黃素逸-新能源發(fā)電技術(shù)

新能源發(fā)電技術(shù)華中科技大學能源與動力工程學院黃素逸2013-10-24于西安2013年發(fā)電企業(yè)節(jié)能減排技術(shù)論壇新能源太陽能風能地熱能海洋能生物質(zhì)能

太陽能概述太陽是一個巨大、久遠、無盡的能源。盡管太陽輻射到地球大氣層的能量僅為其總輻射能量(約為3.75×l026W)的22億分之一，但已高達1.73×1017W，換句話說，太陽每秒鐘照射到地球上的能量就相當于500萬t煤。地球上的風能、水能、海洋溫差能、波浪能和生物質(zhì)能以及部分潮汐能都是來源于太陽；即使是地球上的化石燃料從根本上說也是遠古以來貯存下來的太陽能。太陽能既是一次能源，又是可再生能源。它資源豐富，既可免費使用，又無需運輸，對環(huán)境無任何污染。但太陽能也有兩個主要缺點：一是能流密度低；二是其強度受各種因素的影響不能維持常量。這兩大缺點大大限制了太陽能的有效利用。人們對太陽能利用有著悠久的歷史。發(fā)展到現(xiàn)代，太陽能利用已日益廣泛。在高科技的支持下，太陽能被期望成為21世紀的最主要輔助能源。

太陽結(jié)構(gòu)太陽是太陽系的中心天體,是太陽系里唯一的一顆恒星,也是離地球最近的一顆恒星。太陽是一個熾熱的氣態(tài)球體，沒有固體的星體或核心。它的直徑約為1.39×106km，是地球的109倍，質(zhì)量約為2.2×l027t，為地球質(zhì)量的3.32×105倍，體積則比地球大1.3×106倍，平均密度為地球的1/4。其主要組成氣體為氫（約71％）和氦（約27％）。太陽內(nèi)部有“里三層”。從中心向外，依次是核反應(yīng)區(qū)，這里是太陽熱能產(chǎn)生的基地。輻射區(qū)，太陽能先通過這里傳播出去。對流區(qū)，太陽能經(jīng)過這里向太陽表層傳播，它們是“輸送帶”。由于太陽內(nèi)部持續(xù)進行著氫聚合成氦的核聚變反應(yīng)，所以不斷地釋放出巨大的能量，并以輻射和對流的方式由核心向表面?zhèn)鬟f熱量，溫度也從中心向表面逐漸降低。太陽能量的99%是由中心的核反應(yīng)區(qū)的熱核反應(yīng)產(chǎn)生的。由核聚變可知，氫聚合成氦在釋放巨大能量的同時，每1g質(zhì)量將虧損0.0072g。根據(jù)目前太陽產(chǎn)生核能的速率估算，其氫的儲量足夠維持500億年，因此太陽能可以說是用之不竭的。太陽外部有“外三層”。依次為光球?qū)?、色球?qū)雍腿彰釋印Ｈ藗內(nèi)庋劭梢姷拿髁帘砻婢褪枪馇驅(qū)?，我們所見到太陽的可見光，幾乎全是由光球發(fā)出的。光球?qū)雍窦s500千米，溫度為5762K，密度為10-6g/cm3，它是由強烈電離的氣體組成，太陽能絕大部分輻射都是由此向太空發(fā)射的。太陽表面結(jié)構(gòu)光球?qū)庸馇虿⒉煌昝?，其表面布滿了米粒般的粒狀結(jié)構(gòu)，科學家形象地稱它們?yōu)椤懊琢＝M織”，光球上亮的區(qū)域叫光斑，暗的黑斑叫太陽黑子。所謂太陽黑子是光球?qū)由系暮诎祬^(qū)域，它的溫度大約為4500K，而光球其余部分的溫度約為6000K。在明亮的光球反襯下，就顯得很黑。色球?qū)訌墓馇虮砻娴?000千米高度為色球?qū)?，大部分由氫和氦組成。在色球?qū)拥倪吘壋３Ｍ蝗淮黄鹕喟愕臍怏w，高度達到幾萬公里，這就是日珥，其溫度高達1百萬度，高度有時達幾十個太陽半徑。日珥可謂千姿百態(tài)，有的像脫兔，有的如飛鳥，有的如噴泉飛瀑，這里可以算得上是太陽最壯麗的景色了。日冕層在色球之上是極其稀薄的高溫日冕層，只有在日全食中才能看到一片青白色的日冕光區(qū)。在太陽活動極大年，日冕接近圓形；在太陽寧靜年則呈橢圓形。日冕上有冕洞，而冕洞是太陽風的風源。1973年12月一個巨大的日珥跨越日面588000km色球?qū)赢斕柹嫌袕娏冶l(fā)和日冕物質(zhì)拋射時，太陽風攜帶著的強大等離子流可能到達地球極區(qū)。這時，在地球兩極則可看見瑰麗無比的極光。從太陽的構(gòu)造可見，太陽并不是一個溫度恒定的黑體，而是一個多層的有不同波長發(fā)射和吸收的輻射體。不過在太陽能利用中通常將它視為一個溫度為6000K，發(fā)射波長為0.3～3μm的黑體。

太陽能利用人類對太陽能的利用已有悠久歷史。太陽能利用主要包括太陽能熱利用和太陽能光利用。太陽能熱利用應(yīng)用很廣，如太陽能熱水、供暖和制冷；太陽能干燥農(nóng)副產(chǎn)品、藥材和木材；太陽能淡化海水；太陽能熱動力發(fā)電等。太陽能光利用主要是太陽能光伏發(fā)電和太陽能制氫。

太陽能熱動力發(fā)電

太陽能熱動力發(fā)電一直是太陽能熱利用的主要研究方向，根據(jù)太陽能熱動力發(fā)電系統(tǒng)中所采用的集熱器的型式不同，該系統(tǒng)可以分為分散型和集中型兩大類。分散型發(fā)電系統(tǒng)是將拋物面聚光器配置成很多組，然后把這些集熱器串聯(lián)和并聯(lián)起來，以滿足所需的供熱溫度。集中型發(fā)電系統(tǒng)也稱為塔式接受器系統(tǒng)，它由平面鏡、跟蹤機構(gòu)、支架等組成定日鏡陣列，這些定日鏡始終對準太陽，把入射光反射到位于場地中心附近的高塔頂端的接受器上。

太陽能熱發(fā)電原理聚光集熱子系統(tǒng)熱-功-電轉(zhuǎn)換子系統(tǒng)蓄熱子系統(tǒng)典型的太陽能光熱發(fā)電系統(tǒng)

碟式Dish槽式Trough塔式TowerSolarthermalpowersystem拋物槽式電站的原理圖聚光集熱器主要構(gòu)成示例

熱流體為熔鹽的塔式熱發(fā)電系統(tǒng)工作原理圖以空氣為熱流體的塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)工作原理

西班牙CESA-1太陽能實驗電站

西班牙PS10太陽能實驗電站

西班牙Andasol槽式太陽能電站

西班牙NevadaSolarOne電站外景碟式斯特林系統(tǒng)實驗電站

自由活塞式斯特林發(fā)動機

碟式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)主動式直接蓄熱系統(tǒng)

SolarTwo電站的蓄熱系統(tǒng)

PS10電站安裝中的蓄熱水箱另一種有前途的太陽能熱動力發(fā)電技術(shù)是太陽能煙囪發(fā)電。它是在一大片圓形土地上蓋滿玻璃，圓中心建一高大的煙囪，煙囪底部裝有風力透平機。透明玻璃蓋板下被太陽加熱的空氣通過煙囪被抽走，驅(qū)動風力透平機發(fā)電。這種發(fā)電裝置簡單可靠，在西班牙已建有一座容量為100kW的試驗電站。顯然這種發(fā)電方式非常適合于我國廣大的西部地區(qū)。

太陽能熱氣流發(fā)電系統(tǒng)

太陽輻射加熱集熱棚內(nèi)的儲熱層，棚內(nèi)空氣受熱浮升；由于導流筒的抽吸作用，筒內(nèi)形成穩(wěn)定的上升熱氣流；在流動通道上布置風力機可穩(wěn)定發(fā)電。在晚間，儲熱層蓄積的熱量放出，繼續(xù)穩(wěn)定發(fā)電。蓄熱層熱慣性很大，滯后效應(yīng)顯著，外界環(huán)境及太陽輻射的短時、瞬時波動均可被平滑，故系統(tǒng)的出力相當穩(wěn)定。導流筒底部沿圓周布置8臺單機容量1MW風力發(fā)電機組。太陽輻射60m1000m地表蓄熱層500m導流筒5MW太陽能熱氣流實驗示范電站設(shè)計風力發(fā)電機組導流筒

核心技術(shù)系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)新型風力發(fā)電機組成套設(shè)計制造技術(shù)超高聳建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計與建造技術(shù)超大規(guī)模集熱系統(tǒng)設(shè)計與建造技術(shù)儲能系統(tǒng)吸熱與保溫技術(shù)熱氣流發(fā)電機組控制技術(shù)發(fā)電系統(tǒng)穩(wěn)定并網(wǎng)技術(shù)風道直徑10m輪轂直徑3m葉片數(shù)12或20太陽能熱氣流電站概念設(shè)計——導流筒透視圖超大規(guī)模集熱棚屋頂設(shè)計結(jié)論：當傾角31~35°時，全年獲得的日照輻射量最大。屋面接受更多的陽光，使集熱棚的溫度上升快，溫度高，提高其集熱效率；同時也有利于屋面應(yīng)對雨雪荷載；有利于屋面的自組織排水與自清潔等。超大規(guī)模集熱棚屋頂輕型清掃機械：網(wǎng)狀布置壓縮空氣吹掃裝置，并按照一定的距離設(shè)置排沙塵通道。太陽能光利用太陽能光利用最成功的是用光—電轉(zhuǎn)換原理制成的太陽電池（又稱光電池）。太陽電池1954年誕生于美國貝爾實驗室，隨后1958年被用作“先鋒1號”人造衛(wèi)星的電源上了天。這種電池一下子就使人造衛(wèi)星的電源可安全工作達20年之久，從而徹底取代了只能連續(xù)工作幾天的化學電池，為航天事業(yè)的發(fā)展提供了一種新的能源動力。

太陽電池是利用半導體內(nèi)部的光電效應(yīng)，當太陽光照射到一種稱為“P—N結(jié)”的半導體上時，波長極短的光很容易被半導體內(nèi)部吸收，并去碰撞硅原子中的“價電子”使“價電子”獲得能量變成自由電子而逸出晶格，從而產(chǎn)生電子流動。

常用太陽電池按其材料可以分為：晶體硅電池、硫化鎘電池、硫化銻電池、砷化鎵電池、非晶硅電池、硒銦銅電池、疊層串聯(lián)電池等。太陽電池重量輕，無活動部件，使用安全。單位質(zhì)量輸出功率大，即可作小型電源，又可組合成大型電站。目前其應(yīng)用已從航天領(lǐng)域走向各行各業(yè)，走向千家萬戶，太陽能汽車，太陽能游艇，太陽能自行車，太陽能飛機都相繼問世，然而對人類最有吸引力的是所謂太空太陽站。太空太陽電站的建立無疑將徹底改善世界的能源狀況，人類都期待這一天的到來。單晶硅太陽電池生產(chǎn)過程

天基太陽能發(fā)電系統(tǒng)

天基太陽能發(fā)電系統(tǒng)太陽塔概念圖

天基太陽能發(fā)電系統(tǒng)太陽盤概念圖

太陽能光伏、光熱集成發(fā)電系統(tǒng)系統(tǒng)特點：在集熱棚內(nèi)布置一部分光伏電池，利用光伏發(fā)電，而電池的熱量仍留在棚內(nèi)，可以作為熱能進一步利用，提高了單位面積上的能量利用率；棚內(nèi)可以種植農(nóng)作物（蔬菜、水果或能源植物），既獲得經(jīng)濟效益，又改善了生態(tài)環(huán)境；以此系統(tǒng)為中心可在沙漠或荒蕪的地方建立生態(tài)城。發(fā)展旅游事業(yè)太陽能光伏、光熱集成發(fā)電試驗電站

在太陽能熱氣流發(fā)電系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，在集熱棚內(nèi)布置一部分光伏電池，同時利用太陽能的光能和熱能。提高單位面積的能量利用率和取得更大的經(jīng)濟效益。目前世界上尚無此種系統(tǒng)。

電站功能發(fā)電功能

系統(tǒng)兼有發(fā)電、儲能、調(diào)峰三種功能，特別適合作為我國三北太陽能豐富地區(qū)的電源。生態(tài)環(huán)保功能

系統(tǒng)的集熱棚相當于一個特大型的溫室，可以有效地防止揚沙，對減少我國的沙塵暴十分有利。集熱棚內(nèi)還可種植農(nóng)作物，發(fā)展生態(tài)農(nóng)業(yè)，極大地改善當?shù)氐沫h(huán)境條件。旅游功能

系統(tǒng)可以和旅游事業(yè)結(jié)合起來，組織觀光旅游。對建在東部地區(qū)的小型電站（10MW以下）導流筒上既可作為電視轉(zhuǎn)播臺又可建觀光旅館，開發(fā)生態(tài)旅游。旅游觀光超過70%頂棚面積可布置光伏電池

試驗電站的主要參數(shù)

50kw太陽能熱氣流子系統(tǒng)

太陽能熱氣流尺寸：煙囪高度H=100m，直徑Rc=20m，集熱棚直徑為D=320m，進口高度為hin=3m，出口高度為hout=5m。在集熱棚每個分區(qū)的出口處布置6KW的渦輪透平發(fā)電機組，共8個，總額定功率為48KW。熱氣流系統(tǒng)全年運行時間為1250h（東南沿海地區(qū)開闊地并網(wǎng)系統(tǒng)有效利用時數(shù)計算），不計夜間可能發(fā)電量，全年輸出電力約為6萬千瓦時。

風的形成

地球上任何地方都在吸收太陽的熱量，但是由于地面每個部位受熱的不均勻性，空氣的冷暖程度就不一樣，于是，暖空氣膨脹變輕后上升；冷空氣冷卻變重后下降，這樣冷暖空氣便產(chǎn)生流動，形成了風。而且由于地球自轉(zhuǎn)、公轉(zhuǎn)的力量及地形之不同也更加強風力和風向之變化多端。

地球上風的運動方向

白晝海陸風

夜間陸海風

白天“谷風”

夜間“山風”

風力等級表

注：本表所列風速是指平地上離地10米處的風速值

風力發(fā)電常用方式

一、獨立運行方式二、風力發(fā)電與其他發(fā)電方式相結(jié)合三、風力發(fā)電并入常規(guī)電網(wǎng)運行風力機

風車最早出現(xiàn)在波斯，起初是立軸翼板式風車，后又發(fā)明了水平軸風車。風車傳入歐洲后，15世紀在歐洲已得到廣泛應(yīng)用。荷蘭、比利時等國為排水建造了功率達66千瓦以上的風車。18世紀末期以來，隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，風車的結(jié)構(gòu)和性能都有了很大提高，已能采用手控和機械式自控機構(gòu)改變?nèi)~片槳距來調(diào)節(jié)風輪轉(zhuǎn)速。風力機的分類以風輪作為風能接收裝置的常規(guī)風力機為例，按風輪轉(zhuǎn)軸相對于氣流的方向可分為水平軸風輪式(轉(zhuǎn)軸平行于氣流方向)、側(cè)風水平軸風輪式(轉(zhuǎn)軸平行于地面、垂直于氣流方向)和垂直軸風輪式(轉(zhuǎn)軸同時垂直于地面和氣流方向)。WTCTurbineLayoutSizeofWindTurbines風電機組的大型化TurbinePartsTransportationByLandTransportationBySeaTransportationByAirTransportation(AirCargo)WindTurbineInstallationMasned?WindFarm3,75MW,5turbineslocatedatMasned?,DenmarkLiftofnacelle-Tj?reborgWindTurbine,locatednearEsbjerg,Denmark地球的內(nèi)部構(gòu)造

根據(jù)現(xiàn)在的認識，地球的構(gòu)成是這樣的：在約2800km厚的鐵﹣鎂硅酸鹽地幔上有一薄層(厚約30km)鋁﹣硅酸鹽地殼；地幔下面是液態(tài)鐵﹣鎳地核，其內(nèi)還含有一個固態(tài)的內(nèi)核。在6～70km厚的表層地殼和地幔之間有個分界面，通常稱之為莫霍不連續(xù)面。莫霍界面會反射地震波。從地表到深100～200km為剛性較大的巖石團。由于地球內(nèi)圈和外圈之間存在較大的溫度梯度，所以其間有黏性物質(zhì)不斷循環(huán)。地殼和地幔

大洋殼層厚約6～10km，由玄武巖構(gòu)成，大洋殼層會延伸到大陸殼層下面。大陸殼層則是由密度較小的鈉鉀鋁﹣硅酸鹽的花崗石組成，典型厚度約為35km，但是在造山地帶其厚度可能達70km。地。地殼好像一個“筏”放在剛性巖石圈上，巖石圈又漂浮在黏性物質(zhì)構(gòu)成的軟流圈上。由于軟流圈中的對流作用，會使大陸殼“筏”向各個方向移動，從而會導致某一大陸板塊與其他大陸板塊或大洋板塊碰撞或分離。它們就是造成火山噴發(fā)、造山運動、地震等地質(zhì)活動的原因。地殼和地幔模型的示意圖

地球內(nèi)部推測溫度分佈曲線

地殼上層的平均溫度梯度約為25℃/km，但在某些異常地區(qū)其溫度梯度可能大大超出此值。這些地區(qū)約占全球陸地總面積的10%。它們是最適宜地熱鉆井的地區(qū)。通常地幔中的對流把熱能從地球內(nèi)部傳到近地殼的表面地區(qū)，在那里熱能可能絕熱儲存達百萬年之久。雖然這里儲熱區(qū)的深度已大大超過了目前鉆探技術(shù)所能達到的深度，但由于地殼表層中含有游離水，這些水有可能將熱儲區(qū)的熱能帶到地表附近，或穿出地面而形成溫泉，特別在所謂地質(zhì)活動區(qū)更是如此。地熱資源

據(jù)估計在地殼表層10km的范圍內(nèi)，地熱資源就達12.6×1026J，相當于4.6×1016t標準煤，即超過世界技術(shù)和經(jīng)濟力量可采煤儲量含熱量的70000倍

我國的地熱資源中國地處全球歐亞板塊的東南邊緣，在東部和南部與太平洋板塊和印度洋板塊連接，是地熱資源豐富的國家之一。

據(jù)不完全統(tǒng)計，我國已查明地熱資源相當于2000萬億噸標準煤。西藏、云南、四川、廣東、福建等地的溫泉多達1503處，占全國溫泉總數(shù)的61.3％。在全國121個水溫高于80℃的溫泉中，云南，西藏占62％，廣東、福建占18.2％，其他省區(qū)不足1／5。地熱資源類型地質(zhì)學上常把地熱資源分為：五大類蒸汽型熱水型干熱巖型地壓型巖漿型蒸汽型

蒸汽型地熱田是最理想的地熱資源，它是指以溫度較高的干蒸汽或過熱蒸汽形式存在的地下儲熱。形成這種地熱田要有特殊的地質(zhì)結(jié)構(gòu)，即儲熱流體上部被大片蒸汽覆蓋，而蒸汽又被不透水的巖層封閉包圍。這種地熱資源最容易開發(fā)，可直接送入汽輪機組發(fā)電，可惜蒸汽田很少，僅占已探明地熱資源的0.5％

熱水型

它是指以熱水形式存在的地熱田，通常既包括溫度低于當?shù)貧鈮合嘛柡蜏囟鹊臒崴蜏囟雀哂诜悬c的有壓力的熱水，又包括濕蒸汽。90℃以下稱為低溫熱水田，90～150℃稱為中溫熱水田，150℃以上稱為高溫熱水田。中、低溫熱水田分布廣，儲量大，我國已發(fā)現(xiàn)的地熱田大多屬這種類型。

干熱巖型干熱巖是指地層深處普遍存在的沒有水或蒸汽的熱巖石，其溫度范圍很廣，在150～650℃之間。干熱巖的儲量十分豐富，比蒸汽、熱水和地壓型資源大得多。目前大多數(shù)國家都把這種資源作為地熱開發(fā)的重點研究目標。

地壓型它是埋藏在深為2～3km的沉積巖中的高鹽分熱水，被不透水的頁巖包圍。由于沉積物的不斷形成和下沉，地層受到的壓力越來越大，可達幾十兆帕，溫度處在150～260℃范圍內(nèi)。地壓型熱田常與石油資源有關(guān)。地壓水中溶有甲烷等碳氫化合物，形成有價值的副產(chǎn)品。

巖漿型

它是指蘊藏在地層更深處處于黏彈性狀態(tài)或完全熔融狀態(tài)的高溫熔巖。火山噴發(fā)時常把這種巖漿帶至地面。巖漿型資源據(jù)估計約占已探明地熱資源的40％左右。上述五類地熱資源中，目前應(yīng)用最廣的是熱水型和蒸汽型。

地熱能的利用可分為地熱發(fā)電和直接利用兩大類。對于不同溫度的地熱流體可能利用的范圍如下：200～400℃直接發(fā)電及綜合利用150～200℃雙循環(huán)發(fā)電，制冷，工業(yè)干燥，工業(yè)熱加工100～150℃雙循環(huán)發(fā)電，供暖，制冷，工業(yè)干燥，脫水加工，回收鹽類，罐頭食品50～100℃ 供暖，溫室，家庭用熱水，工業(yè)干燥20～50℃ 沐浴，水產(chǎn)養(yǎng)殖，飼養(yǎng)牲畜，土壤加溫，脫水加工

為提高地熱利用率，現(xiàn)在許多國家采用梯級開發(fā)和綜合利用的辦法，如熱電聯(lián)產(chǎn)聯(lián)供，熱電冷三聯(lián)產(chǎn)，先供暖后養(yǎng)殖等。

地熱能的利用

地熱發(fā)電

地熱發(fā)電是地熱利用的最重要方式。高溫地熱流體應(yīng)首先應(yīng)用于發(fā)電。根據(jù)地熱流體的類型，目前有兩種地熱發(fā)電方式，即蒸汽型地熱發(fā)電和熱水型地熱發(fā)電。蒸汽型地熱發(fā)電蒸汽型地熱發(fā)電是把蒸汽田中的干蒸汽直接引入汽輪發(fā)電機組發(fā)電，但在引入發(fā)電機組前應(yīng)把蒸汽中所含的巖屑和水滴分離出去。這種發(fā)電方式最為簡單，但干蒸汽地熱資源十分有限，且多存于較探的地層，開采技術(shù)難度大，故發(fā)展受到限制。熱水型地熱發(fā)電

目前熱水型地熱電站有兩種循環(huán)系統(tǒng)：1)閃蒸系統(tǒng)閃蒸系統(tǒng)如圖所示。當高壓熱水從熱水井中抽至地面，由于壓力降低部分熱水會沸騰并“閃蒸”成蒸汽，蒸汽送至汽輪機做功；而分離后的熱水可繼續(xù)利用后排出，當然最好是再回注入地層。

熱水型地熱發(fā)電閃蒸系統(tǒng)

雙循環(huán)系統(tǒng)

地熱水首先流經(jīng)熱交換器，將地熱能傳給另一種低沸點的工作流體，使之沸騰而產(chǎn)生蒸汽。蒸汽進入汽輪機做功后進入凝汽器，再通過熱交換器而完成發(fā)電循環(huán)。地熱水則從熱交換器回注入地層。這種系統(tǒng)特別適合于含鹽量大、腐蝕性強和不凝結(jié)氣體含量高的地熱資源。發(fā)展雙循環(huán)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)是開發(fā)高效的熱交換器。熱水型地熱發(fā)電的雙循環(huán)系統(tǒng)

地熱發(fā)電1904年，意大利人拉德瑞羅利用地熱進行發(fā)電，并創(chuàng)建了世界上第一座地熱蒸氣發(fā)電站，裝機容量為250千瓦。60年代以來，由于石油、煤炭等各種能源的大量消耗，美國、新西蘭、意大利等國又對地熱能重視起來，相繼建成了一批地熱電站，總計約有150多座，裝機總?cè)萘窟_350萬千瓦。

Turbinebladesinsideageothermalturbinegenerator.TurbinegeneratorinageothermalpowerplantinCerroPrieto,Mexico.地球表面積中海洋面積達3.6l×108km2，占71％。以海平面計，全部陸地的平均海拔約為840m，而海洋的平均深度卻為3800m，整個海水的容積多達1.37×109km3。一望無際的汪洋大海，不僅為人類提供航運、水產(chǎn)和豐富的礦藏，而且還蘊藏著巨大的能量。

海洋能

海洋能的類型海洋能源通常指海洋中所蘊藏的可再生的自然能源，主要為潮汐能、波浪能、海流能、海水溫差能和海水鹽差能。更廣義的海洋能源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(zhì)能等。究其成因，潮汐能和海流能來源于太陽和月亮對地球的引力變化，其他均源于太陽輻射。海洋能源按儲存形式又可分為機械能、熱能和化學能。其中，潮汐能、海流和波浪為機械能，海水溫差為熱能，海水鹽差為化學能。各種海洋能的蘊藏量是巨大的，據(jù)估計有750多億千瓦，其中波浪能700億千瓦，溫度差能20億千瓦，海流能10億千瓦，鹽度差能10億千瓦。

海洋能的特點它在海洋總水體中的蘊藏量巨大，而單位體積、單位面積、單位長度所擁有的能量較小。這就是說，要想得到大能量，就得從大量的海水中獲得。它具有可再生性。海洋能來源于太陽輻射能與天體間的萬有引力，只要太陽、月球等天體與地球共存，這種能源就會再生，就會取之不盡，用之不竭。

潮汐能海水漲落的潮汐現(xiàn)象是由地球和天體運動以及它們之間的相互作用而引起的。在海洋中，月球的引力使地球的向月面和背月面的水位升高。由于地球的旋轉(zhuǎn)，這種水位的上升以周期為12h25min和振幅小于1m的深海波浪形式由東向西傳播。太陽引力的作用與此相似，但是作用力小些，其周期為12h。因月球引力的變化引起潮汐現(xiàn)象，潮汐導致海水平面周期性地升降，因海水漲落及潮水流動所產(chǎn)生的能量，稱為潮汐能。潮汐能是以位能形態(tài)出現(xiàn)的海洋能，是指海水潮漲和潮落形成的水的勢能。海洋的潮汐中蘊藏著巨大的能量。在漲潮的過程中，兇涌而來的海水具有很大的動能，而隨著海水水位的升高，就把海水的巨大動能轉(zhuǎn)化為勢能，在落潮的過程中，海水奔騰而去，水位逐漸降低，勢能又轉(zhuǎn)化為動能。潮汐潮落所形成的水位差，即相鄰高潮潮位與低潮潮位的高度差，稱為潮位差或潮差。通常，海洋中的潮差不大，一般只有幾十厘米至1米左右。而在喇叭狀海岸或河口的地區(qū)，其潮差就比較大。例如，加拿大的芬迪灣、法國的塞納河口、我國的錢塘江口、英國的泰晤士河口、巴西的亞馬遜河口、印度和孟加拉國的恒河口等，都是世界上潮差較大的地區(qū)。其中芬迪灣的最高潮差記錄達到了18米，是世界上潮差最大的地區(qū)。

海水潮汐能的大小隨潮差而變，潮差越大則潮汐能也越大。比如說在1平方千米的海面上，當潮差為5米時，其潮汐能的最大發(fā)電能力約為5500千瓦；而當潮差為10米時，其潮汐能的最大發(fā)電能力則可達22000千瓦。

據(jù)專家們估計，全球海洋中所蘊藏的潮汐能約有27億千瓦，若能把它充分利用起來，其每年的發(fā)電量可達33480萬億度。無怪乎人們把巨大的潮汐能譽為“藍色的煤?！?

我國海岸線曲折，漫長的海岸蘊藏著十分豐富的潮汐能資源。我國潮汐能的理論蘊藏量達1.1億千瓦，其中浙江、福建兩省蘊藏量最大，約占全國的80.9％。潮汐能利用的主要方式是發(fā)電，潮汐發(fā)電與水力發(fā)電的原理相似。通過貯水庫，在漲潮時將海水貯存在貯水庫內(nèi)，以勢能的形式保存，然后，在落潮時放出海水，利用高、低潮位之間的落差，推動水輪機旋轉(zhuǎn)，帶動發(fā)電機發(fā)電。TidalPowerPlanttoproduceelectricity雙水庫潮汐電站的示意圖

潮汐電站的水庫都是利用河口或海灣來建造的，不占用耕地，也不像河川水電站或火電站那樣要淹沒或占用大量的良田；它既不像河川水電站那樣受洪水和枯水季節(jié)的影響，也不像火電站那樣污染環(huán)境，是一種既不受氣候條件影響而又非?！案蓛簟钡陌l(fā)電站；潮汐電站的堤壩較低，建造容易。其投資也相對較少。潮汐電站對環(huán)境的影響潮汐電站會改變潮差和潮流，還會改變海水溫度和水質(zhì)。攔潮后形成的水庫對生態(tài)既有有利影響，也有不利影響，例如它能為水產(chǎn)養(yǎng)殖提供適合的條件，但同時也會對地下水和排水等帶來不利影響。此外在建設(shè)潮汐電站時還必須考慮海岸的侵蝕和對鳥類棲息環(huán)境的影響，特別是在河口建潮汐電站時更應(yīng)注意環(huán)境問題，如對魚類的影響等。國外主要潮汐電站的總裝機容量

我國的潮汐電站

Thisbarragehasbeenoperatingforover20yearsandproducesabout230MW.Electricityisgeneratedonbothincomingandoutgoingtides.法國朗斯電站波浪能波浪能是以動能形態(tài)出現(xiàn)的海洋能。波浪是由風引起的海水起伏現(xiàn)象，它實質(zhì)上是吸收了風能而形成的。波浪功率的大小與風速、風向、連續(xù)吹風的時間、流速等諸多因素有關(guān)。據(jù)估計全世界可開發(fā)利用的波浪能達2.5×109kW。我國沿海有效波高約為2~3m，波浪功率可達17~39kW/m，渤海灣更高達42kW/m，利用前景誘人。最早的波浪能利用機械發(fā)明專利是1799年法國人吉拉德父子獲得的。1854－1973年的119年間，英國登記了波浪能發(fā)明專利340項，美國為61項。在法國，則可查到有關(guān)波浪能利用技述的600種說明書。波浪能利用的幾種基本原理利用物體在波浪作用下的振蕩和搖擺運動；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。早期海洋波浪能發(fā)電付諸實用的是氣動式波力裝置。道理很簡單，就是利用波浪上下起伏的力量，通過壓縮空氣，推動汲筒中的活塞往復(fù)運動而做功。1910年，法國人布索．白拉塞克在其海濱住宅附近建了一座氣動式波浪發(fā)電站，供應(yīng)其住宅l000瓦的電力。這個電站裝置的原理是：與海水相通的密閉豎瓶中的空氣因波浪起伏而被壓縮或抽空稀薄，驅(qū)動活塞做往復(fù)運動，再轉(zhuǎn)換成發(fā)電機的旋轉(zhuǎn)運動而發(fā)出電力。60年代，日本研制成功用于航標燈浮體上的氣動式波力發(fā)電裝置。此種裝置已經(jīng)投入批量生產(chǎn)，產(chǎn)品額定功率從60瓦到500瓦不等。產(chǎn)品除日本自用外，還出口，成為僅有的少數(shù)商品化波能裝備之一。各種利用波浪能裝置的示意圖

波浪發(fā)電站示意圖波浪能供電的燈光浮標

3.海洋溫差能溫差能是以熱能形態(tài)出現(xiàn)的海洋能，又稱海洋熱能。海洋是地球上一個巨大的太陽能集熱和蓄熱器。由太陽投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。赤道附近太陽直射多，其海域的表層溫度可達25~28℃，波斯灣和紅海由于被炎熱的陸地包圍，其海面水溫可達35℃。而在海洋深處500~1000m處海水溫度卻只有3~6℃。這個垂直的溫差就是一個可供利用的巨大能源。據(jù)估計，如果利用這一溫差發(fā)電，其功率可達2×109kw。

全世界海洋溫差能的理論估算值為106kW量級。根據(jù)中國海洋水溫測量資料計算得到的中國海域的溫差能約為1.5×108kW，其中99％在南中國海。南海的表層水溫年均在26℃以上，深層水溫（800m深處）常年保持在5℃，溫差為21℃，屬于溫差能豐富區(qū)域。溫差發(fā)電的基本原理就是借助一種工作介質(zhì)，使表層海水中的熱能向深層冷水中轉(zhuǎn)移，從而做功發(fā)電。例如使用低沸點的二氧化硫、氨或氟利昂做介質(zhì)，在表層溫水熱力作用下氣化、沸騰，吹動透平機發(fā)電，再利用深層冷水把工作介質(zhì)凝結(jié)成液態(tài)。如此循環(huán)不息，保持發(fā)電機運行。海洋溫差能發(fā)電系統(tǒng)主要有開式循環(huán)和閉式循環(huán)兩種方式。開式循環(huán)系統(tǒng)

閉式循環(huán)系統(tǒng)巨大的海水溫差發(fā)電裝置（設(shè)想）

美國工程師設(shè)計的一個16萬千瓦的海洋溫差發(fā)電裝置，全長450米，自重23．5萬噸，排水量達30萬噸。由于海洋能密度比較小，要得到比較大的功率，海洋能發(fā)電裝置要造得很龐大。

除了發(fā)電之外，海洋溫差能利用裝置還可以同時獲得淡水、利用深層海水進行空調(diào)。因此，基于溫差能裝置可以建立海上獨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)。總之，溫差能的開發(fā)應(yīng)以綜合利用為主。4.海洋鹽差能鹽差能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。主要存在于河海交接處。同時，淡水豐富地區(qū)的鹽湖和地下鹽礦也可以利用鹽差能。鹽差能是海洋能中能量密度最大的一種可再生能源。通常，海水（3.5%鹽度）和河水之間的化學電位差有相當于240m水頭差的能量密度，這種位差可以利用半滲透膜（水能通過，鹽不能通過）在鹽水和淡水交接處實現(xiàn)。利用這一水位差就可以直接由水輪發(fā)電機發(fā)電。全世界海洋鹽差能的理論估算值為108kW量級，我國的鹽差能估計為1.1×108kW，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。鹽差能發(fā)電三類方法1、滲透壓法2、蒸汽壓法3、反電滲析電池法滲透壓法滲透壓法在海水和淡水間放一半透膜，利用兩者間的滲透壓差來發(fā)電，具體實施又分為強力滲壓、水壓塔和壓力延滯滲透三種方法：

強力滲壓

水壓塔壓力延滯滲透反電滲析電池法它由陰陽離子交換膜、陰陽電極、隔板、外殼、鹽水和淡水等組成。由于該系統(tǒng)需要采用面積大而昂貴的交換膜，因此發(fā)電成本很高，不過這種離子交換膜的使用壽命長。反電滲析電池

鹽差能的發(fā)展前景5.海流能海流能是指海水流動的動能，主要是指海底水道和海峽中較為穩(wěn)定的流動以及由于潮汐導致的有規(guī)律的海水流動。海流能的能量與流速的平方和流量成正比。相對波浪而言，海流能的變化要平穩(wěn)且有規(guī)律得多。海流能隨潮汐的漲落每天2次改變大小和方向。一般來說，最大流速在2m／s以上的水道，其海流能均有實際開發(fā)的價值。世界著名的海流世界著名的海流有：大西洋的墨西哥灣暖流，北大西洋海流，太平洋的黑潮暖流，赤道潛流等。墨西哥灣海流和北大西洋海流是北大西洋里兩支相連的最大的海流，它們以每小時1~2海里的流速貫穿大西洋，從冰島和大不列顛島中間通過，最后進入北冰洋。太平洋的黑潮暖流的寬度約為100海里，平均厚度約400米，平均日流速在30~80海里之間，其流量相當于全世界所有河流總流量的20倍。赤道潛流是一支深海潛流，總長度達8000海里，寬度在120~250海里之間，流速為每小時2~3海里。顯然海水流動會產(chǎn)生巨大的能量。據(jù)估計全球海流能高達5×109kW。全世界海流能的理論估算值約為108kW量級。利用中國沿海130個水道、航門的各種觀測及分析資料，計算統(tǒng)計獲得中國沿海海流能的年平均功率理論值約為1.4X107kW。其中遼寧、山東、浙江、福建和臺灣沿海的海流能較為豐富，不少水道的能量密度為15一30