能源工程4講（5）：新能源開(kāi)發(fā)利用-海洋能利用技術(shù)

第4講新能源開(kāi)發(fā)利用1（5）海洋能、氫能利用技術(shù)第一節(jié)海洋能海洋是一個(gè)巨大的能源寶庫(kù)，僅大洋中的波浪、潮汐、海流等動(dòng)能和海洋溫度差、鹽度差能等的存儲(chǔ)量高達(dá)天文數(shù)字。這些海洋能源都是取之不盡、用之不竭的可再生能源。2海洋能源通常指海洋中所蘊(yùn)藏的可再生的自然能源，主要為潮汐能、波浪能、海流能（潮流能）、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(fēng)能、海洋表面的太陽(yáng)能以及海洋生物質(zhì)能等。潮汐能和潮流能來(lái)源于太陽(yáng)和月亮對(duì)地球的引力變化，其他均源于太陽(yáng)輻射。3海洋能在海洋總水體中的蘊(yùn)藏量巨大，而單位體積、單位面積、單位長(zhǎng)度所擁有的能量較小。這就是說(shuō)，要想得到大能量，就得從大量的海水中獲得。海洋能具有可再生性。海洋能來(lái)源于太陽(yáng)輻射能與天體間的萬(wàn)有引力，只要太陽(yáng)、月球等天體與地球共存，這種能源就會(huì)再生，就會(huì)取之不盡，用之不竭。海洋能屬于清潔能源，也就是海洋能一旦開(kāi)發(fā)后，其本身對(duì)環(huán)境污染影響很小。4海洋能有較穩(wěn)定與不穩(wěn)定能源之分。較穩(wěn)定的為溫度差能、鹽度差能和海流能。不穩(wěn)定能源分為變化有規(guī)律與變化無(wú)規(guī)律兩種：不穩(wěn)定但變化有規(guī)律的有潮汐能與潮流能。不穩(wěn)定又無(wú)規(guī)律的是波浪能。51.潮汐能因月球引力的變化引起潮汐現(xiàn)象，潮汐導(dǎo)致海水平面周期性地升降，因海水漲落及潮水流動(dòng)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(shì)能。6海洋的潮汐中蘊(yùn)藏著巨大的能量。據(jù)專家們估計(jì)，全球海洋中所蘊(yùn)藏的潮汐能約有27億kW，若能把它充分利用起來(lái)，其每年的發(fā)電量可達(dá)33480萬(wàn)億kW?h。無(wú)怪乎人們把巨大的潮汐能譽(yù)為“藍(lán)色的煤?！保≡跐q潮的過(guò)程中，兇涌而來(lái)的海水具有很大的動(dòng)能，而隨著海水水位的升高，就把海水的巨大動(dòng)能轉(zhuǎn)換為勢(shì)能，在落潮的過(guò)程中，海水奔騰而去，水位逐漸降低，勢(shì)能又轉(zhuǎn)換為動(dòng)能。

7潮起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1m左右。而在喇叭狀海岸或河口的地區(qū)，其潮差就比較大。

8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(guò)貯水庫(kù)，在漲潮時(shí)將海水貯存在貯水庫(kù)內(nèi)，以勢(shì)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。9具體地說(shuō)，潮汐發(fā)電就是在海灣或有潮汐的河口建一攔水堤壩，將海灣或河口與海洋隔開(kāi)構(gòu)成水庫(kù)，再在壩內(nèi)或壩房安裝水輪發(fā)電機(jī)組，然后利用潮汐漲落時(shí)海水位的升降，使海水通過(guò)輪機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)水輪發(fā)電機(jī)組發(fā)電。1011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(kù)單向型、單庫(kù)雙向型和雙庫(kù)單向型三種。1213潮汐電站的水庫(kù)都是利用河口或海灣來(lái)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(méi)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(duì)較少。1415法國(guó)朗斯潮汐電站

16江廈潮汐發(fā)電站17182.波浪能波浪能是指海洋表面波浪所具有的動(dòng)能和勢(shì)能。波浪的能量與波高的平方、波浪的運(yùn)動(dòng)周期以及迎波面的寬度成正比。波浪能是海洋能源中能量最不穩(wěn)定的一種能源。19全世界波浪能的理論估算值為109kW量級(jí)。利用中國(guó)沿海海洋觀測(cè)臺(tái)站資料估算得到，中國(guó)沿海理論波浪年平均功率約為1.3×107kW。但由于不少海洋臺(tái)站的觀測(cè)地點(diǎn)處于內(nèi)灣或風(fēng)浪較小位置，故實(shí)際的沿海波浪功率要大于此值。其中浙江、福建、廣東和臺(tái)灣沿海為波浪能豐富的地區(qū)。20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(guò)千項(xiàng)，獲得專利證書的也達(dá)數(shù)百件。波浪能利用被稱為“發(fā)明家的樂(lè)園”。21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(shì)能等。早期海洋波浪能發(fā)電付諸實(shí)用的是氣動(dòng)式波力裝置。道理很簡(jiǎn)單，就是利用波浪上下起伏的力量，通過(guò)壓縮空氣，推動(dòng)汲筒中的活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)而做功。

2223波浪發(fā)電的原理主要是將波力轉(zhuǎn)換為壓縮空氣來(lái)驅(qū)動(dòng)空氣透平發(fā)電機(jī)發(fā)電。當(dāng)波浪上升時(shí)將空氣室中的空氣頂上去，被壓空氣穿過(guò)正壓水閥室進(jìn)入正壓氣缸并驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)軸伸端上的空氣透平使發(fā)電機(jī)發(fā)電，當(dāng)波浪落下時(shí)，空氣室內(nèi)形成負(fù)壓，使大氣中的空氣被吸入氣缸并驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)另一軸伸端上的空氣透平使發(fā)電機(jī)發(fā)電，其旋轉(zhuǎn)方向不變。243.溫差能溫差能是指海洋表層海水和深層海水之間水溫之差的熱能。海洋的表面把太陽(yáng)的輻射能的大部分轉(zhuǎn)化成為熱水并儲(chǔ)存在海洋的上層。另一方面，接近冰點(diǎn)的海水大面積地在不到1000m的深度從極地緩慢地流向赤道。這樣，就在許多熱帶或亞熱帶海域終年形成20℃以上的垂直海水溫差。利用這一溫差可以實(shí)現(xiàn)熱力循環(huán)并發(fā)電。

25溫差發(fā)電原理是，溫水流入蒸發(fā)室之后，在低壓下海水沸騰變?yōu)榱鲃?dòng)蒸氣或丙烷等蒸發(fā)氣體作為流體，推動(dòng)透平機(jī)旋轉(zhuǎn)，啟動(dòng)交流電機(jī)發(fā)電；用過(guò)的廢蒸氣進(jìn)入冷凝室被海洋深層水冷卻凝結(jié)，再進(jìn)行循環(huán)。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(chǎng)的支持系統(tǒng)?？傊?，溫差能的開(kāi)發(fā)應(yīng)以綜合利用為主。262728294.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(xué)電位差能。主要存在于河海交接處。同時(shí)，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。30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(shì)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。315.海流能海流能是指海水流動(dòng)的動(dòng)能，主要是指海底水道和海峽中較為穩(wěn)定的流動(dòng)以及由于潮汐導(dǎo)致的有規(guī)律的海水流動(dòng)。海流能的能量與流速的平方和流量成正比。32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(wèn)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。333435第二節(jié)氫能利用技術(shù)36氫蘊(yùn)藏于浩瀚的海洋之中。海洋的總體積約為13.7億km3，若把其中的氫提煉出來(lái)，約有1.4×109億噸，所產(chǎn)生的熱量是地球上礦物燃料的9000倍。燃燒熱值高：每千克氫燃燒后能放出142.35kJ的熱量，約為汽油的3倍，酒精的3.9倍，焦炭的4.5倍。清潔無(wú)污染：燃燒的產(chǎn)物是水，對(duì)環(huán)境無(wú)任何污染。資源豐富：氫氣可以由水分解制取，而水是地球上最為豐富的資源。適用范圍廣：貯氫燃料電池既可用于汽車、飛機(jī)、宇宙飛船，又可用于其他場(chǎng)合供能。373839大量地且低成本地制造氫的技術(shù)開(kāi)發(fā)；安全地儲(chǔ)藏、運(yùn)送氫的技術(shù)開(kāi)發(fā)；高效率地轉(zhuǎn)換氫能的技術(shù)開(kāi)發(fā)；將氫能用于社會(huì)各行各業(yè)的技術(shù)開(kāi)發(fā)。40電解水制氫：這種方法是基于如下的氫氧可逆反應(yīng)：

分解水所需要的能量△Q是由外加電能提供的。為了提高制氫效率，電解通常在高壓下進(jìn)行，采用的壓力多為3.0～5.0MPa。41熱化學(xué)制氫：這種方法是通過(guò)外加高溫使水起化學(xué)分解反應(yīng)來(lái)獲取氫氣。到目前為止雖有多種熱化學(xué)制氫方法，但總效率都不高，僅為20％～50％，而且還有許多工藝問(wèn)題需要解決。依靠這種方法來(lái)大規(guī)模制氫還有待進(jìn)一步研究。太陽(yáng)能制氫：隨著新能源的崛起