海洋能发电技术

海洋能多种发电技术

胡绪权CONTENTS01海洋能简介

02海洋能分类和应用

03参考资料

1.海洋能简介

地球表面积约为5.1x108km，其中陆地表面积为1.49x108km，占29％；海洋面积达3.61x1O8km，占71％。以海平面计，全部陆地的平均海拔约为840m，而海洋的平均深度却为380m，整个海水的容积多达1.37x109km3。

1.海洋能简介

《中国新能源与可再生能源1999白皮书》公布的结果： 沿海潮汐能资源可开发总装机容量为2179万千瓦，年发电624亿度； 进入岸边的波浪能理论平均功率为1285万千瓦； 潮流能理论平均功率1394万千瓦； 温差能理论蕴藏量约(1.2-1.3)×1019kJ，实际可用装机(1.3-1.5)×106MW； 盐差能资源理论蕴藏量约为3.9×1015kJ，理论功率为1.25×105MW。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；

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。能量多变，具有不稳定性，运用起来比较困难；

1.1海洋能特点2.海洋能的分类与应用2.1.1海浪的类型2.海洋能的分类与应用风浪，在风的直接吹拂作用下产生的水面波动。由风引起的波浪在靠近其形成的区域才被称为风浪。

。风浪传播开去，出现在距离很远的海面。这种不在有风海域的波浪称为涌浪。2.海洋能的分类与应用2.1.1海浪的类型外海的波浪传到海岸附近，因水深和地形会改变波动性质，出现折射、波面破碎和倒卷，这就是近岸浪。2.海洋能的分类与应用2.1.1海浪的类型水面上的大小波浪交替，有规律地顺风滚动前进；水面下的波浪随风力不同做直径不同、转速不同的圆周或椭圆运动2.海洋能的分类与应用2.1.1海浪的运动不同水深的水分子运动轨迹（d为海底深度，为海浪波长）波浪的前进，产生动能，波浪的起伏产生势能。波浪的能量与波浪的高度、波浪的运动周期以及迎波面的宽度等多种因素有关。因此，波浪能是各种海洋能源中能量最不稳定的一种。2.海洋能的分类与应用2.1.1波浪能资源的分布和特点2.海洋能的分类与应用2.1.1波浪能资源的分布和特点波浪能年平均功率密度的全球分布2.海洋能的分类与应用2.1.2波浪能的转换方式波浪能的转换方式，大体上可分为四类：1.机械传统式2.空气涡轮式3.液压式4.蓄能水库式2.海洋能的分类与应用波浪能转换发电系统的主要构造2.海洋能的分类与应用波浪能转换发电系统的主要构造WaveEnergyConvertorsconnectedtosubseaconnectionsunitswithtwocablestoonshoresubstation.2.1.2波浪能的转换方式1.机械传统式机械式装置多事早期的设计，往往结构笨重，可靠性差，并没有获得实用2.1.2波浪能的转换方式2.空气涡轮式这种装置结构简单，而且以空气为工质，没有液压油泄露的问题。2.1.2波浪能的转换方式3.液压式通过某种泵液装置将波浪能转换为液体的压能或位能，再由油压马达或水轮机驱动发电机。这类装置结构复杂，成本也较高。但由于液体的不可压缩性，当与波浪相互作用时，液压机构能获得很高的压强，转换效率也明显高。2.1.2波浪能的转换方式4.蓄能水库式也叫收缩斜坡聚焦波道式，其实就是借助上涨的海水制造水位差，然后实现水轮机发电，类似潮汐发电。这类装置结构相对简单，而且由于有水库储能，可实现较稳定和便于调控的电能输出，是迄今最成功的方式之一。但一般效率不高，而且对地形条件依赖性强，应用受到局限。2.海洋能的分类与应用2.1.3波浪能装置的安装模式根据系留状态，波浪能转换装置可分为固定式和漂浮式。各种波浪能转换装置，往往都需要一个主梁或主轴，即一种居中的、稳定的结构，系锚或固定在海床或海滩。根据主梁与波浪运动方向的关系，波浪能转换装置可分为：（1）终结型模式……（2）减缓型模式……（3）点吸收模式……2.海洋能的分类与应用2.1.4典型的波浪能发电装置（1）振荡浮子式

振荡浮子式波浪能发电装置是一种典型的波浪能发电装置。它是在振荡水柱式空气透平式波能发电装置的基础上发展起来的。该装置的工作原理图如图所示，第一级能量采集，在波浪中运动的浮子进行对波浪能量的采集，完成波浪能到机械能的转化;第二级能量传递，通过中间系统把浮子采集一转化(波浪能一机械能)后的能量传递到发电系统;第三级能量发电，把传递过来的机械能转化为电能，供用户使用。2.海洋能的分类与应用实际的威尔斯涡轮机照片2.海洋能的分类与应用2.1.4典型的波浪能发电装置2.海洋能的分类与应用

固定安装式振荡浮子波浪能发电海中漂浮式振荡浮子波浪能发电装置

未下水的漂浮式振荡浮子波浪能发电装置2.海洋能的分类与应用

实际中的振荡浮子发电装置2.海洋能的分类与应用2.1.4典型的波浪能发电装置（2）振荡水柱式（OWC）

水注上升和下降时，气流方向是相反的，气轮机的旋转方向如果来回变化，发电也时正时负。2.海洋能的分类与应用

实际中的漂浮式振荡水柱式发电装置2.海洋能的分类与应用漂浮式振荡水柱发电装置日本巨鲸号2.海洋能的分类与应用

实际中的靠岸式振荡水柱波浪能发电装置——英国75kW和500kW的LIMPET2.海洋能的分类与应用

中国广东汕尾100kW岸基OWC2001年建成的100kW岸式波力电站，位于广东省汕尾市遮浪镇，是一座与并网运行的岸式OWC型波浪能电站。2.海洋能的分类与应用2.1.4典型的波浪能发电装置

冲击式涡轮机的结构2.海洋能的分类与应用2.1.4典型的波浪能发电装置冲击式涡轮机的气动原理2.海洋能的分类与应用2.1.4典型的波浪能发电装置带发电机的冲击式涡轮机2.海洋能的分类与应用2.1.4典型的波浪能发电装置（3）点头鸭式（duck）

鸭子的“胸脯”对着海浪传播的方向，随着海浪的波动，像不倒翁一样不停地摆动。摇摆机构带动内部的凸轮/铰链机构，改变工作液体的压力，从而带动工作泵，推动发电机发电。2.海洋能的分类与应用点头鸭式发电2.海洋能的分类与应用2.1.4典型的波浪能发电装置（4）筏式（Raft-type）

筏式波浪能转换装置由筏体、铰接链、液压系统组成，筏式波浪能转换装置顺波浪方向布置，筏体随波浪运动，把波浪能转换为筏体运动的机械能。筏体是一个扁盒式的空心浮子，在筏体一端有铰链臂，臂中穿有铰链轴，2.海洋能的分类与应用2.1.4典型的波浪能发电装置特殊的筏式——海蛇式（Pelamis）

由一系列圆柱形钢壳结构单元铰接而成，外型类似火车。当波浪起浮带动整条装置时就会起动铰接点，其内部的液压圆筒的泵油会起动液压马达经过一个能量平滑系统。2.海洋能的分类与应用2.1.4典型的波浪能发电装置

海蛇筏式波浪能转换装置的运动状态2.海洋能的分类与应用2.1.4典型的波浪能发电装置

海蛇关节的液压系统2.海洋能的分类与应用海蛇筏式波浪能转换装置的头部2.海洋能的分类与应用

实际中的海蛇式发电2.海洋能的分类与应用2.1.4典型的波浪能发电装置（5）摆式（Pendulum）

摆式波浪能是利用海水波动推动摆板来回摆动吸收波浪的能量。在悬挂摆式波浪能课件中介绍的摆动板依靠重力悬挂在支轴下方，本课件介绍的浮力摆板的支轴在下方海底，摆板依靠浮力立在支轴的上方。浮力摆的摆板为空心的板状体，摆板有两个摆板臂，在摆板臂上有摆板的主轴，在摆板体上有活塞杆支座。活塞杆通过轴联接浮力摆，活塞杆可在液压缸中来回移动。2.海洋能的分类与应用2.1.4典型的波浪能发电装置

摆式发电原理图2.海洋能的分类与应用

实际中的摆式发电多个浮力摆组成的波浪能发电

多叶片浮力摆波浪能发电装置2.海洋能的分类与应用

实际中的摆式发电多个浮力摆组成的波浪能发电

多叶片浮力摆波浪能发电装置2.海洋能的分类与应用

摆式发电在实际中的应用日本的沿岸悬挂摆式波浪能发电装置示意图2.海洋能的分类与应用2.1.4典型的波浪能发电装置（6）收缩坡道式

在电站入口处设置喇叭形聚波器和逐渐变窄的楔形导槽，当波浪进入宽阔一端向里传播时，波高不断地被放大，直至波峰溢过边墙，转换成势能。水流从楔形流道上端流出，进入一个水库，然后经过水轮机返回大海。

2.海洋能的分类与应用

2.2海流能成因：是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。其中一种是海水环流，是指大量的海水从一个海域长距离地流向另一个海域有关。海流能是流动海水的动能，与流速的平方和流量成正比。相对波浪而言，海流能的变化平稳且有规律。洋流方向基本不变，流速也比较稳定；潮流会周期性地改变大小和方向。利用：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。。2.2.1海流的能量及我国的海流能资源分布2.海洋能的分类与应用一般说来，最大流速在2m/s以上的水道，海流能均有实际开发价值。潮流的流速一般2～5.5km/h，在狭窄海峡或海湾里，流速会很大。例如杭州湾海潮。洋流的动能非常大，如佛罗里达洋流和墨西哥洋流。海流能资源在全国沿岸的分布，在辽宁、山东、浙江、福建和台湾沿海的海流能较为丰富。根据沿海能源密度、理论蕴藏量和开发利用的环境条件等因素，浙江舟山和渤海海峡等海域条件良好。全球洋流分布图2.海洋能的分类与应用全球洋流分布数据表2.海洋能的分类与应用

规模名称线路流速流量第一大洋流墨西哥湾暖流由及汇聚于和后，经流出流动速度最快时每小时9.5千米总流量每秒7400万到9300万立方米第二大洋流太平洋的黑潮暖流由北赤道发源，经菲律宾，紧贴东部进入东海，然后经，沿日本列岛的南部流去在南部海域为6公里/小时，北部海域减至1～2公里/小时平均流量3790万立方米/秒第三大洋流赤道逆流在南、北赤道流之间与其流向相反的由西向东流动的表层海流1.4-2.6公里/小时4630-5390万立方米/秒第四大洋流厄加勒斯暖流沿非洲大陆以南海域流动0.9-2.8公里/小时3000左右万立方米/秒第五大洋流季风暖流位于印度洋北部赤道以北海域0.9-2.8公里/小时2000—3000万立方米/秒2.2.2海流能的优点2.海洋能的分类与应用1.不必像潮汐发电那样，修筑大坝，还要担心泥沙淤积；2.不像海浪发电那样，电力输出不稳。3.目前海流发电虽然还处在小型试验阶段，它的发展还不及潮汐发电和海浪发电，但人们相信，海流发电将以稳定可靠、装置简单的优点，在海洋能的开发利用中独树一帜。2.2.3海流能发电原理2.海洋能的分类与应用1）轮叶式海流发电原理和风力发电类似，利用海流推动轮叶，带动发电机。轮叶的转轴有与海流平行的，也有与海流垂直的，如图所示。轮叶式发电实例2.海洋能的分类与应用海流发电设施(300kW，英国南部Devon海域)轮叶式发电实例2.海洋能的分类与应用北爱尔兰的斯特兰福德港湾安装SeaGen垂直式发电实例2.海洋能的分类与应用helical螺旋叶片涡轮机2.2.4海流能发电实例2.海洋能的分类与应用2）水下发电风筝有些时候海面下一定深度的海水流速会更快些，把发电机转轮放在水下一定深度会得到更好的效果。而且不会影响航道。瑞典汽车制造商萨博公司（Saab）研制出一种水下发电风筝，如图所示。2.2.3海流能发电原理2.海洋能的分类与应用3）浮动水车发电2.2.3海流能发电原理2.海洋能的分类与应用浮动水车在海洋水面上2.2.3海流能发电原理2.海洋能的分类与应用4）降落伞式海流发电。这个发电装置很特别，是用若干只“降落伞”串缚在一根长绳子上，头尾相联，形成一个圆环，套在固定于船底的转轮上，而船则锚泊在海上。在海流的作用下，逆流运动的“降落伞”像被大风撑开的雨伞一样张开，而顺流运动的“降落伞”则被压缩，串缚“降落伞”的绳子像传动带一样，带动转轮不停地转动，通过多级传动增速齿轮系统改变转速，带动发电机发电。2.2.3海流能发电技术目前存在的问题2.海洋能的分类与应用1.海流能具有大功率低流速特性，因此要求海流能发电装置的叶片、结构、地基(锚泊点或打桩桩基)要比风能利用装置有更大的强度。2.海水腐蚀和海洋生物附着问题。3.海水中的泥沙进入装置后，易对装置中的轴承造成一定的损坏。4.漂浮式装置存在抗台风问题。5.位于水道上的漂浮式装置对航运有一定影响。2.2.3海流能发电技术的发展和展望2.海洋能的分类与应用在小容量示范装置试验成功的基础上，海流能发电装置将向大型化发展，以降低装置的单位装机容量造价。英国IT公司论证后认为，只有当装机容量达500kW以上才可以获得商业性收益。

海流能发电领域的前沿技术：①易于上浮的坐底式技术，这种技术可避免对航运的影响．抗台风能力强，易于维修。②防海水腐蚀、海洋生物附着的技术，如特种涂料的研制、阴极保护等技术。2.海洋能的分类与应用

2.3盐差能成因：地球上的水分为两大类：淡水和咸水。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。盐差能是以化学能形态出现的海洋能。它指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。利用：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。从理论上来说，如果用很有效的装置来提取世界上所有河流的这种能量，那么可以获得约2.6TW的电力。2.3.1海水的盐差和盐差能2.海洋能的分类与应用海水中至少有80多种化学元素，主要以盐类化合物存在，在水里会电离成带正负电荷的两类离子。盐差能就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，是以化学能形态出现的海洋能。全球海洋的海水盐度分布，如右图河流入海口，往往有显著的盐度差。2.3.1盐差能发电原理2.海洋能的分类与应用1）渗透压法渗透压法，就是利用半透膜两侧的渗透压，在不同盐浓度的海水之间形成水位差，然后利用海水从高处流向低处时提供的能量来发电，类似潮汐发电。关键技术：

半透膜技术和膜与海水间的流体交换技术，技术难点：

制造强度足够、性能优良、成本适宜的半透膜。在低于海平面的深坑建造电站；能够抵抗腐蚀，抗高水压的半透膜。发展的前景不大。2.3.1海流能发电原理2.海洋能的分类与应用1）浓差电池法浓差电池，也叫渗透式电池，一般需要两种不同的半透膜，一种只允许带正电荷的钠离子自由进出，一种则只允许带负电荷的氯离子自由出入。该系统需要采用面积大而昂贵的交换膜，发电成本很高。不过使用寿命长，而且即使膜破裂了也不会给整个电池带来严重影响。另外，这种电池在发电过程中电极上会产生Cl2和H2，可以补偿装置的成本。2.海洋能的分类与应用

2.4温差能成因：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。海洋是地球上一个巨大的太阳能集热和蓄热器。由太阳投射到地球表面的太阳能大部分被海水吸收，使海洋表层水温升高。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℃。利用：这个垂直的温差就是一个可供利用的巨大能源。在大部分热带和亚热带海区，表层水温和1000m深处的水温相差20℃以上，这是热能转换所需的最小温差。据估计，如果利用这一温差发电，其功率可达2TW。2.4.1温差能发电原理2.海洋能的分类与应用

温差发电是一种新型的发电方式，它是利用塞贝克效应将热能直接转换为电能，当两种不同金属（或半导体）连接成一个闭合回路，将它们的接点放到两个温度不同的地方，则总的热电效应（又称温差电效应）将同时发生的四种不同效应：塞贝克效应、珀尔帖效应、汤姆逊效应（Thomsoneffect）、