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海洋能源利用技术进展与展望

时间:2019-01-22   浏览次数:   字体大小:放大 | 缩小 | 正常   来源:中国环保信息网  

  1 海洋能源的种类与资源

  海洋能源通常指海洋中所蕴藏的可再生的自然能源,主要为潮汐能、波浪能、海流能(潮流能)、海水温差 能和海水盐差能。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。究其 成因,潮汐能和潮流能来源于太阳和月亮对地球的引力变化,其他均源于太阳辐射。

  海洋能源按储存形式又可分为机械能、热能和化学能。其中,潮汐能、海流和波浪为机械能,海水温差为 热能,海水盐差为化学能。

  1.1潮汐能

  潮汐能是指海水潮涨和潮落形成的水的势能,其利用原理和水力发电相似。潮汐能的能量与潮量和潮差 成正比。或者说,与潮差的平方和水库的面积成正比。和水力发电相比,潮汐能的能量密度很低,相当于微水 头发电的水平。世界上潮差的较大值约为13一15m,我国的最大值(杭州湾澈浦)为8.9m。一般说来,平均潮 差在3m以上就有实际应用价值。

  全世界潮汐能的理论估算值为109kW量级,我国的潮汐能理论估算值虽为108kW量级,但实际可利用 数远小于此数。根据中国海洋能资源区划结果,沿海潮汐能可开发的潮汐电站坝址为424个,总装机容量约 为2.2Xl07kW。浙江和福建沿海为潮汐能较丰富地区。

  1.2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。台风导致的巨浪,其功率密度可达每米迎波 面数千kW,而波浪能丰富的欧洲北海地区,其年平均波浪功率也仅为20-40kW/m中国海岸大部分的年平 均波浪功率密度为2-7kW/m。

  全世界波浪能的理论估算值也为109kW量级。利用中国沿海海洋观测台站资料估算得到,中国沿海理 论波浪年平均功率约为1.3X107kW。但由于不少海洋台站的观测地点处于内湾或风浪较小位置,故实际的 沿海波浪功率要大于此值。其中浙江、福建、广东和台湾沿海为波能丰富的地区。

  1.3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。海流能的能量与流速的平方和流量成正比。相对波浪而言,海流能的变化要平稳且有规律得多。 潮流能随潮汐的涨落每天2次改变大小和方向。一般来说,最大流速在2m/s以上的水道,其海流能均有实 际开发的价值。

  全世界海流能的理论估算值约为IQ8kW量级。利用中国沿海130个水道、航门的各种观测及分析资料, 计算统计获得中国沿海海流能的年平均功率理论值约为1.4X107kW。其中辽宁、山东、浙江、福建和台湾沿 海的海流能较为丰富,不少水道的能量密度为15一30kW/m2,具有良好的开发值。值得指出的是,中国的海 流能属于世界上功率密度最大的地区之一,特别是浙江的舟山群岛的金塘、龟山和西候门水道,平均功率密 度在20kW/m2以上,开发环境和条件很好。

  1.4温差能

  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。海洋的表面把太阳的辐射能的大部分转化 成为热水并储存在海洋的上层。另一方面,接近冰点的海水大面积地在不到1000m的深度从极地缓慢地流 向赤道。这样,就在许多热带或亚热带海域终年形成20C以上的垂直海水温差。利用这一温差可以实现热力 循环并发电。

  全世界海洋温差能的理论估算值为10“kW量级。根据中国海洋水温测量资料计算得到的中国海域的 温差能约为1. 5X108kW,其中99%在甫中国海。南海的表层水温年均在26℃以上,深层水温(800m深处)常 年保持在5℃,温差为2=℃,属于温差能丰富区域。

  1.5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。通常,海水(3.5%盐度)和河水之间的化学电位差有相当于240m水头差的能量密度,这种位差可以利用 半渗透膜(水能通过,盐不能通过)在盐水和淡水交接处实现。利用这一水位差就可以直接由水轮发电机发电。全世界海洋盐差能的理论估算值为10kW量级,我国的盐差能估计为1.1XI08kW,主要集中在各大 江河的出海处。同时,我国青海省等地还有不少内陆盐湖可以利用。

  2 海洋能利用的基本原理与关键技术

  海洋能是各种可再生能源中类型最多的一种,其基本转换原理所涉及的学科较多,包括流体力学与流体 机械,工程热物理和电化学等。本节将分别介绍各种海洋能转换的基本原理及研究的关键技术问题。

  2.1潮汐发电的原理与技术

  潮汐能利用的主要方式是发电。通过贮水库,在涨潮时将海水贮存在贮水库内,以势能的形式保存,然 后,在落潮时放出海水,利用高、低潮位之间的落差,推动水轮机旋转,带动发电机发电。潮汐电站的功率和落 差及水的流量成正比。但由于潮汐电站在发电时贮水库的水位和海洋的水位都是变化的(海水由贮水库流 出,水位下降,同时,海洋水位也因潮汐的作用而变化),因此,潮汐电站是在变工况下工作的,水轮发电机组 和电站系统的设计要考虑变工况、低水头、大流量以及防海水腐蚀等因素,远比常规的水电站复杂,效率也低 于常规水电站。

  潮汐电站按照运行方式和对设备要求的不同,可以分成单库单向型、单库双向型和双库单向型三种。

  2.1.1单库单向型

  单库单向型是在涨潮时将贮水库闸门打开,向水库充水,平潮时关闸;落潮后,待贮水库与外海有一定水 位差时开闸,驱动水轮发电机组发电。单库单向发电方式的优点是设备结构简单,投资少;缺点是发电断续, 1天中约有65%以上的时间处于贮水和停机状态。



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