第六章--海洋能利用-He-3

1、New and Renewable Energy 新能源及可再生能源新能源及可再生能源 任课教师：何玉荣任课教师：何玉荣 能源与环境工程研究所能源与环境工程研究所 第第6章章 海洋能利用海洋能利用 海洋热能利用海洋热能利用6.1 6.1.1 概述概述 6.1.2 资源情况及特点资源情况及特点 6.1.3 可用于海洋热能转换的各种热力循环可用于海洋热能转换的各种热力循环 6.1.4 海洋热能电站的设计原则和工程设施海洋热能电站的设计原则和工程设施 第第6章章 主要内容主要内容 海洋波浪能利用海洋波浪能利用6.2 6.2.6 波浪发电基本环节的设计波浪发电基本环节的设计 6.2.4 波浪能的特征与

2、计算波浪能的特征与计算 6.2.1 概况概况 6.2.2 风浪的形成与发展风浪的形成与发展 6.2.3 风浪的基本特征风浪的基本特征 6.2.5 波浪能转换装置的基本方式波浪能转换装置的基本方式 6.2.7 总结总结 6.1.1 概述概述 6.1 海洋热能利用海洋热能利用 海洋热能海洋热能 海洋热能是海洋能源的主题，它是海洋海洋热能是海洋能源的主题，它是海洋上层温海水上层温海水与与深海冷水深海冷水之之 间存在间存在温差温差而蕴有的能量而蕴有的能量。 海洋海洋热能来源于热能来源于太阳能太阳能，是储存于海水中的太阳能，因此是一种，是储存于海水中的太阳能，因此是一种 可再生能源可再生能源。地球表面。

3、地球表面70%70%为海洋覆盖，水体巨大，所包含的热能为海洋覆盖，水体巨大，所包含的热能 十分十分庞大庞大。据估计，海洋热能的能量比其它各种海洋能源，如。据估计，海洋热能的能量比其它各种海洋能源，如波波 浪能、潮汐能、海流能浪能、潮汐能、海流能的总和还要多。的总和还要多。 海洋热能的发展史海洋热能的发展史 1881年，法国学者雅克年，法国学者雅克德德阿松瓦尔（阿松瓦尔（Jacques d Arsonval），）， 提出提出开发海洋热能的开发海洋热能的想法想法； 1930年，法国人克劳德（年，法国人克劳德（G. Claude），），建成建成一台海洋热能发电一台海洋热能发电 的的试验装置试验装置，

4、发出，发出22kW的电力；的电力； 1979年年8月，人类第一次月，人类第一次成功成功地进行了海洋热能发电的地进行了海洋热能发电的演示演示， 这就是著名的这就是著名的“Mini-OTEC”海洋热能发电试验装置，它完成海洋热能发电试验装置，它完成 了了世界上首次成功的海洋热能发电试验世界上首次成功的海洋热能发电试验。 6.1 海洋热能利用海洋热能利用 6.1.1 概述概述 6.1 海洋热能利用海洋热能利用 6.1.2 资源情况及特点资源情况及特点 海洋中为什么会存在海洋中为什么会存在温差温差？ 海洋这个天然的海洋这个天然的太阳能蓄能装置太阳能蓄能装置的结构和变化规律？的结构和变化规律？ 混合层的

5、下面混合层的下面 随着深度的增加，海水温度迅速下降，在约随着深度的增加，海水温度迅速下降，在约200m的距离中的距离中 温度下降了温度下降了15左右左右 温跃层以下温跃层以下 深海冷水来源于极地海洋。在深海冷水来源于极地海洋。在3000m深处，终年温度深处，终年温度02； 在在6001000m深度处，水温约深度处，水温约46 温跃层温跃层 深海冷水层深海冷水层 海洋温度的三层结构海洋温度的三层结构 海洋热平衡及温度结构海洋热平衡及温度结构 混合层混合层 靠近海面，厚度大约靠近海面，厚度大约100m，在信风区可达，在信风区可达200m。 吸收太阳辐射，同时向外散热，温度动态平衡所

6、决定。吸收太阳辐射，同时向外散热，温度动态平衡所决定。 南北纬南北纬20之间，终年在之间，终年在25以上；热带海区，温度可达以上；热带海区，温度可达 2830。 昼夜变化：昼夜变化：0.5左右，波及深度很小；季节性变化：低纬度左右，波及深度很小；季节性变化：低纬度 海区海区23，中纬度海区，中纬度海区10以上，波及整个混合层以上，波及整个混合层 6.1 海洋热能利用海洋热能利用 海水温度的海水温度的三层结构三层结构存在于存在于中、低纬度中、低纬度的海洋；的海洋；高纬度高纬度海洋海洋 的温度的温度三层结构不明显三层结构不明显，或只是季节性出现，海洋热能温差，或只是季节性出现，海洋热能温差 很小、

7、品位很低很小、品位很低。 只有只有温差终年不低于温差终年不低于2020左右的海区的海洋热能才有左右的海区的海洋热能才有开发价开发价 值值。即只有南北纬。即只有南北纬2020之间之间的热带、亚热带海域的海洋热能的热带、亚热带海域的海洋热能 资源才值得开发。资源才值得开发。 海洋热能资源的分布及蕴藏量的估计海洋热能资源的分布及蕴藏量的估计 6.1 海洋热能利用海洋热能利用 西太平洋西太平洋的热带海域是海的热带海域是海 洋热能最丰富的海域。洋热能最丰富的海域。 我国的我国的南海诸岛南海诸岛和和台湾省台湾省 东部海域东部海域处于这一海域的处于这一海域的 最西端，周围邻近人口稠最西端，周

8、围邻近人口稠 密的新兴经济发展地区，密的新兴经济发展地区， 因此是开发海洋热能的最因此是开发海洋热能的最 佳区域之一。佳区域之一。 图图5-1 海洋温差分布图海洋温差分布图 海洋热能资源的分布及蕴藏量的估计海洋热能资源的分布及蕴藏量的估计 6.1 海洋热能利用海洋热能利用 理论上说，上述海区所吸收的理论上说，上述海区所吸收的太阳辐射太阳辐射，即为可连续提取的，即为可连续提取的最最 大海洋热能热量大海洋热能热量。 以海面年平均太阳辐射强度为以海面年平均太阳辐射强度为0.212kW/m2，热带海面对太阳辐，热带海面对太阳辐 射的吸收率约为射的吸收率约为90%。据此，全球适于进行海洋

9、热能开发的。据此，全球适于进行海洋热能开发的1亿亿 平方公里海区吸收的太阳辐射总量为平方公里海区吸收的太阳辐射总量为1.91013kW。海洋热能品。海洋热能品 位非常低，其能量转化率估计只有位非常低，其能量转化率估计只有2%左右。由此可得出全球海左右。由此可得出全球海 洋热能发电的极限值将为洋热能发电的极限值将为1.91013 2%=3.8 1011kW，其，其1% 就相当于目前全球的发电量。就相当于目前全球的发电量。 6.1 海洋热能利用海洋热能利用 海洋热能资源的分布及蕴藏量的估计海洋热能资源的分布及蕴藏量的估计 稳定性稳定性 大多是大多是可再生能源可再生能源，如太阳能、风

10、能、波浪能、潮汐能都是不稳定或，如太阳能、风能、波浪能、潮汐能都是不稳定或 周期性的，其开发利用都会碰到复杂昂贵的蓄能问题。而海洋热能本周期性的，其开发利用都会碰到复杂昂贵的蓄能问题。而海洋热能本 身就是储存在身就是储存在海洋中的太阳能海洋中的太阳能，海洋就是一个巨大的，海洋就是一个巨大的储能器储能器，由于水，由于水 体巨大，温度十分稳定，其昼夜温差变化可以忽略，季节性温差变化体巨大，温度十分稳定，其昼夜温差变化可以忽略，季节性温差变化 只有只有2 23 3，并且是有规律，可预测的。因此海洋热能电站可以发出，并且是有规律，可预测的。因此海洋热能电站可以发出 连续稳定的电力而不需设置蓄能装置。这

11、可以大大的降低海洋热能的连续稳定的电力而不需设置蓄能装置。这可以大大的降低海洋热能的 开发成本。开发成本。 6.1 海洋热能利用海洋热能利用 海洋热能资源的特点海洋热能资源的特点 能量品位不算低能量品位不算低 海洋热能的海洋热能的温差只有温差只有20左右左右，与常规能源，甚至与许多可再生能源，与常规能源，甚至与许多可再生能源， 如地热能、生物质能比较起来，其品位是非常低的。但是如地热能、生物质能比较起来，其品位是非常低的。但是从单位水体从单位水体 所含有的能量来说所含有的能量来说，其能量头的水能是同一个数量级，其能量头的水能是同一个数量级，远比波浪能、远比波浪能、 风能高风能高

12、。从下面的简单计算就可以看出。从下面的简单计算就可以看出: 设温海水的比热容设温海水的比热容Cp=41900J/(kg)，1kg温海水从温海水从27放热至放热至22的的 可用热能为可用热能为q=(27-22)4190=20950J，设海洋热能转化为机械功的效率，设海洋热能转化为机械功的效率 为为=2%，则转化功，则转化功w=q=419J。此功可将。此功可将1kg海水提升只高度海水提升只高度 H=w/9.18=45.6m处。从这一简单估算中可以看出，海洋热能的能量强处。从这一简单估算中可以看出，海洋热能的能量强 度相当于度相当于45m的水头。的水头。 海洋热能资源的特点海洋热能资

13、源的特点 6.1 海洋热能利用海洋热能利用 资源处于远离大陆的海洋环境资源处于远离大陆的海洋环境 海洋海洋环境的环境的自然条件自然条件较陆地较陆地复杂困难复杂困难，海中的风、浪、潮汐、海流和灾害性，海中的风、浪、潮汐、海流和灾害性 天气以及海水腐蚀、海洋生物的沾污都是建立在海洋热能能量转换装置时必天气以及海水腐蚀、海洋生物的沾污都是建立在海洋热能能量转换装置时必 须考虑的因素。须考虑的因素。 海洋热能远离大陆，因此海洋热能开发还存在一个海洋热能远离大陆，因此海洋热能开发还存在一个能量传输能量传输的问题。的问题。 在在南北纬南北纬之间之间的的热带海洋热带海洋没有大风暴，是开发海洋热能的最佳区域。

14、没有大风暴，是开发海洋热能的最佳区域。 可再生性可再生性 海洋热能来自于海洋热能来自于太阳能太阳能，每天都可以得到补充，是取之不尽，用之不竭的，每天都可以得到补充，是取之不尽，用之不竭的。 海洋热能资源的特点海洋热能资源的特点 6.1 海洋热能利用海洋热能利用 海洋海洋混合层混合层的海水温度仅为的海水温度仅为2530，接近常温，海洋热能作为，接近常温，海洋热能作为 “热热”直接使用几乎是直接使用几乎是没有意义没有意义的。相反，用的。相反，用深海冷水深海冷水作为空调或作为空调或 生产淡水的生产淡水的冷源冷源在在理论上是可行理论上是可行的，但是在远离大陆的的，但是在远离大陆的深海，

15、深海，谁需谁需 要空调和淡水呢要空调和淡水呢？ 因此因此，海洋热能必须转化成高品位，高能量密度，便于使用的能量，海洋热能必须转化成高品位，高能量密度，便于使用的能量 形式，比如形式，比如电能电能或或化学能化学能才有实际意义。这就是文献上通常使用的才有实际意义。这就是文献上通常使用的 “海洋热能转换（）海洋热能转换（）”一词而不单纯说一词而不单纯说“海洋热能海洋热能”的原的原 因了。因了。 6.1.3 可用于海洋热能转换的各种热力循环可用于海洋热能转换的各种热力循环 6.1 海洋热能利用海洋热能利用 塞贝塞贝克效应克效应（热能直接转化为电能）（热能直接转化为电能） 利用利用半导体半导体的的塞贝塞

16、贝克效应，也就是半导体的克效应，也就是半导体的温差电效应温差电效应直接把热能转直接把热能转 化成电能。化成电能。优点：优点：没有运动部件（泵，吸海水的泵除外），不需任何没有运动部件（泵，吸海水的泵除外），不需任何 工质，安全可靠。工质，安全可靠。缺点：缺点：转化效率比较低，设备难以大型化，成本太转化效率比较低，设备难以大型化，成本太 高。对海洋热能发电来说没，这种方法没有实际意义。高。对海洋热能发电来说没，这种方法没有实际意义。 形状记忆合金发动机形状记忆合金发动机（热能转化为机械能）（热能转化为机械能） 形状记忆合金在形状记忆合金在较低温度较低温度下下受到较小受到较小的外力即可产生的外力即可

17、产生变形变形，而在，而在较高较高 的温度下的温度下将会以较大的力量将会以较大的力量恢复恢复原来的形状从而原来的形状从而对外做功对外做功。但形状记但形状记 忆合金仍是探索之中的技术，是否具备实用化前景仍无定论。忆合金仍是探索之中的技术，是否具备实用化前景仍无定论。 6.1 海洋热能利用海洋热能利用 6.1.3 可用于海洋热能转换的各种热力循环可用于海洋热能转换的各种热力循环 热力循环热力循环（热能转化成热能转化成机械功再转化为电能）机械功再转化为电能） 利用流体利用流体受热受热时其时其饱和蒸汽压饱和蒸汽压力会力会随温度而增大随温度而增大，其，其体积体积也要也要 向外向外膨胀膨胀的特点，就可以把的

18、特点，就可以把热转化成机械功热转化成机械功。在一个热源（比。在一个热源（比 如表层温海水）和一个冷源之间（深海冷水）之间，用某种工如表层温海水）和一个冷源之间（深海冷水）之间，用某种工 质（比如水）在热源吸热，变成蒸汽膨胀作功，然后再向冷源质（比如水）在热源吸热，变成蒸汽膨胀作功，然后再向冷源 放热，凝缩成水，恢复到原来的状态。然后又开始新一轮的上放热，凝缩成水，恢复到原来的状态。然后又开始新一轮的上 述过程。这就组成了一个热力循环，它能源源不断地把部分热述过程。这就组成了一个热力循环，它能源源不断地把部分热 源的热量转化成机械功。源的热量转化成机械功。 6.1 海洋热能利用海洋热能利用 6.

19、1.3 可用于海洋热能转换的各种热力循环可用于海洋热能转换的各种热力循环 卡诺循环卡诺循环 图图5-3即工作在饱和区的水工质卡诺循即工作在饱和区的水工质卡诺循 环。该卡诺循环由环。该卡诺循环由绝热压缩绝热压缩、等温吸等温吸 热热、绝热膨胀绝热膨胀和和等温放热等温放热等等四个可逆四个可逆 过程过程组成。这是一种组成。这是一种理想的循环理想的循环，为，为 使此循环使此循环具有实用性，则必须对此循具有实用性，则必须对此循 环进行一些改进。环进行一些改进。 6.1 海洋热能利用海洋热能利用 朗肯循环朗肯循环 朗肯循环朗肯循环 将卡诺循环中的将卡诺循环中的等温放热等温放热过程进行到过程进

20、行到 底，使工质完全冷凝成水。则随后汽底，使工质完全冷凝成水。则随后汽 水两相的绝热压缩过程就变成水两相的绝热压缩过程就变成单相液单相液 态水的压缩过程态水的压缩过程和和水的等压吸热过程水的等压吸热过程。 这两个过程均是易于实现和控制的。这两个过程均是易于实现和控制的。 经过这样的改造，饱和蒸汽的卡诺循经过这样的改造，饱和蒸汽的卡诺循 环就变成了朗肯循环。如图环就变成了朗肯循环。如图5-2。 6.1 海洋热能利用海洋热能利用 朗肯循环朗肯循环 图图5-2是海洋热能朗肯循环及温、冷海水换热过程在是海洋热能朗肯循环及温、冷海水换热过程在T-S图上的示意图。图上的示意图。 图图5-3

21、是海洋热能朗肯循环的简化等效卡诺循环温熵图。现在定义如下是海洋热能朗肯循环的简化等效卡诺循环温熵图。现在定义如下 符号的意义为：符号的意义为： Tw温海水的初温（温海水的初温（K） tw蒸汽发生器的传热蒸汽发生器的传热端差端差（K） T1等效卡诺循环等温吸热温度（等效卡诺循环等温吸热温度（K） T2等效卡诺循环等温放热温度（等效卡诺循环等温放热温度（K） Tc冷海水的初温（冷海水的初温（K） tc冷凝器的传热端差（冷凝器的传热端差（K） 6.1 海洋热能利用海洋热能利用 朗肯循环朗肯循环 图图设温冷海水总流量为：设温冷海水总流量为：qm=qm,w+qm,c 式中，式中，qm,w

22、温海水质量流量（温海水质量流量（kg/s），），qm,c深海冷水质量流量（深海冷水质量流量（kg/s）。）。 令令y为温海水的流量比为温海水的流量比：y= qm,w/ qm,c 此时，理想朗肯循环的净功率可以写成：此时，理想朗肯循环的净功率可以写成： 式中式中 ,cp说的定压比热容（说的定压比热容（J/kgK） g重力加速度（重力加速度（m/s2） t w温海水降温（温海水降温（） t c深海冷水温升（深海冷水温升（） Hw包括损耗在内的温海水泵杨程（包括损耗在内的温海水泵杨程（m） Hc包括损耗在内的冷海水泵杨程（包括损耗在内的冷海水泵杨程（m） (1)(1) mpwcmmc Wq cy t

23、ytq g yHy H 6.1 海洋热能利用海洋热能利用 朗肯循环朗肯循环 近似地，把海洋热能朗肯循环看成卡诺，则这个理想循环的净功率还可以写成：近似地，把海洋热能朗肯循环看成卡诺，则这个理想循环的净功率还可以写成： 由此可以导出由此可以导出: 最佳温海水流量比最佳温海水流量比 理想循环的最佳等温吸热温度理想循环的最佳等温吸热温度 理想循环的最佳等温放热温度理想循环的最佳等温放热温度 6.1 海洋热能利用海洋热能利用 朗肯循环朗肯循环 121 ()/()/() mpwmpwwwwcccwww W q yc t T TTq yc t TttTttTtt 2 0.5

24、 ()/( ()()1 jcwpwwcc yg HHcTtTt 1 ()(1) ()() jwwwwcc Ty TtyTtTt 2 ()()(1)() jwwcccc TyTtTty Tt 估算一个估算一个10万万kW的海洋热能电站的一些参数，以便得到一个较明晰的概念。设温海的海洋热能电站的一些参数，以便得到一个较明晰的概念。设温海 水的初温为水的初温为27，冷海水的初温为，冷海水的初温为5；取蒸汽发生器的传热端差为；取蒸汽发生器的传热端差为3，冷凝器的传，冷凝器的传 热端差为热端差为2；冷、温海水泵的杨程差为；冷、温海水泵的杨程差为5m，则可得：，则可得：Yj=0.523，T1j=292.9

25、K=19.9， T2j=284.4K=11.4。相应的循环效率为相应的循环效率为=1- T1j/ T2j=1-284.4/292.9=2.9%。 设热机的内效率为设热机的内效率为80%，则海洋热能发电实际热效率只有，则海洋热能发电实际热效率只有2.3%左右。这意味着每左右。这意味着每kW 功率需要从温海水中吸取功率需要从温海水中吸取3600/0.023=156522kJ/h的热量。则维持的热量。则维持1kW发电量需要抽吸发电量需要抽吸 温海水温海水9.12t/h左右。与此同时，还需要近左右。与此同时，还需要近8.3t/h的冷海水来冷凝工作过的乏气。从而，的冷海水来冷凝工作过的乏气。从而， 这个

26、这个10万万kW的海洋热能电站每小时需抽吸的海洋热能电站每小时需抽吸91.2万万t温海水和温海水和83万万t冷海水。抽吸这么大冷海水。抽吸这么大 量的海水需要消耗大量的电力，估计要占到海洋热能电站输出功率的量的海水需要消耗大量的电力，估计要占到海洋热能电站输出功率的20%至至30%。扣。扣 除电站自用电以后，海洋热能电站的净热效率只有大约除电站自用电以后，海洋热能电站的净热效率只有大约1.8%左右。左右。 6.1 海洋热能利用海洋热能利用 朗肯循环朗肯循环 开式循环开式循环 开式循环使用开式循环使用水做工质水做工质，其流程如图，其流程如图 5-4所示。所示。温海水温海水进入进入

27、闪蒸器闪蒸器，在负压，在负压 （大约（大约0.025绝对大气压）下绝对大气压）下闪蒸汽化闪蒸汽化， 产生的产生的蒸汽蒸汽进入进入汽轮机汽轮机作功作功，乏气乏气排排 入入冷凝器冷凝器冷凝冷凝成水，成水，冷凝水冷凝水再由再由冷凝冷凝 水泵水泵排出排出。由于冷凝水不返回到循环。由于冷凝水不返回到循环 中，因此称之为中，因此称之为开式循环开式循环。 6.1 海洋热能利用海洋热能利用 朗肯循环朗肯循环 开式循环的特点开式循环的特点 开式循环使用开式循环使用水水作作工质工质，不会不会对环境对环境造成造成任何任何污染污染。 使用使用混合式冷凝器和闪蒸器混合式冷凝器和闪蒸器，这些设备不存在金属

28、换热面，这些设备不存在金属换热面，结构结构 简单，金属耗量少，成本低简单，金属耗量少，成本低。不存在换热面的沾污、结垢和腐蚀。不存在换热面的沾污、结垢和腐蚀 等问题，给等问题，给运行维护运行维护带来极大的带来极大的方便方便。 系统所产生的系统所产生的冷凝水冷凝水是是淡水淡水。 系统工作在很高的系统工作在很高的真空度真空度条件下，因此随时抽除漏入系统的不凝条件下，因此随时抽除漏入系统的不凝 结性气体，结性气体，对保证系统对保证系统正常工作正常工作十分重要。十分重要。 其其关键设备关键设备是大流量，低焓降的是大流量，低焓降的汽轮机汽轮机。 6.1 海洋热能利用海洋热能利用 朗肯循环

29、朗肯循环 闭式循环闭式循环 闭式循环又叫闭式循环又叫中间介质法循环中间介质法循环，其特点是使，其特点是使 用用低沸点流体低沸点流体代替代替水水作作循环的工质循环的工质。低沸点。低沸点 工质不抛弃而工质不抛弃而回收使用回收使用，其流程形成，其流程形成封闭回封闭回 路路，因此称之为，因此称之为闭式循环闭式循环。如右图。如右图。 首先，首先，低沸点工质低沸点工质在在蒸发器蒸发器中中吸收吸收温海水的温海水的 热量热量而而汽化汽化。工质蒸汽工质蒸汽进入进入汽轮机汽轮机膨胀膨胀作功，作功， 乏乏汽汽进入进入冷凝器冷凝器被冷海被冷海水冷凝水冷凝成成液态工质液态工质， 再由再由工质泵工质泵升压打进升压打进蒸发

30、器蒸发器中中蒸发汽化蒸发汽化。 6.1 海洋热能利用海洋热能利用 朗肯循环朗肯循环 开式循环开式循环的一个的一个显著缺点显著缺点是低压下是低压下水蒸汽水蒸汽的的比容太大比容太大，从而，从而 使得使得汽轮机汽轮机的的体积庞大体积庞大，单机，单机功率受功率受到很大的到很大的限限制。但是制。但是闭闭 式循环式循环则则不存在不存在这样的问题。这样的问题。 闭式循环闭式循环，选择，选择合适的低沸点工质合适的低沸点工质，可以使得在可以使得在海洋热能温海洋热能温 度范围度范围中，工质的中，工质的饱和蒸汽压力饱和蒸汽压力为一个为一个不太高不太高的正压。这样的正压。这样 的工质蒸汽具有比较的工质

31、蒸汽具有比较大的密度大的密度，其，其体积体积流量将大大流量将大大小小于相同于相同 温度下的饱和水蒸汽，从而可使低沸点工质温度下的饱和水蒸汽，从而可使低沸点工质汽轮机体积汽轮机体积大大大大 缩缩小小，突破开式循环突破开式循环的的单机容量限制单机容量限制的问题。这点对于大规的问题。这点对于大规 模开发海洋热能来说是特别重要的。模开发海洋热能来说是特别重要的。 6.1 海洋热能利用海洋热能利用 朗肯循环朗肯循环 闭式循环闭式循环选择工质选择工质时必须考虑如下几项时必须考虑如下几项原则原则： 工质的工质的工作压力工作压力要要适中适中，使整个循环处于一个不太高的正压之下；，使整个循环处于

32、一个不太高的正压之下； 单位功率的单位功率的工质体积流量工质体积流量要小要小，有利于，有利于减小设备尺寸减小设备尺寸； 化学性能化学性能稳定稳定，不易老化费解；，不易老化费解； 不易燃，不易爆，无毒性，不污染环境；不易燃，不易爆，无毒性，不污染环境； 对金属对金属无腐蚀性无腐蚀性； 用过的工质用过的工质易于处理或再生易于处理或再生； 价格价格低廉低廉，资源丰富。，资源丰富。 6.1 海洋热能利用海洋热能利用 朗肯循环朗肯循环 闭式循环的闭式循环的优点优点 闭式循环中，温、冷海水都闭式循环中，温、冷海水都不直接与工质接触不直接与工质接触，不会发生溶解在，不会发生溶解在 海水中的不

33、凝结气体进入循环系统的问题；海水中的不凝结气体进入循环系统的问题； 同时，系统中工质蒸汽压力一般均大于大气压，从而闭式系统运同时，系统中工质蒸汽压力一般均大于大气压，从而闭式系统运 行是行是不须抽除不凝结性气体不须抽除不凝结性气体，可减少厂用电；，可减少厂用电； 使用闭式循环使用闭式循环克服了克服了海洋热能电站海洋热能电站单机功率受限制单机功率受限制的缺点，低沸的缺点，低沸 点 工 质 汽 轮 机 的 体 积 和 成 本 大 大 低 于 开 始 循 环 汽 轮 机 。点 工 质 汽 轮 机 的 体 积 和 成 本 大 大 低 于 开 始 循 环 汽 轮 机 。 6.1 海洋热能利用海洋热能利用

34、 朗肯循环朗肯循环 闭式循环的闭式循环的不足不足 首先，闭式循环必须使用首先，闭式循环必须使用体积巨大体积巨大的的表面式蒸发器和冷凝器表面式蒸发器和冷凝器。蒸发。蒸发 器和冷凝器都要传递比发出的功率大器和冷凝器都要传递比发出的功率大50倍左右的热量。同时，蒸发倍左右的热量。同时，蒸发 器和冷凝器的可用传热温差只有器和冷凝器的可用传热温差只有45。因此，其蒸发器和冷凝器的。因此，其蒸发器和冷凝器的 传热面积将十分巨大。传热面积将十分巨大。 其次，由于使用了表面式的蒸发器和冷凝器，其次，由于使用了表面式的蒸发器和冷凝器，传热面传热面不可避免的不可避免的沾沾 污污将将增大传热热阻增大

35、传热热阻，减少有用的温差，这将导致，减少有用的温差，这将导致发电能力的下降发电能力的下降。 还有，闭式循环还有，闭式循环不能副产淡水不能副产淡水，这就是其，这就是其经济价值经济价值进一步减少。进一步减少。 6.1 海洋热能利用海洋热能利用 朗肯循环朗肯循环 混合式循环混合式循环 这也是一种可能的海洋热能发电方这也是一种可能的海洋热能发电方 式，它把式，它把开式循环开式循环和和闭式循环闭式循环结合结合 起来起来，可以同时，可以同时产生电能和淡水产生电能和淡水。 其流程图如图其流程图如图5-6所所示。示。 6.1 海洋热能利用海洋热能利用 朗肯循环朗肯循环 混合循环

36、的混合循环的特点特点 混合式循环混合式循环保留了闭式循环的整个回路保留了闭式循环的整个回路。但是它不是把温海水直接。但是它不是把温海水直接 通进蒸发器去加热低沸点工质，而是用通进蒸发器去加热低沸点工质，而是用温海水减压闪蒸温海水减压闪蒸出来的出来的蒸汽蒸汽 作为作为蒸发器的热源蒸发器的热源。这样可以。这样可以免除免除蒸发器被海水蒸发器被海水腐蚀腐蚀和海生物沾污，和海生物沾污， 同时还可以同时还可以得到淡水得到淡水。 此外，此外，蒸发器蒸发器的的高温侧高温侧由原来由原来液体对流换热液体对流换热转变为转变为蒸汽冷凝换热蒸汽冷凝换热， 其其放热系数可有较大提高放热系数可有较大提高，从而可以从而可以减

37、少蒸发器的换热面积。减少蒸发器的换热面积。 但是，混合式循环但是，混合式循环增加了增加了海水闪蒸汽化海水闪蒸汽化这一环节，消耗了一部分温这一环节，消耗了一部分温 海水的温位，导致单位流量海水的发电量减少。这是其海水的温位，导致单位流量海水的发电量减少。这是其明显缺点明显缺点。 6.1 海洋热能利用海洋热能利用 朗肯循环朗肯循环 全流循环全流循环 开式循环开式循环中，只有中，只有一小部分一小部分闪蒸成蒸汽的闪蒸成蒸汽的温海水温海水参加到热力循环参加到热力循环 中，中，大部分大部分稍微降低了温度的稍微降低了温度的温海水温海水被抛弃掉了被抛弃掉了。为了把海水所。为了把海水所 含的热量

38、完全利用到气温度等于冷海水的温度，有人提出全流循含的热量完全利用到气温度等于冷海水的温度，有人提出全流循 环的概念。环的概念。 全流循环全流循环（total flow cycle）是指在循环中）是指在循环中全部工质全部工质（温海水，包（温海水，包 括汽、液两相）均括汽、液两相）均参与膨胀作功参与膨胀作功的循环。的循环。 6.1 海洋热能利用海洋热能利用 全流循环全流循环 基本的全流循环基本的全流循环 图图5-7为最基本的全流循环过程的为最基本的全流循环过程的 温熵图。温熵图。 两相速度差将使得难以研制出有两相速度差将使得难以研制出有 效的涡轮式全流膨胀机。较有效效的涡轮式全流膨

39、胀机。较有效 的全流膨胀机是容积式的膨胀机，的全流膨胀机是容积式的膨胀机， 如汽缸活塞式、螺旋转子式等。如汽缸活塞式、螺旋转子式等。 6.1 海洋热能利用海洋热能利用 全流循环全流循环 泡沫提升循环泡沫提升循环 泡沫提升循环泡沫提升循环的基本原理是把加入的基本原理是把加入成泡剂成泡剂的的温海水温海水送入处于真空状送入处于真空状 态的态的发泡提升管发泡提升管底部，温海水闪蒸汽化而全部底部，温海水闪蒸汽化而全部变成泡沫变成泡沫，体积大大，体积大大 增加，向泡沫提升管的顶部增加，向泡沫提升管的顶部膨胀膨胀。这种泡沫是水膜包围着汽，汽和。这种泡沫是水膜包围着汽，汽和 水同步提升，类似于

40、水同步提升，类似于容积式膨胀机容积式膨胀机。在泡沫提升管顶部，设置。在泡沫提升管顶部，设置破沫破沫 装置装置，泡沫破裂，泡沫破裂，汽水分离汽水分离。分离出来的。分离出来的水水已被提升到泡沫已被提升到泡沫提升管提升管 的的顶部顶部，具有一定的，具有一定的势能势能，可以，可以推动水轮发电机发电推动水轮发电机发电。分离出来的。分离出来的 蒸汽蒸汽由管道引到冷凝器被冷海水冷却成由管道引到冷凝器被冷海水冷却成冷凝水冷凝水，是泡沫提升管保持，是泡沫提升管保持 真空状态真空状态，使底部的泡沫可以源源不断地，使底部的泡沫可以源源不断地向顶部流动向顶部流动。 6.1 海洋热能利用海洋热能利用 全

41、流循环全流循环 雾滴提升循环雾滴提升循环 雾滴提升循环是雾滴提升循环是泡沫提升循环泡沫提升循环的的改进改进。它用。它用雾状流雾状流代替代替泡沫流泡沫流，靠，靠 蒸汽流把水雾提升到高处。蒸汽流把水雾提升到高处。 其其优点优点是是不需不需要使用要使用成泡剂成泡剂，不污染环境不污染环境。但，难以。但，难以保证雾滴流的保证雾滴流的 稳定性。目前，雾滴提升循环还看不到实用化的前景。稳定性。目前，雾滴提升循环还看不到实用化的前景。 6.1 海洋热能利用海洋热能利用 全流循环全流循环 海洋热能电站海洋热能电站的的特点特点是其热源的是其热源的品位极低品位极低，热效率极小热效率极小。电站运行。电

42、站运行 时要处理大量的海水，消耗大量功率。设计时，必须尽量时要处理大量的海水，消耗大量功率。设计时，必须尽量减少循环减少循环 自身的功耗自身的功耗。 设计设计海洋热能电站时必须尽可能海洋热能电站时必须尽可能减小冷、热管道的阻力减小冷、热管道的阻力，包括合理，包括合理 选取水流速，缩短管道长度，管道流程尽量平顺，减少弯头，充分选取水流速，缩短管道长度，管道流程尽量平顺，减少弯头，充分 利用虹吸效应，避免静水头损失等等。利用虹吸效应，避免静水头损失等等。 6.1 海洋热能利用海洋热能利用 6.1.4 海洋热能电站的施工设计原则海洋热能电站的施工设计原则 岸式电站岸式电站 岸式电站是把岸式电站是把海

43、水引到岸上海水引到岸上，电站建在陆地上。，电站建在陆地上。 特点特点 可避免复杂的可避免复杂的海洋环境海洋环境对电站的不利对电站的不利影响影响，同时发出的电能可以就，同时发出的电能可以就 地使用，往外地使用，往外送电也很容易送电也很容易； 必须修建必须修建巨大的海水管道巨大的海水管道，特别是冷水管道；，特别是冷水管道； 有利于海洋热能的有利于海洋热能的综合利用综合利用。 6.1 海洋热能利用海洋热能利用 海洋热能电站的布置形式和结构海洋热能电站的布置形式和结构 海上电站海上电站 地球上适于建造岸式电站的地方很有限，绝大多数的海洋热能电站地球上适于建造岸式电站的地方很有限，绝大多

44、数的海洋热能电站 都必须都必须建在海上建在海上。 特点特点 可选择可选择温差大温差大、海况条件好的海况条件好的地点建电站，电站规模可按经济规模地点建电站，电站规模可按经济规模 来建设，从而可获得最佳的经济效益；来建设，从而可获得最佳的经济效益； 温、冷海水温、冷海水取水管取水管比岸式电站比岸式电站短短得多，可节省投资，降低厂用电；得多，可节省投资，降低厂用电； 可以是海面式，或是半潜式，其中可以是海面式，或是半潜式，其中半潜式半潜式可可以免受以免受海面海面风浪的袭扰风浪的袭扰。 6.1 海洋热能利用海洋热能利用 海洋热能电站的布置形式和结构海洋热能电站的布置形式和结构 海洋热能

45、电厂运行时要抽吸大量的海水，消耗大量的电力。如果温、海洋热能电厂运行时要抽吸大量的海水，消耗大量的电力。如果温、 冷海水管系各自的冷海水管系各自的阻力阻力都达到都达到167kPa，则此电站发出的，则此电站发出的电力电力将全部将全部 消耗于消耗于泵吸海水泵吸海水。这样的电站是。这样的电站是没有意义没有意义的。的。 为了使电站为了使电站能向外输出尽可能多的电力，则必须尽可能能向外输出尽可能多的电力，则必须尽可能降低降低海水在海水在 发电装置中循环时的发电装置中循环时的阻力阻力。因此，评估一下海洋热能电站运行时，。因此，评估一下海洋热能电站运行时， 冷、温海水的冷、温海水的最小循环阻力最小循环阻力是

46、很有意思的。下面分别对是很有意思的。下面分别对开开式式循环循环和和 闭式循环两种情况进行分析。闭式循环两种情况进行分析。 6.1 海洋热能利用海洋热能利用 海洋热能电站的厂用电估算海洋热能电站的厂用电估算 开式循环的水回路阻力开式循环的水回路阻力 开式循环中，开式循环中，闪蒸器闪蒸器和和冷凝器冷凝器都处于都处于极高的真空状态极高的真空状态，温、冷海水，温、冷海水 从这两个容器中排出时从这两个容器中排出时必须必须克服约克服约100kPa的静水头。仅这一项就将的静水头。仅这一项就将 消耗消耗总发电量的总发电量的60%。 可以利用可以利用虹吸现象虹吸现象消除这项损失。进入容器中的水容

47、器中真空作用消除这项损失。进入容器中的水容器中真空作用 下，可自海平面下，可自海平面上升约上升约10m高高。通过这样的安排，海水进、出真空。通过这样的安排，海水进、出真空 容器就容器就无须消耗额外的电力无须消耗额外的电力。 对于闪蒸器来说，进、出水口必须有最少对于闪蒸器来说，进、出水口必须有最少12m左右左右的高度差，这的高度差，这 是无法消除的是无法消除的工艺水头工艺水头。另外闪蒸器的进、出水管还有各自的。另外闪蒸器的进、出水管还有各自的沿程沿程 阻力和局部阻力损失阻力和局部阻力损失。 6.1 海洋热能利用海洋热能利用 海洋热能电站的厂用电估算海洋热能电站的厂用电估算 6.1

48、.4.2 闭式循环的水回路阻力闭式循环的水回路阻力 闭式循环闭式循环使用的都是使用的都是表面式表面式的的换热器换热器，它的蒸发器和冷凝器，它的蒸发器和冷凝器不需不需要要 高位布置高位布置。 如果闭式循环的换热器采用半潜式布置，则可以较大程度如果闭式循环的换热器采用半潜式布置，则可以较大程度的缩短的缩短进进 出管的长度，降低管路阻力。出管的长度，降低管路阻力。 表面式换热器的水侧的水的流速较大，水管直径较小，其表面式换热器的水侧的水的流速较大，水管直径较小，其水侧阻力水侧阻力 不能忽视不能忽视。但仍然小于开式循环的。但仍然小于开式循环的水侧阻力水侧阻力。 闭式循环比开式循环闭式循环比开式循环增加

49、了增加了低沸点工质的低沸点工质的循环泵循环泵的动力消耗。的动力消耗。 总的来说闭式循环的总的来说闭式循环的厂用电率厂用电率应该是应该是20%左右左右。 6.1 海洋热能利用海洋热能利用 海洋热能电站的厂用电估算海洋热能电站的厂用电估算 海洋热能由于处在海洋环境，远离大陆和经济中心，因此其海洋热能由于处在海洋环境，远离大陆和经济中心，因此其建设费建设费 用用和和能量传输费能量传输费用将比其它可再生能源，如太阳能、风能等，都要用将比其它可再生能源，如太阳能、风能等，都要 大得多大得多。 但是，它也有很多但是，它也有很多优点优点能够使其能够使其开发成本开发成本大大大大降低降低： 海洋

50、海洋热能连续稳定热能连续稳定； 海洋热能电站的海洋热能电站的“容量系数容量系数”可以达到可以达到100%100%，大大大高于光伏电池和大高于光伏电池和 风力发电风力发电30%30%左右的数值；左右的数值； 在一些在一些燃料燃料和和淡水淡水靠靠外界运进外界运进的地方，利用海洋热能的地方，利用海洋热能提供电力和淡提供电力和淡 水水则在经济上很合算。则在经济上很合算。 6.1 海洋热能利用海洋热能利用 海洋热能电站的经济性评估海洋热能电站的经济性评估 海洋热能是一种干净的可再生能源，特别是使用海洋热能是一种干净的可再生能源，特别是使用开式循环开式循环发电方式发电方式 时，由于时，由于

51、不需要不需要使用使用低沸点工质低沸点工质，对自然环境的影响非常小。海洋，对自然环境的影响非常小。海洋 热能电站设于海洋中，热能电站设于海洋中，不占用陆地不占用陆地。由于不使用燃料，海洋热能电。由于不使用燃料，海洋热能电 站站不排放不排放COCO2 2、SOSO2 2、NONOx x等等有害性气体有害性气体，也，也不排放粉尘不排放粉尘，不，不产生放射产生放射 性废物性废物。 如果大规模性开发利用海洋热能，由于大量抽吸海水，特别是把深如果大规模性开发利用海洋热能，由于大量抽吸海水，特别是把深 海冷水吸上来，排放到上层海洋中，海冷水吸上来，排放到上层海洋中，改变改变了了海洋水层的结构海洋水层的结构，

52、则可，则可 能能对气候和海洋生态环境对气候和海洋生态环境产生一定的影响产生一定的影响。 6.1 海洋热能利用海洋热能利用 海洋热能开发的环境问题海洋热能开发的环境问题 6.2 海洋波浪能利用海洋波浪能利用 海洋中海洋中海浪运动海浪运动比较比较复复 杂杂，引起波动的原因很，引起波动的原因很 多，如多，如风风、大气压力大气压力变变 化、化、天体的引潮力天体的引潮力和由和由 于于海底地震海底地震引起的突发引起的突发 性的海啸等，性的海啸等，海浪海浪一般一般 指指由风引起的波浪由风引起的波浪。 6.2.1 概况概况 太阳的热辐射太阳的热辐射使地球表面的空气对使地球表面的空气对流产生风流

53、产生风，由于，由于风对水风对水的作用，在的作用，在 海面上就会海面上就会形成波浪形成波浪，即，即风把能量传给了水体风把能量传给了水体，随着风力加大，波浪，随着风力加大，波浪 的尺度增大。风浪的的尺度增大。风浪的发生、发展和衰减发生、发展和衰减与下列与下列四大因素四大因素有关：有关： 1、风速、风速v：风速越大，波浪越大；风速越大，波浪越大； 2、风时、风时t：同一方向风连续作用的时间称为风时。风时越大，水体获同一方向风连续作用的时间称为风时。风时越大，水体获 得的能量越大，波浪越大；得的能量越大，波浪越大； 3、风距、风距F：在一定风况作用下，对波浪发展有实际作用的风区内的水在一定风况作用下，

54、对波浪发展有实际作用的风区内的水 域长度称为风距。离风源越远的点，即这点的风距越大，波浪越大；域长度称为风距。离风源越远的点，即这点的风距越大，波浪越大； 6.2.2 风浪的形成与发展风浪的形成与发展 6.2 海洋波浪能利用海洋波浪能利用 4、水深、水深d：水面到海底的深度。水面到海底的深度。 一般把水深一般把水深d大于大于半波长半波长L/2的的 水域称为水域称为深水深水，此处水质点的，此处水质点的 运动轨迹不受海底影响，属运动轨迹不受海底影响，属深深 水波水波；水深；水深d小于小于半波长半波长L/2时，时， 属属浅水区浅水区，波浪，波浪属于属于浅水波浅水波， 由于水底的摩擦，波动的水质由于水

55、底的摩擦，波动的水质 点运动轨迹变形，波浪的点运动轨迹变形，波浪的能量能量 也随之也随之衰减衰减。 6.2.2 风浪的形成与发展风浪的形成与发展 6.2 海洋波浪能利用海洋波浪能利用 风浪：风浪：海水表面在海水表面在风风的直接持续作用下产生的波浪。的直接持续作用下产生的波浪。 涌浪：涌浪：当风区内的风开始平息，或风浪离开风区传到了远处，这时当风区内的风开始平息，或风浪离开风区传到了远处，这时 的波浪表面比较的波浪表面比较平滑平滑，称为涌浪。，称为涌浪。 混合浪：混合浪：风浪和涌浪等两个或多个风浪和涌浪等两个或多个波系的叠加波系的叠加。 不规则海浪：不规则海浪：规则的海浪只是风浪的一种特殊的表现

56、形式，在绝大规则的海浪只是风浪的一种特殊的表现形式，在绝大 部分时间里海面盛行的是不规则的海浪，瞬时在部分时间里海面盛行的是不规则的海浪，瞬时在同一方向上同一方向上波形的波形的 轮廓线轮廓线是是不规则不规则的，的，不同方向上不同方向上的的轮廓线也不相同轮廓线也不相同，并随时间变化，并随时间变化， 亦称为亦称为随机波随机波。 海浪的表现方式海浪的表现方式 6.2 海洋波浪能利用海洋波浪能利用 用连续自动记录的用连续自动记录的测波仪测波仪进行记录，则可得到进行记录，则可得到某一固定点某一固定点波高波高和和波波 周期周期随时间变化的过程，如图随时间变化的过程，如图5-11所示。所示。

57、 不规则海浪的分布和表示法不规则海浪的分布和表示法 6.2 海洋波浪能利用海洋波浪能利用 不规则海浪的分布和表示法不规则海浪的分布和表示法 6.2 海洋波浪能利用海洋波浪能利用 6.2 海洋波浪能利用海洋波浪能利用 不规则海浪的分布和表示法不规则海浪的分布和表示法 6.2 海洋波浪能利用海洋波浪能利用 不规则海浪的分布和表示法不规则海浪的分布和表示法 我们可以根据海上的气象预报，对照海况登记表（表我们可以根据海上的气象预报，对照海况登记表（表5-1），估计），估计海况海况 6.2 海洋波浪能利用海洋波浪能利用 风浪

58、资料的获取方法风浪资料的获取方法 6.2 海洋波浪能利用海洋波浪能利用 波浪的基本特征波浪的基本特征波浪要素波浪要素 6.2 海洋波浪能利用海洋波浪能利用 波浪的基本特征波浪的基本特征波浪要素波浪要素 6.2 海洋波浪能利用海洋波浪能利用 波浪运动波浪运动 6.2 海洋波浪能利用海洋波浪能利用 波浪运动波浪运动 6.2 海洋波浪能利用海洋波浪能利用 波浪运动波浪运动 折射折射 当波浪进入浅水区，波浪要素将发生变化，由于水深的影响，波长变当波浪进入浅水区，波浪要素将发生变化，由于水深的影响，波长变 短，波速变慢，波向

59、发生转折，出现折射现象。短，波速变慢，波向发生转折，出现折射现象。 反射反射 波浪在传播过程中遇到陡峭的岩石或人工建筑物，其全部或部分波能波浪在传播过程中遇到陡峭的岩石或人工建筑物，其全部或部分波能 被反射成反射波。被反射成反射波。 绕射绕射 波浪在传播过程中遇到建筑物或岛屿，除了发生反射现象外，部分波波浪在传播过程中遇到建筑物或岛屿，除了发生反射现象外，部分波 浪还将绕过建筑物或岛屿继续传播，并在建筑物或岛屿后面扩散。浪还将绕过建筑物或岛屿继续传播，并在建筑物或岛屿后面扩散。 6.2 海洋波浪能利用海洋波浪能利用 波浪的传播与变化波浪的传播与变化 6.2 海洋波浪能利用海洋波

60、浪能利用 6.2.4 波浪能的特征与计算波浪能的特征与计算 波浪能转换的能量转换过程主要有波浪能转换的能量转换过程主要有三个阶段三个阶段：第一级是：第一级是吸能装置吸能装置；第二；第二 级是级是能量传递机构能量传递机构，其目的是要把低速、低压，即低品位波能变成高品，其目的是要把低速、低压，即低品位波能变成高品 位的机械能；第三级是位的机械能；第三级是发电机系统发电机系统等。图等。图5-13是其流程示意图。是其流程示意图。 6.2 海洋波浪能利用海洋波浪能利用 6.2.5 波浪能转换装置的基本方法波浪能转换装置的基本方法 几种典型的波浪能转换装置的示意图，图几种典型的波浪能转换装置的示意图，图5