《新能源發(fā)電技術第2版》 課件 第6、7章 海洋能、潮汐能

第6講海洋能多種發(fā)電技術§6

海洋能多種發(fā)電技術關注的問題浩瀚的海洋中蘊藏著怎樣的能量？海洋中的各種能量都是怎樣形成的？大洋中的海流又能否利用？不同深處的海水溫差如何轉變?yōu)殡娔?？咸海水中的鹽分和發(fā)電有什么聯(lián)系？海洋能發(fā)電的設備有什么特點？海洋能發(fā)電的發(fā)展狀況如何？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。緊鄰大陸邊緣的海稱為“邊緣?！保c大洋之間往往以半島、島嶼、群島為界。例如，亞洲東部日本群島、琉球群島、臺灣島和菲律賓群島一線，東面為太平洋，西面為日本海、黃海、東海等。介于大陸之間的海稱為“地中海”，如最著名的地中海、加勒比海等。如果地中海伸進一個大陸內部，只有狹窄水道與海洋相通，又稱為內海，如渤海、波羅的海等。§6.1海洋及海洋能資源海洋的水底（簡稱海底）地形如圖6.1所示，像個大水盆，邊緣是淺水的大陸架，中間是深海盆地，海底有高山、深谷及深海大平原。全球共有四大洋，即太平洋、大西洋、印度洋、北冰洋；另有54個海。地球表面的總面積約5.1億平方公里，其中海洋的面積為3.6億km2，占71%，匯集了地球97%的水量。從外太空看，地球就是一個漂亮的“藍色星球”。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。以潮汐、波浪、溫度差、鹽度梯度、海流等形式存在。廣義的海洋能，甚至還包括：海洋上空的風能、海洋表面的太陽能，以及海洋生物質能、海洋地熱能，等等。除了潮汐能和潮流能來源于太陽和月亮對地球的引力作用以外，其他幾種都來源于太陽輻射。海洋能源又可分為機械能、熱能和化學能。想想上面五種形式的海洋能都是什么類型？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海洋能資源占據地表71%的海洋，是超大的太陽能接收體和存儲器。

每平方公里的大洋表面水層所含有的能量，相當于3800桶石油燃燒發(fā)出的熱量，是個“藍色油田”。據估計，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?！?.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。§6.2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)， 以及由潮汐導致的有規(guī)律的海水流動(潮流)。海水在受日月引力產生潮位升降現(xiàn)象(潮汐)的同時，還產生周期性的水平流動。潮流比潮汐復雜，除了有流向的變化外，還有流速的變化。海流能是流動海水的動能，與流速的平方和流量成正比。相對波浪而言，海流能的變化平穩(wěn)且有規(guī)律。其中洋流方向基本不變，流速也比較穩(wěn)定；潮流會隨潮汐的漲落周期性地改變大小和方向?！?.2.1海流和海流能全球洋流分布太平洋及周邊海區(qū)的海流分布一般說來，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。例如杭州灣海潮20～22km/h。洋流的動能非常大，如佛羅里達洋流所具有的動能，約為全球所有河流具有的總能量的50倍。世界上最大的暖流——墨西哥洋流，在流經北歐時1厘米長海岸線上提供的熱量大約相當于600噸煤所產生的熱量。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。資源在全國沿岸的分布，在遼寧、山東、浙江、福建和臺灣沿海的海流能較為豐富。根據沿海能源密度、理論蘊藏量和開發(fā)利用的環(huán)境條件等因素，浙江舟山海域諸水道開發(fā)前景最好，其次是渤海海峽和福建的三都澳等。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，也可以是轉輪式的。輪葉的轉軸有與海流平行的（類似水平軸風力機），也有與海流垂直的（類似垂直軸風力機），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，再由水泵產生高壓水流來驅動發(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。“降落傘”應有足夠的尺寸和間隔(例如長12m，間隔30m)。當海流來自“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”帶動下轉動，帶動安裝在船上的鉸盤轉動，從而驅動發(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)展狀況進行海流能技術研發(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。日本1980～1982年在河流中進行的抽水試驗，1988

年安裝在海底的215kW海流機組，連續(xù)運行了近1年的時間，是比較成功的海流發(fā)電項目。2006年4月,加拿大第一臺并網型海流發(fā)電機已經成功并網發(fā)電,美國也計劃在舊金山橋附近利用海流來發(fā)電。在英國,海流發(fā)電已經進入商業(yè)化運作,全國性的海流發(fā)電資源調查工作已經進入實質性操作階段,規(guī)劃中的3個海流發(fā)電場將是世界上最大規(guī)模的海流發(fā)電基地。在挪威,2003年1個20臺300kW的海流發(fā)電裝置已經建成于KVALSUNDET(大橋墩項目,離橋西約80m處),此處最大流速2.5m/s,年平均流速為1.8m/s。

中國是世界上潮流發(fā)電研究最早的國家。1978年，舟山的農民企業(yè)家何世鈞用幾千元錢造了一個試驗裝置，發(fā)電裝置采用錨系輪葉式，在潮流推動下，通過液壓傳動裝置帶動發(fā)電機，并得到了6.3kW的電力輸出。1980s，主要進行立軸直葉水輪機潮流發(fā)電裝置試驗研究。1982年開始，哈工大經過60W、100W、1kW

三個樣機研制以及10kW實驗電站方案設計，在2000年建成70kW

實驗電站，并在舟山群島的岱山港水道進行海上發(fā)電試驗。1990s以來，中國開始計劃建造海流能示范應用電站。2002年4月，我國第一座潮流試驗電站在浙江省舟山市岱山縣龜山水道建成，裝機容量為70kW。

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，還要擔心泥沙淤積；也不像海浪發(fā)電那樣，電力輸出不穩(wěn)。目前海流發(fā)電雖然還處在小型試驗階段，它的發(fā)展還不及潮汐發(fā)電和海浪發(fā)電，但人們相信，海流發(fā)電將以穩(wěn)定可靠、裝置簡單的優(yōu)點，在海洋能的開發(fā)利用中獨樹一幟?！?.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。§6.3.1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

據估計，溫差能的理論蘊藏量為200億千瓦，技術上可利用的溫差能約20億千瓦。也有學者估計，海水溫差能可利用功率達100億千瓦。據佐賀大學海洋能源研究中心介紹，位于北緯45°至南緯40°的約100個國家和地區(qū)都可以進行海洋溫差發(fā)電。中國的海水溫差能分布 據《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。

南海溫差能資源理論儲藏量約為1.19×109～1.33×1019千焦，技術上可開發(fā)利用的能量（熱效率取7%）約為8.33×109～9.31×1017千焦，實際可供利用的資源潛力（工作時間取50%，利用資源10%）裝機容量達13.21～14.76億千瓦?！?.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換（OTEC,OceanThermalEnergyConversion）的熱動力發(fā)電技術， 工作方式分為開式循環(huán)、閉式循環(huán)、混合式循環(huán)三種。最近，也有研究者提出

根據溫差效應利用海水溫差直接發(fā)電的設想。§6.3.2.1開式循環(huán)系統(tǒng)工作原理以表層溫海水為工質。先用真空泵將循環(huán)系統(tǒng)內抽成真空，再用溫水泵把溫海水抽入蒸發(fā)器。系統(tǒng)內有一定的真空度，溫海水在蒸發(fā)器內沸騰蒸發(fā)，變?yōu)檎羝?；蒸汽經管道噴出，推動蒸汽輪機運轉，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。作為工作物質的海水，一次使用后就不再重復使用，工作物質與外界相通，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品。例如， －溫海水在蒸發(fā)器內蒸發(fā)后所留下的濃縮水，可被用來提煉很多有用的化工產品； －水蒸氣在冷凝器內冷卻后可以得到大量的淡水。開式循環(huán)的不足①低溫低壓下海水的蒸氣壓很低，為使汽輪發(fā)電機能在低壓下運轉，機組必須造得十分龐大。

例如，1948年非洲象牙海岸的海水溫差發(fā)電裝置，功率只有3500千瓦，而汽輪機直徑卻有14米。②開式循環(huán)的熱效率很低，一般只有2%左右，為減少損耗，不得不把各種裝置和管道設計得很大。③需要耗用巨量的溫海水和冷海水，都靠泵來泵入蒸發(fā)器和冷凝器內；為保持蒸發(fā)器的低壓裝態(tài)，也要靠泵來抽真空，耗能嚴重，發(fā)電量的1/4～1/3消耗于系統(tǒng)本身。④在海洋深處提取大量的冷海水，存在許多技術困難。§6.3.2.1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，所產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為工質。用溫海水閃蒸出來的低壓蒸汽來加熱低沸點工質。既能產生新鮮淡水，又可減少蒸發(fā)器體積，節(jié)省材料，便于維護。§6.3.2.3混合式循環(huán)系統(tǒng)據塞貝克效應，若將兩個不同的導體/半導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，還停留在設想階段。§6.3.2.4直接溫差發(fā)電§6.3.3溫差發(fā)電的發(fā)展狀況1881年，法國物理學家雅克·德·阿松瓦爾最早提出利用海水溫差發(fā)電的設想；1948年，法國在非洲象牙海岸阿比讓附近建造了一座7MW的開放循環(huán)式海水溫差發(fā)電站。1964年，美國海洋熱能發(fā)電的創(chuàng)始人安德森和他的兒子，提出了閉式循環(huán)方案。1980年，美國在夏威夷建造了一座1MW的OTEC21

實驗裝置，主要進行熱力系統(tǒng)研究。日本科學家從1973年開始進行海洋溫差發(fā)電的研究。1981年，日本月完成100kW閉式循環(huán)溫差電站。1993年，日本建成210kW

開式循環(huán)溫差能利用裝置，凈出力為40～50kW，并可生產淡水。1994年，印度計劃用5億美元在泰米爾納德邦近海引入美國技術，建立一座10萬kW

的海洋溫差發(fā)電裝置。1995年前后，印度在太平洋的島嶼上已經建設成功6座5萬千瓦的陸基海水溫差能發(fā)電站。1980年臺灣電力公司曾計劃將第3和第4號核電廠余熱和海洋溫差發(fā)電并用。1985年中國科學院廣州能源研究所開始對溫差利用中的一種“霧滴提升循環(huán)”方法進行研究。2013年10月30日，華彬國際集團與美國洛克希德馬丁公司在北京正式簽署了海洋溫差發(fā)電聯(lián)合開發(fā)合同，在中國落地的一個10兆瓦示范電廠的概念設計。§6.3.3溫差發(fā)電的發(fā)展溫差發(fā)電的世界之最最早的海水溫差發(fā)電實驗

1926年，克勞德在法蘭西科學院大廳，當眾進行了溫差發(fā)電實驗。一只燒瓶裝入28℃溫水，另一只燒瓶放冰塊，用導管連接兩個燒瓶，內部裝有汽輪發(fā)電機，抽出燒瓶內空氣后，28℃的溫水在低壓下很快就沸騰了，噴出的蒸汽形成一股強勁的氣流……。世界第一座海水溫差電站

1930年，克勞德在古巴海濱馬坦薩斯海灣建造。表層水溫28℃，400m深處的水溫10℃，管道長度超過2km，直徑約2m，預期功率為22kW，實際輸出只有10kW，甚至少于電站運行所消耗的電。盡管如此，卻證明了利用海洋溫差發(fā)電的可能。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)應用前，還有許多技術和經濟問題需要解決，包括： （1）轉換效率低。 （2）投資成本高。 （3）建設難度大。 （4）選址不容易。§6.4鹽差發(fā)電海水中至少有80多種化學元素，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；在1km3的海水中，含有氯化鈉2700多萬噸，氯化鎂320萬噸，碳酸鎂220萬噸，硫酸鎂120萬噸。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電位差能，是以化學能形態(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。假設只有降雨量大的地域的鹽度差才能利用，估計技術上可利用的約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的滲透壓，將不同鹽濃度的海水之間的化學電位差能轉換成水的勢能， 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，其發(fā)電原理及能量轉換方式與潮汐發(fā)電基本相同。關鍵技術是半透膜技術和膜與海水介面間的流體交換技術，技術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，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充入海水，運行時淡水從半透膜向水壓塔內滲透，使水壓塔內水位不斷上升，從塔頂水槽溢出，海水(經管道)沖擊水輪機旋轉，帶動發(fā)電機發(fā)電。在運行過程中，為了使水壓塔內的海水保持一定的鹽度，海水泵不斷向塔內打入海水。（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。據試驗，扣除各種消耗后的總效率約為20%~25%。若每秒能滲入1m3的淡水，約可得到500千瓦電力輸出。濃差發(fā)電要投入實際使用，尚需要解決許多困難。例如若期望得到1萬kW的電力輸出，需要4萬m2的半透膜，如果半透膜的高度為4米，則其長度需10千米，相應的攔水壩要超過10千米，投資將是十分驚人的。而且，半透膜要承受2MPa的滲透壓，也難以制造。（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。（3）壓力延滯滲透發(fā)電是以色列科學家西德尼·洛布于1973年發(fā)明的。1978年洛布和美國太陽能公司做了大量試驗，當時估算發(fā)電成本高達0.3～0.4美元/kWh，還缺乏有效的半透膜。1997年歐洲的Statkraft公司也開始研究，2001年開始世界上第一個重點發(fā)展壓力延滯滲透技術的項目。膜壽命提高為4倍，性能也由0.1W/m2提高到2～5W/m2。Statkraft預計2015年發(fā)電成本將降到0.03～0.04美元/kWh，滲透能發(fā)電可投入商業(yè)，并可生物能、潮汐能相競爭?！?.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、高成本和水的預處理等問題。試驗表明，1m2表面積的熱交換器能產生10W的功率。但是發(fā)電過程中需要消耗大量淡水，應用受到限制。§6.4.3.3濃差電池法濃差電池，也叫滲透式電池、反電滲析電池。有人認為，這是將來鹽差能利用中最有希望的技術。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，發(fā)電成本很高。不過使用壽命長，而且即使膜破裂了也不會給整個電池帶來嚴重影響。例如300個隔室組成的系統(tǒng)中有一個膜損壞，輸出電壓僅減少0.3%。另外，這種電池在發(fā)電過程中電極上會產生Cl2

和H2，可以補償裝置的成本。§6.4.3.3濃差電池法濃差電池也可采用另一種形式： 在一個U形連接管內，用離子交換膜隔開，一端裝海水，另一端裝淡水，兩端插上電極，就會產生0.1伏的電勢?！?.4.3.3濃差電池法§6.4.4鹽差發(fā)電的發(fā)展狀況海洋鹽差發(fā)電的設想是1939

年由美國人首先提出來的。 第一份關于利用滲透壓差發(fā)電的報告發(fā)表于1973年。1975年以色列的洛布建造并試驗了一套滲透法裝置，證明了其利用的可行性。目前以色列已建立了一座150kW

鹽差能發(fā)電試驗裝置。一座溝通地中海和死海間的經水工程及建在死海邊的試驗性的發(fā)電站工程已經開始進行，一旦投入運行，該電站將能發(fā)出60萬千瓦的電力。2002年，荷蘭政府資助的KEMA公司啟動“blueenergy”計劃，致力于制造低成本的電滲析膜。2008年，Statkraft公司在挪威的Buskerud建成世界上第一座鹽差能發(fā)電站死海是世界最咸的湖，含鹽量比一般海水高5～6倍。每4升表面海水含1公斤左右的鹽（250克/升），110米深處可增至270克/升。由于水的密度大于人體的密度，橫躺在海面上也不會下沉，真的是“死海不死”。離死海不遠的地中海比死海高出400米，如果把地中海和死海溝通，利用兩個海面之間的高度差和鹽度差，都可以進行發(fā)電。§

6.5海洋能發(fā)電工程實例圖6.18所示為英國洋流渦輪機公司（MarineCurrentTurbines）設計制造的SeaGen輪葉式海流發(fā)電裝置。該裝置裝有兩個潮汐能渦輪機，可為當地提供1.2MW的電力，是世界上第一個利用海流發(fā)電的商用系統(tǒng)。6.5.1海流發(fā)電的實例圖6.19所示為佛羅里達大西洋大學海洋能源科技中心（FAUOceanEnergyTechnology）研發(fā)的“海底發(fā)電機”。計劃沿著大西洋洋流設置幾組這樣的洋流發(fā)電機，而且即將開始進行雛型測試。世界第一座實用的海水溫差電站

1979年，美國在夏威夷島西部海域建成MINI-OTCE溫差發(fā)電裝置并很快投入商業(yè)運行。這是第一個閉式循環(huán)海洋溫差發(fā)電裝置，也是世界上第一座實用的海水溫差發(fā)電站。利用深層海水與表面海水21～23℃的溫差發(fā)電。其額定功率50kW，凈出力為12～15kW。6.5.2溫差發(fā)電的實例世界第一個滲透能發(fā)電站2009年11月24日，世界首個滲透能發(fā)電站在挪威的奧斯陸峽灣落成，如圖所示。設計者計劃用5年的時間，使得該發(fā)電站發(fā)出來的電力可以滿足一個小鎮(zhèn)的照明和取暖需求。6.5.2溫差發(fā)電的實例本課程配套教材：《新能源發(fā)電技術》朱永強趙紅月，

機械工業(yè)出版社“十三五”國家重點出版物出版規(guī)劃項目卓越工程能力培養(yǎng)與工程教育專業(yè)認證系列規(guī)劃教材第7講潮汐能發(fā)電§7.1潮汐與潮汐能人類很早就注意到了海水周期性的漲落現(xiàn)象。

我國古人把白天的海水漲落叫做“潮”，夜間的海水漲落叫做“汐”，合起來稱為“潮汐”。我國古代的科學家很早就認識到潮汐和月亮有關。

我國東漢時期著名的思想家王充就說過：“濤之興也，隨月盛衰”。唐代詩人張?zhí)撊粼谒摹洞航ㄔ乱埂分杏小按航彼B海平，海上明月共潮生”的詩句，也形象的反映出海潮和月亮的關系。后來人們還進一步認識到潮水是一種“此盈彼竭，往來不絕”的波動現(xiàn)象，“潮之漲退，海非增減，蓋月之所臨，則水往從之”§7.1.1潮汐的概念和形成原理現(xiàn)代對潮汐的認識——潮汐是由于太陽和月球對地球各處引力的不同所引起的海水有規(guī)律的、周期性的漲落現(xiàn)象。太陽和月球引起的海水上漲，分別稱為太陽潮和太陰潮。太陽和月球對地成直角時，太陽潮的落潮和太陰潮的漲潮，二者共同作用，會相互抵消，形成潮勢較弱的小潮。初八、二十三，處處見海灘農歷初一，太陽和月球位于地球同側，三者近似成直線，

太陽和月球的引力方向相同，合力最大，太陽潮和太陰潮同時同地發(fā)生，就形成大潮。農歷十五，太陽和月球位于地球兩側，三者近似成直線，

面向月球的太陰潮和背離太陽的太陽潮共同作用，背離月球的太陰潮和面向太陽的太陽潮共同作用，也形成大潮。初一十五漲大潮

§7.1.2潮汐的描述和分類用于描述潮汐的各個要素如圖所示。海面的一漲一落兩個過程為一個潮汐循環(huán)。相鄰的兩次高潮（或低潮）間隔的平均時間，稱為潮汐的平均周期。按照一個太陰日（24h50min）里有幾個漲落周期，潮汐可分為半日潮、全日潮和混合潮三種類型?！?.1.3潮汐能資源及其分布潮汐現(xiàn)象在垂直方向上表現(xiàn)為潮位的升降，

在水平方向上表現(xiàn)為潮流的進退。海水漲落及潮水流動所產生的動能和勢能稱為潮汐能。很多時候，將潮水流動所具有的動能稱為潮流能，而潮汐能特指海水漲落形成的勢能。在各種海洋能資源中，潮汐能不是最多的，但卻是目前經濟技術條件下最為現(xiàn)實的一種?！?.1.3.1

世界潮汐能資源聯(lián)合國教科文組織的數據，全世界潮汐能的理論蘊藏量約為30億千瓦（3×109kW）。估計技術上允許利用的約1億千瓦。有專家估計，其中可以開發(fā)的電量為2200億千瓦時。據中國商業(yè)情報網的預測研究報告，世界海洋潮汐能蘊藏量約為27億千瓦（2.7×109kW），若全部轉換成電能，每年發(fā)電量大約為1.2萬億度（1.2×1012kWh）。潮汐能大小直接與潮差有關，潮差越大，能量也就越大。實踐證明，平均潮差≥3m才有經濟效益，否則難于實用化。§7.1.3.1

世界潮汐能資源

§7.1.3.2

我國的潮汐能資源根據908專項任務“我國近?？稍偕茉凑{查與研究”中的一部分研究表明，我國近海潮汐能資源技術可開發(fā)裝機容量大于500kW的壩址（韓家新，2014）共171個，總技術裝機容量為2282.91×104kW，年發(fā)電量約626.41×108kW·h。其中，大部分潮汐能資源主要集中在浙江和福建兩省，其潮汐能技術可開發(fā)裝機容量為2067.34×104kW，年發(fā)電量為568.48×108kW·h，分別占全國可開發(fā)量的90.5%和90.73%。據《區(qū)劃》對中國沿岸130個水道計算統(tǒng)計，中國沿岸潮流能理論平均功率為1395×104kW。表7.1中國各主要河流的河口潮汐能資源理論蘊藏量地點站址/個裝機容量/（104kW）占全國比重/％年發(fā)電量/（108kW*h）占全國比重遼寧2452.632.314.482.3河北10.090.00380.020.0027山東1317.990.793.600.58上海170.913.119.503.1浙江19856.8537.5235.6037.6福建641210.4653332.8753.13廣東2335.261.559.701.55廣西1635.151.549.661.54海南103.570.160.980.16全國1712282.91100.00626.41100.00表7.2中中國沿岸潮流能分布分區(qū)一類區(qū)Vm≥3.06二類區(qū)2.04≤Vm＜3.06三類區(qū)1.28≤Vm＜2.04理論功率（104kW）水道數遼寧老鐵山水道北側1

長山東水道1、瓜皮水道1、三山水道1、小三山水道1113.055山東

北皇城北側1廟島群島諸水道3、東部沿岸3117.797長江口

北港1、南槽1橫沙小港口1、北槽130.494浙江舟山的西侯門*、金塘水道*、龜山水道等*7、杭州灣口北部1、南匯至綠華1舟山諸水道*14、椒江口1舟山諸水道4、象山灣1、三門灣3、臺州灣2、樂清灣3709.0337福建三都澳內三都角西北部*1三都島東部*2、閩江口1、海灘海峽南部1、大竹行門1沙?港2、興化港3、海灘海峽諸水道8128.0519臺灣

澎湖北部*6、澎湖南部4、臺灣島北段3、麟山鼻北1澎湖列島9、臺灣島西部11、三貂角東北1228.2535廣東

瓊州海峽東口水道1、外羅水道1珠江口1、粵西沿岸諸水道1437.6616廣西

珍珠港口大風江口、龍門港1、防城港12.314海南

瓊州海峽東口南水道1澄邁灣口1、鶯歌海128.243全國11處（8.5％）41處（31.5％）78處（60％）1394.85130表中地名后數字為水道個數，水道名稱有*者為開發(fā)條件較好者表7.3中國各主要河流的河口潮汐能資源理論蘊藏量河

流年潮汐能量/(108kW·h)堤

長/km單位堤長能量/(106kW·h/km)加權平均潮差/m錢塘江590.032.51

8155.00長江78.036.02172.00珠江41.025.01641.00晉江33.011.22954.00閩江15.02.56003.00甌江12.05.02403.00鴨綠江10.95.51982.74合

計779.9117.73529—§7.2潮汐發(fā)電的特點§7.2.1潮汐發(fā)電的優(yōu)點潮汐發(fā)電有很多優(yōu)點，主要包括：（1）潮汐能源可循環(huán)再生。（2）潮汐變化有規(guī)律，發(fā)電輸出沒有季節(jié)性。（3）靠近用電中心，不消耗燃料，運行費用低。（4）潮汐發(fā)電不排放有害物質，不會污染環(huán)境。（5）潮汐電站建設不需淹地、移民，還可以綜合利用?！?.2.2潮汐發(fā)電的不足作為新興的電力能源，潮汐發(fā)電目前也存在一些不足。（1）發(fā)電出力有間歇性。（2）水頭低，發(fā)電效率不高。（3）工程復雜，建設投資大。（4）關于泥沙淤積問題的疑慮。（5）對生物多樣性的影響?！?.2潮汐發(fā)電的特點§7.3

潮汐發(fā)電原理和電站構成和內陸河川的水力發(fā)電相比，潮汐能的能量密度很低，相當于微水頭發(fā)電的水平。世界上平均潮差（是多次潮差的平均值，不是各地潮差的平均值）的較大值約為13～15m。我國的最大平均潮差出現(xiàn)在杭州灣瞰浦（為8.9m）?！?.3.1潮汐發(fā)電的原理

§7.3.1.1

潮汐發(fā)電的方式潮汐發(fā)電各種名稱的關系，如圖所示。漲潮和落潮時，潮汐發(fā)電的原理如圖所示?！?.3.1.2

潮汐電站的裝機容量和發(fā)電量電站的可能裝機容量，理論上可根據潮汐勢能大小計算。例如，半日潮的潮汐電站裝機容量P，可用公式計算：式中H——平均潮差（m）；

S——水庫平均面積（km2）。P=200H2S（千瓦）潮差/m可供發(fā)電最大功率/kW潮差/m可供發(fā)電最大功率/kW31

80079

80043

200812

80055

000916

20067

200102

000面積為1km2的水庫，落差為3～10米時，可供發(fā)電的最大功率如表所示。建潮汐電站時，年發(fā)電量可利用下面公式進行計算：式中F——年度發(fā)電量(kW·h)；

a——單向發(fā)電時取0.40，雙向發(fā)電時取0.55；

H——平均潮差（m）；

S——平均水庫面積（km2）可用這個公式估算潮汐能蘊藏量和潮汐電站的年發(fā)電量。F=aH2

S×106

§7.3.2潮汐電站的結構潮汐電站的選址：潮汐電站可建在三角洲、河口、海灘或其它的受潮汐影響的海水伸展地帶，最好選在“口小肚大”的海灣上，這樣只要修建一個短短的大壩，就可以圍住很多海水，成為一個大水庫。潮汐電站的構成：潮汐能電站是綜合的建設工程，主要由攔水堤壩、水閘和發(fā)電廠三部分組成。有通航要求的潮汐能電站還應設置船閘?！?.4潮汐電站的類型（1）單庫單向潮汐電站圖7.7單庫單向式潮汐電站的布置（2）單庫雙向潮汐電站圖7.8單庫雙向式潮汐能發(fā)電站的布置§7.4潮汐電站的類型（3）雙庫連續(xù)發(fā)電潮汐電站圖7.9雙庫單向式潮汐能發(fā)電站的布置§7.4潮汐電站的類型§7.5潮汐發(fā)電的發(fā)展與現(xiàn)狀潮汐發(fā)電研究已有100多年歷史，最早從歐洲開始，德國和法國走在最前面。發(fā)電成為潮汐能利用的主要發(fā)展方向。19世紀末，法國工程師布洛克曾提出設想，在易北河下游興建潮汐能發(fā)電站。1912年世界上第一座潮汐能電站在德國建成。1913年法國的潮汐電站成功的進行了發(fā)電試驗，接著又在布列太尼半島興建了一座容量為1865kW

的潮汐電站?！?.5.1世界潮汐發(fā)電的發(fā)展直到1960s，潮汐發(fā)電才在世界范圍內有了較快發(fā)展。法國、前蘇聯(lián)、英國、加拿大等國發(fā)展較快。1967年法國建成的朗斯電站，是世界上第一座具經濟價值的生產性潮汐發(fā)電站，標志著潮汐發(fā)電進入了實用階段。前蘇聯(lián)、英國、美國、加拿大、瑞典、丹麥、挪威、印度等國，也都陸續(xù)研究，相繼建成一批潮汐發(fā)電站。聯(lián)合國《開發(fā)論壇》曾估計，2000年世界潮汐發(fā)電可達300至600億千瓦時，實際進展卻沒有這么快。初步統(tǒng)計，全世界潮汐電站的總裝機為26.5萬千瓦(265MW)?！?.5.2我國潮汐發(fā)電的發(fā)展1950s－1970s，先后建了約50座潮汐電站，但據1980s初的統(tǒng)計，其中大多數已經不再使用。例如，1977年初廣西曾在欽州果子山建成一座小型的實驗性潮汐電站，那里平均潮差只有2m，發(fā)電量不大，1983年發(fā)電機壞了以后，就停止了發(fā)電運行，改用水輪機粉碎飼料，變成了潮汐動力站，而其蓄水庫后來被改為蝦塘。

我國的潮差偏小，平均潮差都<5m，因而潮汐