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1、海洋能论文海洋能可实践性研究导言 海洋能指依附在海水中的可再生能源，海洋通过各种物理过程接收、储存和散 发能量，这些能量以潮汐、波浪、温度差、盐度梯度、海流等形式存在于海洋之 中。更广义的海洋能源还包括海洋上空的风能、海洋表面的太阳能以及海洋生物质 能等。21 世纪是资源紧缺的时代也是开发海洋的时代，各个沿海国家都将目光聚焦到 海洋资源的开发上。在能源消费量持续攀升和传统能源日趋紧缺的外部环境影响 下，积极探寻与发展海洋能源，保障我国能源安全，优化能源结构已经成为大势所 趋。我国海洋能开发已有近 40 年的历史，迄今已建成潮汐电站 8 座。我国的海洋 发电技术已有较好的基础和丰富的经验，小型潮
2、汐发电技术基本成熟，已具备开发 中型潮汐电站的技术条件。一、海洋能种类介绍1. 潮汐能 因月球引力的变化引起潮汐现象，潮汐导致海水平面周期性地升降，因海水涨 落及潮水流动所产生的能量，称为潮汐能。潮汐能是以位能形态出现的海洋能，是 指海水潮涨和潮落形成的水的势能。我国拥有漫长的海岸线，海岸曲拆，港湾众 多，据 1982 年普查我国可开发的潮汐电站装机容量约 2158 万千瓦，可开发潮汐 能总量约 619 亿千瓦时。潮汐发电是水力发电的一种形式，从发电原理来说两者并无根本差别，都需要 筑坝形成水头，使用水轮发电机组把水能或潮汐能转变成电能，生产的电能通过输 电线路输送到负荷中心等。但潮汐能源和常
3、规水力能源相比还是有许多特殊之处， 如潮汐电站以海水作为工作介质，利用海水位和库水位的落差发电，设备的防腐蚀 和防海生物附着的问题是常规水电站没有的 ; 但是潮汐能源是一种可再 生的洁净能源，没有污染 ; 潮汐电站没有水电站的枯水期问题，电量稳定而且 还可以做到精确预报 ; 建设潮汐电站不需移民，不仅无淹没损失，相反还可围垦大 片土地，有巨大的综合利用效益。2. 波浪能 波浪能是指海洋表面波浪所具有的动能和势能。波浪的能量与波高的平方、波 浪的运动周期以及迎波面的宽度成正比。波浪能是海洋能源中能量最不稳定的一种 能源。3. 温差能利用海洋温差发电的概念，最早于 1881 年由法国物理学家雅克
4、?德?阿松瓦尔 在太阳海洋能一文中提出。温差能是指海洋表层海水和深层海水之间水温之差 的热能。海洋温差能是指以表、深层海水的温度差的形式所储存的海洋热能，其能 量的主要来源是蕴藏在海洋中的太阳辐射能。海洋温差能储量巨大，占地球表面积 71,的海洋是地球上最大的太阳能存储装置，体积为 6.0 x 107km的热带海洋的海水 每天吸收的能量相当于2（45 X 1011桶原油的热量。按照现有技术水平，可以转化 为电力的海洋温差能大约为10 000TWh/a，在多种海洋能资源中，其资源储量仅次 于波浪能，位于第二。） 海水淡化 （1海水淡化与利用OTEC发电同等重要，尤其是对淡水和电力都匮乏的地区来
5、说，这些资源都非常珍贵，如南太平洋的一些岛屿，利用OTECS行海水淡化比其他方法（反渗透法等 ）成本要小很多。举个例子，联合国环境规划署的“地中海行动 计划”中指出，淡水短缺具有地域性特点，如马耳他，每年要接待约100万游客，干旱季节的淡水供应严重不足，因此这种海水淡化技术的需求量非常大，市场前景 很广阔。(2) 发展养殖业和热带农业深海水中氮、磷、硅等营养盐十分丰富，而且无污染，对海洋生物没有危害， 这种海水的上涌，如同某些高生产力海洋环境中的上升流，营养丰富，可以提高海 洋种植场的生产力，有利于海水养殖。(3) 在海岛上的利用对于海岛来说，OTE(在很多方面都对中小岛(SIDS)的可持续发
6、展起到了推动作用。海洋温差能为这些岛屿提供廉价的、取之不尽、用之不竭的能源，节 省运送燃料的费用，通过海水淡化为岛上的生活和生产提供大量的淡水，保证人们 的饮水安全，合理开发利用能源，缓解环境压力。夏威夷从20世纪 70年代起在自然能源实验室(NELHA进行了 OTEC勺实验。1979年美国投资300万美元在夏威夷 海域建成全球第一座闭路循环的海水温差能发电站，发电机组的额定功率为 53(6 千瓦;2006年，美国的一家公司计划在夏威夷建造一个1000千瓦的OTE(发电站，是世界上最大的海洋热能转换系统之一。4. 盐差能盐差能是指海水和淡水之间或两种含盐浓度不同的海水之间的化学电位差能。 主要
7、存在于河海交接处。 同时，淡水丰富地区的盐湖和地下盐矿也可以利用盐差 能。盐差能是海洋能中能量密度最大的一种可再生能源。5. 海流能 海流能是指海水流动的动能，主要是指海底水道和海峡中较为稳定的流动以及由于潮汐导致的有规律的海水流动。二、海洋能评析优势及实用性海洋能密度低。海洋能在海洋总水体中的蕴藏量巨大，而单位体积、单位面 积、单位长度所拥有的能量较小。这就是说，要想得到大能量，就得从大量的海水 中获得。海洋能具有可再生性。海洋能来源于太阳辐射能与天体间的万有引力，只 要太阳、月球等天体与地球共存，这种能源就会再生，就会取之不尽，用之不竭。 海洋能有较稳定与不稳定能源之分。较稳定的为温度差能
8、、盐度差能和海流能。不 稳定能源分为变化有规律与变化无规律两种。属于不稳定但变化有规律的有潮汐能 与潮流能。人们根据潮汐潮流变化规律，编制出各地逐日逐时的潮汐与潮流预报， 预测未来各个时间的潮汐大小与潮流强弱。潮汐电站与潮流电站可根据预报表安排 发电运行。既不稳定又无规律的是波浪能。海洋能属于清洁能源，也就是海洋能一 旦开发后，其本身对环境污染影响很小。 潮汐能是一种清洁、不污染环境、不影 响生态平衡的可再生能源。潮水每日涨落，周而复始， 取之不尽，用之不竭。它是一种相对稳定的可靠能源，很少受气候、水文等自然因素的影响，全年总 发电量稳定，不存在丰、枯水年和丰、枯水期影响。潮汐电站不需淹没大量
9、农田构成水库，因此，不存在人口迁移、淹没农田等复 杂问题。潮汐电站不需筑高水坝，即使发生战争或地震等自然灾害，水坝受到破坏，也 不至于对下游城 市、农田、人民生命财产等造成严重灾害。潮汐能开发一次能源和二次能源相结合，不用燃料，不受一次能源价格的影 响，而且运行费用低，是一种经济能源。但也和河川水电站一样，存在一次投资 大、发电成本低的特点。机组台数多，不用设置备用机组。三、国内外海洋能应用概况1. 中国江厦潮汐电站中国第一座双向潮汐电站。位于浙江省温岭市乐清湾北端江厦港。离城区 16 公里。电站于 1972 年经国家计委批准建设，电站工程列为“水利电力潮汐电站项 目”，研究重点包括潮汐能特点
10、研究、潮汐机组研制、海工建筑物技术问题、综合 利用。电站安装了 5台双向灯泡贯流式机组， 1980年 5月第一台机组投产发电。 电站设计安装 6 台 500 千瓦双向灯泡贯流式水轮发电机组，总装机容量 3000 千 瓦，可昼夜发电 14,15 小时，每年可向电网提供 1000 多万千瓦时电能。乐清湾最 大潮差 8.39 米，平均潮差 5.08 米。江厦港为封闭式海港，港口筑高 15.5( 米的粘 土心墙堆石坝 ，形成一座港湾水库，总库容 490万立方米，发电有效库容 270 万 立方米。电站建成后除了获得大量的电量，还包括围垦、水产养殖及旅游等综合利用效 益。 该电站以发电为主兼有海涂围垦、海
11、水养殖等综合效益。电站设计装机容量 3900kW现装机3200kW年发电量约1000万kW?h,以35kV电压向温州电网供电。库 区围垦土地 5600 亩，其中可耕地 4500 亩，种植水稻、柑橘等已初获成功，并已试 养牡蛎等海产。江厦潮汐试验电站的成功建设、为我国建设沿海产业带，拓展发展 空间，积极培育新的增长点，建设节约型社会，积极发展循环经济积累了成功经 验，作出了应有的贡献。2( 日本室兰工业大学摆式波浪能发电技术 摆式波浪能发电技术最早是由日本室兰工业大学渡部富治教授提出，此后室兰 工业大学对此进行了进一步深入研究。室兰工业大学研究的摆式波浪能发电装置的 原理是利用装置的运动部件，在
12、波浪的推动下，将波浪能转换成机械能，从而进一 步转换为电能。这种装置属于固定式波浪能转换装置，主要由水室摆板装置、机电 转换装置、发配电装置三大部分组成。水室摆板装置是实现波能转换为机械能过 程，机电转换装置是将机械能转换为电能过程，发配电装置是电力输送过程。其中水室摆板机构是关键技术所在，水动力实验研究与能量转换效率的提高是课题研究 的重点。基于室兰工业大学的研究成果，日本于 1983 年在北海道的内浦湾建造了一座 装机容量为5 kW的推摆式波浪发电站。该电站通过一个能在水槽中前后摇摆的摆 板从波浪中吸取能量，然后通过一台单向作用的液压泵将能量转换出去，用来驱动 发电机发电。摆板的运行很适合
13、波浪低频特性，其阻尼是液压装置。该试验电站的 摆宽为2 m,最大摆角为？30。波高1.5 m，周期4 s时的正常输出约为5 kW,总 效率可达到 40%,50%，是日本电站中效率较高的一座。该电站运行二十个月后，在 一次暴风雨中被毁。在此基础上，日本于 1987年在烧尻岛的西浦港建造了一座 20 kW的推摆式波浪电站，用来向渔民公寓提供热水，但是该装置在建成三个月后又 被毁。现在日本室兰工业大学准备在一个 100 m 长的防波堤上建造一座 300,600 kW 罢式波能装置。英国爱丁堡大学将液压传动应用到海蛇,号（Pelamis）波浪能转换装置并进行了小型样机的实验室试验。对基于液压 传动的振
14、荡浮子式波浪能转换装置的控制策略进行了研究。四（发电的基本原理热带区域的海洋表层与几百至上千米深处存在着基本恒定的 20 25? 的温 差，这就为发电提供了一个总量巨大且比较稳定的能源。海洋温差发电的 基本原 理是利用海洋表面的温海水 （26 28? ） 加热某些低沸点工质并使之汽化，或通过 降压使海水汽化以驱动汽轮机发电。同时利用从海底提取的冷海水 （4 6?） 将做功 后的乏气冷凝，使之重新变为液体。根据工质和流程的不同，一般把 OTEC系统分为开式循环（图1）、闭式循环（图 2） 和混合式循环 （图 3）。, 王彦龙 . 波浪发电装置波能转换效率数值模拟研究 D 天津大学学位论文 , 2
15、007图1开式储环国理图E2闭式慣坏原理图汽轮机*ft1水商诲水冷 程图3混合式循环原理图一、开放式循环系统并不利用工作流体作为工质，而直接使用温海水。首先将温海水导入真空状态的蒸发器，使其部分蒸发。水蒸汽在低压涡轮机内进行绝热膨 胀，做完功之后进入冷凝器，由冷海水冷却成液体。冷凝的方法有两种，一种是水 蒸汽直接混入冷海水中，称为直接接触冷凝；另外一种是使用表面冷凝器，水蒸汽 不直接与冷海水接触。后者即是附带制备淡水的方法。二、添加对设备无腐蚀、低沸点工作流体代替海水，用表层海水将其加热，常压下蒸腾，迅速蒸发，由于其工作流体丙烷在闭合回路中反复进行蒸发、膨胀、冷 凝，所以被称为闭合式循环发电系
16、统，其实质也是朗肯循环。它的特点是发电效率 显著高于开式系统，不需要真空泵，故减少了电力消耗。三、混合式循环系统与封闭式循环系统有些类似，唯一不同的是蒸发器部分。混合式系统的温海水先经过一个闪蒸蒸发器，使其中的一部分温海水转变为水蒸汽，随即将蒸汽导入第二个蒸发器，见图三。水蒸汽在此被冷却，并释放潜能 此潜能再将低沸点的工作流体蒸发。工作流体于此循环而构成一个封闭式系统。设 计混合式发电系统的目的在于避免温海水对热交换器所产生的生物附着。该系统在 第二个蒸发其中还可以有淡水副产品的产出。同时开放式发电系统的低容量缺点亦 可获得改善。总结总之，由于存在巨大的、多样的资源基础，国内外开发者提出多种设计思想和 方案，将海水淡化、养殖、发电等多种用途有机结合，实现综合利用的目标。地理 适宜性、能源需求、发展经济、保护环境等很多方面都对 OTEC勺发展提供了良好 的契机，其市场前景十分广阔。海洋能发电技术作为一种可再生的新能源技术，具 有较好勺应用前景。新能源越来越得到世界各国勺广泛关注。重点勺研究课题和关 键技术集中在摆体勺能量吸收效率以及液压系统勺能量转换效率上，目前，已经有 日本以及我国等取得了一定勺研究进展并开展了实际勺工程应用。展望未来，相信 随着人们对新能源，特别是对海洋波浪能勺关注勺提升，摆式波浪能发电技术勺研 究应用将迎来更为广阔勺明天。