6 第六章 海洋能

我国的海洋能开发 • 我国海洋能开发有近50年的历史，迄今已建成潮汐电站8 座。 • 我国的海洋发电技术已有较好的基础和丰富的经验，小型 潮汐发电技术基本成熟，已具备开发中型潮汐电站的技术 条件。
• 大力开发我国海洋能具有重大意义 我国大陆海岸线长达18000多公里，有大小岛屿6960多个，海 岛总面积6700平方公里，有人居住的岛屿有430多个，总人口 450多万人沿海和海岛既是外向型经济的基地，又是海洋运输 和开发海洋的前哨，并且在巩固国防，维护祖国权益上占有 重要地位。这些岛屿大多远离陆地，因而缺少能源供应。因 此要实现我国海岸和海岛经济的可持续发展，必须大力发展 我国的海洋能资源。
单库单向型
• 单库单向型是在涨潮时将贮水库闸门打开，向水库充水， 平潮时关闸；落潮后，待贮水库与外海有一定水位差时 开闸，驱动水轮发电机组发电。单库单向发电方式的优 点是设备结构简单，投资少；缺点是发电断续，1天中约 有65％以上的时间处于贮水和停机状态。
电站评述 • 单库单向电站每昼夜发电两次，停电两次，平均每日发 电约9~11小时。 • 由于采用单向机组，机组结构简单，发电水头较大，机 组效率较高。 • 也可采用涨潮时发电充水，落潮时泄水的形式。 • 多用于小型潮汐电站。
潮汐发电的主要优点
• 潮汐电站的水库都是利用河口或海湾来建造的， 不占用耕地，也不像河川水电站或火电站那样 要淹没或占用大量的良田； • 它既不像河川水电站那样受洪水和枯水季节的 影响，也不像火电站那样污染环境，是一种既 不受气候条件影响而又非常“干净”的发电站； • 潮汐电站的堤坝较低，建造容易。其投资也相 对较少。
潮汐能
定义：因月球引力的变化引起潮汐现象，潮汐导致海水 平面周期性地升降，因海水涨落及潮水流动所产生的能 量，称为潮汐能。潮汐能是以位能形态出现的海洋能， 是指海水潮涨和潮落形成的水的势能。 海水涨落的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。由于地球的旋转，这种水 位的上升以周期为 12h25min和振幅小于1m的深海波浪形 式由东向西传播。太阳引力的作用与此相似，但是作用 力小些，其周期为12h。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ 温差能
温差能是以热能形态出现的海洋能，是指海洋表层海水和 深层海水之间水温之差的热能，又称海洋热能。海洋是地 球上一个巨大的太阳能集热和蓄热器。由太阳投射到地球 表面的太阳能大部分被海水吸收，使海洋表层水温升高。 海洋的表面把太阳的辐射能的大部分转化成为热水并储存 在海洋的上层。
• 温差发电的基本原理就是借助一种工作介质，使表层海 水中的热能向深层冷水中转移，从而做功发电。例如使 用低沸点的二氧化硫、氨或氟利昂做介质，在表层温水 热力作用下气化、沸腾，吹动透平机发电，再利用深层 冷水把工作介质凝结成液态。如此循环不息，保持发电 机运行。海洋温差能发电系统主要有开式循环和闭式循 环两种方式。
• 通常，海水（3.5%盐度）和河水之间的化学电位差有 相当于240m水头差的能量密度，这种位元差可以利用 半渗透膜（水能通过，盐不能通过）在盐水和淡水交 接处实现。利用这一水位差就可以直接由水轮发电机 发电。
盐差能的利用 • 盐差能的利用主要是发电。其基本方式是将不同盐浓 度的海水之间的化学电位差能转换成水的势能，再利 用水轮机发电，具体主要有渗透压式、蒸汽压式和反 电渗析法等，其中渗透压式方案最受重视。 • 渗透压能法（PRO）———利用淡水与盐水之间的 渗透压力差为动力，推动水轮机发电； • 反电渗析法（RED）———用阴阳离子渗透膜将浓、 淡盐水隔开，利用阴阳离子的定向渗透在整个溶 液中产生的电流； • 蒸汽压能法（VPD）———利用淡水与盐水之间蒸 汽压差为动力，推动风扇发电。
海洋能的特点
• 它在海洋总水体中的蕴藏量巨大，而单位体积、单位面积、 单位长度所拥有的能量较小。这就是说，要想得到大能量， 就得从大量的海水中获得。 • 它具有可再生性。海洋能来源于太阳辐射能与天体间的万 有引力，只要太阳、月球等天体与地球共存，这种能源就 会再生，就会取之不尽，用之不竭。 • 海洋能有较稳定与不稳定能源之分。较稳定的为温度差能、 盐度差能和海流能。不稳定能源分为变化有规律与变化无 规律两种。属于不稳定但变化有规律的有潮汐能与潮流能。 既不稳定又无规律的是波浪能。 • 海洋能属于清洁能源，也就是海洋能一旦开发后，其本身 对环境污染影响很小。
双库单向型
这个方案采用两个水力相联的水库，可实现潮汐能连续发 电。涨潮时，向高贮水库充水；落潮时，由低贮水库排水， 利用两水库间的水位差，使水轮发电机组连续单向旋转发 电；其缺点是要建两个水库，投资大且工作水头降低。 电站评述 • 双库连续发电电站的优点十分明显，但缺点时工程建筑 物多、分散，工程投资高。 • 由于把海湾或河口分隔成两个水库，使原来一个大水库 与外海交换的水量变成两个水库之间的水量交换，因此 发电利用的水量约减少了一半，发电量也相应减少较多。 • 双库连续发电宜建设在地形条件十分优越的地方，如何 利用天然地形不增建中间堤坝，布置厂房、水闸较方便。 • 一般情况下这种电站单位造价比较昂贵。
波浪能
定义：波浪能是指海洋表面波浪所具有的动能和势能。 波浪的能量与波高的平方、波浪的运动周期以及迎波面 的宽度成正比。波浪能是海洋能源中能量最不稳定的一 种能源。台风导致的巨浪，其功率密度可达每米迎波面 数千kW，而波浪能丰富的欧洲北海地区，其年平均波浪 功率也仅为20-40kW／m；中国海岸大部分的年平均波浪 功率密度为2-7kW／m。
波浪能利用 • 波浪发电是波浪能利用的主要方式，此外，波浪能还可 以用于抽水、供热、海水淡化以及制氢等。波浪能利用 装置的种类繁多，有关波能装置的发明专利超过千项， 获得专利证书的也达数百件。波浪能利用被称为“发明 家的乐园”。
波浪能利用的几种基本原理
• 利用物体在波浪作用下的振荡和摇摆运动； 利用波浪压力的变化；利用波浪的沿岸爬 升将波浪能转换成水的势能等。 • 早期海洋波浪能发电付诸实用的是气动式 波力装置。道理很简单，就是利用波浪上 下起伏的力量，通过压缩空气，推动汲筒 中的活塞往复运动而做功。
潮汐发电
• 具体地说，潮汐发电就是在海湾或有潮汐的 河口建一拦水堤坝，将海湾或河口与海洋隔 开构成水库，再在坝内或坝房安装水轮发电 机组，然后利用潮汐涨落时海水位的升降， 使海水通过轮机转动水轮发电机组发电。潮 汐电站按照运行方式和对设备要求的不同， 可以分成单库单向型、单库双向型和双库单 向型三种。
第六章 海洋能
海洋能源通常指海洋中所蕴藏的可再生的自然能源，主要为 潮汐能、波浪能、海流能（潮流能）、海水温差能和海水盐 差能。更广义的海洋能源还包括海洋上空的风能、海洋表面 的太阳能以及海洋生物质能等。究其成因，潮汐能和潮流能 来源于太阳和月亮对地球的引力变化，其他均源于太阳辐射。
• 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。
单库双向型
• 单库双向型有两种设计方案。第一种方案利用两套单向 阀门控制两条向水轮机引水的管道。在涨潮和落潮时， 海水分别从各自的引水管道进入水轮机，使水轮机单向 旋转带动发电机。第二种方案是采用双向水轮机组。
电站评述 • 单库双向电站每昼夜发电4次，停电4次，平均每日发电 约14~16小时。 • 发电小时数约增长1/3，发电量约增加1/5。 • 由于兼顾正反两向发电，所以发电平均水头较单向发电 小，相应机组单位千瓦造价比单向发电为高。 • 设备制造和操作运行技术要求高，宜在大中型电站中采 用。
潮汐中的巨大能量
• 海洋的潮汐中蕴藏着巨大的能量。在涨潮的过程中，凶涌而 来的海水具有很大的动能，而随着海水水位的升高，就把海 水的巨大动能转化为势能，在落潮的过程中，海水奔腾而去， 水位逐渐降低，势能又转化为动能。
• 潮差：潮汐潮落所形成的水位差，即相邻高潮潮位与低潮潮 位的高度差，称为潮位差或潮差。通常，海洋中的潮差不大， 一般只有几十厘米至1米左右。而在喇叭状海岸或河口的地 区，其潮差就比较大。 • 海水潮汐能的大小随潮差而变，潮差越大则潮汐能也越大。 比如说在1平方千米的海面上，当潮差为5米时，其潮汐能的 最大发电能力约为5500千瓦；而当潮差为10米时，其潮汐能 的最大发电能力则可达22000千瓦
海洋温差能利用
• 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 可以与深海采矿系统相结合。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、海水淡化厂或海洋采矿、 海上城市或海洋牧场的支援系统。总之， 温差能的开发应以综合利用为主。
盐差能
盐差能是指海水和淡水之间或两种含盐浓度不同的海水之 间的化学电位差能。主要存在于河海交接处。 同时，淡水 丰富地区的盐湖和地下盐矿也可以利用盐差能。盐差能是 海洋能中能量密度最大的一种可再生能源。
潮汐发电
• 潮汐能利用的主要方式是发电，潮汐发电与水力发电 的原理相似。通过贮水库，在涨潮时将海水贮存在贮 水库内，以势能的形式保存，然后，在落潮时放出海 水，利用高、低潮位之间的落差，推动水轮机旋转， 带动发电机发电。
• 潮汐能利用可分为两种形式： • 一是利用潮汐的动能，直接利用潮流前进的力量来 推动水车、水泵或水轮机发电。 • 二是利用潮汐的位能，在电站上下游有落差时引水 发电。 • 由于利用潮汐的动能比较困难，效率又低，所以潮 汐发电多采用后一种形式，即利用潮汐的位能。
海流能
• 海流能是指海水流动的动能，主要是指海底水道和海峡中 较为稳定的流动以及由于潮汐导致的有规律的海水流动。 海流能的能量与流速的平方和流量成正比。相对波浪而言， 海流能的变化要平稳且有规律得多。 潮流能随潮汐的涨落 每天2次改变大小和方向。一般来说，最大流速在2m／s以 上的水道，其海流能均有实际开发的价值。 • 海流能的利用方式： 主要是发电，其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发电装置。但由于海水的密度约为空 气的1000倍，且装置必须放于水下。故海流发电存在一系列的 关键技术问题，包括安装维护、电力输送、防腐、海洋环境中 的载荷与安全性能等。 一种海流发电站，有许多转轮成串地安装在两个固定的浮体之 间，在海流冲击下呈半环状张开，被称为花环式海流发电站。