可再生能源发电技术 程明 第4章 海洋能发电新

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1、在线教务辅导网：http:/ 更多课程配套课件资源请访问在线教务辅导网2018/8/91在线教务辅导网：http:/ 更多课程配套课件资源请访问在线教务辅导网2018/8/92可再生能源发电技术程明、张建忠、王念春 编著2018/8/934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2018/8/9454.1 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。2018/8/956n 海洋能的分类潮汐能波浪能

2、海水温差能海流能盐差能n 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。n 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。n 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。2018/8/967n 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。2018/8/978n 海洋能的开发

3、 人类开发海洋能的历史和水能利用差不多。 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。 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 。2018/8/9894.2

4、海洋能发电技术n 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。n 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。n 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。潮汐能2018/8/9910n 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：24.8h2018/8/91011潮汐发电原理利用潮汐的动

5、能发电利用潮汐的势能发电n 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。 2018/8/91112潮汐电站的分类n 单库单向式 单库单向潮汐能发电站：造价低，日均发电1012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2018/8/91213n 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1620小 时，但厂房和机组结构复杂。2018/8/91314n 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。 2018/8/91415发电机组类型最高水

6、位最低水位n 竖轴式发电机组2018/8/91516n 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2018/8/91617n 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1-流道；2-发电机；3-水轮机；4-灯泡体优点： 发电效率高 结构紧凑缺点： 安装不便 占用水道多2018/8/917181-流道；2-发电机；3-水轮机优点： 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 全贯流式：发电机定子装于水道的周壁，水轮机、发电机转子

7、 则装在水道中的一个密封体内。2018/8/91819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。 习惯上把海浪分为风浪、涌浪和近岸浪三种。 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。2018/8/91920n 波浪转换的基本原理 两个阶段：

8、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：2018/8/92021n 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。 典型方案：点头鸭、阀式浮体2018/8/92122n 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

9、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。2018/8/92223n 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。Source: Fujita Researc

10、h2018/8/92324n 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。n 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 在于如何抵御风浪破坏。2018/8/92425n 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38 m而溢出蓄水池，然后像潮汐发电一样将蓄水

11、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。2018/8/92526n 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。2018/8/92627 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。2018/8/92728 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

12、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。2018/8/92829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。大洋平均水温典型垂直分布2018/8/92930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

13、温差能约为1.5x108 kW，其中99在 南中国海。2018/8/93031n 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（ 2528）作高温热源，而以500 ml000 m深处的海 水（47）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1520左 右的有效能量。 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。2018/8/93132n 开式循环系统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

14、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 。 2018/8/93233n 闭式循环系统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。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，减小 了可利用温差。2018/8/93334n 混合

15、式循环系统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。2018/8/93435n 海水温差发电装置 Ocean Thermal Energy Conversion (OTEC)n 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。n 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。n 总之，温差能的开发应以综合利用为主。2018/8/93536海流发电 海（潮）流主要是指海水大规模相对稳

16、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。 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。2018/8/93637n 北半球冬季大洋环流2018/8/93738n 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。2018/8/93839海流发电方式n 水下风车式Seaflow300kW/ 2.5m/s 11m diam SST, Lynmouth, Devon, UK Blue Ene