新能源發(fā)電技術 第2版 課件 第7、8講 潮汐能、波浪能

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”?！?.1.1潮汐的概念和形成原理

§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。§7.1.3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(chǎn)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。§7.1.3.1

世界潮汐能資源聯(lián)合國教科文組織的數(shù)據(jù)，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(jù)中國商業(yè)情報網(wǎng)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(zhuǎn)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(jīng)濟效益，否則難于實用化?！?.1.3.1

世界潮汐能資源

§7.1.3.2

我國的潮汐能資源根據(jù)908專項任務“我國近?？稍偕茉凑{(diào)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(jù)《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。中國各主要河流的河口潮汐能資源理論蘊藏量參見教材表7-1中國沿岸潮流能分布參加教材表7-2中國各主要河流的河口潮汐能資源理論蘊藏量參見教材7-3§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(zhì)，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(gòu)成和內(nèi)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?！?.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。§7.3.1.2

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(jù)潮汐勢能大小計算。式中H——平均潮差（m）；

S——水庫平均面積（km2）。P=200H2S（千瓦）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(jié)構(gòu)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(gòu)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。§7.4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。直到1960s，潮汐發(fā)電才在世界范圍內(nèi)有了較快發(fā)展?！?.5.1世界潮汐發(fā)電的發(fā)展§7.5.2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(jù)1980s初的統(tǒng)計，其中大多數(shù)已經(jīng)不再使用。我國的潮差偏小，平均潮差都<5m，因而潮汐發(fā)電的經(jīng)濟效益不會太高，電站設計須著眼于大壩建造所帶來的交通、圍墾、灘涂等資源的綜合利用效益上。我國長期發(fā)電運行的6座潮汐電站參見教材表7-5我國有6個長期運行的潮汐電站，總裝機容量6MW左右，每年可發(fā)電1000多萬千瓦時。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8講波浪能和波浪能發(fā)電§8波浪能和波浪發(fā)電

§8.1波浪的成因和類型海水在風等外力作用下沿水平方向的周期性運動，形成波浪，俗稱海浪。波浪的能量來自于風和海面的相互作用，是風的一部分能量傳給了海水，變成波浪的動能和勢能。風傳遞給海水的能量取決于風速、風與海水作用時間及作用路程，表現(xiàn)為不同速度、不同“大小”的波浪。海浪的波高從幾毫米到幾十米，

波長從幾毫米到數(shù)千公里，

周期從零點幾秒到幾小時以上。波浪的分類（按形成和發(fā)展的過程）風浪，指的是在風的直接吹拂作用下產(chǎn)生的水面波動。

風浪可從其形成區(qū)域傳播開去，出現(xiàn)在距離很遠的海面。這種不在有風海域的波浪稱為涌浪。外海的風浪或涌浪傳到海岸附近，受水深和地形作用會改變波動性質(zhì)，出現(xiàn)折射、波面破碎和倒卷，這就是近岸浪。海浪的等級（根據(jù)波高大?。┩ǔL浪分為10個等級，將涌浪分為5個等級：水面上的大小波浪交替，有規(guī)律地順風滾動前進；水面下的波浪隨風力不同做直徑不同、轉(zhuǎn)速不同的圓周或橢圓運動，如圖8.1所示。海浪的運動海岸附近的波浪折射§8.2

波浪能資源的分布和特點波浪的前進，產(chǎn)生動能，波浪的起伏產(chǎn)生勢能。形成波浪的原動力主要來自于風對海水的壓力以及其與海面的摩擦力，波浪能是海洋吸收了風能而形成的，其根本來源是太陽能（風能也來自于太陽能）。波浪的能量與波浪的高度、波浪的運動周期以及迎波面的寬度等多種因素有關。因此，波浪能是各種海洋能源中能量最不穩(wěn)定的一種?！?.2.1全球波浪能資源根據(jù)聯(lián)合國教科文組織1981年出版物的估計數(shù)字，全世界的波浪能的理論蘊藏量為30億千瓦。估計技術上允許利用的波浪能約占1/3，即10億千瓦。波浪能年平均功率密度的全球分布圖參見教材圖8.3（圖中的數(shù)字表示離岸深水處的波浪能平均值（kW/m）§8.2.2我國波浪能資源我國海岸線長，海域遼闊。根據(jù)海洋觀測資料統(tǒng)計，我國沿海海域年平均波高在2~3m，波浪周期平均6~9秒，波浪功率可達17~39kW/m，渤海灣更高達42kW/m。據(jù)《中國新能源與可再生能源1999白皮書》統(tǒng)計結(jié)果，進入岸邊的波浪能理論平均功率為1285萬千瓦。省份臺灣浙江廣東福建山東海南江蘇遼寧其他數(shù)量/萬kw429.1205.317416616156.329.125.538.1占比/%33.41613.512.912.54.42.31.22.9

[微軟用戶1]新表格我國波浪能資源分布表§8.2.3波浪能的優(yōu)點在海洋能中，波浪能除可循環(huán)再生以外，還有以下優(yōu)點：1）以機械能形式存在，在各種海洋能中品位最高；2）在海洋能中能流密度最大，3）海浪無處不在，波浪能在海洋中分布最廣。4）波浪能可通過較小的裝置實現(xiàn)其利用；5）波浪能可提供可觀的廉價能量?！?.3波浪發(fā)電裝置的基本構(gòu)成波浪發(fā)電是波浪能利用的主要方式。波浪發(fā)電，一般是通過波浪能轉(zhuǎn)換裝置，先把波浪能轉(zhuǎn)換為機械能，再最終轉(zhuǎn)換成電能?！?.3波浪發(fā)電裝置的基本構(gòu)成波浪能利用的關鍵是波浪能轉(zhuǎn)換裝置，通常經(jīng)三級轉(zhuǎn)換：1）波浪能采集系統(tǒng)(即受波體)，捕獲波浪的能量；2）機械能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)(中間轉(zhuǎn)換裝置)，把捕獲的波浪能轉(zhuǎn)換為某種特定形式的機械能；3）發(fā)電系統(tǒng)，與常規(guī)發(fā)電裝置類似，用空氣渦輪機或水輪機等設備將機械能傳遞給發(fā)電機轉(zhuǎn)換為電能。§8.4波浪能的轉(zhuǎn)換方式波浪發(fā)電裝置的種類很多……但波浪能的轉(zhuǎn)換方式，大體上可分為四類：1）機械傳統(tǒng)式2）空氣渦輪式3）液壓式4）蓄能水庫式§8.4波浪能的轉(zhuǎn)換方式（1）機械傳動式（2）空氣渦輪式這種裝置結(jié)構(gòu)簡單，而且以空氣為工質(zhì)，沒有液壓油泄露的問題。（3）液壓式液壓式指通過某種泵液裝置將波浪能轉(zhuǎn)換為液體（油或海水）的壓能或位能，再由油壓馬達或水輪機驅(qū)動發(fā)電機。波浪運動使海面浮體升沉或水平移動，從而產(chǎn)生工作流體的動壓力和靜壓力，驅(qū)動油壓泵工作，將波浪能轉(zhuǎn)換為油的壓能或產(chǎn)生高壓液體流，經(jīng)油壓系統(tǒng)輸送，再驅(qū)動發(fā)電機發(fā)電。這類裝置結(jié)構(gòu)復雜，成本也較高。但由于液體的不可壓縮性，當與波浪相互作用時，液壓機構(gòu)能獲得很高的壓強，轉(zhuǎn)換效率也明顯高。（4）蓄能水庫式蓄能水庫式，也叫收縮斜坡聚焦波道式。

其實就是借助上漲的海水制造水位差，然后實現(xiàn)水輪機發(fā)電，類似潮汐發(fā)電。這類裝置結(jié)構(gòu)相對簡單，而且由于有水庫儲能，可實現(xiàn)較穩(wěn)定和便于調(diào)控的電能輸出，是迄今最成功的波浪能發(fā)電裝置之一。但一般獲得的水位不高，因此效率也不高，而且對地形條件依賴性強，應用受到局限。根據(jù)系留狀態(tài)，波浪能轉(zhuǎn)換裝置可分為兩大類：（1）固定式（2）漂浮式。第一代裝置，是最初在岸邊發(fā)展的早期裝置，第二代裝置，是后來近岸或海床錨碇式的，第三代裝置，創(chuàng)新的離岸波浪能轉(zhuǎn)換裝置?！?.5波浪能裝置的安裝模式§8.5波浪能裝置的安裝模式各種波浪能轉(zhuǎn)換裝置，往往都需要一個主梁或主軸，即一種居中的、穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，系錨或固定在海床或海灘。根據(jù)主梁與波浪運動方向的幾何關系，波浪能轉(zhuǎn)換裝置可分為三種不同的模式：（1）終結(jié)型模式（2）減緩型模式（3）點吸收模式§8.5波浪能裝置的安裝模式§8.6典型的波浪能發(fā)電裝置（1）振蕩水柱式（OWC）

發(fā)展最早、研究最多也是目前最成熟的波浪能利用裝置。Wells渦輪機水注上升和下降時，經(jīng)過氣輪機的氣流方向是相反的，氣輪機的旋轉(zhuǎn)方向如果來回變化，發(fā)電也時正時負……（2）振蕩浮子式（Buoy）包含浮體及連結(jié)其上的加速管。加速管中間的工作圓筒(內(nèi)有工作活塞)，上下兩邊開口，可使水暢流無阻。能量吸收裝置是一對具彈性的軟管泵，受工作活塞操控。隨著波浪運動，浮子上下起伏使軟管伸張及松弛，可以壓迫海水經(jīng)止逆閥到中心的渦輪機及發(fā)電單元。（3）點頭鴨式（Duck）鴨子的“胸脯”對著海浪傳播的方向，隨著海浪的波動，像不倒翁一樣不停地擺動。搖擺機構(gòu)帶動內(nèi)部的凸輪/鉸鏈機構(gòu)，改變工作液體的壓力，從而帶動工作泵，推動發(fā)電機發(fā)電。

（3）點頭鴨式（Duck）為提高能量的吸收效率，“點頭鴨”的運動應與水粒子的運動軌跡相一致，而在長波中的效率可以通過改變節(jié)點控制脊骨的彎曲度來實現(xiàn)。

它可以同時將波浪的動能和勢能轉(zhuǎn)換，理論上為所有波能轉(zhuǎn)換器中最有效的一種，效率達到90%以上。往往要在狹長的浮動主梁骨架上，并排（有一定的間隔）放置多個“鴨子”，甚至可以延伸到幾千米長。“點頭鴨”主要作為終結(jié)型裝置，主梁的方向調(diào)整為沿著波前的方向。（4）海蛇式（Pelamis）由一系列圓柱形鋼殼結(jié)構(gòu)單元鉸接而成，外型類似火車。

（4）海蛇式（Pelamis）當波浪起浮帶動整條裝置時就會起動鉸接點，其內(nèi)部的液壓圓筒的泵油會起動液壓馬達經(jīng)過一個能量平滑系統(tǒng)。

在每個鉸接點產(chǎn)生的電力藉由一共同的海底纜線傳輸?shù)桨渡?。?）擺式（Pendulum）擺式波浪能電站，其工作原理