《新能源與發(fā)電技術》課件第4章

第4章

海洋能及其發(fā)電技術4.1海水溫差發(fā)電

4.2海水溫差發(fā)電實例

4.3海水溫差發(fā)電原理

4.4波力發(fā)電 4.1海水溫差發(fā)電

海洋表層（0～50m)水的溫度為24℃～28℃,而500～1000m深處的海水溫度為4℃～7℃。利用表層和深層海水200℃左右的溫差能進行發(fā)電就叫作海水溫差發(fā)電。其發(fā)電原理如圖4-1所示。圖4－1海水溫差發(fā)電原理

用水漿將氨或氟利昂等低沸點工作介質(zhì)打入蒸發(fā)器內(nèi)，利用表層的溫海水將蒸發(fā)器中的工質(zhì)加熱蒸發(fā)，被蒸發(fā)的液體作為工質(zhì)，加壓打入汽輪機，驅(qū)動汽輪發(fā)電機發(fā)電，利用深層的冷海水將從汽輪機排出的工質(zhì)蒸汽冷凝，之后進入蒸發(fā)器再蒸發(fā)，如此反復循環(huán)。工質(zhì)是在閉合的系統(tǒng)中循環(huán)的，所以稱作閉式循環(huán)。海水溫差發(fā)電功率的表達式如下：

式中，ηc為卡諾循環(huán)熱效率；c為海水比熱；G為流量；ΔT為發(fā)電設備的進口溫度與出口溫度的差值。這種發(fā)電方式的原理很簡單，與火電或核電的循環(huán)大體相同，只是不需要任何燃料，是一種無任何公害的可再生的能源。可以在海邊建廠，也可以設在駁船上或懸浮在海中。 4.2海水溫差發(fā)電實例

下面介紹三個試驗成功的海水溫差試驗電廠。

(1)瑙魯共和國100kW試驗電廠。該電廠由日本東京電力公司負責設計施工，于1981年4月開工，10月建成，并經(jīng)過一年的試運行。瑙魯島附近海水常年具有20℃以上的溫差，而且海岸具有40°～50°的陡坡，對建設岸邊電廠極為有利。蒸發(fā)器采用多管臥式，長8m，內(nèi)徑1.9m，有效傳熱長度5.3m。凝汽器采用立式，全長9m，有效傳熱長度6m,內(nèi)徑1.5m。采用氟利昂作循環(huán)工質(zhì)，冷水取水管采用750mm聚乙烯管932m，732mm聚氯乙烯管161m,管子敷設在580m深處。溫水取水管采用711mm鋼管。汽輪機為兩段沖動軸流式，發(fā)電機為空冷式。朗肯循環(huán)熱效率為7%。由于使用三臺水泵，因此約消耗廠用電的1/3，故實際送電端功率為66.8kW。

(2)日本德之島50kW試驗電廠。該島屬于九州西南群島之一，由九州電力公司于1982年9月建成，至1984年年底已經(jīng)過兩年試運行。與瑙魯電廠不同，該電廠用兩臺鈦板式蒸發(fā)器，采用氨作循環(huán)工質(zhì)，冷卻水取水管為500×2.35km的聚乙烯管，敷設在海內(nèi)370m深處。圖4－2

Mini-OTEC號海水溫差發(fā)電船

(3)美國50kWMini－OTEC號海水溫差發(fā)電船。該裝置錨泊在夏威夷附近海面，采用閉式循環(huán)，工質(zhì)是氨，冷水管長663m，冷水管外徑約60cm,利用深層海水與表面海水約21℃～23℃的溫差發(fā)電。1979年8月開始連續(xù)3個500小時發(fā)電，發(fā)電機發(fā)出50kW的電力,大部分用于水泵抽水,額定功率為12～15kW。從深海里抽出的水營養(yǎng)豐富，在實驗船周圍引來很多魚類,這是海洋溫差能利用的歷史性的發(fā)展。

隨后,美國在夏威夷的大島建了一個自然能源實驗室,為在該島建40MW大型海水溫差發(fā)電站做準備,在熱交換器、電力傳輸、抽取冷水(深水管道)、防腐和防污方面取得重大進展。計劃采用開式循環(huán)發(fā)電系統(tǒng),在發(fā)電過程副〖JP3〗產(chǎn)淡水。夏威夷大學積極參與這項計劃,做了多年實驗但至今未建電站，可能是工程浩大、成本太高的緣故(每kW投資約1萬美元)。

決定海水溫差發(fā)電能否實用的關鍵問題是有無經(jīng)濟性。各國各自設計方案及其造價和發(fā)電成本分析結(jié)果(如表4－1所示）一致證實，海水溫差發(fā)電頗有前途。表4-1列出了各國研制設備的完成期限。表4-1各國海洋溫差發(fā)電設備成本及設備容量和建成年代

4.3海水溫差發(fā)電原理

(1)備有采鈾設施的溫差發(fā)電裝置?，F(xiàn)在溫差發(fā)電成本比以石油作能源的發(fā)電方式高10～20倍，尚未達到實用的程度。

本方案在將海水中的能源轉(zhuǎn)換成電能的同時，從轉(zhuǎn)換時所使用的海水中有效地提取鈾，借以降低溫差發(fā)電成本（見圖4－3）圖4－3備有采鈾設備設施的溫差發(fā)電裝置

溫差發(fā)電裝置將氨液等低沸點工質(zhì)用海面高溫水加熱，汽化產(chǎn)生高壓蒸汽，驅(qū)動汽輪發(fā)電機發(fā)電，然后利用深層低溫海水將蒸汽冷凝，再利用壓縮機使轉(zhuǎn)換后的低壓工質(zhì)變成高壓，之后再度送入蒸發(fā)器。

采鈾裝置是由凝聚器側(cè)的采鈾裝置和沸水器側(cè)的采油裝置兩部分組成的。兩種采鈾裝置構(gòu)造相同，在水箱內(nèi)部插入隔板，分隔成只有底部連通的兩個小室，在各小室中放入鈾吸著劑（如方鉛礦等）。凝聚器側(cè)采鈾裝置利用冷卻用海水，此海水依次通過隔板形成的兩個小室，最后返回到海面附近。在通過各小室的過程中，海水中所含的鈾被方鉛礦吸收。蒸發(fā)器側(cè)的采鈾裝置也同樣從蒸發(fā)器使用的海水中采鈾。

(2)通過氣液分離器將飽和蒸汽加熱以獲取熱焓較大的過熱蒸汽。以往利用海水溫差發(fā)電都是利用蒸發(fā)器產(chǎn)生的工作流體蒸汽直接導入汽輪機發(fā)電的，因此上層海水溫度一發(fā)生變化就會導致發(fā)電量的變化。由于蒸汽溫度為飽和溫度，因此在汽輪機內(nèi)絕熱膨脹時會產(chǎn)生液滴，對葉片工作不利。

本方案利用汽液分離器將飽和蒸汽分離，使其變?yōu)楦稍锏娘柡驼羝?，再通過過熱器加熱蒸汽，即能獲得熱焓值較高的過熱蒸汽，增大熱降，以提高熱循環(huán)的效率（見圖4－4）。圖4－4海水溫差過熱蒸汽發(fā)電系統(tǒng)該系統(tǒng)將高溫的表層海水導入蒸發(fā)器，將低溫深層海水導入凝聚器，使氟利昂等工作流體汽化或液化，在工作流體循環(huán)中配置汽輪機，在蒸發(fā)器和汽輪機之間配置汽液分離器。

通過這一系統(tǒng)，蒸發(fā)器中所產(chǎn)生的飽和蒸汽由汽液分離器分離干燥，變成水和蒸汽，蒸汽再經(jīng)過加熱器加熱，即成為熱焓值較大的過熱蒸汽。由于創(chuàng)造的熱降較大，實際上就提高了熱力循環(huán)的效率，同時由于在過熱區(qū)就發(fā)生了絕熱膨脹，因此，在汽輪機內(nèi)不會產(chǎn)生液滴，不致?lián)p傷葉片。

從凝聚器排出的深層海水，通過海水淡化裝置后，經(jīng)加熱器，再通過海水淡化裝置，使部分海水淡化，進而將高純淡水通過儲水箱導入過熱器。

(3)備有開口露出水面、可伸縮的排水管道的海水溫差發(fā)電駁船。本方案設計的供海水溫差發(fā)電用的取排水機構(gòu)在適當?shù)纳疃瘸槿〉蜏責嵩从玫暮Ｋ?，并在不影響取水位置的適當深度排水。

如圖4－5所示，裝載發(fā)電設備的駁船本體一側(cè)舷板上裝有棒形天線狀可伸縮取水管，在另一側(cè)舷板上裝有可伸縮的排水管，取水管的上部開口露出水面，在開口處伸出一抽水管用來抽取海水，此海水用于冷卻發(fā)電設備，使用后的熱水從放水管打入排水管內(nèi)。圖4-5海水溫差發(fā)電駁船

海水溫度隨季節(jié)和海流的變化而有所變化。例如夏季，深層水就比表層水溫度低，冬季則相反，因此夏季就可將取水管伸向深層，抽取較冷的深層水，作為發(fā)電設備的低溫熱源用水，使用后的溫排水通過縮短排水管排放到表層。冬季則與上述取、排水方式相反。

(4)利用海水發(fā)泡熱焓發(fā)電的裝置。

以往的溫差發(fā)電都需要大型低壓汽輪機，經(jīng)濟性很差。

本方案利用周圍溫度造成海水發(fā)泡的物理性能、熱力學性能和機械性能實現(xiàn)發(fā)電。圖4－6海水發(fā)泡發(fā)電裝置

表面溫水通過取水口進入穹形汽室內(nèi)的發(fā)泡器材的上部，通過管子導入凝聚器，在密閉汽室內(nèi)存在高溫水和低溫水，給汽室內(nèi)帶來了壓力梯度，將溫水壓力值降低到了飽和蒸汽壓力以下。結(jié)果是溫水蒸發(fā)，蒸汽通過發(fā)泡器材經(jīng)若干小孔導入溫水內(nèi)，產(chǎn)生氣泡。

在穹形汽室內(nèi)壓力梯度氣泡上升，與氣泡分離裝置接觸。氣泡分離裝置由渦輪風扇構(gòu)成，以離心方式分離氣浪蒸汽和液體。經(jīng)氣泡分離裝置分離的液體在下降導管中下降的同時，驅(qū)動汽輪機，然后排入海內(nèi)，經(jīng)分離的蒸汽被送至凝聚器由深層冷海水冷凝。

汽輪機的旋轉(zhuǎn)能通過發(fā)電機轉(zhuǎn)換成電能。

熱焓勢能若以運動能的形態(tài)加以利用，則上升的氣泡可不進行分離，直接導入汽輪機，接著氣相被凝縮成液相排出。 4.4波力發(fā)電

海面由風力吹動產(chǎn)生的上下前后振動的波浪具有的能量可在8～10kW/m2的廣大范圍內(nèi)變化，波浪高為H,周期為T的有規(guī)律的l米寬波浪所具有的功率為HT（kW/m）,這種能量在時間上是極不穩(wěn)定的。據(jù)估測，日本海岸和太平洋沿岸的波浪能約為10～15kW/m,西北太平洋具有80～100kW/m的能量。由于這種能源變化大、質(zhì)量差，日、英、美等國雖已有幾百個方案，但進行實用的還不太多。

波力發(fā)電方式有三類，如圖4－7和圖4-8所示。空氣壓力式(見圖4－8（a）)是通過波浪上下運動使汽缸內(nèi)的空氣流產(chǎn)生往復運動驅(qū)動空氣渦輪機來發(fā)電的；油壓式（見圖4－8（b）)是使鉸接的相對運動驅(qū)動油壓泵來發(fā)電的;水位落差式(見圖4－8（c）)系通過波浪運動使水庫兩處的逆止閥交替動作，借以使水庫獲得落差從而驅(qū)動水輪機發(fā)電的。圖4－7波力發(fā)電方式的分類圖4－8典型波力發(fā)電方式舉例日本為波力發(fā)電實用化（空氣室內(nèi)靠波浪造成的壓力變化進行發(fā)電）的先驅(qū)，早在1965年就已研制輸出功率為10W級的浮標燈，業(yè)已實用，現(xiàn)在已有600多臺這種浮標燈在運行中。1976年海洋科技中心依同樣原理研制出最大輸出功率達2000kW的“海明”號船形發(fā)電裝置。該裝置在1979年已成為日、英及其他三國的國際科技合作項目，在日本山形縣鶴崗市海面水深40m的地方進行了發(fā)電試驗，取得了良好成績。“海明”號在長80m、寬12m、高5m的船體上設置了22個面向波浪的開放的空氣室，波浪的壓力壓縮空氣室的空氣，通過閥門將壓縮空氣送至渦輪機發(fā)電。具有50m2的空氣室的發(fā)電裝置，其發(fā)電容量各為125kW。船首和船尾的裝置效果最佳，發(fā)電裝置在船中央效率只有一半。1985年通過安裝浮力室使功率提高了1.5倍，進一步使海明號實用化，使發(fā)電成本降到50日元/kW·h。

此外，日本、挪威、英國等國還在試驗在海岸筑設固定式波力發(fā)電試驗裝置。試驗裝置采用無閥式渦輪機（見圖4－9）。上下對稱的翼形排列在圓周上，氣流無論來自何方，均能使葉輪朝著一方產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)力，因此無需裝設整流閥，簡化了設備，易于維護，頗有發(fā)展前途。該裝置在岸邊筑設情況如圖4－10所示，裝置額定功率為40kW，年平均發(fā)電率為10～16kW。

波力發(fā)電今后有待改善的課題是采納英國的研究成果，提高空氣室的效率，采用鯨式渦輪和飛輪等，以緩和輸出功率的變動。圖4－9威爾茲無閥式渦輪機原理圖圖4－10岸邊筑設的固定式波力發(fā)電裝置

英國在波力發(fā)電方面的投資超過日本，共開發(fā)了八種發(fā)電方式，最突出的兩種方式如圖4－11所示。其中，圖（a）為用鉸鏈連接的木筏式波力發(fā)電裝置，依靠波浪的相對運動轉(zhuǎn)換能量；圖（b）稱為鴨嘴式，在圓筒形軸上裝有數(shù)個偏心輪，由波浪造成的偏心輪的端部運動轉(zhuǎn)換成油壓，再利用旋轉(zhuǎn)機構(gòu)轉(zhuǎn)換成電能。但這兩種方式目前仍屬大型模型試驗階段。圖4－11英國兩個波力發(fā)電裝置實例圖

美國把重點放在海水溫差發(fā)電，波力發(fā)電比日本和英國進展遲緩。圖4－12所示為美國研制的一種堰堤環(huán)礁式波力發(fā)電裝置。海洋的波浪具有與