第5章 海洋能

1、第第5章章 海洋能海洋能l海洋占地球表面积达海洋占地球表面积达70.8%，和陆地一样，和陆地一样，是人类赖以生存的基本条件是人类赖以生存的基本条件。l海洋海洋蕴藏着巨大的能量，是支撑人类社会蕴藏着巨大的能量，是支撑人类社会发展的一个重要的能量来源。发展的一个重要的能量来源。l 海洋能资源分为三大类海洋能资源分为三大类。l 第第一类是海底或海床下储存的一类是海底或海床下储存的矿物能矿物能，如石油、，如石油、天然气、天然气水合物天然气、天然气水合物(可燃冰可燃冰)；l 第二第二类是海水中溶存的痕量元素铀、锂及重水等类是海水中溶存的痕量元素铀、锂及重水等所含的所含的化学能化学能；l 第三第三类是以力

2、学、热、物理化学形态存在的海洋类是以力学、热、物理化学形态存在的海洋机械能机械能、海洋、海洋热能热能(温差能温差能)、海洋、海洋盐差能盐差能、海洋、海洋光合能光合能(生物能生物能)，其中海洋机械能又分为潮汐能、，其中海洋机械能又分为潮汐能、波浪能、海流能等波浪能、海流能等。l 前前两类是非再生能源，第三类是可再生能源两类是非再生能源，第三类是可再生能源。l 本章本章中所称的海洋能就是指第三类海洋能。中所称的海洋能就是指第三类海洋能。l 海洋能资源具有以下海洋能资源具有以下特点特点：l (1)总蕴藏量大总蕴藏量大。技术技术允许利用的功率为允许利用的功率为64亿亿kW，为目前全世界，为目前全世界发

3、电装机总量的发电装机总量的2倍。倍。l (2)非耗竭、可再生非耗竭、可再生。由于由于海洋能是海洋永不间断地接受着太阳辐射海洋能是海洋永不间断地接受着太阳辐射和月亮、太阳的作用而储存起来的，所以是可和月亮、太阳的作用而储存起来的，所以是可再生的再生的。l (3)能量密度低能量密度低。潮汐能潮汐能的潮差较大值为的潮差较大值为1315m，我国的最大值，我国的最大值仅仅8.9m；海流能海流能的流速较大值为的流速较大值为1.52.0m/s，我国最大，我国最大值为值为1.5m/s；波浪能波浪能的年平均波高较大值为的年平均波高较大值为35m，最大波高，最大波高可达可达24m以上，我国沿岸年平均波高以上，我国

4、沿岸年平均波高1.6m，最，最大值大值10m以上以上；温差温差能的表、深层海水温差较大值能的表、深层海水温差较大值24C，我国，我国最大值与此相当最大值与此相当；盐盐差能是海洋能中能量密度最大的一种，其渗差能是海洋能中能量密度最大的一种，其渗透压一般为透压一般为2.51MPa，相当于，相当于256m水柱。水柱。l (4)随时空存在一定变化随时空存在一定变化。温差温差能主要集中在低纬度大洋深水海域能主要集中在低纬度大洋深水海域；潮汐能潮汐能主要集中在沿岸海域，海流能主要集中主要集中在沿岸海域，海流能主要集中在北半球两大洋西侧在北半球两大洋西侧；波浪能波浪能近海、外海都有，但以北半球两大洋东近海、

5、外海都有，但以北半球两大洋东侧中纬度侧中纬度(3040N)和南极风暴带和南极风暴带(4050S)最最富集富集；盐盐差能主要在江河入海口附近沿岸差能主要在江河入海口附近沿岸。在在时间上，除温差能和海流能较稳定外，其他时间上，除温差能和海流能较稳定外，其他均有明显的日、月变化和年变化，不过各种海均有明显的日、月变化和年变化，不过各种海洋能能量密度的变化一般均具有规律性，可以洋能能量密度的变化一般均具有规律性，可以预报。预报。l (5)开发利用的一次性投资大，单位造价高开发利用的一次性投资大，单位造价高。开发开发海洋能资源存在风、浪、流等动力作用、海洋能资源存在风、浪、流等动力作用、海水腐蚀、海洋生

6、物附着、能量密度低等问题，海水腐蚀、海洋生物附着、能量密度低等问题，致使转换装置设备庞大，要求材料强度高、防致使转换装置设备庞大，要求材料强度高、防腐性能好，设计施工技术复杂，投资大、造价腐性能好，设计施工技术复杂，投资大、造价高高。但但海洋能发电在沿岸和海上进行，不占用土地，海洋能发电在沿岸和海上进行，不占用土地，不需迁移人口，而且还具有综合效益。不需迁移人口，而且还具有综合效益。l (6)对环境无害对环境无害。第第1节节 波浪能波浪能l海洋中的波浪有时轻摇慢拍，有时汹涌澎海洋中的波浪有时轻摇慢拍，有时汹涌澎湃，有时排山倒海，其中蕴涵着巨大的能湃，有时排山倒海，其中蕴涵着巨大的能量，称为量，

7、称为波浪能波浪能。l波浪能波浪能是海面多频谱不规则波动的机械能，是海面多频谱不规则波动的机械能，而海面的波动则主要是由风和大气压力的而海面的波动则主要是由风和大气压力的变化引起的，海面的风是产生波浪最主要变化引起的，海面的风是产生波浪最主要的动力来源。的动力来源。l 海浪又分风浪、涌浪和近岸浪海浪又分风浪、涌浪和近岸浪。l 风浪风浪是海风直接吹动形成的是海风直接吹动形成的；l 涌浪涌浪是在风停以后或风速风向突然变化时，在原是在风停以后或风速风向突然变化时，在原来的海区剩余的波浪，或者是从别的海区传播过来的海区剩余的波浪，或者是从别的海区传播过来的余浪来的余浪；l 风浪风浪和涌浪传到海岸边的浅水

8、地区变成和涌浪传到海岸边的浅水地区变成近岸浪近岸浪。l 海洋海洋波浪的能量密度随海域的地理位置、气象条波浪的能量密度随海域的地理位置、气象条件的不同而有别件的不同而有别。l 南半球南半球和北半球和北半球4060纬度间的风力最强，波浪纬度间的风力最强，波浪能极为丰富；赤道两侧能极为丰富；赤道两侧30之内的信风区也具有良之内的信风区也具有良好的波候。好的波候。l 据估算，世界上条件比较好的沿海区的波浪能资据估算，世界上条件比较好的沿海区的波浪能资源储量大概超过源储量大概超过2TW(2106MW)。l 中 国中 国 大 部 分 海 岸 的 年 平 均 波 浪 能 流 密 度 为大 部 分 海 岸 的

9、 年 平 均 波 浪 能 流 密 度 为27kW/m，全国海岸波浪能资源理论平均功率约，全国海岸波浪能资源理论平均功率约为为12.9GW。l 利用利用波浪能发电是一百多年来人类追求的目标，波浪能发电是一百多年来人类追求的目标，随着现代科学技术的迅速发展和人类社会对能源随着现代科学技术的迅速发展和人类社会对能源供应和生态环境保护的需求日益迫切，海洋波浪供应和生态环境保护的需求日益迫切，海洋波浪发电呈现出了广阔的前景。发电呈现出了广阔的前景。一、波浪的产生和发展一、波浪的产生和发展l海面波浪的产生始于风海面波浪的产生始于风。l大气大气的循环产生了风，风给海面以力的循环产生了风，风给海面以力(压力压

10、力和剪切和剪切)的作用，推动海面产生运动的趋势的作用，推动海面产生运动的趋势。l同时同时海面在重力和表面张力的作用下形成海面在重力和表面张力的作用下形成了复原力，要恢复海面的稳定了复原力，要恢复海面的稳定。l于是于是在海面形成了一种振动系统，使海面在海面形成了一种振动系统，使海面发生波动。发生波动。l 波动是从张力波开始的，其波长从几毫米到几厘波动是从张力波开始的，其波长从几毫米到几厘米，频率在米，频率在10100Hz的范围内的范围内。l 这种这种张力波产生的一系列细微波集合成细波，一张力波产生的一系列细微波集合成细波，一边继续吸收风的能量，一边迅速成长，向频率低边继续吸收风的能量，一边迅速成

11、长，向频率低的的重力波过渡。重力波过渡。l 当波成长到波高接近波长的七分之一时，就会迅当波成长到波高接近波长的七分之一时，就会迅速显示出不稳定的状态而呈卷浪之势速显示出不稳定的状态而呈卷浪之势。l 实际实际的海浪是由许多不同波高、波长的海浪是由许多不同波高、波长(或频率或频率)及及不同前进方向的波所组成。不同前进方向的波所组成。l 波高随着受风时间和与上风距离的增大而增加波高随着受风时间和与上风距离的增大而增加。l 在在波浪的成长过程中，波长短波浪的成长过程中，波长短(频率高频率高)的波会最的波会最先发生破碎，伴随能量的扩散，只有波长长的低先发生破碎，伴随能量的扩散，只有波长长的低频波能继续成

12、长，使波动能量的频谱向低频方向频波能继续成长，使波动能量的频谱向低频方向移动。移动。l 从风区上端到下游海面的距离称做从风区上端到下游海面的距离称做吹送距离吹送距离，风，风从风区上端刮到下游海面的时间称做从风区上端刮到下游海面的时间称做吹送时间吹送时间。l 波浪波浪的成长不会随着吹送距离和吹送时间的增加的成长不会随着吹送距离和吹送时间的增加而无限增大，即风浪的能量会很快达到饱和而无限增大，即风浪的能量会很快达到饱和。l 在在大海中，吹送距离极大，所以波浪的状态不受大海中，吹送距离极大，所以波浪的状态不受吹送距离和时间的影响，一般只由风速来决定，吹送距离和时间的影响，一般只由风速来决定，这时的风

13、波称为这时的风波称为充分发展的波充分发展的波。l 研究研究表明，充分发展的风波波高和周期分别与风表明，充分发展的风波波高和周期分别与风速的平方和一次方成正比。速的平方和一次方成正比。l 当风区离开海面时，风波还将继续存在并传播，当风区离开海面时，风波还将继续存在并传播，直至在海水摩擦和湍动的作用下消耗掉其储存的直至在海水摩擦和湍动的作用下消耗掉其储存的能量为止能量为止。l 另另一种情况是风浪传播到海岸，由于浅层海床和一种情况是风浪传播到海岸，由于浅层海床和岸边岩石的阻滞作用，波浪破碎，释放出巨大的岸边岩石的阻滞作用，波浪破碎，释放出巨大的能量，趋于消散能量，趋于消散。l 这些这些都是风浪的衰退

14、过程都是风浪的衰退过程。l 从波浪的产生、发展到消退，同时伴随着能量的从波浪的产生、发展到消退，同时伴随着能量的吸收、积累和释放吸收、积累和释放。l 波浪波浪的能量与波浪的运动息息相关。的能量与波浪的运动息息相关。二、波浪的运动二、波浪的运动l虽然海洋波浪的运动非常复杂，但是其基虽然海洋波浪的运动非常复杂，但是其基本的运动规律和其他机械波的运动具有共本的运动规律和其他机械波的运动具有共性性。l研究研究波浪的传播、波浪能量，首先要研究波浪的传播、波浪能量，首先要研究组成波浪的水的组成波浪的水的微团微团(质点质点)的运动的运动。l水水微团相对于海面的垂直位移使波浪具有微团相对于海面的垂直位移使波浪

15、具有势能势能；波浪在海面上的水平传播，使波浪；波浪在海面上的水平传播，使波浪具有具有动能动能。l 海洋中最大量的波浪是深水波，产生于海水的平海洋中最大量的波浪是深水波，产生于海水的平均深度大于波长的海面均深度大于波长的海面。l 波浪波浪中的微团在垂直方向作圆周运动，不同水层中的微团在垂直方向作圆周运动，不同水层微团的运动半径随深度呈指数减小微团的运动半径随深度呈指数减小。l 在在浅水中，微团作椭圆形运动，其能量由于水与浅水中，微团作椭圆形运动，其能量由于水与海床的摩擦而耗散。海床的摩擦而耗散。l 对于深水波，微团主要受到重力和圆周运动向心对于深水波，微团主要受到重力和圆周运动向心力的作用；摩擦

16、力、表面张力和惯性力都可以忽力的作用；摩擦力、表面张力和惯性力都可以忽略略。l 波面波面上的水微团上的水微团A受重力受重力mg和向心力和向心力mr2的作用，的作用，其中其中m是微团的质量，是微团的质量，r是运动半径，是运动半径，是角速度。是角速度。波面的微团受到的向心力是由风施加的波面的微团受到的向心力是由风施加的。l F是微团所受的重力和向心力的合力，方向向内，是微团所受的重力和向心力的合力，方向向内，垂直于波面的切线垂直于波面的切线。l F向波面内部传递，是波传播的振动动力向波面内部传递，是波传播的振动动力。l 波浪是由各种不同相位和振幅的正弦波叠加而组成的十分波浪是由各种不同相位和振幅的

17、正弦波叠加而组成的十分复杂的波形，可以用傅里叶级数展开为很多不同的正弦波，复杂的波形，可以用傅里叶级数展开为很多不同的正弦波，所以正弦波是波浪的所以正弦波是波浪的基波基波。l 分析分析基波是认识波的特性的基础基波是认识波的特性的基础。l 在在波面上水的微团作半径为波面上水的微团作半径为a的圆周运动，的圆周运动，a即为波的振幅，即为波的振幅，等于波高的等于波高的一半。一半。l 波波沿沿x方向运动方向运动(传播传播)，但水的微团在，但水的微团在x方向只作圆周运动方向只作圆周运动范围内的循环往复，并不随波的传播而移动，整个波的运范围内的循环往复，并不随波的传播而移动，整个波的运动形态是由于不同水的微

18、团连续运动的相位差产生的。动形态是由于不同水的微团连续运动的相位差产生的。l 质量为质量为mkg水的微团的受力情况如图所示水的微团的受力情况如图所示。l 微团微团在浪尖的位置在浪尖的位置P1，受到向上的离心力作用，离心力为，受到向上的离心力作用，离心力为mv2/a 或或 ma2。l 式式中，中，v是微团运动的线速度，是微团运动的线速度，m/s；是圆周运动的角速是圆周运动的角速度，度，1/s；a是运动半径是运动半径(波的振幅波的振幅)，m。l 随后随后，该微团下降，而邻近的作圆周运动但相位滞后的微，该微团下降，而邻近的作圆周运动但相位滞后的微团上升到浪尖团上升到浪尖。l P2的位置是在波谷，微团

19、受到向下的力达到最大的位置是在波谷，微团受到向下的力达到最大。l P3和和P4点在平均波面上，该处波面的切线与微团受的合力点在平均波面上，该处波面的切线与微团受的合力垂直垂直。l 下面分析微团和波的运动速度下面分析微团和波的运动速度。l 设设在在t=0时，微团处在平均水平面的位置上，其随时，微团处在平均水平面的位置上，其随后的位置上，有后的位置上，有因为因为ga2cos。同时，斜率还可以表示为同时，斜率还可以表示为其中其中h为高于平均水平面的高度。为高于平均水平面的高度。由上面三式，可得由上面三式，可得同时，还有同时，还有解上面两方程，得解上面两方程，得波的一般方程形式为波的一般方程形式为h=

20、asin(2/)x-t，所以，可，所以，可以得到波长以得到波长运动周期为运动周期为颗粒速度颗粒速度波的速度为波的速度为波速波速c是波运动的相速度，与振幅是波运动的相速度，与振幅a及颗粒速度及颗粒速度v无无关。关。三、波浪能及功率三、波浪能及功率l波浪的能量与其运动的振幅的平方和周期波浪的能量与其运动的振幅的平方和周期成正比成正比。l经常经常发生在深海区域的长周期发生在深海区域的长周期(约约10s)、大、大振幅振幅(约约2m)的波浪，用来发电具有广阔的的波浪，用来发电具有广阔的前景，其每米浪宽的平均能流为前景，其每米浪宽的平均能流为5070kW。l 在单个有规律的波中，水面附近的水滴在圆周轨在单

21、个有规律的波中，水面附近的水滴在圆周轨道上运动，在波传递的方向上处于不同的相位道上运动，在波传递的方向上处于不同的相位。l 在在竖直方向上，振幅等于波峰到波谷距离的一半，竖直方向上，振幅等于波峰到波谷距离的一半，并随深度的增加呈指数下降。并随深度的增加呈指数下降。l 如果海床的深度大于如果海床的深度大于0.5，则粒子会保持圆周运，则粒子会保持圆周运动，随深度增加动，随深度增加(z的负方向的负方向)，水滴的圆周运动半，水滴的圆周运动半径可以按下式估算：径可以按下式估算：考虑深度考虑深度z处单位波面宽度的微元体处单位波面宽度的微元体dxdz，其总动，其总动能可以表示为能可以表示为其中其中Ek为在为

22、在x方向方向单位宽度的波所单位宽度的波所具有的能量。具有的能量。将前式代入，在将前式代入，在z方向积分，得到方向积分，得到其中其中则得到则得到根据波动理论，波具有的势能与动能相同，即根据波动理论，波具有的势能与动能相同，即因此，单位表面积的波所具有的总能量为因此，单位表面积的波所具有的总能量为粒子离平均位置的垂直距离为粒子离平均位置的垂直距离为速度的水平分量为速度的水平分量为任意时刻，位于任意时刻，位于x处单位波面宽度的波的功率为处单位波面宽度的波的功率为式中，式中，p1和和p2为单位波面宽度、高为为单位波面宽度、高为dz的微元所受到的微元所受到的压力。的压力。压差压差p1-p2实际上与在圆周

23、上作旋转运动的粒子势能实际上与在圆周上作旋转运动的粒子势能的变化有关，即的变化有关，即将前式代入，得到将前式代入，得到将上式代入前式，积分，得将上式代入前式，积分，得根据波的相速度，有根据波的相速度，有由于由于所以所以以上假设波是简单的正弦函数估算了波的能量和功以上假设波是简单的正弦函数估算了波的能量和功率。实际的波是很不规则的，其功率可以用下式估率。实际的波是很不规则的，其功率可以用下式估算：算：其中，其中，Hs是有效波高，定义为是有效波高，定义为式中，式中，arms是水面平均位置的均方根，在相同的时间是水面平均位置的均方根，在相同的时间间隔内测量间隔内测量n次，然后计算得到；次，然后计算得

24、到；h是瞬时颗粒位置；是瞬时颗粒位置；Te是能量周期，按是能量周期，按0.36T估算。估算。四、波力发电四、波力发电l波浪能波浪能具有以下具有以下特点特点：l(1)能量密度小、运动速度慢能量密度小、运动速度慢。每每米波前的能量通常为米波前的能量通常为2080kW，由波浪形成的水，由波浪形成的水头一般只有头一般只有23m，需要将分散的波浪能转换为集，需要将分散的波浪能转换为集中的能量。中的能量。l(2)往复运动往复运动。每个每个周期内海水的运动方向循环一次，需要将往周期内海水的运动方向循环一次，需要将往复运动转变成转向不变的圆周运动。复运动转变成转向不变的圆周运动。l(3)不稳定。不稳定。l(4

25、)工作坏境恶劣工作坏境恶劣。l 波浪能利用有很多困难波浪能利用有很多困难，主要有：，主要有：l (1)波的振幅、相位和方向都是不规则的，使能量波的振幅、相位和方向都是不规则的，使能量利用设备的设计很困难。利用设备的设计很困难。l (2)波的强度变化无常，能量利用设备要能够忍受。波的强度变化无常，能量利用设备要能够忍受。通常，通常，50年中会有年中会有1年的最高波高是平均波高的年的最高波高是平均波高的10倍。因此，利用设备应该能承受其正常功率的倍。因此，利用设备应该能承受其正常功率的100倍。倍。l (3)功率峰值通常在深水波中出现，使得波浪能利功率峰值通常在深水波中出现，使得波浪能利用设备的安

26、装非常困难。用设备的安装非常困难。l (4)波浪的周期是波浪的周期是510s(频率频率0.1Hz)。这种不规则的。这种不规则的慢速运动与发电设备要求的几乎高出慢速运动与发电设备要求的几乎高出500倍的频率倍的频率很难匹配很难匹配。l 波力发电是波浪能利用的主要方式波力发电是波浪能利用的主要方式。l 波浪波浪的运动形式是比较复杂的，能被利用来进行的运动形式是比较复杂的，能被利用来进行发电的主要有以下几种。发电的主要有以下几种。l 首先是首先是利用波浪的垂直运动利用波浪的垂直运动，具体有下面几种。，具体有下面几种。(1)浮体垂直摆荡式浮体垂直摆荡式或称或称漂浮漂浮式式l 利用利用可以漂浮在海面上的

27、浮体，在和海面垂直的可以漂浮在海面上的浮体，在和海面垂直的平面内由波浪推动着振荡或摆动，从而获得机械平面内由波浪推动着振荡或摆动，从而获得机械能能。l 点头鸭式波力发电装置点头鸭式波力发电装置。l 因因外形而外形而得名。得名。l 当当波浪从左边冲过来时，由乎右边没有波浪冲击波浪从左边冲过来时，由乎右边没有波浪冲击力，故鸭体失去平衡，产生摆动力，故鸭体失去平衡，产生摆动。l 波浪波浪中表层海水质点作圆周运动，表面海水分子中表层海水质点作圆周运动，表面海水分子的运动直径和波高相同，但随着水深的增加，水的运动直径和波高相同，但随着水深的增加，水质点运动直径迅速减小质点运动直径迅速减小。l 当当波浪冲

28、击到鸭体时，表层海水给予鸭体的冲击波浪冲击到鸭体时，表层海水给予鸭体的冲击力大，深层海水给予鸭体的冲击力小，这就使鸭力大，深层海水给予鸭体的冲击力小，这就使鸭体抬头。体抬头。l 波峰过去后，鸭体点头波峰过去后，鸭体点头。如此。如此循环循环。l 鸭鸭体吸收波能的效率可达体吸收波能的效率可达80%90%。l 鸭鸭体摆动的过程中，带动内部的花键泵转动，压体摆动的过程中，带动内部的花键泵转动，压出高压的油流，高压油驱动油马达旋转，从而带出高压的油流，高压油驱动油马达旋转，从而带动发电机发电动发电机发电。l 该该装置结构简单，效率高，安全性好，可以阵列装置结构简单，效率高，安全性好，可以阵列布置进行大规

29、模发电，向陆地输电布置进行大规模发电，向陆地输电。l 目前目前已能发出功率已能发出功率15kW的电量。的电量。l 波动筏式波动筏式。l 由由若干钢制或钢筋混凝土制的箱形筏块连成一排若干钢制或钢筋混凝土制的箱形筏块连成一排而而组成。组成。l 整个装置浮在海面上，和波浪一起上下浮荡，筏整个装置浮在海面上，和波浪一起上下浮荡，筏块的状态总保持和波形一致块的状态总保持和波形一致。l 在在筏块随着波浪起伏运动的过程中，筏块之间的筏块随着波浪起伏运动的过程中，筏块之间的夹角不断改变，在两个筏块之间安装一个液压装夹角不断改变，在两个筏块之间安装一个液压装置就可以将其中的能量提取出来，从而将波能转置就可以将其

30、中的能量提取出来，从而将波能转换为电能。换为电能。l 该发电装置的效率可达该发电装置的效率可达50%。其结构简单，造价。其结构简单，造价低，易于组装和维护，安全性好，可以经受大风低，易于组装和维护，安全性好，可以经受大风大浪的袭击。大浪的袭击。l (2)气柱振荡式气柱振荡式。l 可以可以是岸式，也可以离岸固定是岸式，也可以离岸固定，利用，利用自行车打气自行车打气筒的原理筒的原理。l 其其特点是有一个下端开口的空腔，其下半部分是特点是有一个下端开口的空腔，其下半部分是海水，上半部分是空气海水，上半部分是空气。l 其中其中的水柱可以和具有某种频率的波浪激发产生的水柱可以和具有某种频率的波浪激发产生

31、共振，推动空气柱做功。共振，推动空气柱做功。l 当海流起伏时，空腔内的水位随着上升、下降，压出当海流起伏时，空腔内的水位随着上升、下降，压出或吸入空气，形成高速气流，气流使空气涡轮机或吸入空气，形成高速气流，气流使空气涡轮机旋旋l 该装置发电能力较小，从几瓦到几百瓦，但结构简单，该装置发电能力较小，从几瓦到几百瓦，但结构简单，运行稳定运行稳定。l 该该装置是由空气推动空气涡轮机发电的，空气柱是往装置是由空气推动空气涡轮机发电的，空气柱是往复振荡的，需要采取一定的措施，使空气涡轮机单向复振荡的，需要采取一定的措施，使空气涡轮机单向转动。转动。l 其次其次是是利用流体静压力的变动利用流体静压力的变

32、动，有下面几种，有下面几种。l (1)拉塞尔整流式拉塞尔整流式。l 是是一种闸式结构一种闸式结构，面对，面对海洋设有两组单向门：一海洋设有两组单向门：一组是允许水流进入储水池的组是允许水流进入储水池的B门，另一组则是只门，另一组则是只允许水流从集水池流出的允许水流从集水池流出的A门门。l 这这两个水池由一个水轮机连接起来。两个水池由一个水轮机连接起来。l 由波浪作用维持的水头使该水轮机不断运转由波浪作用维持的水头使该水轮机不断运转。l 其其工作过程为：波浪产生的压力迫使工作过程为：波浪产生的压力迫使B门打开，储水池充门打开，储水池充水，当内部流体的静压力超过波浪产生的力，门就关闭水，当内部流体

33、的静压力超过波浪产生的力，门就关闭。l 储储水池的水通过水轮机流入集水池水池的水通过水轮机流入集水池。l 集集水池充水，直至波浪力在排出门水池充水，直至波浪力在排出门A产生的力小于集水池产生的力小于集水池内流体的静压力时，排出门打开，集水池内部分水排出内流体的静压力时，排出门打开，集水池内部分水排出。l 当当波峰到来时，排出门再次关闭波峰到来时，排出门再次关闭。l 如此如此循环不已。循环不已。l 该装置的平均发电功率为该装置的平均发电功率为5kW/m。l (2)压力压力-柔性膜式柔性膜式。l 气气袋式波力发电装置是一种典型的压力袋式波力发电装置是一种典型的压力-柔性膜式柔性膜式波浪能利用波浪能

34、利用装置。装置。l 该装置有一根柔性长管，由软隔膜把长管分隔成该装置有一根柔性长管，由软隔膜把长管分隔成若干个小室，小室内充满空气，其底下有一条窄若干个小室，小室内充满空气，其底下有一条窄缝，与一根相同长度的矩形预应力混凝土梁相接，缝，与一根相同长度的矩形预应力混凝土梁相接，并使之封闭。并使之封闭。l 矩形梁内有上下两个气道，两个气道与各小室通矩形梁内有上下两个气道，两个气道与各小室通过单向阀各自相通过单向阀各自相通。l 矩形梁矩形梁的的中部中部设有空气涡轮机和发电机室设有空气涡轮机和发电机室。l 该装置沿该装置沿波浪前进波浪前进的方向安放，并以锚链定位的方向安放，并以锚链定位。l 当波浪经过

35、气袋时，有些小室处于波峰位置，另当波浪经过气袋时，有些小室处于波峰位置，另一些小室处于波谷位置。一些小室处于波谷位置。l 波峰处的小室受到压缩，其内的空气也受到压缩，波峰处的小室受到压缩，其内的空气也受到压缩，就冲开单向阀，冲向高压通道，使空气涡轮机旋就冲开单向阀，冲向高压通道，使空气涡轮机旋转带动发电机发电转带动发电机发电。l 发电发电后的气体通过低压通道返回小室后的气体通过低压通道返回小室。l 当当波浪前进时，原来处于低压的小室变成受压状波浪前进时，原来处于低压的小室变成受压状态，原来受压的小室变成低压状态态，原来受压的小室变成低压状态。l 这样这样在波峰和波谷的交替作用下，气袋也交替压在

36、波峰和波谷的交替作用下，气袋也交替压缩和扩张，形成气流，从而连续发电。缩和扩张，形成气流，从而连续发电。l 据估计，该装置每据估计，该装置每1m长可发出长可发出56kW的电力，气的电力，气袋长度可视发电需要增减，是一种有前途的装置。袋长度可视发电需要增减，是一种有前途的装置。l (3)利用水粒子的运动利用水粒子的运动。l 波浪波浪传递到浅水中时，水的粒子沿着长轴水平的椭圆形轨传递到浅水中时，水的粒子沿着长轴水平的椭圆形轨迹迹运动。运动。l 水轮水轮式即利用这种运动带动在垂直面转动的水轮转动式即利用这种运动带动在垂直面转动的水轮转动做功。做功。l (4)利用水的水平运动的动压利用水的水平运动的动

37、压。l 波浪波浪在传递到坡度很小的浅水区后，海水表面的在传递到坡度很小的浅水区后，海水表面的水粒子会以比波浪更快的速度接近海岸水粒子会以比波浪更快的速度接近海岸。l 水平水平往复式就是利用这种海水的水平运动做功。往复式就是利用这种海水的水平运动做功。五、波浪能的聚集五、波浪能的聚集l由于波浪能的能量密度较低，所以使波浪由于波浪能的能量密度较低，所以使波浪能聚集起来，提高能量密度就显得很重要。能聚集起来，提高能量密度就显得很重要。l波浪像光波那样能够产生折射，把广范围波浪像光波那样能够产生折射，把广范围的波能聚集在很小的范围内的波能聚集在很小的范围内。l 向海岸传去的波一旦遇到海底山地那样的凸起

38、部向海岸传去的波一旦遇到海底山地那样的凸起部分，波浪就会弯曲集中起来分，波浪就会弯曲集中起来(图图(a)；对于不规则；对于不规则形状的海岸线，波峰也会集中起来，如图形状的海岸线，波峰也会集中起来，如图(b)所示。所示。l 可以利用这种性质来聚集波浪能。可以利用这种性质来聚集波浪能。l (1)聚焦型聚焦型。l 在在水面下放置类似于透镜形状的水面下放置类似于透镜形状的物体。物体。l 当当波入射到透镜部位时，速度减慢，会聚到透镜的焦点处波入射到透镜部位时，速度减慢，会聚到透镜的焦点处。l 在在焦点处设置波浪能转换装置可以获得很高的能量密度。焦点处设置波浪能转换装置可以获得很高的能量密度。l (2)人

39、工岛人工岛。l 将将略呈半球形的人工岛放入海中略呈半球形的人工岛放入海中，当，当波与之相遇波与之相遇时，即产生折射向心运动，最后能量集中在人工时，即产生折射向心运动，最后能量集中在人工岛的顶部，海水通过设在人工岛顶部的导向叶片岛的顶部，海水通过设在人工岛顶部的导向叶片流入岛内，推动水轮机做功。流入岛内，推动水轮机做功。第第2节节 海流能海流能l海流是海水的一种定向运动，主要由风、海流是海水的一种定向运动，主要由风、海水密度不均和海面倾斜等造成海水密度不均和海面倾斜等造成。l海流海流中所储存的动能称为海流能中所储存的动能称为海流能。l世界上最大的海流是墨西哥湾暖流，流经世界上最大的海流是墨西哥湾

40、暖流，流经我国的黑潮暖流是世界上第二大海流我国的黑潮暖流是世界上第二大海流。l估计估计大洋海流的动能足有大洋海流的动能足有50亿亿kW。l 海流的大小、速度不一，能量密度小，开发利用海流的大小、速度不一，能量密度小，开发利用存在很多困难存在很多困难。l 海流海流发电有很大的吸引力，国内外进行了很多实发电有很大的吸引力，国内外进行了很多实验研究验研究。l 海流海流发电的方式主要有以下几种发电的方式主要有以下几种。l (1)降落伞式降落伞式。l 由由美国科学家美国科学家H.E.沙伊茨提出。沙伊茨提出。l 把把50只直径为只直径为0.6m的的“降落伞降落伞”串在一根长串在一根长150m的绳子上，首尾

41、相接套在船尾的一个滑轮上，然的绳子上，首尾相接套在船尾的一个滑轮上，然后放入海流后放入海流中。中。l 在在海中，海流带动海中，海流带动“降落伞降落伞”并将其冲开，就如并将其冲开，就如大风将伞撑开一样大风将伞撑开一样。l 带带降落伞的绳子驱动船上的轮子不停地转动，再降落伞的绳子驱动船上的轮子不停地转动，再通过增速系统带动发电机发电。通过增速系统带动发电机发电。l 运行到顶端，运行到顶端，“降落伞降落伞”在折返时会自动闭合，在折返时会自动闭合，使阻力减少使阻力减少。l 通过通过这样连续不断地循环运转，就使发电机不停这样连续不断地循环运转，就使发电机不停地发出电来地发出电来。l (2)海流发电驳船海

42、流发电驳船。l 是是把一艘驳船拖入海流中，用锚链系在海底固定把一艘驳船拖入海流中，用锚链系在海底固定。l 驳船驳船两侧分别装上几台螺旋桨水轮机，水轮机与两侧分别装上几台螺旋桨水轮机，水轮机与舱内的发电机相连，海流冲击水轮使之不停地转舱内的发电机相连，海流冲击水轮使之不停地转动，转动的水轮又带动发电机发电。动，转动的水轮又带动发电机发电。l 美国把经过改装的驳船停泊在加利福尼亚海流中，该海流美国把经过改装的驳船停泊在加利福尼亚海流中，该海流的流速为的流速为22km/d。l 在在驳船两侧分别装驳船两侧分别装13个水轮，海流使轮转动，转速个水轮，海流使轮转动，转速1rpm。l 通过通过增速齿轮，使转

43、速提高到增速齿轮，使转速提高到1000rpm，便可带动发电机，便可带动发电机发电发电。l 在在大风暴来临前，该船可驶到附近海港避风大风暴来临前，该船可驶到附近海港避风。l 该该船的功率为船的功率为50MW。l 世界上从事海流能开发的主要有美国、英国、加世界上从事海流能开发的主要有美国、英国、加拿大、日本、意大利和中国等。拿大、日本、意大利和中国等。l 20世纪世纪70年代末，中国舟山的何世钧先生曾进行年代末，中国舟山的何世钧先生曾进行过海流能开发研究，建造了一个试验装置并得到过海流能开发研究，建造了一个试验装置并得到了了6.3kW的电力输出的电力输出。l 80年代初，哈尔滨工程大学开始研究一种

44、直叶片年代初，哈尔滨工程大学开始研究一种直叶片的新型海流透平，获得较高的效率并于的新型海流透平，获得较高的效率并于1984年完年完成成60W模型的实验室研究，之后开发出千瓦级装模型的实验室研究，之后开发出千瓦级装置在河流中进行试验。置在河流中进行试验。l 90年代以来，中国开始计划建造海流能示范应用年代以来，中国开始计划建造海流能示范应用电站，在电站，在“八五八五”、“九五九五”科技攻关中均对海科技攻关中均对海流能进行连续支持流能进行连续支持。l 意大利意大利与中国合作在舟山地区开展了联合海流能与中国合作在舟山地区开展了联合海流能资源调查，计划开发资源调查，计划开发140kW的示范电站。的示范

45、电站。第四节第四节 海洋热能海洋热能l人们经过长期的观测计算，发现到达海面人们经过长期的观测计算，发现到达海面的太阳辐射能被最上面的太阳辐射能被最上面1m深的海水吸收了深的海水吸收了60%，占了一多半，而距离海面，占了一多半，而距离海面10m以下的以下的海水，只吸收了太阳辐射能的海水，只吸收了太阳辐射能的18%，还不到，还不到1/5。l因此因此，不同深度海水的温度是不一样的。，不同深度海水的温度是不一样的。l 在深约在深约100m的海洋上层，尤其是热带海洋，水恒温为的海洋上层，尤其是热带海洋，水恒温为28C左右左右。l 例如例如我国南海夏季表层水温在我国南海夏季表层水温在27C以上，最高可达以

46、上，最高可达36C。l 而而5001000m深处的海水却几乎终年保持在深处的海水却几乎终年保持在5C左右。左右。l 这这23C的温差可以做可再生能源。的温差可以做可再生能源。l 定义定义P0为理想系统中热水所具有的功率，为理想系统中热水所具有的功率，W；其；其流率为流率为mh，kg/s；温度为；温度为Th，C；冷水温度为；冷水温度为Tc，C，因此有，因此有从热力学角度，从从热力学角度，从P0可以获得的最大机械功率为可以获得的最大机械功率为其中其中l 海洋热能转换系统的基本部件是热交换器海洋热能转换系统的基本部件是热交换器(蒸发器蒸发器和冷凝器和冷凝器)、泵、汽轮机和、泵、汽轮机和发电机。发电机

47、。l 其其要求的流率通常非常高，例如，对于要求的流率通常非常高，例如，对于Th=300K，T=15K的情况，要得到的情况，要得到P1=1MW的功率，需要的的功率，需要的质量流率质量流率mh=650t/h。l 功率和功率和T的二次方成正比的二次方成正比。l 经验经验表明，只有当表明，只有当T15C时，利用海洋热能才时，利用海洋热能才是经济可行的。是经济可行的。l 1881年，法国的物理学家年，法国的物理学家J.德尔松瓦第一次提出，德尔松瓦第一次提出，海洋的温差可以为人类服务，可以利用这种温度海洋的温差可以为人类服务，可以利用这种温度的差异让海水发出电来的差异让海水发出电来。l 其其原理就如同热电

48、站的发电原理一样：有一个热原理就如同热电站的发电原理一样：有一个热源源(锅炉锅炉)、一个冷源、一个冷源(冷却水冷却水)便可以发电便可以发电。l 海水海水中表层温度高的海水就是热源，深层温度低中表层温度高的海水就是热源，深层温度低的海水就是冷源的海水就是冷源。l 上层上层海水在低压甚至真空下产生蒸汽，推动汽轮海水在低压甚至真空下产生蒸汽，推动汽轮机带动发电机发电机带动发电机发电。l 1930年，德尔松瓦的学生年，德尔松瓦的学生G.克洛德在古巴建成了世界上第克洛德在古巴建成了世界上第一座海水温差电站一座海水温差电站。l 该该电站以海边电站以海边27C的表面海水作为的表面海水作为“热源热源”，以距离

49、海岸，以距离海岸2km远、远、650m深处的冷海水作为深处的冷海水作为“冷源冷源”。l 他他采用的是开式循环发电，其原理如图所示。采用的是开式循环发电，其原理如图所示。l 工作时用真空泵将系统内抽成真空，然后把表面工作时用真空泵将系统内抽成真空，然后把表面海水引入蒸发室使之沸腾蒸发，产生的水蒸气便海水引入蒸发室使之沸腾蒸发，产生的水蒸气便推动汽轮机运转并带动发电机发电推动汽轮机运转并带动发电机发电。l 由由汽轮机排出的废气，再用抽上来的深层冷海水汽轮机排出的废气，再用抽上来的深层冷海水冷却，重新凝结成水后排入海中。冷却，重新凝结成水后排入海中。l 该系统的该系统的特点特点是是：l 直接以温海水

50、作为工作介质，这部分海水并不直接以温海水作为工作介质，这部分海水并不循环，在冷凝器中凝结后即被排掉循环，在冷凝器中凝结后即被排掉；l 需要很长的管道和大型汽轮机，因而投资大、需要很长的管道和大型汽轮机，因而投资大、耗材多，经济上不合算。耗材多，经济上不合算。l 克洛德的电站，冷海水的流量为克洛德的电站，冷海水的流量为0.2m3/s，通过直径，通过直径2m的的钢管用冷水泵抽取钢管用冷水泵抽取。l 当当温海水的温度为温海水的温度为27.5C，冷海水的温度为，冷海水的温度为17C，发电功，发电功率为率为12.5kW；l 当当温海水的温度为温海水的温度为27C，冷水温度为，冷水温度为13C，发电功率为

51、，发电功率为22kW。l 后来后来，电站运行，电站运行11天后，遇到海浪袭击被摧毁。天后，遇到海浪袭击被摧毁。l 1948年，法国海洋能开发公司在非洲的象牙海岸年，法国海洋能开发公司在非洲的象牙海岸建设的建设的7000kW的海岸式海水温差电站，完全是按的海岸式海水温差电站，完全是按照克洛德的开式循环工作原理设计的。照克洛德的开式循环工作原理设计的。l 另一种海水温差发电系统是闭式循环系统，是美国安德森另一种海水温差发电系统是闭式循环系统，是美国安德森父子于父子于1964年提出的年提出的。l 该该系统采用低沸点物质为工作介质系统采用低沸点物质为工作介质(如氨，沸点为如氨，沸点为-33.3C；丙烷

52、，沸点为丙烷，沸点为-42.3C；氟利昂；氟利昂22，沸点为，沸点为-40.8C)，组成，组成一个完全封闭的循环系统，把整个发电装置安装在一个大一个完全封闭的循环系统，把整个发电装置安装在一个大型浮体中，其工作原理如图所示。型浮体中，其工作原理如图所示。l 该系统的工作过程：加热、蒸发、膨胀、冷却、升压该系统的工作过程：加热、蒸发、膨胀、冷却、升压。l 在在同样的海水温度条件下，可以获得比水做介质时压力高同样的海水温度条件下，可以获得比水做介质时压力高出出200多倍的蒸汽。多倍的蒸汽。l 1979年年5月，美国用这种闭式循环发电方式在夏威月，美国用这种闭式循环发电方式在夏威夷海面上建造了一座具

53、有实用价值的海洋温差电夷海面上建造了一座具有实用价值的海洋温差电站站。l 这个这个电站除了满足自身系统用电外，还点亮了电站除了满足自身系统用电外，还点亮了9只只500W的灯泡和一台电视机的灯泡和一台电视机。l 虽然虽然成绩依然很小，有人甚至说它只是个玩具，成绩依然很小，有人甚至说它只是个玩具，但它却使人们真正看到了海洋温差发电的巨大潜但它却使人们真正看到了海洋温差发电的巨大潜力和实际可行性。力和实际可行性。l 美国已准备建造一个大型海洋温差发电站，发电美国已准备建造一个大型海洋温差发电站，发电能力将是夏威夷那座电站的能力将是夏威夷那座电站的3200倍！到那时海洋倍！到那时海洋温差能就能够真正大

54、显身手了温差能就能够真正大显身手了。l 1981年年10月，日本在瑙鲁共和国成功地建成了输月，日本在瑙鲁共和国成功地建成了输出功率为出功率为100kW的海水温差发电站的海水温差发电站。l 1982年年9月，在日本九州德之岛建成了一个专供民月，在日本九州德之岛建成了一个专供民用照明的输出功率为用照明的输出功率为50kW的海水温差电站的海水温差电站。l 目前目前，世界各国都在开展该方面的研究工作。，世界各国都在开展该方面的研究工作。第第4节节 盐差能盐差能一、概况一、概况l我们都知道，当把两种不同浓度的溶液组我们都知道，当把两种不同浓度的溶液组合后，原来浓的溶液会变淡，淡的溶液会合后，原来浓的溶液

55、会变淡，淡的溶液会变浓，最后二者变成同一浓度的溶液变浓，最后二者变成同一浓度的溶液。l两种两种不同溶液间渗透产生的势能就是浓度不同溶液间渗透产生的势能就是浓度差能，海水和淡水之间的盐度差能差能，海水和淡水之间的盐度差能(也叫盐也叫盐差能差能)就属于其中的一种。就属于其中的一种。l 当江河的淡水与海洋的海水汇合时，由于两者所当江河的淡水与海洋的海水汇合时，由于两者所含盐分不同，在其接触面上会产生一种十分巨大含盐分不同，在其接触面上会产生一种十分巨大的能量的能量。l 盐度盐度差能可以通过半透膜以渗透压的形式表现出差能可以通过半透膜以渗透压的形式表现出来，假如把一层半透膜放在不同盐度的两种水之来，假

56、如把一层半透膜放在不同盐度的两种水之间，通过这个膜会产生一个压力梯度，迫使水从间，通过这个膜会产生一个压力梯度，迫使水从低盐度一侧通过膜向高盐度一侧渗透，从而稀释低盐度一侧通过膜向高盐度一侧渗透，从而稀释高盐度的水，直到膜两侧的水的盐度相等为止高盐度的水，直到膜两侧的水的盐度相等为止。l 此此压称为压称为渗透压渗透压，它随海水的盐度与温度等而变。，它随海水的盐度与温度等而变。可以看出，半透膜是盐差能利用的关键。可以看出，半透膜是盐差能利用的关键。l 当海水的含盐浓度为当海水的含盐浓度为3.5%时，海水和淡水之间的时，海水和淡水之间的渗透压一般为渗透压一般为2.51MPa，相当于，相当于256m水头水头。l 地球地球上江河入海口的盐差能的蕴藏量约为上江河入海口的盐差能的蕴藏量约为26亿亿kW。l 盐盐差能具有高密度、可再生、无污染、具有明显差能具有高密度、可再生、无污染、具有明显的季节变化和年际变化等特点。的季节变化和年际变化等特点。l 我 国 沿 岸 盐 差 能 资 源 蕴 藏 量 约 为 每 年我 国 沿 岸 盐 差 能 资 源 蕴 藏 量 约 为 每 年3941.41012kJ，理论功率为，理论功率为1.25亿亿kW，但资源分，但资源分布不均匀布不均