海洋能多種發(fā)電技術.ppt

1、海洋的巨大威力 巨大的海浪可把 13噸重的整塊巨石拋到 20米高處，能把 1.7萬噸的大船推上海岸。 1968年，一艘巨型油輪，在好望角海域被狂濤巨浪折為兩段（想想這是怎么原因？詳見教材引例故事）,如果海洋中蘊藏的豐富能源能夠為人類所用，那人類也許再也不必為能源問題擔憂了。,5 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)殡娔埽?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？ 教學目標 了解海洋能資源的形成原因和表現(xiàn)特征， 了解海洋能發(fā)電的各種

2、方式和相關思路， 理解海洋能發(fā)電的特點和意義。,1、什么是海洋：地球上廣大而連續(xù)的咸水水體的總稱，是相互連通的。 2、海和洋的區(qū)別：遠離陸地的水體部分為洋，靠近大陸的水體部分為海。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。,5.1 海洋的概念,3、海洋的水底地形像個大水盆,海底地形可以分為明顯的五個部分：大陸架：在靠近大陸的淺海部分，其深度一般不超過200米；大陸架外緣有一巨大的陡坡，叫做大陸坡，水深從幾百米陡增到幾千米，大陸坡以外是大洋底部。其中深陷的部分，我們稱為海溝；隆起延伸很長的部分，稱為海嶺，分布面積廣大的平坦部分，則為洋盆。,4、地球表面的總面積約 5.1 億平

3、方公里，其中海洋的面積占71%，匯集了地球97%的水量。 趣聞：假如地球表面是平整的球面，將就會怎樣？,全球水量是陸地體積的14倍，如果地球是平整的，將會被2400米深海水覆蓋,5、海洋能源（簡稱海洋能） （ 1）定義：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。 （2）形式：潮汐、波浪、溫度差、鹽度梯度、海流等五種 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。 （3）分類：海洋能源又可分三類 機械能：潮汐能、波浪能、海流能 熱能：海水溫差能 化學能：海水鹽差能,海洋是超大的太陽能接收體和存儲器，是個“藍色油田”。

4、據(jù)估計，海洋能可再生總量為766 億千瓦。 其中溫差能為400 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 6 億千瓦。,不是全能利用。估計技術上允許利用的約64 億千瓦， 其中，溫差能20 億千瓦，鹽差能30 億千瓦，潮汐能1 億千瓦，波浪能10 億千瓦，海流能3 億千瓦。, 5.2 海洋能資源,1、 世界海洋能資源,2、 我國海洋能資源：資源豐富，東海沿岸，潮汐能、潮流能、波浪能、溫差能、鹽差能,3、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

5、規(guī)律。 （4）清潔無污染。,1、 波浪的成因和類型,（1）波浪的能量來自于風和海面的相互作用，風能變成波浪的勢能與動能。 （2）能量大小取決于風速、風與海水作用時間及作用路程。,小知識：巨大浪涌往往是風暴來襲的前兆！,5.3 波浪發(fā)電,（3）波（海）浪的類型 風浪： 在風的直接吹拂作用下產(chǎn)生的水面波動。（無風不起浪） 涌浪： 由于風浪傳播開去，出現(xiàn)在很遠的海面，在無風海域的波浪。（無風三尺浪） 近岸浪： 外海的波浪傳到海岸附近的波浪。,2、 波浪能資源的特點和分布,波浪的前進，產(chǎn)生動能，波浪的起伏產(chǎn)生勢能。 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。 波浪能是各種海

6、洋能源中能量最不穩(wěn)定的一種。,（1）特點,（2）全球波浪能資源,（3）我國波浪能資源,我國波浪能的理論存儲量為7000萬千瓦左右，沿海波浪能能流密度大約為每米2千瓦7千瓦。在能流密度高的地方，每1米海岸線外波浪的能流就足以為20個家庭提供照明。,小功率的波浪能發(fā)電，已在導航浮標、燈塔等獲得推廣應用,這一技術興起于上世紀80年代初,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，在各種海洋能中品質最高； 2）在海洋能中能流密度最大； 3）在海洋中分布最廣。 4）可通過較小的裝置實現(xiàn)其利用； 5）可提供可觀的廉價能量。,4、 波浪發(fā)電裝置的基本構成,波浪

7、上下起伏或左右搖擺，能夠直接或間接帶動水輪機或空氣渦輪機轉動,波浪能利用的關鍵是波浪能轉換裝置，通常經(jīng)三級轉換： （1）波浪能采集系統(tǒng)：“捕獲波浪的能量； （2）機械能轉換系統(tǒng)：把捕獲的波浪能轉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)電機轉換為電能。,1、原理：波浪發(fā)電是通過轉換裝置，先把波浪能轉換為機械能，再最終轉換成電能。,2、構成：,3、 典型的波浪能發(fā)電裝置,（1） 振蕩水柱式（OWC）,水注上升和下降時，氣流方向是相反的，氣輪機的旋轉方向如果來回變化，發(fā)電也時正時負,小知識：Wells渦輪機（詳見教材）,（2）點頭鴨式

8、（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。 搖擺機構帶動內(nèi)部的凸輪/鉸鏈機構，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。,可同時將波浪的動能和勢能轉換，理論效率達到90%以上。 浮動主梁骨架上，可并排放置多個“鴨子” 。,（4）擺式,1983 年建造了一座推擺式波浪能電站。通過浮板的擺動將波浪能轉換為液壓產(chǎn)生電力。,日本波浪能電站中效率較高,（3）海蛇式,由一系列圓柱形鋼殼結構單元鉸接而成，外型類似火車。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)。,（5）收縮坡道式 在電站入口處設置喇

9、叭形聚波器和逐漸變窄的楔形導槽，當波浪進入寬闊一端向里傳播時，波高不斷地被放大，直至波峰溢過邊墻，轉換成勢能。水流從楔形流道上端流出，進入一個水庫，然后經(jīng)過水輪機返回大海。,4、 波浪能發(fā)電代表性項目,（1）英國75kW 和500kW 的LIMPET 岸式海洋動力能源轉換器，是一種振蕩水柱型（OWC）波浪能裝置。,1991年在蘇格蘭愛雷島上建成75kW項目。 2000年又在同一島嶼上建成一座500 kW的項目，是目前世界上最成功的海浪發(fā)電裝置。,（2）英國750kW 的海蛇 “海蛇” 由英國海洋動力傳遞公司設計。漂浮式，由若干圓柱形鋼殼結構單元鉸接而成。,第一個“海蛇”波能裝置2002年3月完

10、成。 承接建造了葡萄牙北部海岸“海蛇”波浪發(fā)電項目，每條“海蛇”的裝機容量為750 kW。,（3）中國大萬山島3kW 和20kW 岸基OWC,1989 年，中科院廣州能源研究所，在珠海市大萬山島，建成中國第一座波浪能試驗電站。 這座3 千瓦的岸式振蕩水柱型波浪能電站，采用人造水道和Wells渦輪機。 在該電站原有基礎上，1996 年完成20 千瓦電站的建造。,（4）中國廣東汕尾100kW 岸基OWC 2001 年建成的100 kW 岸式波力電站，位于廣東省汕尾市遮浪鎮(zhèn)，是一座與并網(wǎng)運行的岸式OWC型波浪能電站。,這座電站的建設成功，使我國大型波能裝置的設計、建造、保護等各方面均有較大程度的提高

11、，使我國的波能轉換研究基本達到國際同時期的先進水平。,5、 波浪發(fā)電的發(fā)展,1799 年，世界上第一個關于波浪能發(fā)電的專利。 20 世紀中葉以來，波浪能利用得到了越來越多的關注和重視。波浪能發(fā)電的設想在世界各地不斷涌現(xiàn)。 1964 年，世界上第一個海浪發(fā)電裝置航標燈。 1970s末，日本、美、英等國合作研制了“海明”號發(fā)電船，還有遠離海岸的電力傳輸裝置，并進行了海上試驗。,中國也是波浪能研發(fā)的主要國家之一，在世界上有一定影響。 1989年，中國第一座波浪電站建成并試發(fā)電成功。1996年改建為20千瓦。 1999年，100千瓦擺式波浪能電站試運行成功。 2000年，100千瓦岸式振蕩水柱式電站建

12、成發(fā)電。 目前至少已累計生產(chǎn)600多臺在中國沿海使用，并出口到日本等國家。,6、 波浪發(fā)電的發(fā)展, 5.4 海流發(fā)電,（1）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)。 （2）海流能：流動海水的動能。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。 洋流方向基本不變，流速也比較穩(wěn)定；潮流會周期性地改變大小和方向。,1、 海流和海流能,2、海流的能量 一般說來，最大流速在2m/s 以上的水道，海流能才有實際開發(fā)價值。 潮流的流速一般25.5km/h，在狹窄海峽或海灣里，流速會很大。例如杭州灣海潮。 洋流的動能非常大，如佛羅里達洋

13、流和墨西哥洋流。,3、海流發(fā)電的優(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。,4、 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。 輪葉的轉軸有與海流平行的，也有與海流垂直的，如圖所示。,英國公司制造的兩個輪葉式海流發(fā)電機,佛羅里達大西洋大學海底發(fā)電機, 5.5 溫差發(fā)電,（1）海水的溫差：太陽輻射不同，海水溫度是有差異。,1、 海水的溫差和溫差能,（2）海

14、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。,海水溫度大體保持穩(wěn)定，范圍一般在-230。,水平分布：隨著緯度增加而降低 垂直分布：隨著深度增加而降低,（3）全球海洋溫差能分布 據(jù)有關研究資料，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。,（4）中國海水溫差能分布 我國南海中有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。,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。大多是指基于海洋熱能轉換（OTEC）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

15、種。 根據(jù)溫差效應利用海水溫差直接發(fā)電的處于設想階段，尚未事實。,3、 開式循環(huán)系統(tǒng),（1）工作原理 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苿诱羝啓C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，與外界相通，因此稱為開式循環(huán)。,（2）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。 溫海水在蒸發(fā)器內(nèi)蒸發(fā)后所留下的濃縮水，可用來提煉化工產(chǎn)品； 可以得到大量淡水。,（3）開式循環(huán)的不足 低溫低壓下海水的

16、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。 開式循環(huán)的熱效率很低，為減少損耗，不得不把各種裝置和管道設計得很大。 需要耗用巨量的溫海水和冷海水，耗能嚴重，發(fā)電量的1/41/3 消耗于系統(tǒng)本身。 在海洋深處提取大量的冷海水，存在許多技術困難。,4、 閉式循環(huán)系統(tǒng),（1）閉式循環(huán)系統(tǒng)用低沸點液體（如液態(tài)氨）作為工作介質，所產(chǎn)生的蒸氣作為工作流體。 氨水的沸點33，明顯低于水，更容易沸騰。,（2）閉式循環(huán)系統(tǒng)的特點 缺點：蒸發(fā)器和冷凝器要求高，耗資昂貴。 優(yōu)點：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)一提出，就得到廣泛的贊同和重視，成為目前海水

17、溫差發(fā)電的主要形式。,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(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。,5、 混合循環(huán)系統(tǒng),據(jù)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(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，還停留在設想階段。,6、 直接溫差發(fā)電,5.5.3 溫差發(fā)電的發(fā)展,1881 年，法國人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建造了一座7MW 的開式循環(huán)海水溫差發(fā)電站。 1964 年，美國人提出了閉式循環(huán)方案。 1980 年，美國在夏威夷

18、建造了一座1MW 的實驗裝置。 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 世界最大的海水溫差電站 1990 年，日本在鹿兒島,溫差發(fā)電的世界之最 世界最早的海水溫差發(fā)電實驗 1926 年，克勞德在法蘭西科學院大廳， 世界第一座海水溫差電站 1930 年，克勞德在古巴海濱,5.6 鹽差發(fā)電,海水中至少有 80 多種化學元素，主要以鹽類化合物存在，在水里會電離成帶正負電荷的兩類離子。 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。 全球海洋的海水鹽度分布，參見教材圖5.41。 河流入?？?，往往有顯著的鹽度差。,1、 海水的

19、鹽差和鹽差能,據(jù)估計，假設只有降雨量大的地域的鹽度差才能利用，技術上可利用的約30 億千瓦。 我國鹽差能的理論功率約1.25105 MW，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。,海水的鹽差能的分布,在半透膜(水能通過,鹽不能)隔開的有濃度差別的溶液之間，低濃度溶液透入高濃度溶液的現(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一個機械壓強，恰好能阻止稀溶液向濃溶液發(fā)生滲透，則該機械壓強就等于這兩種溶液之間的滲透壓。,5.6.2 滲透和滲透壓,5.6.3 鹽差能發(fā)電的方法,滲透壓法，就是利用半透膜兩側的滲透壓，在不同鹽濃度的海水之間形成水位差，然

20、后利用海水從高處流向低處時提供的能量來發(fā)電，類似潮汐發(fā)電。 關鍵技術：半透膜技術和膜與海水間的流體交換技術， 技術難點：制造強度足夠、性能優(yōu)良、成本適宜的半透膜。,5.6.3.1 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（為什么？），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。,技術難點：在低于海平面的深坑建造電站；能夠抵抗腐蝕的半透膜。發(fā)展的前景不大。,（2）水壓塔滲壓發(fā)電,水壓塔與淡水

21、間用半透膜隔開。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，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。 濃差發(fā)電要投入實際使用，尚需要解決許多困難。例如 大面積的半透膜，和長距離的攔水壩，投資驚人。 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。 混合后的海水和淡水與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 。,有公司預計2015年滲透能發(fā)電可投入商業(yè)，并可生物能、潮汐能相競爭。,5.6.3.2 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