海洋能利用的基本原理與關(guān)鍵技術(shù)

1、海洋能利用的基本原理與關(guān)鍵技術(shù)海洋能是各種可再生能源中類型最多的一種，其基本轉(zhuǎn)換原理所涉及的學(xué)科較多，包括流體 力學(xué)與流體機(jī)械，工程熱物理和電化學(xué)等。本節(jié)將分別介紹各種海洋能轉(zhuǎn)換的基本原理及研究的 關(guān)鍵技術(shù)問題。2. 1潮汐發(fā)電的原理與技術(shù)潮汐能利用的主要方式是發(fā)電。通過貯水庫，在漲潮時(shí)將海水貯存在貯水庫內(nèi)，以勢能的形 式保存，然后，在落潮時(shí)放出海水，利用高、低潮位之間的落差，推動(dòng)水輪機(jī)旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)發(fā)電機(jī) 發(fā)電。潮汐電站的功率和落差及水的流量成正比。但由于潮汐電站在發(fā)電時(shí)貯水庫的水位和海洋 的水位都是變化的（海水由貯水庫流出，水位下降，同時(shí)，海洋水位也因潮汐的作用而變化）， 因此，潮汐電站是在變

2、工況下工作的，水輪發(fā)電機(jī)組和電站系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要考慮變工況、低水頭、 大流量以及防海水腐蝕等因素，遠(yuǎn)比常規(guī)的水電站復(fù)雜，效率也低于常規(guī)水電站。潮汐電站按照運(yùn)行方式和對(duì)設(shè)備要求的不同，可以分成單庫單向型、單庫雙向型和雙庫單向 型三種。2. 1. 1單庫單向型單庫單向型是在漲潮時(shí)將貯水庫閘門打開，向水庫充水，平潮時(shí)關(guān)閘；落潮后，待貯水庫與 外海有一定水位差時(shí)開閘，驅(qū)動(dòng)水輪發(fā)電機(jī)組發(fā)電。單庫單向發(fā)電方式的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單， 投資少；缺點(diǎn)是發(fā)電斷續(xù)，1天中約有65%以上的時(shí)間處于貯水和停機(jī)狀態(tài)。2. 1. 2單庫雙向型單庫雙向型有兩種設(shè)計(jì)方案。第一種方案利用兩套單向閥門控制兩條向水輪機(jī)引水的管道。 在漲

3、潮和落潮時(shí)，海水分別從各自的引水管道進(jìn)入水輪機(jī)，使水輪機(jī)單向旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)。第二 種方案是采用雙向水輪機(jī)組。2. 1. 3雙庫單向型這個(gè)方案采用兩個(gè)水力相聯(lián)的水庫，可實(shí)現(xiàn)潮汐能連續(xù)發(fā)電。漲潮時(shí)，向高貯水庫充水；落 潮時(shí)，由低貯水庫排水，利用兩水庫間的水位差，使水輪發(fā)電機(jī)組連續(xù)單向旋轉(zhuǎn)發(fā)電；其缺點(diǎn)是 要建兩個(gè)水庫，投資大且工作水頭降低。潮汐發(fā)電的關(guān)鍵技術(shù)主要包括低水頭、大流量、變工況水輪機(jī)組設(shè)計(jì)制造；電站的運(yùn)行控制； 電站與海洋 環(huán)境的相互作用，包括電站對(duì)環(huán)境的影響和海洋環(huán)境對(duì)電站的影響，特別是泥沙沖 淤問題；電站的系統(tǒng)優(yōu)化，協(xié)調(diào)發(fā)電量、間斷發(fā)電以及設(shè)備造價(jià)和可靠性等之間的關(guān)系；電站設(shè) 備在海水

4、中的防腐等。2. 2波浪能轉(zhuǎn)換的原理與技術(shù)波浪發(fā)電是波浪能利用的主要方式，此外，波浪能還可以用于抽水、供熱、海水淡化以及制 氫等。波浪能利用裝置的種類繁多，有關(guān)波能裝置的發(fā)明專利超過千項(xiàng)。因此，波能利用又被稱 為發(fā)明家的樂園。但這些裝置大部源于幾種基本原理，即：利用物體在波浪作用下的振蕩和搖擺 運(yùn)動(dòng)；利用波浪壓力的變化；利用波浪的沿岸爬升將波浪能轉(zhuǎn)換成水的勢能等。經(jīng)過70年代對(duì) 多種波能裝置進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)室研究和80年代進(jìn)行的實(shí)海況試驗(yàn)及應(yīng)用示范研究，波浪發(fā)電技術(shù)已 逐步接近實(shí)用化水平，研究的重點(diǎn)也集中于3種被認(rèn)為是有商品化價(jià)值的裝置，包括振蕩水柱式 裝置、擺式裝置和聚波水庫式裝置。波浪發(fā)電裝置大

5、都可看作為一個(gè)包括三級(jí)能量轉(zhuǎn)換的系統(tǒng)。一般說來，一級(jí)能量轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)直 接與波浪相互作用，將波浪能轉(zhuǎn)換成裝置的動(dòng)能、或水的位能或中間介質(zhì)（如空氣）的動(dòng)能與壓 能等；二級(jí)能量轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)將一級(jí)能量轉(zhuǎn)換所得到的能量轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)機(jī)械的動(dòng)能，如水力透平、空 氣透平、液壓馬達(dá)等；三級(jí)能量轉(zhuǎn)換將旋轉(zhuǎn)機(jī)械的動(dòng)能通過發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)換成電能。以下分別介紹上 述三種最有前途的裝置能量轉(zhuǎn)換原理及過程。2. 2. 1振蕩水柱波能裝置振蕩水柱波能裝置可分為漂浮式和固定式兩種。目前已建成的振蕩水柱波能裝置都利用空氣 作為轉(zhuǎn)換的介質(zhì)。其一級(jí)能量轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)為氣室，二級(jí)能量轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)為空氣透平。氣室的下部開口 在水下與海水連通，氣室的上部也開口（

6、噴嘴），與大氣連通。在波浪力的作用下，氣室下部的 水柱在氣室內(nèi)作強(qiáng)迫振動(dòng)，壓縮氣室的空氣往復(fù)通過噴嘴，將波浪能轉(zhuǎn)換成空氣的壓能和動(dòng)能。 在噴嘴安裝一個(gè)空氣透平并將透平轉(zhuǎn)軸與發(fā)電機(jī)相連，則可利用壓縮氣流驅(qū)動(dòng)透平旋轉(zhuǎn)并帶動(dòng)發(fā) 電機(jī)發(fā)電。振蕩水柱波能裝置的優(yōu)點(diǎn)是轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)不與海水接觸，防腐性能好，安全可靠，維護(hù)方 便。其缺點(diǎn)是二級(jí)能量轉(zhuǎn)換效率較低。2.2.2擺式波能裝置擺式波能裝置也可分為漂浮式和固定式兩種。擺體是擺式裝置的一級(jí)能量轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)。在波浪 的作用下，擺體作前后或上下擺動(dòng)，將波浪能轉(zhuǎn)換成擺軸的動(dòng)能。與擺軸相聯(lián)的通常是液壓裝置， 它將擺的動(dòng)能轉(zhuǎn)換成液力泵的動(dòng)能，再帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。擺體的運(yùn)動(dòng)很適合

7、波浪大推力和低頻 的特性。因此，擺式裝置的轉(zhuǎn)換效率較高，但機(jī)械和液壓機(jī)構(gòu)的維護(hù)較為困難。擺式裝置的另一 優(yōu)點(diǎn)是可以方便地與相位控制技術(shù)相結(jié)合。相位控制技術(shù)可以使波能裝置吸收到裝置迎波寬度以 外的波浪能，從而大大提高裝置的效率。2. 2. 3聚波水庫波能裝置聚波水庫裝置利用喇叭型的收縮波道，作為一級(jí)能量轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)。波道與海連通的一面開口寬， 然后逐漸收縮通至貯水庫。波浪在逐漸變窄的波道中，波高不斷地被放大，直至波峰溢過邊墻， 將波浪能轉(zhuǎn)換成勢能貯存在貯水庫中。收縮波道具有聚波器和轉(zhuǎn)能器的雙重作用。水庫與外海間 的水頭落差可達(dá)3-8m，利用水輪發(fā)電機(jī)組可以發(fā)電。聚波水庫裝置的優(yōu)點(diǎn)是一級(jí)轉(zhuǎn)換沒有活動(dòng)

8、部件，可靠性好，維護(hù)費(fèi)用低，系統(tǒng)出力穩(wěn)定。不足之處是電站建造對(duì)地形有要求，不易推廣。波浪能利用中的關(guān)鍵技術(shù)主要包括：波浪的聚集與相位控制技術(shù)；波能裝置的波浪載荷及在 海洋環(huán)境中的生存技術(shù)；波能裝置建造與施工中的海洋工程技術(shù)；不規(guī)則波浪中的波能裝置的設(shè) 計(jì)與運(yùn)行優(yōu)化；往復(fù)流動(dòng)中的透平研究等。2. 3海洋溫差能的轉(zhuǎn)換原理與撿求除了發(fā)電之外，海洋溫差能利用裝置還可以同時(shí)獲得淡水、深層海水、進(jìn)行空調(diào)并可以與深 海采礦系統(tǒng)中的揚(yáng)礦系統(tǒng)相結(jié)合。因此，基于溫差能裝置可以建立海上獨(dú)立生存空間并作為海上 發(fā)電廠、海水淡化廠或海洋采礦、海上城市或海洋牧場的支持系統(tǒng)?？傊瑴夭钅艿拈_發(fā)應(yīng)以綜 合利用為主。海洋溫差能

9、轉(zhuǎn)換主要有開式循環(huán)和閉式循環(huán)兩種方式。2. 3. 1開式循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)開式循環(huán)系統(tǒng)主要包括真空泵、溫水泵、冷水泵、閃蒸器、冷凝器、透平一發(fā)電機(jī)組等部分。 真空泵先將系統(tǒng)內(nèi)抽到一定的真空，接著起動(dòng)溫水泵把表層的溫水抽入閃蒸器，由于系統(tǒng)內(nèi)已保 持有一定的真空度，所以溫海水就在閃蒸器內(nèi)沸騰蒸發(fā)，變?yōu)檎羝?。蒸汽?jīng)管道由噴嘴噴出推動(dòng) 透平運(yùn)轉(zhuǎn)，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。從透平排出的低壓蒸汽進(jìn)入冷凝器，被由冷水泵從深層海水中抽上 的冷海水所冷卻，重新凝結(jié)為水，并排入海中。在此系統(tǒng)中，作為工作介質(zhì)的海水，由泵吸入閃 蒸器蒸發(fā)，推動(dòng)透平作功一經(jīng)冷凝器冷凝后直排人海中，故稱此工作方式的系統(tǒng)為開式循環(huán)系統(tǒng)。 在開式循環(huán)系統(tǒng)中

10、，用海水作工作流體和介質(zhì)，閃蒸器和冷凝器之間的壓差非常小。因此，必須 充分注意管道等的壓力損耗、且使用的透平尺寸較大。開式循環(huán)的副產(chǎn)品是經(jīng)冷凝器排出的淡水， 這是它的有利之處。2. 3. 2閉式循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)閉式循環(huán)系統(tǒng)不以海水而采用一些低涕點(diǎn)的物質(zhì)（如丙烷、氟利昂、氨等）作為工作介質(zhì)， 在閉合回路內(nèi)反復(fù)進(jìn)行蒸發(fā)、膨脹、冷凝。因?yàn)橄到y(tǒng)使用低沸點(diǎn)的工作介質(zhì)，蒸汽的工作壓力得 到提高。閉式循環(huán)與開式循環(huán)的系統(tǒng)組件及工作方式均有所不同，開式系統(tǒng)中的閃蒸器改為蒸發(fā)器。 當(dāng)溫水泵將表層海水抽上送往蒸發(fā)器時(shí)，海水自身并不蒸發(fā)；而是通過蒸發(fā)器內(nèi)的盤管把部分熱 量傳遞給低沸點(diǎn)的工作流體，如氨水。溫水的溫度降低，

11、氨水的溫度升育并開始沸騰變?yōu)榘睔狻?氨氣經(jīng)過透平的葉片通道，膨脹作功，推動(dòng)零平旋轉(zhuǎn)。透平排出的氨氣進(jìn)入冷凝器、在冷凝器內(nèi) 由冷水泵抽上的深層冷海水冷卻后重新變?yōu)橐簯B(tài)氨，再用氨泵（工質(zhì)泵）把冷凝器中的液態(tài)氨重 新壓進(jìn)蒸發(fā)器，以供循環(huán)使用。閉式循環(huán)系統(tǒng)由于使用低沸點(diǎn)工質(zhì)，可以大大減小裝置，特別是透平機(jī)組的尺寸。但使用低 沸點(diǎn)工質(zhì)會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生污染。溫差能利用的最大困難是溫差大小，能量密度太低。溫差能轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵是強(qiáng)化傳熱傳質(zhì)技術(shù)。 同時(shí)，溫差能系統(tǒng)的綜合利用，還是一個(gè)多學(xué)科交叉的系統(tǒng)工程問題。2. 4海流能利用的原理與關(guān)鍵技術(shù)海流能的利用方式主要是發(fā)電，其原理和風(fēng)力發(fā)電相似，幾乎任何一個(gè)風(fēng)力發(fā)電裝置都

12、可以 改造成為海流發(fā)電裝置。但由于海水的密度約為空氣的1000倍，且裝置必須放于水下。故海流 發(fā)電存在一系列的關(guān)鍵技術(shù)問題，包括安裝維護(hù)、電力輸送、防腐、海洋環(huán)境中的載荷與安全性 能等。此外，海流發(fā)電裝置和風(fēng)力發(fā)電 裝置的固定形式和透平設(shè)計(jì)也有很大的不同。海流裝置 可以安裝固定于海底，也可以安裝于浮體的底部，而浮體通過錨鏈固定于海上。海流中的透平設(shè) 計(jì)也是一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。2. 5鹽差能的轉(zhuǎn)換原理與關(guān)鍵技術(shù)鹽差能的利用主要是發(fā)電。其基本方式是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，再利用水輪機(jī)發(fā)電，具體主要有滲透壓式、蒸汽壓式和機(jī)協(xié)化學(xué)式等，其中滲透壓式方 案最受重視：將一層半透膜放

13、在不同鹽度的兩種海水之間，通過這個(gè)膜會(huì)產(chǎn)生一個(gè)壓力梯度，迫使水從鹽 度低的一側(cè)通過膜向鹽度高的一側(cè)滲透，從而稀釋高鹽度的水，直到膜兩側(cè)水的鹽度相等為止。 此壓力稱為滲透壓，它與海水的鹽濃度及溫度有關(guān)。下面介紹兩種滲透壓式鹽差能轉(zhuǎn)換方法。2. 5. 1水壓塔滲透壓系統(tǒng)壓塔滲透壓系統(tǒng)主要由水壓塔、半透膜、海水泵、水輪機(jī)一發(fā)電機(jī)組等組成。其中水壓塔與 淡水問由半透膜隔開，而塔與海水之間通過水泵連通系統(tǒng)的工作過程如下：先由海水泵向水壓塔 內(nèi)充入海水。伺時(shí)，由于滲透壓的作用，淡水從半透膜向水壓垮內(nèi)滲透，使水壓塔內(nèi)水位上升。 當(dāng)塔內(nèi)水位上升到一定高度后，便從塔頂?shù)乃垡绯?，沖擊水輪機(jī)旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。為了 使水壓塔內(nèi)的海水保持一定的鹽度、必須用海水泵不斷向塔內(nèi)打入海水，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)連續(xù)工作， 扣除海水泵等的動(dòng)力消耗，系統(tǒng)的總效率約為20%左右。2. 5. 2強(qiáng)力滲壓系統(tǒng)強(qiáng)力系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換方法是在河水與海水之間建兩座水壩分別稱為前壩和后壩，并在兩水壩 之間挖一低于海平面約200m的水庫。前壩內(nèi)安裝水輪發(fā)電機(jī)組，使河水與低水庫相連，而后壩 底部則安裝半透膜滲流器，使低水庫與海水相通。系統(tǒng)的工作過程為：當(dāng)河水通