第8章 海洋能利用与发电技术 机械工业出版社.

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1 第8章 海洋能利用与发电技术 机械工业出版社

2 机械工业出版社

3 主要内容 8.1 8.2 8.3 8.4 海洋能简介 海洋能的分类与利用 海洋能源的发电与资源评价 海洋能的利用前景与制约因素
机械工业出版社

4 8.1 海洋能简介 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。 机械工业出版社

5 8.1 海洋能简介 潮汐电站 设想中的温差发电装置 机械工业出版社

6 8.1 海洋能简介 波浪发电站 潮流发电站 机械工业出版社

7 海洋能特点 1 2 3 4 可再生性：由于海水潮汐、海流和波浪等运动周而复始，永不休止，所以海洋能是可再生能源； 属于一种洁净能源，无污染；
能量多变，具有不稳定性，运用起来比较困难； 4 总量巨大，但分布不均、分散，能流密度低，利用效率不高，经济性差。 机械工业出版社

8 8.2 海洋能的分类与利用 1．潮汐能 海洋能的表现形式多种多样，通常包括：潮汐能、海流能、波浪能、海洋温差能和海洋盐差能等。
8.2.1 海洋能的分类 海洋能的表现形式多种多样，通常包括：潮汐能、海流能、波浪能、海洋温差能和海洋盐差能等。 1．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。主要是指海水潮和潮落形成的水的势能，利用的原理与水力发电的原理类似，而且潮汐能的能量与潮量和潮差成正比。 机械工业出版社

9 8.2 海洋能的分类与利用 8.2.1 海洋能的分类 2．海流能 海流能是另一种以动能形态出现的海洋能。所谓海流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。海流能也主要用来发电，发电原理与风力发电类似。但是由于海水的密度比较大，而且海流发电装置必须置于海水中，所以海流发电还存在了以下一些关键技术：安装维护、电力输送、防腐、海洋环境中的载荷与安全性能、海流装置的固定形式和透平设计等。 机械工业出版社

10 8.2 海洋能的分类与利用 8.2.1 海洋能的分类 3．波浪能 波浪能是海洋能利用研究中近期研究最多、政府投资项目最多和最重视的一种能源。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。波浪能是由风把能量传递给海洋而产生的，它实质上是吸收了风能而形成的。能量传递速率和风速有关，也和风与水相互作用的距离（即风区）有关。 机械工业出版社

11 8.2 海洋能的分类与利用 8.2.1 海洋能的分类 4．温差能 温差能是指海洋表层海水和深层海水之间水温之差的热能。赤道附近太阳直射多，其海域的表层温度可达25～28℃，波斯湾和红海由于被炎热的陆地包围，其海面水温可达35℃，而在海洋深处500～1000m处海水温度却只有3～6℃，这个垂直的温差就是一个可供利用的巨大能源。海洋温差能转换主要有开式循环和闭式循环两种方式。温差能利用的困难主要是温差太小，能量密度太低。温差能转换的关键是强化传热传质技术。 机械工业出版社

12 8.2 海洋能的分类与利用 8.2.1 海洋能的分类 5．盐差能 盐差能是以化学能形态出现的海洋能。它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。 在淡水与海水之间有着很大的渗透压力差（相当于240m的水头）。从原理上来说，可通过让淡水流经一个半渗透膜后再进入一个盐水水池的方法来开发这种理论上的水头。如果在这一过程中盐度不降低的话，产生的渗透压力足可以将水池水面提高240m，然后再把水池水泄放，让它流经水轮机，从而提取能量。 机械工业出版社

13 潮汐是海水受太阳、月球和地球引力的相互作用后，所发生的周期性涨落现象。
8.2.2 潮汐能发电原理及应用 潮汐是海水受太阳、月球和地球引力的相互作用后，所发生的周期性涨落现象。 图8-1 潮汐过程线 机械工业出版社

14 ②等候，直至水库中的水到退潮，这样使库内外产生一定的水头； ③将水库中的水通过水轮机放入大海中，直到海水涨潮，海水水头降到最低工 作点为止；
8.2.2 潮汐能发电原理及应用 单库单向作用 —— ”落潮发电” 步骤 ①向水库注水； ②等候，直至水库中的水到退潮，这样使库内外产生一定的水头； ③将水库中的水通过水轮机放入大海中，直到海水涨潮，海水水头降到最低工 作点为止； ④第二次涨潮时重复以上工作步骤。 也可以反过来，使海水从海里向水库注入时推动水轮机发电，这种方式称为 “涨潮发电”。但是，蓄水库的坝边通常是斜坡形的，所以“落潮发电”一般 更为有效。 机械工业出版社

15 无论是单向发电还是双向发电，出力的大小都与水库的深度、潮差以及电站的 结构设计有关。
8.2.2 潮汐能发电原理及应用 单库双向作用 步骤 ①通过水闸向库内注水； ②等候，使水在库内保持一段时间； ③利用落潮发电； ④通过水闸将库中的水泄干； ⑤等候一段时间； ⑥涨潮发电。 无论是单向发电还是双向发电，出力的大小都与水库的深度、潮差以及电站的 结构设计有关。 机械工业出版社

16 我国运行发电的主要潮汐电站简况表 8.2.2 潮汐能发电原理及应用 机械工业出版社 站名 位置 型式 机组 数量 装机容量 每年耗电量/万度
建站时间 投产 时间 设计 /kW 实际 沙山 浙江温岭 单库单向 1 40ⅹ1 40 9.3 8.5 1958 岳甫 浙江象山 4 75ⅹ4 75ⅹ1 60 6.2 1970 1972.5 海山 浙江玉环 双库单向 2 75ⅹ2 150 31 5～7 1973 1975 江厦 单库双向 6 500ⅹ6 500ⅹ1 1070 116 1972 1980 白沙口 山东乳山 160ⅹ6 640 232 / 1978.8 浏河 江苏太仓 双向 双贯流式 25 1978.7 筹东 福建长乐 卧轴轴伸式 1959 果子山 广西 龙门港 1976 1977.2 机械工业出版社

17 世界现有投入运行的潮汐电站 8.2.2 潮汐能发电原理及应用 机械工业出版社 地点 平均潮差/m 库区面积 /km2 装机容量 /MW
发电量 /(GW·h/a) 投入运行时间 /年份 朗斯（法国） 基斯洛湾（前苏联） 江厦（中国） 安娜波利斯（加拿大） 8.0 2.4 7.1 6.4 17 2 6 240.0 0.4 3.2 17.8 540 - 11 30 1966 1968 1980 1984 机械工业出版社

18 8.2.2 潮汐能发电原理及应用 我国的潮汐能开发技术研究已取得很大进展。小型潮汐电站开发技术已趋成熟。江厦潮汐电站已成功地使用了我国自己设计制造安装的双向贯流灯泡型机组，水轮机具有正、反向发电和泄水的工况。为了保证潮汐电站的发电质量，提高经济效益，有些电站也采用了新的电子技术，实行自动运行控制。江厦潮汐电站利用计算机能正确地做潮位预报，能够保证机组的最大出力。 机械工业出版社

19 8.2.2 海流能发电原理及应用 海流发电概况： 海流和潮汐实际上是同一潮波现象的两种不同表现形式。潮汐是潮波运动引起的海水垂直升降，潮流是潮波运动引起的海水水平流动。一般来说，开阔的外海潮差小，流速亦小，靠岸边越大，在港湾口、水道地区流速显著变化。潮流涨落方向如果呈旋转变化，则称旋转流，一般发生在较开阔的海区；潮流涨落方向如果为正反向变化，则称往复流，一般发生在较狭窄的水域。 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。 机械工业出版社

20 8.2.3 海流能发电原理及应用 海流发电装置的两种方式 1.ONE 链式发电系统 2.TWO 旋转式发电系统 机械工业出版社

21 8.2.3 海流能发电原理及应用 链式海流发电装置： 它主要由降落伞、环状链条、驱动轮和发电机组成。一般在环状链条上装有多个降落伞，链条在降落伞的带动下会转动，同时使驱动轮转动，驱动轮与船上发电机相连。当降落伞顺着海流方向时。由于海流的作用，降落伞张开，当降落伞转到与海流相对的方向时，伞口收拢，带有降落伞的链条的运动使驱动轮转动。挂有降落伞的链条自动地向驱动轮的下游漂移，所以降落伞和链条的方向可以始终与流速较大的海流的方向保持一致。 机械工业出版社

22 8.2.3 海流能发电原理及应用 图8-2 链式海流发电装置 机械工业出版社

23 8.2.3 海流能发电原理及应用 旋转式海流发电装置： 这种发电装置有一台带外罩的水轮机。在喉部有一台用轮缘固定方式固定的双转式水轮机。当叶轮旋转速度加快时，可变式水轮叶片呈悬链线形，这样可最大限度地利用海流。水轮机边缘有多个动力输出装置，动力输出装置带动发电机组，从而使水轮机的旋转运动转换为电能。这种装置通常采用绷紧式三点系泊装置进行固定。可以减少海面船舶活动造成的影响，发出的电能通过电缆输往岸上。 机械工业出版社

24 8.2.3 海流能发电原理及应用 图8-3 旋转式海流发电装置 机械工业出版社

25 8.2.4 波浪能发电原理及应用 波浪能发电概况： 波浪是由于风和水的重力作用形成的起伏运动，它具有一定的动能和势能。波浪能利用的关键是波浪能转换装置，通常波浪能要经过三级转换：第一级为受波体，它将大海的波浪能吸收进来；第二级为中间转换装置，它优化第一级转换，产生出足够稳定的能量；第三级为发电装置，与常规发电装置类似。 波浪发电是波浪能利用的主要方式。波浪能利用装置大都源于几种基本原理，主要是：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。其中具有商品化价值的装置包括有：振荡水柱式装置、摆式装置和聚波水库式装置三大类。 机械工业出版社

26 8.2.4 波浪能发电原理及应用 关于波浪能的计算 波浪能的大小可以用海水起伏势能的变化来进行估算，根据波浪理论，波 浪能量与波高的平方成比例。波浪功率，即能量产生或消耗的速率，既与波浪 中的能量有关，也与波浪到达某一给定位置的速度有关。按照Kinsman(1965年) 的公式，一个严格简单正弦波单位波峰宽度的波浪功率 为： 式中：H为波高，T为波周期，ρ为海水密度，g为重力加速度。如有一周期为 10s，波高为2m的涌浪涌向波浪发电装置，波列的10m波峰L的功率为： 它表明每10m波峰宽度的波浪功率等效为400kW。 机械工业出版社

27 波浪鸭装置 . 波动水柱装置 “坝礁”波浪能利用装置 1 2 3 波 浪 能 利 用 装 置. 8.2.4 波浪能发电原理及应用
机械工业出版社

28 8.2.4 波浪能发电原理及应用 波浪鸭装置 ：他的形状设计成能最大限度地吸收波浪能的形状。从 左边过来的波浪使波浪鸭摆动，波浪鸭右边做成柱形，使右边的海面不再有波 浪，能量从摇摆轴上获得。这个装置的效率比较高，该装置需要解决这样两个 问题：①需要把低速的摇摆运动转换成发电机需要的高速转动；②需要把电能 从一定水深中活动的装置上输送到较远的地方去。 机械工业出版社

29 8.2.4 波浪能发电原理及应用 图8-6 波动水柱波浪能发电装置 图8-7 波动水柱波浪能发电装置工作原理 波动水柱波浪能发电装置 ：当波浪遇到部分浸在水中的空腔时，空 腔中水柱会上下波动，从而引起上部气体或液体的压力变化。空腔可通过某种 涡轮机与大气相连，并从涡轮机获得能量。这类装置的主要优点是可以把低速 的波浪运动变成速度较高的气流，设备可以不浸在海水中。 机械工业出版社

30 8.2.4 波浪能发电原理及应用 图8-8 坝礁波浪能转换装置 图8-9 沿海地区供电的坝礁发电装置 “坝礁”波浪能利用装置 ：波浪进入靠近海面的开口，流经一组导片 和旋转叶片。由于波浪的折射，波浪从各个方向进入结构物的中心部分。旋转 的叶片使海水在中心区呈螺旋状向下运动。这种旋转的水柱就像一个液体飞轮， 似水轮机转动，从而可以推动发电机发电。 机械工业出版社

31 波浪能利用的关键技术： 波浪聚集与相位控制技术； 波能装置的波浪载荷及在海洋环境中的生存技术； 波能装置建造和施工中的海洋工程技术；
8.2.4 波浪能发电原理及应用 波浪能利用的关键技术： 波浪聚集与相位控制技术； 波能装置的波浪载荷及在海洋环境中的生存技术； 波能装置建造和施工中的海洋工程技术； 不规则波浪中的波能装置的设计与运行优化； 波浪能的稳定发电技术和独立发电技术等。 机械工业出版社

32 海洋温差能发电：利用海洋表层暖水与底层冷水间温差来发 电。工作方式一般可分为开式循环、闭式循环和混合式循环三种方式。
8.2.5 温差能、盐差能发电原理及应用 海洋温差能发电：利用海洋表层暖水与底层冷水间温差来发 电。工作方式一般可分为开式循环、闭式循环和混合式循环三种方式。 图8-12 海洋热能转换的基本过程 机械工业出版社

33 闭式循环是利用海洋表层的温水来蒸发氨或氟里昂之类的工作 流体。蒸汽流经涡轮机后，再由从海洋深处抽上来的冷水冷凝成液体。
8.2.5 温差能、盐差能发电原理及应用 图8-13 闭式循环 闭式循环是利用海洋表层的温水来蒸发氨或氟里昂之类的工作 流体。蒸汽流经涡轮机后，再由从海洋深处抽上来的冷水冷凝成液体。 机械工业出版社

34 开式循环，表层水本身就是流体。表层水在小于其蒸汽压的压力下 蒸发，蒸汽流经涡轮机，然后如同氟利昂在闭式循环中那样冷却和凝聚。
8.2.5 温差能、盐差能发电原理及应用 图8-14 开式循环 开式循环，表层水本身就是流体。表层水在小于其蒸汽压的压力下 蒸发，蒸汽流经涡轮机，然后如同氟利昂在闭式循环中那样冷却和凝聚。 机械工业出版社

35 8.2.5 温差能、盐差能发电原理及应用 图8-15 混合式循环系统 机械工业出版社

36 8.2.5 温差能、盐差能发电原理及应用 对于温差能发电，无论是闭式工作循环还是开式工作循环，都类似于常规的热电站，只是工作温度低一些，而且海洋热能电站用的是表层海水的热量，而不是燃料燃烧产生的热量。这种发电的基本原理是选取一种易挥发的介质如液态氨、丙烷等，使其被海面的高温海水汽化，气体从高温室(海面温水)向低温室(海底冷水)运动的过程中带动涡轮机转动发电，在低温室遇冷又变成液体，如此循环往复进行发电。 机械工业出版社

37 8.2.5 温差能、盐差能发电原理及应用 海洋盐差能发电：河流的淡水与邻近的海水之间具有浓度差，盐差能 是由江河淡水流入大海，与苦咸的海水交融在一起由渗透引起的渗透压能。把这种 压力差转换为势能，然后用于发电。 图8-17 连续运转的盐差能发电系统 机械工业出版社

38 8.3 海洋能源的发电与资源评价 海洋能对人类具有无限吸引力, 人类在对海洋能开发的同时不断认识了解海洋, 尽管海洋能发展的困难很大, 投资也比较昂贵, 但由于它在海上和沿岸进行, 不占用土地资源, 不消耗一次性矿物燃料, 又不受能源枯竭的威胁, 作为未来技术, 把能源资源、水产资源和空间利用有效地结合起来, 建立能发挥海洋优势的总能源系统, 实现海洋能的综合利用体系。 机械工业出版社

39 8.4 海洋能的利用前景与制约因素 利用前景 有限的化石燃料资源日益枯竭，以及国际社会对环境保护的更高要求，为了减少环境污染和生态恶化，节约有限的能源，开发利用丰富的太阳能、水能、风能、生物质能、海洋能等可再生能源无疑是实现可持续发展的必由之路。所以，充分利用丰富的海洋能资源将是未来发展的有力的能源支柱。 机械工业出版社

40 1 2 3 8.4 海洋能的利用前景与制约因素 制约因素 社会成本
海洋能要想较大幅度地进入能源市场，必须在不以环境和社会成本为代价的前提下，具备能与常规能源竞争的能力，必须减少社会成本问题。 制约因素 2 财政气候 高利率提高了整体投资成本，使可再生能源更加难以取代矿物质燃料。 3 风险影响 各种海洋能的开发利用的风险均比较大。波浪能和海洋热能的开发风险主要是技术不成熟所致；而潮汐能的风险主要在于具体坝址的工程与环境问题。 机械工业出版社