式 岸式、 岸式 点吸收浮子技术（ 点吸收浮子技术（Buoy） ） 摆式(Pendulum) 摆式 阀式技术(Raft) 阀式技术 鸭式(Duck) 鸭式 收缩坡道技术(Tapchan) 收缩坡道技术
潮汐Tides 潮汐 潮流Tidal (Marine) Current 潮流 波浪Waves 波浪 温差Thermal Gradient 温差 盐差Salinity Gradient 盐差
全球资源 中国理论平均功 (TWh/year) 率 (GW)
300+ 800+ 80000 10000 2000 125 110 14.0 12.9
16000 14000 12000 10000 8000 6000 4000 2000 0
人均能耗（吨标准煤 ） 人均能耗 （ 吨标准煤） 人均用电量（千瓦时 ） 人均用电量 （ 千瓦时） 1292
2100 5800 6580 8532 8215
14700 12300
2540
1462
中国
美国
日本
OECD
描述波浪的参数
波长λ，波高 ＝ 波长 ，波高H＝2A 周期T 周期
3.1 波浪特性与能量
波浪的能量
波能
1 T + V = ρ gH 2 λ 8
波能密度： 波能密度：单位面积上的波能
1 E = ρ gH 2 8 ( J m2 )
能流密度：通过1米宽度 能流密度：通过 米宽度 转移的波能 P = E ⋅ Cg
海洋能利用技术开发现状分布
海洋能利用障源自文库与挑战（IEA-OES report,2006） ）
全国性的研究创新、 全国性的研究创新、市场开发和基于市场的 能源政策对海洋能开放的国家数量不足。 能源政策对海洋能开放的国家数量不足。 单个全尺度实型转换装置的性能及其对环境 影响的海上试验已经展开。但是， 影响的海上试验已经展开。但是，缺乏很多 个全尺度实型转换装置的性能及其对环境影 响的海上试验。 响的海上试验。 缺乏项目立项的认证与许可程序 还没有国际上认可的装置性能评价准则和标 准。 面临电网连接和容量受限的挑战。 面临电网连接和容量受限的挑战。
1.3 环境问题
• • 人居环境压力 酸雨、 酸雨、碳黑发放 呼吸系统疾病 其它国家的压力 2010年，中国排放 年 的温室气体占22.3%, 的温室气体占 超过美国。 超过美国。
Worldwide electricity consumption horizon: 15000 ~ 25000TWh
海洋能资源估计（Estimated Global OE Resource）
全球可利用的海洋能源与目前电能生产量(17400 TWh/年) 年 同量级。 同量级。 美国的波、 为美国耗电的10％。 美国的波、潮、流资源400TWh/年，为美国耗电的 ％。 英国沿海波能约 120 GW，是英国电力需求量的 2.5倍。 海洋能
海洋能利用技术开发现状（IEA-OES report,2006）
潮汐能 通过筑坝利用潮汐能的技术已经成熟， 通过筑坝利用潮汐能的技术已经成熟，但是这种利 用方式会严重影响局部地区的生态。 用方式会严重影响局部地区的生态。 波浪能& 波浪能&潮流能 在全球范围内，有相当多的技术正在发展。其中， 在全球范围内，有相当多的技术正在发展。其中， 一些技术处于全尺度实型开发状态或正在进行海上 示范实验。 示范实验。 温差能 海洋温差能转换系统的技术处于高级的研发阶段。 海洋温差能转换系统的技术处于高级的研发阶段。 盐差能 海洋盐差能转换的技术处于初期的发展阶段。 海洋盐差能转换的技术处于初期的发展阶段。
波浪能资源分布
地球上有开发价值的波能蕴藏量 地球上有开发价值的波能蕴藏量: 大于 2 TW 蕴藏量:
40 60
30
70
40 30 20 20 30 50 70 30 20 20 10 20 20 40 30 50 40 40 40 20 10 20 20 30 60 70 100 30 15 20 20
3 波浪能利用技术
3.1 波浪特性与能量 3.2 波浪能转换原理、系统与技术 3.3 波浪能发电系统设计 3.4 现有波浪能装置/电站 现有波浪能装置/
3.1 波浪特性与能量
波浪的成因
太阳、月亮引力作用 太阳、 风、大气压变化 海底地震、 海底地震、大陆板块漂移 水面物体兴波
波浪的运动特性
波浪作周期性运动 波浪传播能量 质点在当地作圆或椭圆运动。 质点在当地作圆或椭圆运动。
= 1257 H 2 ⋅ C g (W m)
C g = 0.625 λ
T ≈ 0.8 λ
例如：波长＝ 例如：波长＝50m，H＝1m，P＝5.5kW/m。 ， ＝ ， ＝ 。
3.2 波能转换原理、系统与技术 波能转换原理、
波能转换原理
利用物体受波浪作用的升沉和摆动， 利用物体受波浪作用的升沉和摆动，将 波能转换为机械能。 波能转换为机械能。 利用波浪行进爬升将波浪动能转换为势 再将势能转换为动能和机械能。 能，再将势能转换为动能和机械能。
3.2 波能转换原理、系统与技术 波能转换原理、
波能转换系统
一级能量转换系统： 一级能量转换系统：波浪的能量 二级能量转换系统： 二级能量转换系统：旋转机械能 三级能量转换系统： 三级能量转换系统：
能量俘获装 置
载体机械能 电 能
系统组成
空气透平机 低水头水力透平机 液压系统 机械系统 发电机
3.2 波能转换原理、系统与技术 波能转换原理、
海洋能资源估计（Estimated Global OE Resource）
• Worldwide Marine Renewable’s Resource Distribution:
General hot-spots (indicative / not complete) hot(Tidal, Offshore Wind, Salinity gradient...) Wave OTEC
20% Hydro 0% 1850 1875 1900 1925 1950 1975 2000 2025 2050
Source: Shell Global Scenarios
1.4 能源形势（中国） 能源形势（中国）
能源资源有限 能源效率低下
技术落后 能源利用效率是世界均值的 10% 每 GDP能耗是美国的 4 倍、欧 能耗是美国的 洲的 6 倍、日本的 10倍 。 倍 需求总量 3 G TEC 能源供给 2.6 G TEC 能源缺口超过 0.4 G TEC
世界平均
能源需求巨大（ 能源需求巨大（2020年） 年
RE should provide at lest
0.2 G TEC
1.5 能源对策
2005.01：京都议定书生效 实施清洁发展（ 2005.01：京都议定书生效——实施清洁发展（CDM）机制 实施清洁发展 CDM） 2006.01.01： 可再生能源法》 aw实施 2006.01.01：《可再生能源法》Renewable Energy Law实施 2006－2020： 国家中长期科技发展纲要》 2006－2020：《国家中长期科技发展纲要》——优先发展主题 优先发展主题 2006.05.30： 可再生能源发展专项资金管理办法》 2006.05.30：《可再生能源发展专项资金管理办法》下发 2007.08.30： 可再生能源中长期发展规划》 2007.08.30：《可再生能源中长期发展规划》发布
近50年来海平面上升情况 50年来海平面上升情况
1930年 1930年 2001年 2001年
大气中温室气体富集的浓度变化
夏威夷Mauna Loa 夏威夷 观象台 测量的大气CO2浓 测量的大气 浓 度变化
目前排放大国： 目前排放大国： 美、中、俄、日、印
1856-2004年全球地表温度变化 年全球地表温度变化
应用
优势
劣势
发 电 运输、 运输、供热 高度浓缩能源 机械能 发 电 极高度浓缩能源 运输、 运输、军事
1.2 资源问题
全球累计发现资源 823 G TEC，剩余可开采资源 ，剩余可开采资源139 G TEC。 。 全球剩余资源可开采年限： 全球剩余资源可开采年限：煤炭 80 年、石油 15 年、 天 然气30 然气 年。 中国资源主要是煤，缺乏石油和天然气，水资源丰富。 中国资源主要是煤，缺乏石油和天然气，水资源丰富。 中国资源占全球10％，人均资源是世界人均40% 。 中国资源占全球 ％，人均资源是世界人均 ％， 常规能源资源比例
研究生课程教案（课程编号：013817 （课程编号：013817
Harbin Engineering University
）
—— 哈尔滨，2010.03.15 哈尔滨，
海洋能利用技术
张 亮
哈尔滨工程大学
zhangliang@hrbeu.edu.cn
内容
1. 能源形势与对策 2. 海洋可再生能源 3. 波浪能利用技术 4. 潮流能利用技术 5. 海洋能装置经济性 6. 海洋能技术发展影响因素
中国著名的潮流水道
shore line: 18,000 km islands: 6960
High Tidal current Energy Density Channels
Region Channel Province North Hangzhou Bay Zhejiang Jintang channel Guishan Channel Xihoumen Channel Region Class Max. energy density (kW/m2) I I I I 28.99 25.93 23.89 19.08 3090 Averaged theor. power (MW) 3830
大力调整经济结构 大力调整经济结构 调整 合理开发资源 合理开发资源 开发 积极利用国际资源 积极利用国际资源 利用 加快发展 加快发展RE 发展
2 海洋可再生能源
潮汐能（位能） 潮汐能（位能）： 源于地球旋转和月球、太阳引力，长周期波储存， 源于地球旋转和月球、太阳引力，长周期波储存，能量与潮差和潮 量成正比。 量成正比。 潮流能（动能） 潮流能（动能）： 源于地球旋转和月球、太阳引力，与潮汐相伴， 源于地球旋转和月球、太阳引力，与潮汐相伴，能量与流速平方和 通流量成正比。（海水环流： 。（海水环流 温差）。 通流量成正比。（海水环流：风、温差）。 波浪能（位能和动能） 波浪能（位能和动能）： 源于风的作用，短周期波储存， 源于风的作用，短周期波储存，能量与波高的平方和波动水域面积 成正比。 成正比。 温差能（热能） 温差能（热能）： 源于海面高水温与深层冷水的温差，能量与温度差和水量成正比。 源于海面高水温与深层冷水的温差，能量与温度差和水量成正比。 盐差能（化学能） 盐差能（化学能）： 源于河口水域淡水与海水间的盐度差（梯度）， ），淡水向海水产生渗 源于河口水域淡水与海水间的盐度差（梯度），淡水向海水产生渗 透压力，能量与渗透压差和流量成正比。 透压力，能量与渗透压差和流量成正比。
1 能源形势与对策
资源问题 环境问题 发展问题 技术问题 国家对策
1.1 基本能量
起源 能量来源
太阳能 风 能 太阳 (光源 光源) 光源 水 能 波浪能 生物能 重力 (引力 引力) 引力 地核 热能 化学 燃料 核能 潮汐能 地热能 煤 炭 石 油 天然气 铀 发 电 机械能 供 热 发 电 完全可再生 大部分可再生 很少获取地点； 很少获取地点； 对当地影响大 很少获取地点； 很少获取地点； 对当地影响 污染、 污染、有限资源 重污染、辐射威胁； 重污染、辐射威胁； 有限资源 发 电 供 热 机械能 完全可再生， 完全可再生， 太阳能随处可得 视觉影响，散播或密度低； 视觉影响，散播或密度低； 风能、水能非随处可得； 风能、水能非随处可得； 生物能会导致空气污染
年气候平均） （相对于1961-1990年30年气候平均） 相对于 年 年气候平均
（根据IPCC, 根据 2001改绘） 改绘） 改绘
379 ppmv
壳牌石油所做的能源需求预测
% of Primary Energy 80% Traditional 60% Coal
40%
Oil Gas New Renewables Biofuels Nuclear
波能转换技术
振荡水柱技术（ 振荡水柱技术（OWC） ） ——岸式、离岸式 岸式、 岸式 点吸收浮子技术（ 点吸收浮子技术（Buoy） ） 摆式(Pendulum) 摆式 阀式技术(Raft) 阀式技术 鸭式(Duck) 鸭式 收缩坡道技术(Tapchan) 收缩坡道技术
潮汐Tides 潮汐 潮流Tidal (Marine) Current 潮流 波浪Waves 波浪 温差Thermal Gradient 温差 盐差Salinity Gradient 盐差
全球资源 中国理论平均功 (TWh/year) 率 (GW)
300+ 800+ 80000 10000 2000 125 110 14.0 12.9
16000 14000 12000 10000 8000 6000 4000 2000 0
人均能耗（吨标准煤 ） 人均能耗 （ 吨标准煤） 人均用电量（千瓦时 ） 人均用电量 （ 千瓦时） 1292
2100 5800 6580 8532 8215
14700 12300
2540
1462
中国
美国
日本
OECD
描述波浪的参数
波长λ，波高 ＝ 波长 ，波高H＝2A 周期T 周期
3.1 波浪特性与能量
波浪的能量
波能
1 T + V = ρ gH 2 λ 8
波能密度： 波能密度：单位面积上的波能
1 E = ρ gH 2 8 ( J m2 )
能流密度：通过1米宽度 能流密度：通过 米宽度 转移的波能 P = E ⋅ Cg
海洋能利用技术开发现状分布
海洋能利用障源自文库与挑战（IEA-OES report,2006） ）
全国性的研究创新、 全国性的研究创新、市场开发和基于市场的 能源政策对海洋能开放的国家数量不足。 能源政策对海洋能开放的国家数量不足。 单个全尺度实型转换装置的性能及其对环境 影响的海上试验已经展开。但是， 影响的海上试验已经展开。但是，缺乏很多 个全尺度实型转换装置的性能及其对环境影 响的海上试验。 响的海上试验。 缺乏项目立项的认证与许可程序 还没有国际上认可的装置性能评价准则和标 准。 面临电网连接和容量受限的挑战。 面临电网连接和容量受限的挑战。