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深入解讀:現代海洋能發電技術_7

未知 2019-06-17 14:08

  今后的5-10年內,潮汐能將得到更大規模的應用,波浪能和海流能將逐步產業化。作為戰略能源資源的溫差能將在2020年左右,在海洋開發中發揮重要作用。結合中國的具體情況,建議近期重點研究潮汐發電機組技術、百千瓦級波浪和海流示范裝置以及溫差能綜合利用試驗裝置。

  海洋能源的種類與資源

  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(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能、海洋表面的太陽能以及海洋生物質能等。究其成因,潮汐能和潮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。

海洋能源利用技術

  潮汐能

  潮汐能是指海水潮漲和潮落形成的水的勢能,其利用原理和水力發電相似。潮汐能的能量與潮量和潮差成正比。或者說,與潮差的平方和水庫的面積成正比。和水力發電相比,潮汐能的能量密度很低,相當于微水頭發電的水平。世界上潮差的較大值約為13一15m,我國的最大值(杭州灣澈浦)為8.9m。一般說來,平均潮差在3m以上就有實際應用價值。

  全世界潮汐能的理論估算值為109kW量級,我國的潮汐能理論估算值雖為108kW量級,但實際可利用數遠小于此數。根據中國海洋能資源區劃結果,沿海潮汐能可開發的潮汐電站壩址為424個,總裝機容量約為2.2Xl07kW。浙江和福建沿海為潮汐能較豐富地區。

  波浪能

  波浪能是指海洋表面波浪所具有的動能和勢能。波浪的能量與波高的平方、波浪的運動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定的一種能源。臺風導致的巨浪,其功率密度可達每米迎波面數千kW,而波浪能豐富的歐洲北海地區,其年平均波浪功率也僅為20-40kW/m中國海岸大部分的年平均波浪功率密度為2-7kW/m。

  全世界波浪能的理論估算值也為109kW量級。利用中國沿海海洋觀測臺站資料估算得到,中國沿海理論波浪年平均功率約為1.3X107kW。但由于不少海洋臺站的觀測地點處于內灣或風浪較小位置,故實際的沿海波浪功率要大于此值。其中浙江、福建、廣東和臺灣沿海為波能豐富的地區。

  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定的流動以及由于潮汐導致的有規律的海水流動。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且有規律得多。潮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的價值。

  全世界海流能的理論估算值約為IQ8kW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15一30kW/m2,具有良好的開發值。值得指出的是,中國的海流能屬于世界上功率密度最大的地區之一,特別是浙江的舟山群島的金塘、龜山和西候門水道,平均功率密度在20kW/m2以上,開發環境和條件很好。

  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。海洋的表面把太陽的輻射能的大部分轉化成為熱水并儲存在海洋的上層。另一方面,接近冰點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20C以上的垂直海水溫差。利用這一溫差可以實現熱力循環并發電。

  全世界海洋溫差能的理論估算值為10kW量級。根據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1.5X108kW,其中99%在甫中國海。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2=℃,屬于溫差能豐富區域。

  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。利用這一水位差就可以直接由水輪發電機發電。全世界海洋鹽差能的理論估算值為10kW量級,我國的鹽差能估計為1.1XI08kW,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陸鹽湖可以利用。

  海洋能利用的基本原理

  海洋能是各種可再生能源中類型最多的一種,其基本轉換原理所涉及的學科較多,包括流體力學與流體機械,工程熱物理和電化學等。本節將分別介紹各種海洋能轉換的基本原理及研究的關鍵技術問題。

  潮汐發電的原理與技術

  潮汐能利用的主要方式是發電。通過貯水庫,在漲潮時將海水貯存在貯水庫內,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,帶動發電機發電。潮汐電站的功率和落差及水的流量成正比。但由于潮汐電站在發電時貯水庫的水位和海洋的水位都是變化的(海水由貯水庫流出,水位下降,同時,海洋水位也因潮汐的作用而變化),因此,潮汐電站是在變工況下工作的,水輪發電機組和電站系統的設計要考慮變工況、低水頭、大流量以及防海水腐蝕等因素,遠比常規的水電站復雜,效率也低于常規水電站。

潮汐發電

  潮汐電站按照運行方式和對設備要求的不同,可以分成單庫單向型、單庫雙向型和雙庫單向型三種。

  單庫單向型

  單庫單向型是在漲潮時將貯水庫閘門打開,向水庫充水,平潮時關閘;落潮后,待貯水庫與外海有一定水位差時開閘,驅動水輪發電機組發電。單庫單向發電方式的優點是設備結構簡單,投資少;缺點是發電斷續,1天中約有65%以上的時間處于貯水和停機狀態。

  單庫雙向型

  單庫雙向型有兩種設計方案。第一種方案利用兩套單向閥門控制兩條向水輪機引水的管道。在漲潮和落潮時,海水分別從各自的引水管道進入水輪機,使水輪機單向旋轉帶動發電機。第二種方案是采用雙向水輪機組。

  雙庫單向型

  這個方案采用兩個水力相聯的水庫,可實現潮汐能連續發電。漲潮時,向高貯水庫充水;落潮時,由低貯水庫排水,利用兩水庫間的水位差,使水輪發電機組連續單向旋轉發電;其缺點是要建兩個水庫,投資大且工作水頭降低。

  潮汐發電的關鍵技術主要包括低水頭、大流量、變工況水輪機組設計制造;電站的運行控制;電站與海洋環境的相互作用,包括電站對環境的影響和海洋環境對電站的影響,特別是泥沙沖淤問題;電站的系統優化,協調發電量、間斷發電以及設備造價和可靠性等之間的關系;電站設備在海水中的防腐等。

  波浪能轉換的原理與技術

  波浪發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,有關波能裝置的發明專利超過千項。因此,波能利用又被稱為發明家的樂園。但這些裝置大部源于幾種基本原理,即: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換成水的勢能等。經過70年代對多種波能裝置進行的實驗室研究和80年代進行的實海況試驗及應用示范研究,波浪發電技術已逐步接近實用化水平,研究的重點也集中于3種被認為是有商品化價值的裝置,包括振蕩水柱式裝置、擺式裝置和聚波水庫式裝置。

波浪發電

  波浪發電裝置大都可看作為一個包括三級能量轉換的系統。一般說來,一級能量轉換機構直接與波浪相互作用,將波浪能轉換成裝置的動能、或水的位能或中間介質(如空氣)的動能與壓能等;二級能量轉換機構將一級能量轉換所得到的能量轉換成旋轉機械的動能,如水力透平、空氣透平、液壓馬達等;三級能量轉換將旋轉機械的動能通過發電機轉換成電能。以下分別介紹上述三種最有前途的裝置能量轉換原理及過程。

  振蕩水柱波能裝置

  振蕩水柱波能裝置可分為漂浮式和固定式兩種。目前已建成的振蕩水柱波能裝置都利用空氣作為轉換的介質。其一級能量轉換機構為氣室,二級能量轉換機構為空氣透平。氣室的下部開口在水下與海水連通,氣室的上部也開口(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作強迫振動,壓縮氣室的空氣往復通過噴嘴,將波浪能轉換成空氣的壓能和動能。在噴嘴安裝一個空氣透平并將透平轉軸與發電機相連,則可利用壓縮氣流驅動透平旋轉并帶動發電機發電。振蕩水柱波能裝置的優點是轉動機構不與海水接觸,防腐性能好,安全可靠,維護方便。其缺點是二級能量轉換效率較低。

  擺式波能裝置

  擺式波能裝置也可分為漂浮式和固定式兩種。擺體是擺式裝置的一級能量轉換機構。在波浪的作用下,擺體作前后或上下擺動,將波浪能轉換成擺軸的動能。與擺軸相聯的通常是液壓裝置,它將擺的動能轉換成液力泵的動能,再帶動發電機發電。擺體的運動很適合波浪大推力和低頻的特性。因此,擺式裝置的轉換效率較高,但機械和液壓機構的維護較為困難。擺式裝置的另一優點是可以方便地與相位控制技術相結合。相位控制技術可以使波能裝置吸收到裝置迎波寬度以外的波浪能,從而大大提高裝置的效率。

  聚波水庫波能裝置

  聚波水庫裝置利用喇叭型的收縮波道,作為一級能量轉換機構。波道與海連通的一面開口寬,然后逐漸收縮通至貯水庫。波浪在逐漸變窄的波道中,波高不斷地被放大,直至波峰溢過邊墻,將波浪能轉換成勢能貯存在貯水庫中。收縮波道具有聚波器和轉能器的雙重作用。水庫與外海間的水頭落差可達3一8m,利用水輪發電機組可以發電。聚波水庫裝置的優點是一級轉換沒有活動部件,可靠性好,維護費用低,系統出力穩定。不足之處是電站建造對地形有要求,不易推廣。

  波浪能利用中的關鍵技術主要包括:波浪的聚集與相位控制技術;波能裝置的波浪載荷及在海洋環境中的生存技術;波能裝置建造與施工中的海洋工程技術;不規則波浪中的波能裝置的設計與運行優化;往復流動中的透平研究等。

  海洋溫羌能的轉換原理與撿求

  除了發電之外,海洋溫差能利用裝置還可以同時獲得淡水、深層海水、進行空調并可以與深海采礦系統中的揚礦系統相結合。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。總之,溫差能的開發應以綜合利用為主。

  海洋溫差能轉換主要有開式循環和閉式循環兩種方式。

  開式循環發電系統

  開式循環系統主要包括真空泵、溫水泵、冷水泵、閃蒸器、冷凝器、透平一發電機組等部分。真空泵先將系統內抽到一定的真空,接著起動溫水泵把表層的溫水抽入閃蒸器,由于系統內已保持有一定的真空度,所以溫海水就在閃蒸器內沸騰蒸發,變為蒸汽。蒸汽經管道由噴嘴噴出推動透平運轉,帶動發電機發電。從透平排出的低壓蒸汽進入冷凝器,被由冷水泵從深層海水中抽上的冷海水所冷卻,重新凝結為水,并排入海中。在此系統中,作為工作介質的海水,由泵吸入閃蒸器蒸發)推動透平作功一經冷凝器冷凝后直排人海中,故稱此工作方式的系統為開式循環系統。在開式循環系統中,用海水作工作流體和介質,閃蒸器和冷凝器之間的壓差非常小。因此,必須充分注意管道等的壓力損耗、且使用的透平尺寸較大。開式循環的副產品是經冷凝器排出的淡水,這是它的有利之處。

  閉式循環發電系統

  閉式循環系統不以海水而采用一些低涕點的物質(如丙烷、氟利昂、氨等)作為工作介質,在閉合回路內反復進行蒸發、膨脹、冷凝。因為系統使用低沸點的工作介質,蒸汽的工作壓力得到提高。

  閉式循環與開式循環的系統組件及工作方式均有所不同,開式系統中的閃蒸器改為蒸發器。當溫水泵將表層海水抽上送往蒸發器時,海水自身并不蒸發;而是通過蒸發器內的盤管把部分熱量傳遞給低沸點的工作流體,如氨水。溫水的溫度降低,氨水的溫度升育并開始沸騰變為氨氣。氨氣經過透平的葉片通道,膨脹作功,推動零平旋轉。透平排出的氨氣進入冷凝器、在冷凝器內由冷水泵抽上的深層冷海水冷卻后重新變為液態氨,再用氨泵(工質泵)把冷凝器中的液態氨重新壓進蒸發器,以供循環使用。

  閉式循環系統由于使用低沸點工質,可以大大減小裝置,特別是透平機組的尺寸。但使用低沸點工質會對環境產生污染。

  溫差能利用的最大困難是溫差大小,能量密度太低。溫差能轉換的關鍵是強化傳熱傳質技術。同時,溫差能系統的綜合利用,還是一個多學科交叉的系統工程問題。

  海流能利用的關鍵技術

  海流能的利用方式主要是發電,其原理和風力發電相似,幾乎任何一個風力發電裝置都可以改造成為海流發電裝置。但由于海水的密度約為空氣的1000倍,且裝置必須放于水下。故海流發電存在一系列的關鍵技術問題,包括安裝維護、電力輸送、防腐、海洋環境中的載荷與安全性能等。此外,海流發電裝置和風力發電裝置的固定形式和透平設計也有很大的不同。海流裝置可以安裝固定于海底,也可以安裝于浮體的底部,而浮體通過錨鏈固定于海上。海流中的透平設計也是一項關鍵技術。

海流發電裝置

  鹽差能的轉換

  鹽差能的利用主要是發電。其基本方式是將不同鹽濃度的海水之間的化學電位差能轉換成水的勢能,再利用水輪機發電,具體主要有滲透壓式、蒸汽壓式和機協化學式等,其中滲透壓式方案最受重視:

  將一層半透膜放在不同鹽度的兩種海水之間,通過這個膜會產生一個壓力梯度,迫使水從鹽度低的一側通過膜向鹽度高的一側滲透,從而稀釋高鹽度的水,直到膜兩側水的鹽度相等為止。此壓力稱為滲透壓,它與海水的鹽濃度及溫度有關。下面介紹兩種滲透壓式鹽差能轉換方法。

  水壓塔滲透壓系統

  壓塔滲透壓系統主要由水壓塔、半透膜、海水泵、水輪機一發電機組等組成。其中水壓塔與淡水問由半透膜隔開,而塔與海水之間通過水泵連通)系統的工作過程如下:先由海水泵向水壓塔內充入海水。伺時,由于滲透壓的作用,淡水從半透膜向水壓垮內滲透,使水壓塔內水位上升。當塔內水位上升到一定高度后,便從塔頂的水槽溢出,沖擊水輪機旋轉,帶動發電機發電。為了使水壓塔內的海水保持一定的鹽度、必須用海水泵不斷向塔內打入海水,以實現系統連續工作,扣除海水泵等的動力消耗,系統的總效率約為20%左右。

  強力滲壓系統

  強力系統的能量轉換方法是在河水與海水之間建兩座水壩分別稱為前壩和后壩,并在兩水壩之間挖一低于海平面約200m的水庫。前壩內安裝水輪發電機組,使河水與低水庫相連,而后壩底部則安裝半透膜滲流器,使低水庫與海水相通。系統的工作過程為:當河水通過水輪機流入低水庫時,沖擊水輪機旋轉并帶動發電機發電。同時,低水庫的水通過半透膜流入海中,以保持低水庫與河水之間的水位差。理論上這一水位差可以達到240m。但實際上要在比此壓差小很多時,才能使淡水順利通過透水而不透鹽的半透膜直接排人海中。此外,薄膜必須用大量海水不斷地沖洗才能將滲透過薄膜的淡水帶走,以保持膜在海水側的水的鹽度,使發電過程可以連續。

  滲透壓式鹽差能發電系統的關鍵技術是膜技術和膜與海水介面間的流體交換技術。

 

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乒乓球大魔王