新能源之海洋能发电(精)

海洋能发电
一、海洋能的简介
在福岛核电厂事故之后，各国纷纷检讨核电政策。

日前德国宣布将于2022年关闭所有核电厂，以其它电力来源替代，未来再生能源发电势必扮演更重要的角色。

在各种再生能源技术当中，海洋能是发展较为迟缓的技术之一，目前各国对于海洋能的利用，仍处于相当初始的阶段。

不过地球有百分之七十一的面积是海洋，海洋能蕴藏量亦相当丰沛，在技术发展日益成熟的情况下，未来海洋能发电可望逐步成为人类重要的能源来源。

本篇将介绍海洋能的技术种类、目前的发展现况、以及未来的展望。

二、海洋能发电的现状与趋势
2.1现状
海洋能的利用以发电为主，技术种类繁多，现阶段发展较多的四种技术，分别为：（1）利用海洋中的洋流推动水轮机发电之海流发电(Marine Current Power；(2利用每天潮流涨落的位能差产生电力之潮汐发电(Tidal Power ；(3利用波浪运动的位能差、往复力或浮力产生动力之波浪发电(Wave Power；(4利用深层海水与表层海水之温差汽化工作流体带动涡轮机发电之海洋温差发电(Ocean Thermal Energy Conversion；OTEC 。

以下分别介绍各种发电技术。

(1 海流发电
海流发电系利用海洋中海流的流动动力推动水轮机发电，一般乃于海流流经处设置截流涵洞之沉箱，并于其内设置水轮发电机，并可视发电需要增加多个机组，来进行发电；惟于机组间需预留适当之间隔，以避免紊流互相干扰。

目前国外已经有小规模试运转的案例，然而要达到大规模商用化仍需要一段日。

(2 潮汐发电
潮汐发电便是利用海潮满潮、退潮所形成的水位落差，来从事发电，在海湾围建堤防和水路，在涨潮时引水入储水池，退潮时将储水放出，每日可发电四次，但当潮汐满潮与退潮高度相差较小，则发电效益较低。

理想具经济效益的潮差至少需要5公尺。

潮汐发电为商用化进展较快的技术，目前已有商用化运转的发电站。

(3 波浪发电
波浪发电是将海浪动能转换成电能，其运转型式完全依据波浪之上下振动特性而设计，利用稳定运动机制撷取波浪动能，然后再加以利用来发电。

现阶段较常见的设计为在海边建造中空的结构，利用波浪起伏的落差，推动结构体内的空气，形成强大的气流来推动涡轮发电，目前欧盟正积极发展可商转的系统，能源转换效率可达10%以上，但目前波浪发电设备尚十分分歧，采用的技术也有一些差异。

(4 温差发电
海洋温差发电之原理与火力、核能发电原理相类似，首先利用表层海水蒸发低蒸发温度之流体，如氨、丙烷或氟利昂，使其汽化推动涡轮发电机发电，然后利用深层冷海水冷却工作流体成液态，再予反复使用。

当表层与底层海水温差超过20℃以上，即可产生电力。

因受限于大口径冷水管技术，此发电方法难以大型化，转换效率仍有待于提升，目前转换效率约3~5%。

2.2趋势
从目前技术发展来看, 潮汐能发电技术最为成熟, 已经达到了商业开发阶段, 已建成的法国朗斯电站、加拿大安纳波利斯电站、中国的江厦电站均已运行多年; 波浪能和潮流能还处在技术攻关阶段, 英国、丹麦、挪威、意大利、澳大利亚、美国、中国建造了多种波浪能和潮流能装置, 试图改进技术, 逐渐将技术推向实用; 温差能还处于研究初期, 只有美国建造了一座温差能电站, 进行技术探索。

从能流密度来看, 波浪能、海流能的能流密度最大, 因此这2 种能量转换装置的几何尺度较小, 其最大尺度通常在10 m 左右, 可达到百千瓦级装机容量; 温差能利用需要连通表层海水与深部海水, 因此其最大尺度通常在几百米量级, 可达到百千瓦
级净输出功率; 潮汐能能流密度较小, 需要建立大坝控制流量, 以增大坝两侧的位差, 从而在局部增大能流密度, 计入大坝尺度, 潮汐能的最大尺度在千米量级, 装机容量可达到兆瓦级。

尺度小带来许多便利之处: 一是应用灵活, 建造方便, 一旦需要可以在短时间内完成, 因此具有军用前景; 二是规模可大可小, 大规模可以通过适当装机容量的若干装置并联而成; 三是对环境的影响较小。

因此, 人们普遍认为波浪能和潮流能对环境的影响不大, 而潮汐能对环境的影响较大。

基于以上理由, 目前国外发展最快的是波浪能和海流能。

而波浪能由于比海流能的分布更广, 因而更加受到人们的关注。

从能量形式来看, 温差能属于热能, 潮汐能、海流能、波浪能都是机械能。

对于发电来说, 机械能的品位高于热能, 因此在转换效率和发电设备成本等方面具有一定优势。

温差能在发电的同时还可以产出淡水, 这一点也值得注意。

三、技术方案
3.1 波浪能发电系统
（1） OWC技术
OWC 波能装置利用空气作为转换的介质。

图1 所示为OWC 波能转换系统的示意图。

该系统的一级能量转换机构为气室, 其下部开口在水下, 与海水连通, 上部也开口( 喷嘴 , 与大气连通; 在波浪力的作用下, 气室下部的水柱在气室内作上下振荡, 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。

该系统的二级能量转换机构为空气透平, 安装在气室的喷嘴上, 空气的压能和动能可驱动空气透平转动, 再通过转轴驱动发电机发电。

OWC 波能装置的优点是转动机构不与海水接触, 防腐性能好, 安全可靠, 维护方便; 其缺点是二级能量转换效率较低。

（2）筏式技术
它由铰接的筏体和液压系统组成。

筏式装置顺浪向布置, 筏体随波运动, 将波浪能转换为筏体运动的机械能( 一级转换 ; 然后驱动液压泵, 将机械能转换为液压能,
驱动液压电动机转动, 转换为旋转机械能( 二级转换 ; 通过轴驱动电机发电, 将旋转机械能转换为电能( 三级转换。

筏式技术的优点是筏体之间仅有角位移, 即使在大浪下, 该位移也不会过大, 故抗浪性能较好; 缺点是装置顺浪向布置, 单位功率下材料的用量比垂直浪向布置的装置大, 可能提高装置成本。

McCabe 波浪泵由3 个宽4 m 的钢浮体铰接而成, 其中间浮体较小, 但其下有一块板, 可以增加附加质量, 使中间浮体运动幅度相对较小, 以增大前后两端浮体相对中间浮体的角位移。

该装置可以为海水淡化装置提供能量, 也可用来发电。

海蛇装置为改良的筏式装置。

该装置不仅允许浮体纵摇, 也允许艏摇, 因而减小了斜浪对浮体及铰接结构的载荷。

装置的能量采集系统为端部相铰接、直径3. 5 m 的浮筒, 利用相邻浮筒的角位移驱动活塞, 将波浪能转换成液压能。

装置由3 个模块组成, 每个模块的装机容量为250 kW, 总装机容量为750 kW, 总长为150 m, 放置在水深为50 m~ 60 m 的海面上。

（3）收缩波道技术
收缩波道装置由收缩波道、高位水库、水轮机、发电机组成, 如图7 所示。

该装置喇叭形的收缩波道为一级能量转换装置。

波道与海连通的一面开口宽, 然后逐渐收缩通至高位水库。

波浪在逐渐变窄的波道中, 波高不断被放大, 直至波峰溢过收缩波道边墙, 进入高位水库, 将波浪能转换成势能( 一级转换。

高位水库与外海间的水头落差可达3 m~ 8 m, 利用水轮发电机组可以发电( 二级、三级转换。

其优点是一级转换没有活动部件, 可靠性好, 维护费用低, 在大浪时系统出力稳定; 不足之处是小浪下的系统转换效率低。

（4）点吸收( 浮子技术
点吸收式装置的尺度与波浪尺度相比很小, 利用波浪的升沉运动吸收波浪能。

点吸收式装置由相对运动的浮体、锚链、液压或发电装置组成。

这些浮体中有动浮体和相对稳定的静浮体, 依靠动浮子与静浮体之间的相对运动吸收波浪能
（5）鸭式技术
鸭式装置是一种经过缜密推理设计出的一种具有特殊外形的波能装置, 其效率高, 但该装置抗浪能力还需要提高。

该装置具有一垂直于来波方向安装的转动轴。

装置的横截面轮廓呈鸭蛋形, 其前端( 迎浪面较小, 形状可根据需要随意设计; 其后部( 背浪面较大, 水下部分为圆弧形, 圆心在转动轴心处。

装置在波浪作用下绕转动轴往复转动时, 装置的后部因为是圆弧形, 不产生向后行进的波; 又由于鸭式装置吃水较深, 海水靠近表面的波难以从装置下方越过, 跑到装置的后面, 故鸭式装置的背后往往为无浪区--- 这使得鸭式装置可以将所有的短波拦截下来, 如果设计得当, 鸭式装置在短波时的一级转换效率接近于100%。

3.2 潮夕能和海流能技术
（1）垂直轴式潮流能发电系统
在垂直轴式潮流能发电装置方向, 国外的研究起步较早。

加拿大Blue Energy 公司是国外较早开展垂直轴潮流能发电装置研究的单位。

其中著名的Davis 四叶片垂直轴涡轮机就是以该公司的工程师来命名的。

到目前为止, 该公司一共研制了6 台试验样机并进行了相关的测试试验, 最大功率等级达到100 kW。

通过长期的试验研究发现, 在样机中使用扩张管道装置可以将系统的工作效率提高至45%左右。

意大利Ponte di Ar chimede Inter nat ional SpA公司和Naples 大学航空工程系合作研发了一台130 kW 垂直轴水轮机模型样机, 命名为Kobold 涡轮, 并于2000 年在Messina 海峡进行了海上试验。

它采用了传动比为160 的齿轮箱增速装置, 并可以利用离心力进行叶片的节距调节, 具有相对较大的启动力矩。

Kobo ld 涡轮在1. 8 m/ s 的水流流速下发出功率为20 kW 左右, 系统的整体工作效率较低, 约为23%。

（2）水平轴式潮流能发电系统
与垂直轴式结构相比, 水平轴式潮流能发电装置具有效率高、自启动性能好的特点, 若在系统中增加变桨或对流机构则可使机组适应双向的潮流环境, 这种形式的发电装置兴
起于最近10 年, 但却取得了很大的进展。

英国Mar ine Current Turbine 公司是目前世界上在潮流发电领域取得最大成就的单位之一。

该公司设计了世界上第1 台大型水平轴式潮流能发电样机--- 300 kW 的/ Seaf low 0, 并于2003 年在Devon 郡北部成功进行了海上试验运转。

该公司第2 阶段商业规模的1. 2 MW 双叶轮结构的/ Seagen 0 样机也于2008 年在北爱尔兰Strangford 湾成功进行了试运行, 如图14 所示, 最大发电功率达到了1. 2 MW 。

目前, 该样机仍处于试运转阶段。

3.3 温差能利用
（1）开式循环
开式循环采用表层温海水作为工质, 其工作框图如图17 所示。

当温海水进入真空室后, 低压使之发生闪蒸, 产生约2. 4 kPa 绝对压力的蒸汽。

该蒸汽膨胀, 驱动低压汽轮机转动, 产生动力。

该动力驱动发电机产生电力。

做功后的蒸汽经冷海水降温而冷凝, 减小了汽轮机背后的压力( 这是保证汽轮机工作的条件 , 同时生成淡水。

开式循环过程中要消耗大量的能量: 在温海水进入真空室前, 需要开动真空泵将温海水中的气体除去, 造成真空室真空; 在淡水生成之后, 需要用泵将淡水排出系统( 注意开式循环系统内的绝对压力小于2. 4 kPa, 而系统外的绝对压力不小于98 kPa, 因此排出1 m3 淡水需要的能量大于95. 6 kJ ; 冷却的冷海水需要从深海抽取。

这些都需要从系统产生的动力中扣除。

当系统存在如效率不高、损耗过大、密封性不好等问题时, 就会造成产能下降或耗能增加, 系统扣除耗能之后产生的净能量就会下降, 甚至为负值。

因此, 降低流动中的损耗, 提高密封性, 提高每个泵的工作效率, 提高换热器的效率, 就成为系统成败的关键。

（2）闭式循环
在闭式循环中, 温海水通过热交换器( 蒸发器加热氨等低沸点工质, 使之蒸发。

工质蒸发产生的不饱和蒸汽膨胀, 驱动汽轮机, 产生动力。

该动力驱动发电机产生电力。

做功后的蒸汽进入另一个热交换器, 由冷海水降温而冷凝, 减小了汽轮机背后的压力( 这是保证汽轮机工作的条件。

冷凝后的工质被泵送至蒸发器开始下一循环。

系统工作框图如图18 所示。

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闭式循环的优点在于工质的沸点低, 故在温海水的温度下可以在较高的压力下蒸发, 又可以在比较低的压力下冷凝, 提高了汽轮机的压差, 减小了汽轮机的尺寸, 降低了机械损耗, 提高了系统转换效率; 缺点是不能在发电的同时获得淡水。

从耗能来说, 闭式系统与开式系统相比, 在冷海水和温海水流动上所需的能耗是一致的, 不一致的是工质流动的能耗以及汽轮机的机械能耗, 闭式系统在这2 部分的能耗低于开式系统。

（3）混合式循环
混合式循环系统中同时含有开式循环和闭式循环。

其中开式循环系统在温海水闪蒸产生不饱和水蒸气, 该水蒸气穿过一个换热器后冷凝, 生成淡水, 如图19 所示。

该换热器的另一侧是闭式循环系统的液态工质, 该工质在水蒸气冷凝释放出来的潜热加热下发生气化, 产生不饱和蒸汽, 驱动汽轮机, 产生动力。

该动力驱动发电机产生电力。

做功后的该蒸汽进入另一个热交换器, 由冷海水降温而冷凝, 减小了汽轮机背后的压力。

冷凝后的工质被泵送至蒸发器开始下一循环。

四、海洋能发电的优缺点
4.1优点
（1）开发海洋能可以缓解能源紧缺
能源是世界经济增长的动力, 经济的增长总是伴随着能源消耗的增长。

在20 世纪的100 年内, 世界能源消耗量增加了约9 倍。

根据国际能源署( IEA 的预测, 未来25 年内, 世界能源需求总量还将增加近1 倍。

期间, 发达国家能源消费增长速度将减慢, 但在世界能源消费总量中仍占相当比重, 以亚太地区为主的发展中国家能源消费依然处于高增长状态。

与此同时, 中国的化石能源资源非常有限。

以石油为例, 截至2004 年底, 中国石油剩余可采储量为23 @ 108 t, 位居世界第13 位, 但仅占世界总量的1. 4%, 石油储采比13. 4, 远低于世界平均水平的40. 5。

中国经济的增长在能源供应和需求问题上面临着严峻挑战。

2004 年的/ 电荒0 已经凸显电力对经济发展的强力制约。

可以预见, 在不远的将来, 中国有相当一部分能源需求不能由现在常规的能源供应来满足, 也必须寻求新的办法来解决能源长期的需求短缺问题。

海洋能作为一种新型的可再生能源, 全球的可开发量远远超过目前的发电功率, 大规模地开发海洋能可以缓解能源紧缺, 是解决中国能源问题的一条有效途径。

（2）开发海洋能可以极大地增强海洋资源开发能力
目前陆地上资源日益枯竭, 许多国家正逐渐将目光转向海洋。

在海洋这一表层矿产中, 有着许多沉积物软泥, 含有丰富的金属元素和浮游生物残骸, 例如: 在覆盖超过108 km2 的海底红粘土中, 富含轴、铁、锰、锌、银、金等, 具有较大的经济价值。

海底有富集的矿床。

海洋矿砂主要有滨海矿砂和浅海矿砂。

它们都存在于水深不超过几十米的海滩和浅海中, 该矿砂矿物富集且具工业价值, 开采方便。

另外, 从这类砂矿中还可以淘出黄金、金刚石、石英、钻石、独居石、钛铁矿、磷钇矿、金红石、磁铁矿等。

所以, 海洋矿砂已经成为增加矿产储量的最大的潜在资源之一, 越来越受到人们的重视。

在深海的海底, 存在更加丰富的矿藏。

其中多金属结核锰结核作为最有经济价值的一种, 呈现高度富集状态, 并分布于300 m~ 6 000 m 水深的大洋底表层沉积物
上。

估计整个大洋底锰结核的蕴藏量约3× 1012 t。

因此, 锰结核矿已成为许多国家的开发热点。

石油和天然气是遍及世界各大洲大陆架的矿产资源。

有报告指出, 1990 年, 全世界海上石油已探明储量达2. 970 ×1010 t , 海上天然气已探明储量达1. 909 × 1013 m3。

油气加在一起的价值占到海洋中已知矿藏总产值的70%以上。

开发海洋资源对世界任何国家来说都十分重要。

在21 世纪, 海洋资源必将成为许多国家争相开采的对象。

尤其是, 在远离大陆的海洋中, 海洋能是所有能源中获取较为方便和成本相对低廉的能源。

发展海洋能技术, 可以大大降低海洋开发的成本。

因此, 发展海洋能技术是提高利用海洋资源能力和降低海洋资源开发成本的重要条件。

（3）开发海洋能可以改善环境
20 世纪人类文明发展在相当程度上依赖于煤炭、石油、天然气等化石能源的开发利用。

但是, 利用化石能源也给地球环境造成了严重危害, 使人类生存空间受到了极大的威胁。

化石能源对环境的污染, 主要表现在温室效应、酸雨、破坏臭氧层、大气颗粒物污染以及开采、运输、加工过程所造成的生态环境破坏。

随着现代工业的发展, 环境问题日趋严重。

为了减轻污染对环境和公众健康的危害, 5 中华人民共和国清洁生产促进法 6 已于 2003 年 1 月 1 日正式施行, 它指明了生产领域特别是工业生产的发展方向。

因此, 如何更加有效地利用能源就成为国内保护环境、改善环境质量的重要突破口, 而在能源利用中,节能降耗和开发新能源必然成为其核心问题。

海洋能作为一种清洁、可再生的能源, 资源丰富, 其中全球可再生的海洋能资源, 理论上总量为 76. 6 TW,发展前景非常可观。

20 世纪 90 年代以来, 开发利用新能源和可再生能源已经成为中国的一项战略选择, 正如 51996 2010 年新能源和可再生能源发展纲要 6 所指出的:发展新能源和可再生能源的战略目标是逐步改善和优化中国的能源结构, 更加合理、有效地利用可再生资源, 保护环境, 促使中国能源、经济和环境的发展相互协调, 实现社会的可持续发展。

为此, 发展开发海洋能技术, 是实现这一战略目标的重要的有效路径之一。

4.2 缺点尽管
海洋能利用可以改善环境, 但还应注意, 海洋能开发过程也存在一些潜在的环境问题。

如潮汐电站不但会改变潮差和潮流, 而且会改变海水温度和水质, 这些变化又会影响到浮游生物及其他有机物的生长以及这一地区的鱼类生活等。

与此同时,建造拦潮坝也可能会给河口带来某些环境问题, 如影响到地下水和排水以及加剧海岸侵蚀等。

各项海洋能技术除了技术难度高之外，现阶段成本仍居高不下。

海洋能发电所使用之涡轮发电机，与目前现行之火力、水力、核能发电使用之发电机组，在结构上不会有太大差异，然而其面对的环境更为严苛，考虑因素包括海水侵蚀、海洋生物附着、台风侵害等，因此发电设备必须要有特别的设计。

五、解决的办法与途径 (1海洋能作为可再生能源具有持续开发价值,需进行世界各类海洋能资源储量、分布的调查和评价;(2对于在技术上已经成熟的潮汐发电站,要考虑建潮汐大坝的环境问题和它的经济性,特别要考虑发电与围垦、养殖与交通的综合利用;(3对于技术上还不成熟的波浪电站、潮流电站和海水温差电站,进行新能源综合开发利用技术、多能互补联网运行与控制技术的研究等;(4对已建的实验潮汐电站开展优化运行研究,提高其经济效益,以促进潮汐电站的大规模发展。