海洋能源開發(fā)技術(shù)

海洋能源開發(fā)技術(shù)與應(yīng)用目錄為何選擇海洋能海洋能分類了解海洋能海洋能的特點波浪能潮汐能潮汐發(fā)電站的優(yōu)缺點羅斯福島潮汐能源海流能（潮流能）海流能發(fā)電的優(yōu)缺點海洋溫差能

OTEC發(fā)電系統(tǒng)海洋溫差發(fā)電優(yōu)缺點海洋鹽差能海洋鹽差能分佈海水鹽差能作用機制及優(yōu)缺點壓力延遲滲透（PRO）圖示反向電滲析（RED）圖示參考文獻為何選擇海洋能隨著人們?nèi)找骊P(guān)注環(huán)境,經(jīng)濟以及依賴化石能源引發(fā)的成本問題，開發(fā)利用可再生能源已逐漸成為當前行業(yè)的發(fā)展趨勢。在取得推廣應(yīng)用風能發(fā)電和太陽能發(fā)電圓滿成功後，如何從覆蓋地地球面積70%以上的海洋中獲取再生能源，成了能源行業(yè)關(guān)注的焦點。目前，世界各大新能源開發(fā)商正在就此進行著積極的探索，并已經(jīng)取得了初步的成果。海洋蘊藏著巨大的能量，海洋能源不僅清潔環(huán)保，而且是一種取之不竭的可再生清潔能源。海洋能分類波浪能潮汐能海流能(潮流能)海洋溫差能海洋鹽差能了解海洋能更廣義的海洋能源包括海洋上空的風能,海洋表面表面的太陽能及海洋生物質(zhì)能等。潮汐能和潮流能來源於太陽和月亮對地球的引力變化，其他均與太陽輻射。海洋能源按儲存形式又可分為機械能,熱能和化學能。潮汐能,海流和波浪為機械能，海水溫差為熱能，海水鹽差為化學能。各種海洋能的蘊藏量是巨大的，據(jù)估計有750多億千瓦，其中波浪能700億千瓦，溫度差能20億千瓦，海流能10億千瓦，鹽度差能10億千瓦。海洋能的特點蘊藏量巨大，而單位體積，單位面積，單位長度所擁有的能量較小。即要想得到大能量，就得從大量的海水中獲得。具有可再生性。來源於太陽輻射能與天體間的萬有引力，因而取之不盡，用之不竭。有較穩(wěn)定與不穩(wěn)定能源之分。溫度差能，鹽度差能和海流能較穩(wěn)定，潮汐能與潮流能不穩(wěn)定但變化有規(guī)律，波浪能既不穩(wěn)定又無規(guī)律。海洋能屬於清潔能源，一旦開發(fā)後，其本身對環(huán)境污染影響很小。波浪能波浪能發(fā)展史全世界波能轉(zhuǎn)換器之設(shè)計專利已達上千件(McCormick，2007)，最早於1799年法國工程師PierreGirard首位申請波浪動力之專利，之後便無建造實體機器進行試驗，直至1910年M.Bochaux-Praceique在海濱住宅附近建造了一個氣動式波浪發(fā)電廠，供應(yīng)其建築1000W的電力。

俗話說：無風不起浪，可見海洋波浪與風的關(guān)係非常密切，當風越強時，海面上越是波濤洶湧；當風平靜時，浪也就隨之減弱。研究結(jié)果也證實海面上的波浪，是由於風經(jīng)過長時間吹拂在大範圍的海域上所造成的，而且波浪所含能量正是取自於風所含的能量，若以海洋學的術(shù)語來表示，波浪的成長受到三個因素的影響：風速吹風歷時吹風距離，而且是隨著這三者的增加而增加然而波浪並非可無限制的由風取得能量而成長，當風與波浪的能量收支達平衡時，波浪便達到所謂的穩(wěn)定狀態(tài)，波高不再增加，此時如果風速再增加，便會產(chǎn)生碎波，海面上形成白沫現(xiàn)象。另一方面，當波浪推進到淺水地區(qū)時，波浪的能量便會逐漸散失於海底摩擦力和碎波的過程中，

如何有效利用波浪所含的能量，這是過去數(shù)十年間許多人們研究的目標。英國曾計畫於蘇格蘭外海大規(guī)模佈設(shè)點頭鴨(Salter’sDuck)波浪發(fā)電裝置，供應(yīng)當時全英國所需電力，最後因裝置結(jié)構(gòu)過於龐大且成本過高而擱置。90年代初英國在蘇格蘭的兩個群島(IslayandLewis)上分別建造了振盪水柱(LIMPET)和巖基固定式波浪發(fā)電站。60年代，日本成功研發(fā)航標燈浮體上的氣動式波浪裝置。於1979-1985年期間完成波能船海明號(Kaimei)之各項測試。英國為全球海洋能源技術(shù)先進的國家，由於政府積極投入與政策鼓勵，英國海洋動力傳遞公司(OceanPowerDelivery；OPD)成立於1998年致力於波能發(fā)電技術(shù)，而該公司於2004年成功開發(fā)出海蛇(Pelamis，如圖五)750KW的波浪發(fā)電原型機，並於蘇格蘭的歐洲海洋能源中心(EuropeanMarineEnergyCentre；EMEC)進行現(xiàn)場測試，測試結(jié)果相當良好。於2005年5月底售予葡萄牙之電力業(yè)者三部共2.25MW，總金額高達800萬歐元，當時預定是全球第一個商業(yè)運轉(zhuǎn)的波浪發(fā)電廠，但後來因為技術(shù)問題，先是機器停止運作，接著傳來噩耗，這個一開頭就花費900萬歐元的計畫者投資者之一(Babcock&Brown)宣告破產(chǎn)，因此造成此計畫停滯。芬蘭AW-Energy發(fā)展之波能轉(zhuǎn)換器(Waveroller)，於1999-2007年間從小尺度模型試驗直至原型機組測試，已於2009年在葡萄牙與蘇格蘭完成1MW等級的發(fā)電廠。英國AquamarinePower與貝爾法斯特女皇大學於2009年成功開發(fā)重達200噸的波浪發(fā)電原型機海蛤(Oyster)美國新澤西州OceanPowerTechnologies(OPT)發(fā)展之點吸收波能轉(zhuǎn)換器(PowerBouy)，於2008年在EMEC測試後，已確定能夠產(chǎn)生150kW之電力，2008-2009年間將在西班牙設(shè)置1.39MW的波浪發(fā)電廠。已於2009年8月在蘇格蘭的Orkney進行安裝測試。據(jù)此，目前EMEC以將各式各樣的波能轉(zhuǎn)換器進行分類，總共分成六類。

潮汐能月球與太陽對於地球的萬有引力，導致了海平面的上下起伏，這個現(xiàn)象便是我們所熟悉的潮汐。海洋的潮汐隨著時間和空間而有變化，這主要是由於太陽、月球和地球三者間的相對位置所造成的。例如：當三者形成一直線時，對地球的引潮力最大，因此所產(chǎn)生的潮差最大，這便是俗稱的朔望大潮，它發(fā)生的時間為農(nóng)曆初一或是十五。目前全世界只有少數(shù)潮汐發(fā)電廠在運轉(zhuǎn)，其中以中國、蘇聯(lián)、法國及加拿大有最大發(fā)電量潮汐發(fā)電的形式潮汐發(fā)電主要有兩種形式1.潮流式系統(tǒng):

這是利用海水流動的動能，推動渦輪發(fā)電機，與風推動風車的方式類似。這是目前比較常用的方式，因為成本比較低廉，而且對生態(tài)環(huán)境的影響比較小。2.堰壩式系統(tǒng):這是利用海水潮汐高低差的位能。這種系統(tǒng)由於需要建造堰壩等的相應(yīng)土木工程，所以成本較高。還有對環(huán)境影響的問題，這種系統(tǒng)在世界上可以看到的很少潮汐發(fā)電示意圖潮汐發(fā)電原理潮汐發(fā)電與普通水利發(fā)電原理類似，通過出水庫，在漲潮時將海水儲存在水庫內(nèi)，以勢能的形式保存，然後，在落潮時放出海水，利用高、低潮位之間的落差，推動水輪機旋轉(zhuǎn)，帶動發(fā)電機發(fā)電。潮水的流動與河水的流動不同，它是不斷變換方向的，潮汐發(fā)電站有以下三種形式：單庫單向電站單庫雙向電站雙庫雙向電站單庫雙向潮汐發(fā)電站潮汐發(fā)電模擬圖潮汐發(fā)電站的優(yōu)缺點優(yōu)點清潔和可再生能源。雖然有週期性間歇，但具有準確的規(guī)律，可用計算機預報，有計劃地納入電網(wǎng)運行。一般離用電中心近，不必遠距離輸電。無淹沒損失和移民問題水庫內(nèi)可發(fā)展水產(chǎn)養(yǎng)殖，圍墾和旅遊綜合效益缺點發(fā)電具有間歇性，這種間歇性週期變化又和日夜晝夜變化不一致潮汐屬於低水頭，故發(fā)電效率不高由於涉及大量海工建築，單位千瓦的造價較常規(guī)水電站高除法國，加拿大，前蘇聯(lián)等發(fā)展潮汐能利用較早的國家外，近十多年來，美國，印度，韓國，俄羅斯也都相繼投入相當大的力量進行潮汐能的開發(fā)。全球海洋中所蘊藏的潮汐能約有27億千瓦，若能充分利用起來，其每年的發(fā)電量可達33480萬億度。羅斯福島潮汐能源

開發(fā)這項科技的佛登特電力公司自2002年開始進行「羅斯福島潮汐能源」計畫，已進入第1階段，在東河河床裝置的6具渦輪機與電廠連結(jié)，每天的發(fā)電可供應(yīng)羅斯福島上的超級市場及停車場的用電?！噶_斯福島潮汐能源」計畫是全球第1個潮汐動力發(fā)電可以直接供應(yīng)終端用戶的。在最大負載的情況下，可以供應(yīng)8千個住宅的用電。羅斯福島潮汐能源的優(yōu)勢優(yōu)良的水動力，機械和電氣性能電網(wǎng)發(fā)電，沒有電能質(zhì)量問題全雙向操作-被動偏航，效率高自動化控制和持續(xù)，無人操作沒有污染或損毀碎片70兆瓦小時的能量傳遞到兩個最終用戶9000渦輪小時運作羅斯福島潮汐能開創(chuàng)的先例羅斯福島潮汐能，已有一系列的數(shù)字世界提供能源的先例，其中包括：第一動力學水電技術(shù)，以提供電力最終用戶首個多動能水電機組安裝和經(jīng)營領(lǐng)域首先連接電網(wǎng)多動能水電機組安裝和經(jīng)營領(lǐng)域第一個完全雙向潮汐操作大多數(shù)小時連續(xù)運作的任何動力學水電技術(shù)（40天×24hrs./day=960小時）羅斯福島潮汐能的未來計劃“入塢系統(tǒng)”概念圖，可以將潮汐能轉(zhuǎn)化為電能供給紐約市街燈的照明系統(tǒng)。入塢站是一種浮動模塊的碼頭設(shè)計，可以將潮汐能轉(zhuǎn)化為電能，并供電給紐約市的街燈照明系統(tǒng)。街燈的供電系統(tǒng)運行圖該入塢站的部署將拓展現(xiàn)有的碼頭沿線，同時給鄰近地區(qū)提供照明用電。紅色圈顯示是入塢站是一種浮動模塊的碼頭設(shè)計，可以將潮汐能轉(zhuǎn)化為電能，并供電給紐約市的街燈照明系統(tǒng)海流能（潮流能）海流能是指海水流動的動能，主要是指海底水道和海峽中較為穩(wěn)定的流動以及由於潮汐導致的有規(guī)律的海水流動。海流能的能量與流速的平方和流量成正比。特色類似風力發(fā)電，流動的介質(zhì)為海水海水密度是空氣密度的800倍。蘊含巨大能量不同於風力發(fā)電，海洋發(fā)電的穩(wěn)定度與可預測性高什麼是『洋流』洋流是大洋的海水流動，洋流循環(huán)的最終能量來源是太陽能，當太陽光照射到地球之後，能量轉(zhuǎn)換成各種形式的動能，進而影響大氣和海水的運動，風的吹送、地球自轉(zhuǎn)科氏力、海水的溫度或鹽度差異、重力作用等，都可以使海水產(chǎn)生大規(guī)模的洋流循環(huán)。其中，由於海水溫度或鹽度差異造成的海水流動，通常發(fā)生在極區(qū)，其他大部分洋區(qū)的洋流都是由風力推動的，而且?guī)缀跛械谋韺友罅鞫际怯娠L力引起的。世界主要的洋流分佈大洋環(huán)流是最大尺度的海水流動，它受到風的吹送和地球自轉(zhuǎn)科氏力的影響。大部分的洋流都是由風力推動，而科氏力則使北半球的洋流呈順時針方向流動，在南半球呈逆時針方向流動。海流發(fā)電係利用海洋中海流的流動動力推動水輪機發(fā)電，一般乃於海流流經(jīng)處設(shè)置截流涵洞之沉箱，並於其內(nèi)設(shè)置一座水輪發(fā)電機，此可視為一個機組(package)的發(fā)電系統(tǒng)，並可視發(fā)電需要增加多個機組，唯於連組間需預留適當之間隔，以避免紊流互相干擾。海流能如何發(fā)電整體而言，目前所發(fā)展之海流渦輪機，依照主軸與水平面的相對位置，其結(jié)構(gòu)可分為水平軸渦輪機（horizontalaxisturbine）與垂直軸渦輪機（verticalaxisturbine）兩類。海流渦輪機的基本結(jié)構(gòu)及類型其架構(gòu)類似於風力渦輪機，目前已有10kW之模型機進行測試；且於英國南岸正建立300kW之示範電廠。為了增加流速與功率輸出，目前也有於渦輪機葉片周遭架設(shè)集流器。包含拖曳式（drag）及升力式（lift）渦輪機兩種，其中升力式渦輪機較具發(fā)展?jié)摿Γ欢钪訛榇怪陛SDarrieus渦輪機，其具有三片或四片機翼剖面之葉片。目前已有單座模型廠進行測試，其包含於日本Kurushima海峽測試之5kWDarrieus渦輪機。此外，加拿大目前也裝置數(shù)座垂直軸渦輪機於潮汐圍欄內(nèi)，並計畫於菲律賓裝置30MW之示範廠。水平軸渦輪機垂直軸渦輪機

水平軸渦輪機垂直軸渦輪機海流發(fā)電形態(tài)海流能發(fā)電的優(yōu)缺點全球海流能蘊藏量極豐，由於海流渦輪機之能源密度為風力發(fā)電機之四倍，故在相同功率輸出下，前者葉片直徑僅需後者的一半；其海流速度可量測與預測，一旦場址確定，能源輸出即告確定；海流之變動量遠較大氣中的風力小，所以設(shè)計時較容易進行成本控制；隨著土地使用所引發(fā)之衝突，由於海流渦輪機不佔土地空間，故在空間使用上提供一良好的解決方案，並在視覺污染或衝擊上降至最低，甚至無視覺污染；最大的海流能資源往往靠近海岸，且靠近人口稠密處，有利於開發(fā)；海流渦輪機有可模組化之潛能，且可避免大型土木工程施工。當海流速度大約高於8m/s時，渦輪機將可能產(chǎn)生孔蝕現(xiàn)象，因而傷害渦輪機組；海上船隻之來往與海洋殘骸的吸入渦輪機組，將傷害機組；由於海水具腐蝕性，渦輪機的抗腐蝕程度、軸承與密封系統(tǒng)將是一大挑戰(zhàn)，因而使海流渦輪機的成本高於風力渦輪機，再者，由於機組沉潛於海中，機械之維護將需要潛水夫進行，此也是海流渦輪機高維護成本所在。缺點

優(yōu)點

海洋溫差能

海洋溫差發(fā)電係利用表層海水與深層海水間的溫差，將儲存於表層海水中的太陽熱能轉(zhuǎn)換成電能的一種技術(shù)。海洋大致可分成三層，由上而下分別為表面混合層、溫躍層及深海層。以臺灣東部海域為例，在北回歸線附近、表層水溫約在23℃～28℃之間，至l000公尺深度水溫即降到4℃左右。表面混合層與深層海水之問的溫差愈大，則發(fā)電的效率將愈高。一般而言，在赤道至南北緯30度之間的海洋，比較具有適合海洋溫差發(fā)電發(fā)展的條件。原理海洋溫差發(fā)電是利用熱交換的原理來發(fā)電。首先需要抽取溫度較高的海洋表層水，將熱交換器裡面沸點很低的工作流體（WorkingFluid）(如氨、氟利昻等）蒸發(fā)氣化，然後推動透平發(fā)電機而發(fā)出電力；再把它導入另外一個熱交換器，利用深層海水的冷度，將它冷凝而迴歸液態(tài)，這樣就完成了一個循環(huán)。周而復始的工作。目前有封閉式循環(huán)系統(tǒng)、開放式循環(huán)系統(tǒng)、混合式循環(huán)系統(tǒng)等，其中以封閉式循環(huán)系統(tǒng)技術(shù)較成熟。封閉式循環(huán)系統(tǒng)隨著海水深度的變化，表層海水受到陽光照射，吸收能量而溫度較高；而在海平面200公尺以下，陽光幾乎無法到達，因此溫度較低。海水深度越深，其溫度也就越低。海水溫差發(fā)電時，需抽取表層溫度較高的海水，使熱交換機內(nèi)的低沸點液體〈例如氨〉沸騰為蒸氣，然後推動發(fā)電機發(fā)電，再將其導入另一熱交換機，使用深層海水將其冷卻，如此完成一個循環(huán)。將表層海水引入真空狀態(tài)的蒸發(fā)槽中，因低壓下水的沸點極低而沸騰為水蒸氣，再引至凝結(jié)槽，以深層海水使之凝結(jié)為水。此過程中會在蒸發(fā)槽與凝結(jié)槽之間因壓力差因而形成蒸汽流，在其間加上渦輪機即可發(fā)電。另外，使用開放式循環(huán)系統(tǒng)發(fā)電會在凝結(jié)槽中形成淡水，可供使用。排出的淡水，這是它的有利之處。開放式循環(huán)系統(tǒng)混合式循環(huán)系統(tǒng)

開始時類似開放式循環(huán)，將溫暖的海面水引進真空容器使其閃蒸成蒸氣，蒸氣再進入氨的蒸發(fā)器（vaporizer），使工作流體（氨）氣化來轉(zhuǎn)動渦輪機發(fā)電，如同封閉式循環(huán)一般，因此混合式循環(huán)兼具開放式循環(huán)與封閉式循環(huán)兩者的特性。OTEC發(fā)電系統(tǒng)海水溫差發(fā)電法（英語：OceanThermalEnergyConversion,縮寫：OTEC）廚房系統(tǒng)分為海上式及路上式，前者又分成固定式與漂浮式。海水管路系統(tǒng)包含表層溫海水取水管路，排放水管路以及深層冷水取水管路等三大系統(tǒng)。動力系統(tǒng)以熱交換器為主，可分成管殼式交換器及平板式交換器。國外海洋溫差發(fā)電例子1979年在夏威夷試驗成功的第一座海上海洋溫差發(fā)電廠。夏威夷大島天然能源所的210千瓦路上海洋溫差實驗廠（1993~1998）法國工業(yè)團體與海洋科技發(fā)展中心於1985年間在法國大溪地設(shè)計完成的海洋溫差發(fā)電廠美國TRW公司設(shè)計的商業(yè)化浮臺式溫差廠海洋溫差發(fā)電優(yōu)缺點優(yōu)點不消耗任何燃料無廢料不會製造空氣污染、水污染、噪音污染整個發(fā)電過程幾乎不排放任何溫室氣體，例如二氧化碳全年且一天中所有時間段皆可發(fā)電，十分穩(wěn)定副產(chǎn)品是淡水，可供使用缺點資金龐大發(fā)電成本高深海冷水管路施工風險高海洋鹽差能

指海水和淡水之間鹽度濃淡度不同或兩種含鹽濃度不同的海水之間的化學電位差能。在海水和河水相交匯處容易產(chǎn)生鹹淡水。其能量甚至比溫差能還要大。淡水豐富地區(qū)的鹽湖和地下鹽礦也可以利用鹽差能。地球上存在著龐大可利用的鹽差能，其能量甚至比溫差能還要大。具體主要有滲透壓式、蒸汽壓式和機械一化學式等，其中滲透壓式方案最受重視。海洋鹽差能分佈海水鹽差能研發(fā)之目的由於二次世界大戰(zhàn)，石油消耗快速，造成油價大幅波動，因此研發(fā)新的替代能源，來取代石油這種不定因素的能源，再生能源種類豐富，已海洋能的海水鹽差能來說，科學家計算結(jié)果指出：1立方公尺/秒淡水和海水互相混合的過程，會放出2.24MW的能量，以臺灣高屏溪來說，流量每秒24200立方公尺，流入大海，理論上會產(chǎn)生54208百萬瓦的功率，效率已20%來算，只要用1/10的流量，還有1090百萬瓦，相當?shù)每捎^阿。海洋鹽差能研發(fā)歷史演進海洋鹽差能發(fā)電的設(shè)想是１９３９年由美國人首先提出的。鹽差能發(fā)電，就是利用兩種含鹽濃度不同的海水化學電位差能，並將其轉(zhuǎn)換為有效電能?？茖W家計算後發(fā)現(xiàn)在１７℃時，如果有１mol鹽類從濃溶液中擴散到稀溶液中去，就會釋放出５５００焦的能量來，科學家由此設(shè)想：只要有大量濃度不同的溶液可供混合，就將會釋放出巨大的能量來。但目前的科技，尚未將海洋鹽差能發(fā)展到最大極限，需要Tony

Stark來完成偉業(yè)。海水鹽差能作用機制及優(yōu)缺點海水鹽差法分為兩種，壓力延遲滲透（PRO）和反向電滲析（RED）壓力延遲滲透（PRO）PRO是將一容器裡，中間放半透膜，一邊放淡水，一邊放海水，藉由鹽度濃度差，鹽濃度較低的一方水分子會通過半透膜到達濃度較高的另一方，而高濃度方的水分子就會越來越多，多餘的就從塔頂?shù)乃哿鞒鋈?，衝擊渦輪機旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生電力，而其餘部分被放在一個壓力器加壓輸入的海水中。反向電滲析（RED）反向電滲析RED(EDR)是利用陰、陽離子交換膜交替排列於正負電極之間，並用特製的隔板將其隔開，組