新能源發(fā)電技術(shù) 第2版 課件 06海洋能

第6講海洋能多種發(fā)電技術(shù)海和洋

海和洋是有區(qū)別的，是不同的概念。遠離陸地的水體部分稱為洋，靠近大陸的水體部分稱為海。 洋是海洋的主體部分，占海洋總面積的89%。海是海洋的邊緣部分。某些特殊的海域，還可以稱為海峽或海灣?！?.1海洋及海洋能資源海洋能源（簡稱海洋能）

海洋能源是海水中蘊藏著的一切的能量資源的總稱，通常指海洋中所蘊藏的可再生的自然能源。蘊藏于海水中的海洋能是十分巨大的，這些海洋能源可以不斷得到補充，都是取之不盡、用之不竭的可再生能源。§6.1海洋能資源據(jù)估計，世界海洋能資源的儲量為：

溫差能為200億千瓦，鹽差能為300億千瓦，

潮汐能為30億千瓦，波浪能為30億千瓦，

海流能為5億千瓦§6.1.2世界海洋能資源不是全能利用。估計技術(shù)上允許利用的約64億千瓦，其中，鹽差能30億千瓦，溫差能20億千瓦，

波浪能10億千瓦，海流能3億千瓦，潮汐能1億千瓦?！吨袊履茉磁c可再生能源1999白皮書》公布的結(jié)果：對可開發(fā)裝機容量200kW以上的424處港灣壩址，按資源普查經(jīng)驗公式計算， 沿海潮汐能資源可開發(fā)總裝機容量為2179萬千瓦（2.2×104MW），年發(fā)電624億度； 進入岸邊的波浪能理論平均功率為1285萬千瓦；對130個水道估算， 潮流能理論平均功率1394萬千瓦； 溫差能理論蘊藏量約(1.2~1.3)×1019kJ，技術(shù)可用的約(8~9)×1017kJ，實際可用裝機(1.3~1.5)×106MW； 鹽差能資源理論蘊藏量約為3.9×1015kJ，理論功率為1.25×105MW。§6.1.3我國海洋能資源§6.1.4海洋能的特點海洋能的特點，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：（1）蘊藏量豐富，可循環(huán)再生。（2）能流分布不均，能量密度低。（3）穩(wěn)定性較好或者變化有規(guī)律。（4）清潔無污染?！?.2海流發(fā)電海流，主要指海底水道和海峽中較為穩(wěn)定的流動(洋流)， 以及由潮汐導(dǎo)致的有規(guī)律的海水流動(潮流)。海流能是流動海水的動能，與流速的平方和流量成正比?！?.2.1海流和海流能一般說來，最大流速在2m/s以上的水道，海流能均有實際開發(fā)價值。潮流的流速一般2～5.5km/h，在狹窄海峽或海灣里，流速會很大。海流的能量海流能的理論蘊藏量為5億千瓦。若只有較強的海流才能利用，技術(shù)上可利用的海流能約3億千瓦。也有文獻認為，世界上可利用的海流能約為0.5億千瓦。我國潮流能理論平均功率1394萬千瓦。海流能的資源分布§6.2.2海流發(fā)電的原理（1）輪葉式海流發(fā)電原理和風(fēng)力發(fā)電類似，利用海流推動輪葉，帶動發(fā)電機。

區(qū)別是其動力來源于海洋里的水流而不是天空的氣流。輪葉可以是螺旋槳式的，也可以是轉(zhuǎn)輪式的。輪葉的轉(zhuǎn)軸有與海流平行的（類似水平軸風(fēng)力機），也有與海流垂直的（類似垂直軸風(fēng)力機），如圖6.35所示。輪葉可以直接帶動發(fā)電機，也可以先帶動水泵，再由水泵產(chǎn)生高壓水流來驅(qū)動發(fā)電機組。（2）降落傘式海流發(fā)電多個“降落傘”串聯(lián)在環(huán)形的鉸鏈繩上?！敖德鋫恪睉?yīng)有足夠的尺寸和間隔。當(dāng)海流來自“降落傘”的系繩方向時，就會把“降落傘”撐開，并帶動它們向前運動；當(dāng)海流來自“降落傘”頂端時，海流的力量會迫使“降落傘”收攏。鉸鏈繩在撐開的“降落傘”帶動下轉(zhuǎn)動，帶動安裝在船上的鉸盤轉(zhuǎn)動，從而驅(qū)動發(fā)電機發(fā)電。（3）磁流式海流發(fā)電帶電粒子高速地垂直流過強磁場時，可以直接產(chǎn)生電流。磁流式發(fā)電裝置沒有機械傳動部件，不用發(fā)電機組，海流能的利用效率很高。如果技術(shù)成熟、成本合適，可望成為海流發(fā)電系統(tǒng)中的性能最優(yōu)的裝置。不過，目前這種海流發(fā)電方式還處在原理性研究階段。§6.2.3海流發(fā)電的發(fā)展?fàn)顩r進行海流能技術(shù)研發(fā)的國家，有中、美、英、加、日、意等。其中美、日和英等發(fā)達國家進行了較多的潮流發(fā)電試驗，相對而言走在前列。中國是世界上潮流發(fā)電研究最早的國家。

海流發(fā)電有許多優(yōu)點不必像潮汐發(fā)電那樣，修筑大壩，還要擔(dān)心泥沙淤積；也不像海浪發(fā)電那樣，電力輸出不穩(wěn)?！?.3溫差發(fā)電海水的溫差 海水的溫度，主要取決于接收太陽的輻射的情況。海水溫度大體保持穩(wěn)定，最高溫度很少超過30℃，

各處的溫度變動范圍一般在-2～3℃。不同地域、不同深度的海水，溫度是有差異的。 海水溫度的水平分布，一般隨著緯度增加而降低。 海水溫度的垂直分布，都是隨著深度增加而降低?！?.3.1海水的溫差和溫差能海水溫差能 由海洋表層海水和深層海水之間水溫差形成的溫差熱能，是海洋能的一種重要形式。全球的海洋溫差能分布

據(jù)估計，溫差能的理論蘊藏量為200億千瓦，技術(shù)上可利用的溫差能約20億千瓦。也有學(xué)者估計，海水溫差能可利用功率達100億千瓦。中國的海水溫差能分布 據(jù)《中國新能源與可再生能源1999白皮書》統(tǒng)計，我國南海的表層海水溫度全年平均在25～28℃，其中有300多萬km2海區(qū)，上下溫度差為20℃左右，是海水溫差發(fā)電的好地方。

§6.3.2溫差發(fā)電的原理海洋溫差能發(fā)電，就是利用海洋表層暖水與底層冷水之間的溫度差來發(fā)電。通常所說的海洋溫差發(fā)電，大多是指基于海洋熱能轉(zhuǎn)換（OTEC,OceanThermalEnergyConversion）的熱動力發(fā)電技術(shù)，工作方式分為開式循環(huán)、閉式循環(huán)、混合式循環(huán)三種?！?.3.2.1開式循環(huán)系統(tǒng)工作原理以表層溫海水為工質(zhì)。先用真空泵將循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)抽成真空，再用溫水泵把溫海水抽入蒸發(fā)器。系統(tǒng)內(nèi)有一定的真空度，溫海水在蒸發(fā)器內(nèi)沸騰蒸發(fā)，變?yōu)檎羝?；蒸汽?jīng)管道噴出，推動蒸汽輪機運轉(zhuǎn)，帶動發(fā)電機發(fā)電。蒸汽通過汽輪機后，被冷水泵抽上來的深海冷水冷卻，凝結(jié)成淡化水后排出。冷海水冷卻了水蒸氣后又回到海里。作為工作物質(zhì)的海水，一次使用后就不再重復(fù)使用，工作物質(zhì)與外界相通，因此稱為開式循環(huán)?！?.3.2.1開式循環(huán)系統(tǒng)開式循環(huán)的優(yōu)點 在發(fā)電的同時，還可以獲得很多有用的副產(chǎn)品。開式循環(huán)的不足①低溫低壓下海水的蒸氣壓很低。②開式循環(huán)的熱效率很低。③需要耗用巨量的溫海水和冷海水。④在海洋深處提取大量的冷海水，存在許多技術(shù)困難?！?.3.2.1開式循環(huán)系統(tǒng)§6.3.2.2閉式循環(huán)系統(tǒng)1964年，美國海洋熱能發(fā)電的創(chuàng)始人安德森父子，提出了用低沸點液體（如丙烷和液態(tài)氨）作為工作介質(zhì)，所產(chǎn)生的蒸氣作為工作流體的閉式循環(huán)方案。水的沸點100℃，氨水的沸點33℃，更容易沸騰。閉式循環(huán)系統(tǒng)的特點缺點：蒸發(fā)器和冷凝器采用表面式交換器，耗資昂貴；

此外也不能產(chǎn)生淡水。優(yōu)點：克服了開式循環(huán)中最致命的弱點，可使蒸汽壓力提高數(shù)倍，發(fā)電裝置體積變小，而發(fā)電量可達到工業(yè)規(guī)模。閉式循環(huán)系統(tǒng)一經(jīng)提出，就得到廣泛的贊同和重視，成為目前海水溫差發(fā)電的主要形式。§6.3.2.2閉式循環(huán)系統(tǒng)混合循環(huán)系統(tǒng)也是以低沸點的物質(zhì)為工質(zhì)。用溫海水閃蒸出來的低壓蒸汽來加熱低沸點工質(zhì)。既能產(chǎn)生新鮮淡水，又可減少蒸發(fā)器體積，節(jié)省材料，便于維護?！?.3.2.3混合式循環(huán)系統(tǒng)據(jù)塞貝克效應(yīng)，若將兩個不同的導(dǎo)體/半導(dǎo)體電極分別置于海洋表層溫海水和深層冷海水中，電極間即可產(chǎn)生電壓。這種溫差發(fā)電方法，在具體實現(xiàn)上仍有很多困難，還停留在設(shè)想階段?！?.3.2.4直接溫差發(fā)電目前很多海洋溫差能發(fā)電系統(tǒng)僅停留在紙面上，

在達到商業(yè)應(yīng)用前，還有許多技術(shù)和經(jīng)濟問題需要解決，包括： （1）轉(zhuǎn)換效率低。 （2）投資成本高。 （3）建設(shè)難度大。 （4）選址不容易?！?.4鹽差發(fā)電海水中至少有80多種化學(xué)元素，主要以種類繁多的鹽類化合物存在，在水里會電離成帶正負電荷的兩類離子。經(jīng)測算，海水中各種鹽類的總含量一般為3%～3.5%，全球海水中含有5×1016噸無機鹽；鹽差能就是指海水和淡水之間或兩種含鹽濃度不同的海水之間的化學(xué)電位差能，是以化學(xué)能形態(tài)出現(xiàn)的海洋能?！?.4.1海水的鹽差和鹽差能全球海洋的海水鹽度分布據(jù)聯(lián)合國教科文組織1981年的估計，全球鹽差能的理論蘊藏量為300億千瓦。假設(shè)只有降雨量大的地域的鹽度差才能利用，估計技術(shù)上可利用的約30億千瓦。也有文獻認為，世界各河口區(qū)的鹽差能達300億千瓦，可利用的鹽度差能約26億千瓦。我國鹽差能資源理論蘊藏量約3.9×1015kJ，理論功率為1.25×105MW，主要集中在各大江河的出海處。同時，我國青海省等地還有不少內(nèi)陸鹽湖可以利用。在半透膜(水能通過,鹽不能通過)隔開的有濃度差別的溶液之間，高濃度溶液透入低濃度溶液的現(xiàn)象，稱為滲透現(xiàn)象。發(fā)生滲透現(xiàn)象時，若在濃度大的溶液上施加機械壓強，恰好能阻止稀溶液向濃溶液發(fā)生滲透，這個機械壓強就等于這兩種溶液之間的滲透壓強（簡稱滲透壓）。海水與河水之間的鹽濃度明顯不同。利用滲透壓形成水位差，就可以直接驅(qū)動水輪發(fā)電機發(fā)電。提示：滲透的是水分子，要觀察“水”的濃度。淡水中水的濃度是100%，海水中水的的濃度小于100%?！?.4.2滲透和滲透壓§6.4.3鹽差能發(fā)電方法滲透壓法，就是利用半透膜兩側(cè)的滲透壓，將不同鹽濃度的海水之間的化學(xué)電位差能轉(zhuǎn)換成水的勢能， 使海水升高形成水位差，然后利用海水從高處流向低處時提供的能量來發(fā)電。關(guān)鍵技術(shù)是半透膜技術(shù)和膜與海水介面間的流體交換技術(shù)，技術(shù)難點是制造有足夠強度、性能優(yōu)良、成本適宜的半透膜?！?.4.3.1滲透壓法（1）強力滲壓發(fā)電在河水與海水之間建兩座水壩，壩間挖一個低于海平面約200m的水庫。前壩內(nèi)安裝水輪發(fā)電機組，使河水與水庫相連；后壩底部安裝半透膜滲流器，使水庫與海水相通。水庫的水通過半透膜不斷流入海水中，水庫水位不斷下降，這樣河水就可以利用它與水庫的水位差沖擊水輪機旋轉(zhuǎn)，并帶動發(fā)電機發(fā)電。（1）強力滲壓發(fā)電強力滲壓發(fā)電系統(tǒng)的投資成本要比燃煤電站高，而且也存在技術(shù)上的難點，其中最難的是要在低于海平面200m的地方建造一個巨大的電站，能夠抵抗腐蝕的半透膜也很難制造，因此發(fā)展的前景不大。（2）水壓塔滲壓發(fā)電水壓塔與淡水間用半透膜隔開，并通過水泵連通海水。先由海水泵向水壓塔內(nèi)充入海水，運行時淡水從半透膜向水壓塔內(nèi)滲透，使水壓塔內(nèi)水位不斷上升，從塔頂水槽溢出，海水(經(jīng)管道)沖擊水輪機旋轉(zhuǎn)，帶動發(fā)電機發(fā)電。在運行過程中，為了使水壓塔內(nèi)的海水保持一定的鹽度，海水泵不斷向塔內(nèi)打入海水。（2）水壓塔滲壓發(fā)電發(fā)出的電能，有一部分要消耗在裝置本身，如海水補充泵所消耗的能量、半透膜洗滌所消耗的能量。據(jù)試驗，扣除各種消耗后的總效率約為20%~25%。濃差發(fā)電要投入實際使用，尚需要解決許多困難。（3）壓力延滯滲透發(fā)電壓力泵先把海水壓縮再送入壓力室。運行時淡水透過半透膜滲透到壓力室同海水混合?；旌虾蟮暮Ｋ偷c海水比具有較高的壓力，可以在流入大海的過程中推動渦輪機做功?！?.4.3.2蒸汽壓法同樣溫度下淡水比海水蒸發(fā)得快，因此海水一邊的飽和蒸汽壓力要比淡水一邊低得多，在一個空室內(nèi)蒸汽會很快從淡水上方流向海水上方并不斷被海水吸收，這樣只要裝上汽輪機就可以發(fā)電了。采用旋轉(zhuǎn)筒狀物使鹽水和淡水溶液分別浸濕熱交換器表面，可以傳遞水汽化所要吸收的潛熱?！?.4.3.2蒸汽壓法蒸汽壓發(fā)電的最顯著的優(yōu)點是不需要半透膜，這樣就不存在膜的腐蝕、高成本和水的預(yù)處理等問題?！?.4.3.3濃差電池法濃差電池，也叫滲透式電池、反電滲析電池。一般需要兩種不同的半透膜，一種只允許帶正電荷的鈉離子自由進出，一種則只允許帶負電荷的氯離子自由出入。該系統(tǒng)需要采用面積大而昂貴的交換膜