用電節(jié)能技術(shù)大作業(yè)--海洋能發(fā)電技術(shù)的相關(guān)介紹及應(yīng)用

1、海洋能發(fā)電技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀與前景 海洋能 發(fā)電技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀與前景摘要: 海洋能是取之不盡、用之不竭的清潔能源。海洋能多種多樣, 主要包括波浪能、潮流能、潮汐能和溫差能等。利用海洋能發(fā)電能夠改善能源結(jié)構(gòu)和環(huán)境, 有利于海洋資源開發(fā), 受到許多國家的重視。文中對各種海洋能發(fā)電系統(tǒng)的主要技術(shù)原理、特點和技術(shù)現(xiàn)狀作了綜述和評價, 最后指出海洋能利用的意義和前景。關(guān)鍵詞: 波浪能; 潮流能; 潮汐能; 溫差能; 海洋能發(fā)電系統(tǒng); 環(huán)境保護引言：海洋能是指依附在海水中的能源。海洋通過各種物理過程或化學(xué)過程接收、存儲和散發(fā)能量, 這些能量以波浪、海流、潮汐、溫差等形式存在于海洋之中。海洋面積占地球總面積的

2、71% , 到達地球的各種來自宇宙的能量, 大部分落在海洋上空和海水中,部分轉(zhuǎn)化為各種形式的海洋能。海洋能的大部分來自于太陽的輻射和月球的引力。例如: 太陽輻射到地球表面的太陽能大部分被海水吸收, 使海洋表層水溫升高, 形成深部海水與表層海水之間的溫差, 因布導(dǎo)致地球上空氣流運動, 進而在海面產(chǎn)生波浪運動, 形成波浪能; 由地球之外其他星球( 主要由月球)的引力導(dǎo)致的海面升高形成位能, 稱為潮汐能; 由上述引力導(dǎo)致的海水流動( 其特征是在一日內(nèi)發(fā)生的、有規(guī)則的雙向流動) 的動能稱為潮流能; 非潮流的海流( 其特征是一日內(nèi)不發(fā)生雙向的流動) 的成因有受風驅(qū)動或海水自身密度差驅(qū)動等, 歸根結(jié)蒂是由

3、太陽能造成的, 其動能稱為海流能。海洋能是清潔的可再生能源, 開發(fā)和利用海洋能對緩解能源危機和環(huán)境污染問題具有重要的意義, 許多國家特別是海洋能資源豐富的國家, 大力鼓勵海洋能發(fā)電技術(shù)的發(fā)展。由于海洋能發(fā)電系統(tǒng)的運行環(huán)境惡劣, 與其他 可再生能源發(fā) 電系統(tǒng), 如風電、光伏發(fā)電相比, 發(fā)展相對滯后, 但是隨著相關(guān)技術(shù)的發(fā)展, 以及各國科技工作者的努力, 近年來, 海洋能發(fā)電技術(shù)取得了長足的進步, 陸續(xù)有試驗電站進入商業(yè)化運行?？梢灶A(yù)見, 不遠的將來, 隨著海洋能發(fā)電技術(shù)日益成熟, 將會有越來越多的海洋能發(fā)電系統(tǒng)接入電網(wǎng)運行。由于海洋蘊涵量巨大, 海洋能必將成為能源供給的重要組成部分。本文對各種海

4、洋能發(fā)電系統(tǒng)的主要技術(shù)原理、特點和技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀作了綜述和評價, 最后指出海洋能利用的意義和前景。1 波浪能發(fā)電系統(tǒng)目前研究的波能利用技術(shù)大都源于以下幾種基本原理: 利用物體在波浪作用下的升沉和搖擺運動將波浪能轉(zhuǎn)換為機械能、利用波浪的爬升將波浪能轉(zhuǎn)換成水的勢能等。絕大多數(shù)波浪能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)由三級能量轉(zhuǎn)換機構(gòu)組成。其中, 一級能量轉(zhuǎn)換機構(gòu)( 波能俘獲裝置) 將波浪能轉(zhuǎn)換成某個載體的機械能; 二級能量轉(zhuǎn)換機構(gòu)將一級能量轉(zhuǎn)換所得到的能量轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)機械( 如水力透平、空氣透平、液壓電動機、齒輪增速機構(gòu)等) 的機械能; 三級能量轉(zhuǎn)換通過發(fā)電機將旋轉(zhuǎn)機械的機械能轉(zhuǎn)換成電能。有些采用某種特殊發(fā)電機的波浪能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)

5、, 可以實現(xiàn)波能俘獲裝置對發(fā)電機的直接驅(qū)動, 這些系統(tǒng)沒有二級能源轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)。根據(jù)一級能源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換原理, 可以將目前世界上的波 能利用 技術(shù) 大致 劃分為: 振 蕩水 柱( oscillat ion wat er column, OWC) 技術(shù)、擺式技術(shù)、筏式技術(shù)、收縮波道技術(shù)、點吸收( 振蕩浮子) 技術(shù)、鴨式技術(shù)、波流轉(zhuǎn)子技術(shù)、虎鯨技術(shù)、波整流技術(shù)、波浪旋流技術(shù)等。本文著重對前幾種波浪能發(fā)電技術(shù)進行介紹。1. 1 OWC 技術(shù)OW C 波 能裝 置 利 用 空 氣 作 為 轉(zhuǎn) 換 的介 質(zhì)。圖 1 所示為 OWC 波能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的示意圖。該系統(tǒng)的一級能量轉(zhuǎn)換機構(gòu)為氣室, 其下部開口在水下,

6、 與海水連通, 上部也開口( 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)作上下振蕩,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能。該系統(tǒng)的二級能量轉(zhuǎn)換機構(gòu)為空氣透平, 安裝在氣室的噴嘴上, 空氣的壓能和動能可驅(qū)動空氣透平轉(zhuǎn)動, 再通過轉(zhuǎn)軸驅(qū) 動發(fā)電機發(fā)電。OW C 波能裝置的優(yōu)點是轉(zhuǎn)動機構(gòu) 不與海水接觸, 2 3 4 5防腐性能好, 安全可靠, 維護方便; 其缺點是二級能量轉(zhuǎn)換效率較低。圖 1 OWC 波能裝置示意圖Fig. 1 Configuration of the OWC近年 來 建 成 的 OWC 波 能 裝 置 有: 英 國 的LIMP ET

7、 ( land inst al led marine powered energyt ransformer) ( 固定式 500 kW, 見圖 2) 、葡萄牙的400 kW 固定 式電站 、中 國的 100 kW 固定 式電站 、澳大利亞的500 kW漂浮式裝置 ( 見圖 3) 。圖 2 英國 LIMPET 電站Fig. 2 LIMP ET station in England圖 3 澳大利亞振蕩水柱裝置Fig. 3 OWC in Austr alia1. 2 筏式技術(shù)圖 4 為筏式波能裝置示意圖, 它由鉸接的筏體和液壓系統(tǒng)組成。筏式裝置順浪向布置, 筏體隨波運動, 將波浪能轉(zhuǎn)換為筏體運動的

8、機械能( 一級轉(zhuǎn) 7換) ; 然后驅(qū)動液壓泵, 將機械能轉(zhuǎn)換為液壓能, 驅(qū)動液壓電動機轉(zhuǎn)動, 轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)機械能( 二級轉(zhuǎn)換) ; 通海蛇裝置為改良的筏式裝置。該裝置不僅允過軸驅(qū)動電機發(fā)電, 將旋轉(zhuǎn)機械能轉(zhuǎn)換為電能( 三級轉(zhuǎn)換) 。筏式技術(shù)的優(yōu)點是筏體之間僅有角位移, 即使在大浪下, 該位移也不會過大, 故抗浪性能較好;缺點是裝置順浪向布置, 單位功率下材料的用量比垂直浪向布置的裝置大, 可能提高裝置成本。許浮體縱搖, 也允許艏搖, 因而減小了斜浪對浮體及鉸接結(jié)構(gòu)的載荷。裝置的能量采集系統(tǒng)為端部相鉸接、直徑 3. 5 m 的浮筒, 利用相鄰浮筒的角位移驅(qū)動活塞, 將波浪能轉(zhuǎn)換成液壓能。裝置由 3

9、 個模塊組成, 每個模塊的裝機容量為250 kW, 總裝機容量為 750 kW, 總長為 150 m, 放置在水深為 50 m 60 m 的海面上。1. 3 收縮波道技術(shù)收縮波道裝置由收縮波道、高位水庫、水輪機、發(fā)電機組成, 如圖 7 所示。圖 4 筏式波能裝置示意圖Fig. 4 Conf iguration of the attenuator采用筏式波浪能利用技術(shù)的有英國 Cork 大學(xué)和女王大學(xué)研究的 McCabe 波浪泵( 見圖 5) 波力裝置和蘇格蘭 Ocean Power Delivery 公司的 Pelamis( 海蛇) 波能裝置( 見圖 6) 。圖 7 收縮波道裝置示意圖Fig.

10、 7 Overtopping type wave ener gy conver sion system圖 5 Fig. 5 McCabe 波浪泵McCabe wave pump 8 9該裝置喇叭形的 收縮波道為一級能量轉(zhuǎn)換裝置。波道與海連通的一面開口寬, 然后逐漸收縮通至高位水庫。波浪在逐漸變窄的波道中, 波高不斷被放大, 直至波峰溢過收縮波 道邊墻, 進入高位水庫, 將波浪能轉(zhuǎn)換成勢能( 一級轉(zhuǎn)換) 。高位水庫與外海間的水頭落差可達 3 m 8 m, 利用水輪發(fā)電機組可以發(fā)電( 二級、三級轉(zhuǎn)換) 。其優(yōu)點是一級轉(zhuǎn)換沒有活動部件, 可靠性好, 維護費用低, 在大浪時系統(tǒng)出力穩(wěn)定; 不足之處是小

11、浪下的系統(tǒng)轉(zhuǎn)換效率低。目前建成的收縮波道電站有挪威 350 kW 的固定式 收縮 波道裝 置 ( 見圖 8) 以及 丹麥 的 WaveDr agon ( 見圖 9) 。圖 6 海蛇式波浪發(fā)電系統(tǒng)Fig. 6 Configur ation of the P elamis 6McCabe 波浪泵由 3 個寬 4 m 的鋼浮體鉸接而成, 其中間浮體較小, 但其下有一塊板, 可以增加附加質(zhì)量, 使中間浮體運動幅度相對較小, 以增大前圖 8 挪威收縮波道裝置后兩端浮體相對中間浮體的角位移。該裝置可以為Fig. 8 Overtopping type wave ener gy海水淡化裝置提供能量, 也可用來

12、發(fā)電。conver sion station in Norway圖 9 波浪龍發(fā)電裝置Fig. 9 Conf igur ation of the wave dragonWave Dragon 的優(yōu)點在于可以根據(jù)波況調(diào)節(jié)高圖 11 AquaBuOY 點吸收裝置形 成的陣列位水庫的高度, 其水 輪機的 啟動壓 力為 0. 2 m 水頭, 故對 波況 的適 應(yīng)性 很強。 裝置已 在丹 麥北 部Nissum Br edning 的海灣進行了近 2 年的實海況并網(wǎng)發(fā)電試驗, 近來正計劃在中國推廣其技術(shù)。1. 4 點吸收( 浮子) 技術(shù)點吸收式裝置的尺度與波浪尺度相比很小, 利用波浪的升沉運動吸收波浪能。

13、點吸收式裝置由相對運動的浮體、錨鏈、液壓或發(fā)電裝置組成。這些浮體中有動浮體和相對穩(wěn)定的靜浮體, 依靠動浮子與Fig. 11 Wave farm based on AquaBuOY圖 12 鴨式裝置示意圖 10靜浮 體 之間 的 相對 運 動吸 收波 浪 能, 如 圖 10 所示 。Fig. 12 Configur ation of the duck圖 10 點吸收裝置示意圖該裝置具有一垂直于來波方向安裝的轉(zhuǎn)動軸。裝置的橫截面輪廓呈鴨蛋形, 其前端( 迎浪面) 較小,形狀可根據(jù)需要隨意設(shè)計; 其后部( 背浪面) 較大, 水下部分為圓弧形, 圓心在轉(zhuǎn)動軸心處。裝置在波浪作用下繞轉(zhuǎn)動軸往復(fù)轉(zhuǎn)動時,

14、裝置的后部因為是圓弧形, 不產(chǎn)生向后行進的波; 又由于鴨式裝置吃水較深, 海水靠近表面的波難以從裝置下方越過, 跑到裝置的后面, 故鴨式裝置的背后往往為無浪區(qū) ) ) ) 這使得鴨式裝置可以將所有的短波攔截下來, 如果設(shè)計得當, 鴨式裝置在短波時的一級轉(zhuǎn)換效率接近于100% 。2 潮流能和海流能技術(shù)潮汐能是一種周期性海水自然漲落現(xiàn)象, 是人 1, 12Fig. 10 Configura tion of the point absor ber類認識和利用最早的一種海洋能。在月球和太 11目 前 建 成 的 點 吸 收 式 裝 置 有 英 國 的AquaBuOY 裝置( 如圖 11 所示) 、阿基

15、米德波浪擺、PowerBuoy 以及波浪騎士裝置。1. 5 鴨式技術(shù)鴨式裝置 是一種經(jīng)過縝密推理設(shè)計 出的一種具有特殊外形的波能裝置, 其效率高, 但該裝置抗浪能力還需要提高, 其結(jié)構(gòu)如圖 12 所示。陽引潮力作用下, 海水作周期性的運動, 它包括海面周期性的垂直升降和海水周期性的水平流動。垂直升降部分為潮 汐的位能, 被稱 為潮差( t idal r ange)能, 其富集點出現(xiàn)在可以使潮 汐波發(fā)生放大 的、長30 km 以上的河口或海灣的端部; 水平流動部分為潮汐的動能, 被稱為潮流 ( t idal st ream) 能, 其富集點多出現(xiàn)在群島地區(qū)的海峽、水道及海灣的狹窄入口處, 由于海

16、岸形態(tài)和海底地形等因素的影響, 流速 13214 15 16較大, 伴隨的能量也巨大。潮流能的功率密度與流速的三次方和海水的密度成正比。與其他可再生能源相比, 潮流能具有以下幾個特點 : 較強的規(guī)律性和可預(yù)測性; 功率密度大, 能量穩(wěn)定, 易于電網(wǎng)的發(fā)、配電管理, 是一種優(yōu)秀的可再生能源; 潮流能的利用形式通常是開放式的, 不會對海洋環(huán)境造成大的影響。一般說來, 最大流速在 2 m/ s 以上的水道, 其潮流能均有實際開發(fā)的價值。全世界潮流能的理論估算值約為 500 GW 1 000 GW 量級 。中國海洋面積廣闊, 根據(jù) 1989 年完成的5 中國沿海農(nóng)村海洋能資源區(qū)劃6對中國沿岸 130

17、個水道的統(tǒng)計數(shù)據(jù), 中國沿岸潮流資源理論平均功率約為 14 GW 。這些資源在全國沿岸的分布, 以浙江為最多, 有 37 個左右。圖 13 Davis 四葉片垂直軸渦輪機剖面圖水道, 理論平均功率為 7. 09 GW, 約占全國的一半以上, 其次是臺灣、福建、遼寧等省份的沿岸, 約占全Fig. 13 Configura tion of the Davis2 2222國總量的 42% , 其他省區(qū)相對較少。根據(jù)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, 舟山 海 域 的 各 水 道 開 發(fā) 前 景 最 好, 如 金 塘 水 道( 25. 9 kW/ m ) 、龜山 水道( 23. 9

18、kW/ m ) 、西侯 門水道( 19. l kW/ m ) , 其次是渤海海峽和福建的三都澳等, 如老鐵山水道( 17. 4 kW/ m ) 、三都澳三都角( 15. l kW/ m ) 。潮流能的主要利用方式是發(fā)電。新型海/ 潮流能發(fā)電裝置( marine or t idal current t urbine) 與傳統(tǒng)的潮汐能發(fā)電機組相比, 其工作原理完全不同。新型海/ 潮流能發(fā)電裝置作為一種開放式的海洋能量捕獲裝置, 不像傳統(tǒng)潮汐能電站那樣需搭建大壩, 也無需巨額的前期投資; 利用該裝置發(fā)電時, 由于葉輪轉(zhuǎn)速慢, 各種海洋生物仍可以在葉輪附近流動, 同時它不會產(chǎn)生大的噪聲, 不影響人們的

19、視覺環(huán)境, 因此可以保持良好的地域生態(tài)環(huán)境。潮流能發(fā)電裝置根據(jù)其透平機械的軸線與水流方向的空間關(guān)系可分成水平軸式和垂直軸式 2 種結(jié)構(gòu), 又分別可稱為軸流式( axial flow) 和錯流式( cross flow) 結(jié)構(gòu)。2. 1 垂直軸式潮流能發(fā)電系統(tǒng)在垂直軸式潮流能發(fā)電裝置方向, 國外的研究起步較早。加拿大 Blue Energy 公司是國外較早開展垂直軸潮流能發(fā)電裝置研究的單位。其中著名的Davis 四葉片垂直軸渦輪機就是以該公司的工程師來命名的, 如圖 13 所示。到目前為止, 該公司一共研制了 6 臺試驗樣機并進 行 了 相 關(guān) 的 測 試 試驗, 最 大 功 率 等 級 達 到

20、100 kW。通過長期的試驗研究發(fā)現(xiàn), 在樣機中使用擴張管道裝置可以將系統(tǒng)的工作效率提高至 45% 18 19 20 16, 21 22223 24225意大利 Pont e di Ar chimede Int er nat ional SpA公司和 Naples 大 學(xué)航 空工程 系合 作研 發(fā)了 一臺130 kW 垂直軸水輪機模型樣機, 命名為 Kobold 渦輪, 并于 2000 年在 Messina 海峽進行了海上試驗。它采用了傳動比為 160 的齒輪箱增速裝置, 并可以利用離心力進行葉片的節(jié)距調(diào)節(jié), 具有相對較大的啟動力矩。Kobold 渦輪在 1. 8 m/ s 的水流流速下發(fā)出功

21、率為 20 kW 左右, 系統(tǒng)的 整體工作 效率較低, 約為 23% 。此外, 美國 GCK T echnology 公司對一種具有螺 旋 形 葉 片 的 垂 直 軸 水 輪 機 ( gorlov helicalt urbine, GH T ) 進行了研究 。日本 Nihon 大學(xué)對垂直軸式 Darr ieus 型 水輪機進行了一 系列的設(shè)計及性能試驗研究 。在國內(nèi), 哈爾濱工程大學(xué)是最早開始垂直軸潮流能發(fā)電研究的單位。自 1984 年起, 分別在實驗室及河流中進行 了小功率模型樣機 的試驗; 2002 年設(shè)計了 70 kW 雙轉(zhuǎn)子漂浮式潮流能試驗電站, 并在浙江舟山市的官山水道進行第 1 次

22、海試; 2005 年,又在浙江省舟山市岱山縣進行了 40 kW 樣機的海上試驗 。此外, 在垂直軸水輪機的水動力學(xué)方面也開展了大量的理論研究 。中國海洋大學(xué)通過水槽模型實驗和數(shù)值模擬對垂直軸柔性葉片及水輪機轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)、參數(shù)和性能進行了優(yōu)化配置 , 并于 2008 年在青島市膠南齋堂島水道進行了 5 kW 樣機的海上試驗。據(jù)報道, 樣機在 1. 7 m/ s 流速下發(fā)出了 3. 2 kW 電能。2. 2 水平軸式潮流能發(fā)電系統(tǒng)與垂直軸式結(jié)構(gòu)相比, 水平軸式潮流能發(fā)電裝置具有效率高、自啟動性能好的特點, 若在系統(tǒng)中增 13, 26227 28229 30 31232 33 34 35238加變槳或?qū)?/p>

23、流機構(gòu)則可使機組 適應(yīng)雙向的潮 流環(huán)境, 這種形式的發(fā)電裝置興起于最近 10 年, 但卻取得了很大的進展。英國 Mar ine Current Turbine 公司是目前世界上在潮流發(fā)電領(lǐng)域取得最大成就的單位之一。該公司設(shè)計了世界上第 1 臺大型水平軸式潮流能 發(fā) 電 樣機 ) ) ) 300 kW 的/ Seaflow0, 并 于2003 年在 Devon 郡北部成功進行了海上試驗運轉(zhuǎn)。該公司第 2 階段商業(yè)規(guī)模的 1. 2 MW 雙葉 輪結(jié)構(gòu)的 / Seagen 0 樣 機 也 于 2008 年 在 北 愛 爾 蘭Strangford 灣成功進行了試運行, 如圖 14 所示, 最大發(fā)電功率

24、達到了 1. 2 MW。目前, 該樣機仍處于試運轉(zhuǎn)階段 。圖 14 Seagen 的結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 14 Configur ation of the Seagen挪威 H ammerfest St rom 公司 于 2003 年底 在挪威北部的 Kvalsund 安裝了 1 臺 300 kW 并網(wǎng)型潮流能發(fā)電原型樣機, 進行了為期 4 年的試驗運轉(zhuǎn)。該樣機采用重力式的安裝方式固定在海底, 通過變槳 距 控 制 實 現(xiàn) 雙 向 潮 流 工 作 及 最 優(yōu) 的 功 率 輸出 。此外, 美國 Verdant P ower 公司于 2003 年初在佛羅里達海域進行了 35 kW 潮流能發(fā)電樣機的演

25、示試驗 。加拿 大 Clean Current Power Syst emsIncorporated 公司及愛爾蘭 Openhydro 公司分別設(shè)計了帶導(dǎo)流罩的直驅(qū)式水平軸潮流能發(fā)電樣機, 并進行了海上試驗 。英國 Lunar Ener gy 公司研究了一種帶擴張管道的基于液壓傳動的水平軸式潮流能發(fā)電裝置, 并在實驗室內(nèi)進行了模型測試 。英國 SMD H ydrovision 公司設(shè) 計了一種懸浮 式的雙葉輪結(jié)構(gòu)樣機 , 利用浮力、流體作用力、錨鏈力使裝置平衡在水中, 目前進行了 1/ 10 尺寸的模型試驗。除了 商 業(yè) 領(lǐng) 域 的 研 究, 英 國 南 安 普 頓 大 學(xué)Bahaj 等人在實

26、驗室中對水平軸式潮流能發(fā)電裝置的水動力學(xué)進行了大量研究 。他們通過數(shù)字仿真及水槽試驗研究了葉輪的翼形優(yōu)化、氣蝕特性及) 6 ) 39 40功 率 系 數(shù) 和 軸 向 力 系 數(shù) 最 優(yōu) 化 等 問 題。 英 國St rat hclyde 大學(xué)設(shè)計了一臺雙葉輪式的樣機, 并在實驗室水槽中進行了測試, 該裝置在同一主軸上設(shè)計有一對相反方向旋轉(zhuǎn)的葉輪來解決樣機雙向工作問題 。在國內(nèi), 最早的水平軸式潮流能發(fā)電的探索性試驗始于 20 世紀 70 年代, 由何世鈞工程師帶領(lǐng)的研究組在浙江省舟山市西候門水道對一臺裝有船用螺旋槳葉片及液壓傳動裝置的潮流能發(fā)電樣機進行了測試, 試 驗 共 進 行 了 21 次

27、, 最 大 輸 出 功 率 為5. 7 kW。浙江大學(xué) 于 2005 年進行 了 5 kW 級/ 水 下風車0的原理性樣機研制, 并于 2006 年 4 月 26 日在浙江省舟山市岱山縣進行了海試 。該樣機采用定槳 距的 功 率 控 制 方 式 及 重 力 式 的 安 裝 方 式, 在1. 7 m/ s左右的 流速下 最大發(fā) 電功 率達到 2 kW。2008 年浙江大學(xué)又開展了 25 kW 半直驅(qū)潮流能發(fā)電機組及 20 kW 液壓傳動式潮流能發(fā)電機組的研究。2009 年 5 月在岱山縣進行了 25 kW 機組的海上試驗, 如圖 15 所示。該機組運行正常, 最大瞬時發(fā)電功率接近 30 kW。另

28、一臺 20 kW 級機組也于2010 年 5 月完成了調(diào)試工作及廠房試驗, 該機組利用液壓傳動及電液比例技術(shù)可實現(xiàn)穩(wěn)定的功率輸出及變槳距運行。圖 15 水下風車樣機( 25 kW)Fig. 15 Tidal curr ent tur bine with capacity of 25 kW東北師范大學(xué)針對用于海洋探測儀器的 2 kW低流速海流發(fā)電裝置進行了研究, 并進行了相關(guān)試驗, 如圖 16 所示。3 潮汐能技術(shù)潮汐能發(fā)電與水力發(fā)電的原理、組成基本相同,也是利用水的能量使水輪發(fā)電機發(fā)電。問題是如何利用海潮所形成的水頭和潮流量, 去推動水輪發(fā)電 41242機運轉(zhuǎn)。# 海洋能發(fā)電專題 # 游亞戈,

29、 等 海洋能發(fā)電技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀與前景開發(fā)已有 50 余年的歷史, 潮汐發(fā)電大致經(jīng)歷了 4 個階段。20 世紀 50 年 代是中 國潮汐 發(fā)電的 第 1 個階段。1956 年, 中國第 1 座小型潮汐電站在福州市潑邊建成。據(jù) 1958 年 10 月召開的全國第 1 次潮汐發(fā)電會議統(tǒng)計, 全國興建了 41 座潮汐電站, 總裝機容量 583 kW, 當時正在興建的還有 88 處, 總裝機容量7 055 kW, 這一時期建設(shè)的潮汐電站大部分相繼廢棄。20 世紀 70 年代為 中國開 發(fā)利用 潮汐能 的第2 個階段。在此階段, 人們總結(jié)了 20 世紀 50 年代潮汐發(fā)電的經(jīng)驗教訓(xùn), 注重科學(xué)和施工質(zhì)量,

30、 建成了圖 16 Fig. 16 低流速海流發(fā)電裝置( 2 kW)Tidal curr ent tur bine under slow一批較好的潮汐電站( 有的至今仍在運行) 。20 世紀 80 年代, 建成了江廈潮汐電站和幸福curr ent speed with capacity of 2 kW 47洋電站, 并對以前建設(shè)的潮汐電站及其設(shè)備進行 43 44 45 46國外利用潮汐發(fā)電始于歐洲, 20 世紀初德國和法國已經(jīng)開始研究潮汐發(fā)電 。世界上最 早利用潮汐發(fā)電的是德國 1912 年建成的布蘇姆潮汐電站,而法國則于 1966 年在希列塔尼米島建成一座最大落差 13. 5 m、壩長 750

31、 m、總裝機容量 240 MW 的朗斯河口潮汐電站, 年均發(fā)電量為 544 GW # h, 朗斯電站的建成及其近 40 年的成功運行證實了潮汐電站技術(shù)的可行性, 它使潮汐電站進入了實用階段。之后, 美國、英國、加拿大、前蘇聯(lián)、瑞典、丹麥、挪威、印度、韓國等都陸續(xù)研究開發(fā)潮汐發(fā)電技術(shù),興建了各具特色的潮汐 電站, 并已 取得巨大成功。目前, 在英、加、俄、印、韓等 13 個國家運行、在建、設(shè)計、研究及擬建的潮汐電站達 139 座, 進行規(guī)劃設(shè)計的 10 余座潮汐電站均為 100 MW 1 000 MW 級。目前韓國正在建設(shè)世界上最大的潮汐電站 ) ) )Shihwa 湖大型潮汐電 站 , 并 且

32、已經(jīng)從奧地 利訂購了 260 MW 的發(fā)電設(shè)備。韓國興建這項工程是政府為減輕 對進口 石油的依 靠, 其目標 是到 2011年, 替代能源的份額要占 5% 。根據(jù)國際能 源署的統(tǒng) 計 數(shù) 據(jù), 韓 國 2002 年 水 電 年 發(fā) 電 量 為329 TW # h, 占總發(fā)電量的 1. 6% , 其他可再生能源發(fā)電不到 1 T W # h。據(jù)估計, Shihwa 湖潮汐 電站建成后每年將節(jié)約石油近 90 萬桶。中國大陸海岸線長 18 000 km, 據(jù)全國沿海普查資料統(tǒng)計 , 全國有近 200 個海灣、河口, 可開發(fā)潮汐能年總發(fā)電量達 60 T W # h, 裝機總?cè)萘靠蛇_20 GW, 但至今被

33、開發(fā)利用的不及 1% , 開發(fā)潛力巨大。中國 利 用 潮 汐 能 的 歷 史 可 追 溯 到 距 今 約1 000 多年前, 當時就有了潮汐磨 。中國 潮汐能 12了治理和改造, 為中國試驗電站建設(shè)階段。其中, 浙江省溫嶺市樂 清灣江廈潮汐試驗電站 裝機容量最大, 僅次于法國郎斯潮汐發(fā)電站和加拿大安納波利斯潮汐發(fā)電站, 是當時亞洲最大的潮汐電站。20 世紀 90 年代至今是中國萬千瓦級潮汐電站選址階段 。1991 年 9 月, 從全國潮汐能第 2 次普查獲得的浙閩沿海數(shù)十個萬千瓦級以上的站址中,篩選出幾個條件較好的站址進行了重點規(guī)劃設(shè)計,開展了大型潮汐電站的設(shè)計和前期科研工作。近幾十年來, 中

34、國在有關(guān)潮汐電站的研究、開發(fā)方案及設(shè)計方面做了許多工作, 但建成投運的潮汐電站數(shù)量很少, 目前正常運行或具備恢復(fù)運行條件的電站有 8 座。國內(nèi)外已建的主要潮汐電站如表 1所示。表 1 國內(nèi)外已建的主要潮汐電站Ta ble 1 Tidal gener ation stations around the wor ld站名 所在地 裝機容量/ MW 運行方式 建成時間朗斯 法國 24 10 單庫雙向 1967 年安納波利斯 加拿大 1 20 單庫單向 1984 年基斯洛灣 前蘇聯(lián) 2 0. 4 單庫雙向 1968 年1 0. 5,江廈 中國浙江 1 0. 6, 單庫雙向 1985 年3 0. 7沙山

35、 中國浙江 0. 04 單庫單向 1959 年幸福洋 中國福建 1. 28 單庫單向 1989 年海山 中國浙江 2 0. 075 雙庫連程 1975 年白沙口 中國山東 0. 96 單庫單向 1978 年瀏河 中國江蘇 2 0. 075 單庫雙向 1976 年岳浦 中國浙江 4 0. 075 單庫單向 1971 年果子山 中國廣西 0. 04 單庫單向 1977 年4 溫差能利用熱帶區(qū)域的海洋表層與幾百至上千米深處存在 48著基本恒定的 20e 25e 的溫差, 這就提供了一出功率達 50 kW, 打破了日本在 1982 年建造的 49個總量巨大且比較穩(wěn)定的能源。海洋溫差能利用的基本原理是利

36、用海洋表面的溫海水( 26 e 28 e )40 kW凈輸出功率的開式循環(huán)溫差能發(fā)電記錄4. 2 閉式循環(huán)。加熱某些工質(zhì)并使之汽化, 驅(qū)動汽輪機獲取動力; 同時, 利用從海底提取的冷海水( 4 e 6 e ) 將做功后的 乏 氣 冷 凝, 使 之 重 新 變 為 液 體 ( 見 ht t p: / /www. nrel. gov/ otec/ what . ht ml ) 。按照 工質(zhì)及 流程的不同可分為開式循環(huán)、閉式循環(huán)、混合式循環(huán)。3 種循環(huán)方式各有優(yōu)缺點。4. 1 開式循環(huán)開式循環(huán)采用表層溫海水作為工質(zhì), 其工作框圖如圖 17 所示。當溫海水進入真空室后, 低壓使之發(fā)生閃蒸, 產(chǎn)生約 2

37、. 4 kPa 絕對壓力的蒸汽。該蒸汽膨脹, 驅(qū)動低壓汽輪機轉(zhuǎn)動, 產(chǎn)生動力。該動力驅(qū)動發(fā)電機產(chǎn)生電力。做功后的蒸汽經(jīng)冷海水降溫而冷凝, 減小了汽輪機背后的壓力( 這是保證汽輪機工作的條件) , 同時生成淡水。 50252在閉式循環(huán)中, 溫海水通過熱交換器( 蒸發(fā)器)加熱氨等低沸點工質(zhì), 使之蒸發(fā)。工質(zhì)蒸發(fā)產(chǎn)生的不飽和蒸汽膨脹, 驅(qū)動汽輪機, 產(chǎn)生動力。該動力驅(qū)動發(fā)電機產(chǎn)生電力。做功后的蒸汽進入另一個熱交換器, 由冷海水降溫而冷凝, 減小了汽輪機背后的壓力( 這是保證汽輪機工作的條件) 。冷凝后的工質(zhì)被泵送至蒸發(fā)器開始下一循 環(huán)。系統(tǒng)工 作框圖如圖18 所示 。圖 18 閉式循環(huán)示意圖Fig.

38、 18 Configura tion of the closed loop圖 17 開式循環(huán)示意圖閉式循環(huán)的優(yōu)點在于工質(zhì)的沸點低, 故在溫海水的溫度下可以在較高的壓力下蒸發(fā), 又可以在比較低的壓力下冷凝, 提高了汽輪機的壓差, 減小了汽輪機的尺寸, 降低了機械損耗, 提高了 系統(tǒng)轉(zhuǎn)換效Fig. 17 Configuration of the open loop率; 缺點是不能在發(fā)電的同時獲得淡水。從耗能來說, 閉式系統(tǒng)與開式系統(tǒng)相比, 在冷海3開式循環(huán)過程中要消耗大量的能量: 在溫海水進入真空室前, 需要開動真空泵將溫海水中的氣體除去, 造成真空室真空; 在淡水生成之后, 需要用泵將淡水排出系

39、統(tǒng)( 注意開式循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)的絕對壓力小于 2. 4 kP a, 而系統(tǒng)外的絕對壓力不小于 98 kPa,因此排出 1 m 淡水需要的能量大于 95. 6 kJ) ; 冷卻的冷海水需要從深海抽取。這些都需要從系統(tǒng)產(chǎn)生的動力中扣除。當系統(tǒng)存在如效率不高、損耗過大、密封性不好等問題時, 就會造成產(chǎn)能下降或耗能增加, 系統(tǒng)扣除耗能之后產(chǎn)生的凈能量就會下降, 甚至為負值。因此, 降低流動中的損耗, 提高密封性, 提高每個泵的工作效率, 提高換熱器的效率, 就成為系統(tǒng)成敗的關(guān)鍵。開式循環(huán)的優(yōu)點在于產(chǎn)生電力的同時還產(chǎn)生淡水; 缺點是用海水作為工質(zhì), 沸點高, 汽輪機工作壓力低, 導(dǎo)致汽輪機尺寸大( 直徑約 5

40、 m) , 機械能損耗大, 單位功率的材料占用大, 施工困難等。目前世界上凈輸出最大的開式循環(huán)溫差能發(fā)電系統(tǒng)是 1993 年 5 月在美國夏威夷研建的系統(tǒng), 凈輸水和溫海水流動上所需的能耗是一致的, 不一致的是工質(zhì)流動的能耗以及汽輪機的機械能耗, 閉式系統(tǒng)在這 2 部分的能耗低于開式系統(tǒng)。國家海洋局第一海洋研究所在/ 十一五0期間重點開展了閉式海洋溫差能利用的研究, 完成了海洋溫差能閉式循環(huán)的理論研究工作, 并完成了 250 W小型溫差能發(fā)電利用裝置的方案設(shè)計, 2008 年, 承擔了/ 十一五0科技支撐計劃/ 15 kW 海洋溫差能關(guān)鍵技術(shù)與設(shè)備的研制0課題。4. 3 混合式循環(huán)混合式循環(huán)系

41、統(tǒng)中同時含有開式循環(huán)和閉式循環(huán)。其中開式循環(huán)系統(tǒng)在溫海水閃蒸產(chǎn)生不飽和水蒸氣, 該水蒸氣穿過一個換熱器后冷凝, 生成淡水,如圖 19 所示。該換熱器 的另一側(cè)是閉式循環(huán)系 統(tǒng)的液態(tài)工質(zhì), 該工質(zhì)在水蒸氣冷凝釋放出來的潛熱加熱下發(fā)生氣化, 產(chǎn)生不飽和蒸 汽, 驅(qū)動汽輪機, 產(chǎn)生動力。該動力驅(qū)動發(fā)電機產(chǎn)生電力。做功后的該蒸汽進入# 海洋能發(fā)電專題 # 海洋能發(fā)電技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀與前景 53另一個熱交換器, 由冷海水降溫而冷凝, 減小了汽輪機背后的壓力。冷凝后的工質(zhì)被泵送至蒸發(fā)器開始下一循環(huán)。圖 19 混合式循環(huán)系統(tǒng)Fig. 19 Conf igur ation of the mixed loop混合

42、式循環(huán)系統(tǒng)綜合了開式循環(huán)和閉式循環(huán)的優(yōu)點。保留了開式循環(huán)獲取淡水的優(yōu)點, 讓水蒸氣通過換熱器而不是大尺度的汽輪機, 避免了大尺度汽輪機的機械損耗和高昂造價; 采用閉式循環(huán)獲取動力, 效率高, 機械損耗小。2004 年 ) 2005 年, 天津大學(xué)完成了對混合式海洋溫差能利用系統(tǒng)的理論研究課題, 并就小型化試驗用 200 W 氨飽和蒸汽透平進行了研究開發(fā) 。5 海洋能利用前景5. 1 各種海洋能技術(shù)評價從目前技術(shù)發(fā)展來看, 潮汐能發(fā)電技術(shù)最為成熟, 已經(jīng)達到了商業(yè)開發(fā)階段, 已建成的法國朗斯電站、加拿大安納波利斯電站、中國的江廈電站均已運行多年; 波浪能和潮流 能還處在技術(shù) 攻關(guān)階段, 英國、丹

43、麥、挪威、意大利、澳大利亞、美國、中國建造了多種波浪能和潮流能裝置, 試圖改進技術(shù), 逐漸將技術(shù)推向?qū)嵱? 溫差能還處于研究初期, 只有美國建造了一座溫差能電站, 進行技術(shù)探索。從能流密度來看, 波浪能、海流能的能流密度最大, 因此這 2 種能量轉(zhuǎn)換裝置的幾何尺度較小, 其最大尺度通常在 10 m 左右, 可達到百千瓦級 裝機容量; 溫差能利用需要連通表層海水與深部海水, 因此其最大尺度通常在幾百米量級, 可達到百千瓦級凈輸出功率; 潮汐能能流密度較小, 需要建立大壩控制流量, 以增大壩兩側(cè)的位差, 從而在局部增大能流密度, 計入大壩尺度, 潮汐能的最大尺度在千米量級,裝機容量可達到兆瓦級。尺

44、度小帶來許多便利之處: 一是應(yīng)用靈活, 建造方便, 一旦需要可以在短時間內(nèi)完成, 因此具有軍用前景; 二是規(guī)模可大可小, 大規(guī)?？梢酝ㄟ^適當裝機容量的若干裝置并聯(lián)而成; 三是對環(huán)境的影響較小。因此, 人們普遍認為波浪能和潮流能對環(huán)境的影響不大, 而潮汐能對環(huán)境的影響較大?；谝陨侠碛? 548 55目前國外發(fā)展最快的是波浪能和海流能。而波浪能由于比海流能的分布更廣, 因而更加受到人們的關(guān)注。從能量形式來看, 溫差能屬于熱能, 潮汐能、海流能、波浪能都是機械能。對于發(fā)電來說, 機械能的品位高于熱能, 因此在轉(zhuǎn)換效率和發(fā)電設(shè)備成本等方面具有一定優(yōu)勢。溫差能在發(fā)電的同時還可以產(chǎn)出淡水, 這一點也值得

45、注意。5. 2 海洋能利用的意義5. 2. 1 開發(fā)海洋能可以緩解能源緊缺能源是世界經(jīng)濟增長的動力, 經(jīng)濟的增長總是伴隨著能源消耗的增長。在 20 世紀的 100 年內(nèi), 世界能 源 消耗 量 增加 了 約 9 倍。根 據(jù) 國際 能 源署( IEA) 的預(yù)測, 未來 25 年內(nèi), 世界能源需求總量還將增加近 1 倍。期間, 發(fā)達國家能源消費增長速度將減慢, 但在世界能源消費總量中仍占相當比重, 以亞太地區(qū)為主的發(fā)展中國家能源消費依然處于高增長狀態(tài) 。與此同時, 中國的化石能源資源非常有限。以石油為例, 截至 2004 年底, 中國石油剩余可采儲量為 23 10 t, 位居世界第 13 位, 但

46、僅占世界總量的1. 4% , 石油 儲采比 13. 4, 遠低于 世界平均 水平的40. 5。中國經(jīng)濟的增長在能源供應(yīng)和需求問題上面臨著嚴峻挑戰(zhàn)。2004 年的/ 電荒0 已經(jīng)凸顯電力對經(jīng)濟發(fā)展的強力制約?？梢灶A(yù)見, 在不遠的將來, 中國有相當一部分能源需求不能由現(xiàn)在常規(guī)的能源供應(yīng)來滿足, 也必須尋求新的辦法來解決能源長期的需求短缺問題。海洋能 作為一種新型 的可再生能源, 全球的可開發(fā)量遠遠超過目前的發(fā)電功率, 大規(guī)模地開發(fā)海洋能可以緩解能源緊缺, 是解決中國能源問題的一條有效途徑。中國沿海地區(qū)的 經(jīng)濟發(fā)展水平在國內(nèi)位居前列, 但又是化石能源資源相對匱乏的地區(qū), 隨著能源取得成本的日益上升,

47、 例如: 浙 江省 90% 以上的化石能源要從外省輸入, 平均運輸距離在 1 500 km 以上, 價格也由此而 上升了 1 倍 。因而, 能源問題已經(jīng)成為制約該地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展的瓶頸。然而, 國內(nèi)沿海地區(qū)有著較為豐富的海洋能資源, 如果能因地制宜, 有效地開展海洋能的開發(fā)利用, 將對國內(nèi)這一地區(qū)的經(jīng)濟發(fā)展起到很好的推動作用。隨著技術(shù)的不斷成熟, 海洋能發(fā)電的成本也不斷下降; 再加上常規(guī)能源價格飆升, 人們對包括海洋能在內(nèi)的可再生能源越來越重視。目前某些海洋能發(fā)電技術(shù)已經(jīng)接近實用, 有望在經(jīng)濟建設(shè)中發(fā)揮作用。5. 2. 2 能力開發(fā)海洋能可以極大地增強海洋資源開發(fā)境、改善環(huán)境質(zhì)量的重要突破口, 而

48、在能源利用中,節(jié)能降耗和開發(fā)新能源必然成為其核心問題。海洋8 212 561013 3目前陸地上資源日益枯竭, 許多國家正逐漸將目光轉(zhuǎn)向海洋。在海洋這一表層礦產(chǎn)中, 有著許多沉積物軟泥, 含有豐富的金屬元素和浮游生物殘骸,例如: 在 覆蓋超過 10 km 的海底紅 粘土中, 富 含軸、鐵、錳、鋅、銀、金等, 具有較大的經(jīng)濟價值。海底有富集的礦床。海洋礦砂主要有濱海礦砂和淺海礦砂。它們都存在于水深不超過幾十米的海灘和淺海中, 該礦砂礦物富集且具工業(yè)價值, 開采方便。另外, 從這類砂礦中還可以淘出黃金、金剛石、石英、鉆石、獨居石、鈦鐵礦、磷釔礦、金紅石、磁鐵礦等。所以, 海洋礦砂已經(jīng)成為增加礦產(chǎn)儲

49、量的最大的潛在資源之一, 越來越受到人們的重視。在深海的海底, 存在更加豐富的礦藏。其中多金屬結(jié)核錳結(jié)核作為最有經(jīng)濟價值的一種, 呈現(xiàn)高度富集狀態(tài), 并分布于 300 m 6 000 m 水深的大洋底表層沉積物上。估計整個大洋底錳結(jié)核的蘊藏量約 3 10 t。因此, 錳結(jié)核礦已成為許多國家的開發(fā)熱點。石油和天然氣是遍及世界各大洲大陸架的礦產(chǎn)資源。有報告指出 , 1990 年, 全世界海上石油已探明儲量達 2. 970 10 t , 海上天然氣已探明儲量達 1. 909 10 m 。油氣加在一起的價值占到海洋中已知礦藏總產(chǎn)值的 70% 以上。開發(fā)海洋資源對世界任何國家來說都 十分重要。在 21 世紀, 海洋資源必將成為許多國家爭相開采的對象。尤其是, 在遠離大陸的海洋中, 海洋能是所有能源中獲取較為方便和成本相對低廉的能源。發(fā)展海洋能技術(shù), 可以大大降低海 洋開發(fā)的成本。因此, 發(fā)展海洋能技術(shù)是提高利用海洋資源能力和降低海洋資源開發(fā)成本的重要條件。5. 2. 3 開發(fā)海洋能可以改善環(huán)境20 世紀人類文明發(fā)展在相當程度上依 賴于煤炭、石油、天然氣等化石能源的開發(fā)利用。但是, 利用化石能源也給地球環(huán)境造成了嚴重危害, 使人類生存空間受到了極大的威脅。化石能源對環(huán)境的污染, 主要表現(xiàn)在溫室效應(yīng)、酸雨、破壞臭氧層、大氣顆粒物