綠色海洋技術(shù)論文(2)
綠色海洋技術(shù)論文篇二
海洋能發(fā)電技術(shù)研究
【摘要】海洋能是取之不盡、用之不竭的清潔能源。海洋能多種多樣，主要包括波浪能、潮流能、潮汐能和溫差能等。利用海洋能發(fā)電能夠改善能源結(jié)構(gòu)和環(huán)境，有利于海洋資源開發(fā)，受到許多國家的重視。文中對各種海洋能發(fā)電系統(tǒng)的主要技術(shù)原理、特點和國內(nèi)外技術(shù)現(xiàn)狀作了綜述，最后指出海洋能利用的意義和前景。
【關(guān)鍵詞】海洋能;海洋能發(fā)電;可再生能源
Abstract：This paper presents the elements and the characteristic of the Ocean Energy Generation Technology，and recommend the actuality of the Ocean Energy Generation Equipment.
Key word：Ocean Energy;Ocean Energy Generation Technology;reproducible Energy
1.引言
2008年全球一次能源消費量為143851TWh，其中81.2%來自化石燃料。隨著礦物燃料的日趨枯竭，世界主要海洋國家紛紛將目標(biāo)轉(zhuǎn)向蘊藏豐富能源的海洋，不斷加大科技和資金投入，以期在海洋可再生能源開發(fā)利用的“爭奪戰(zhàn)”中搶得先機。海洋能主要指波浪能、潮流能(海流能)、潮汐能、溫差能和鹽差能等可再生能源。海洋能總量是巨大的，據(jù)估計與全球一次能源消費能源的50%相當(dāng)，其中，全球海浪發(fā)電的理論儲量為29500TWh/年左右，全球潮汐(含潮流)發(fā)電的理論儲量為7800TWh/年左右，全球海洋熱發(fā)電轉(zhuǎn)換的理論儲量為44000TWh/年左右，全球鹽差能的理論儲量估計為1650TWh/年左右。雖然海洋能源分布不均勻，但在每一個海岸，往往不止一種形式可以供應(yīng)當(dāng)?shù)氐碾娏π枨?。我國重視海洋可再生能源的開發(fā)利用，將包括海洋能在內(nèi)的新能源產(chǎn)業(yè)視為引領(lǐng)我國未來經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展的七大新興戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)之一。近年來，我國先后設(shè)立了“908專項(我國近海海洋可再生能源調(diào)查與研究項目)”和“海洋可再生能源專項資金”支持計劃等，支持海洋能的海島獨立發(fā)電系統(tǒng)與并網(wǎng)示范工程、關(guān)鍵技術(shù)產(chǎn)業(yè)化、新技術(shù)研究試驗以及公共支撐服務(wù)體系建設(shè)等，并擬在海洋能資源豐富地區(qū)建設(shè)海洋能示范電站，開展萬千瓦級潮汐電站建設(shè)工作。
2.國外海洋能發(fā)電技術(shù)現(xiàn)狀
2.1 波浪能發(fā)電技術(shù)
現(xiàn)階段，波浪能發(fā)電技術(shù)的基本原理是：利用物體在波浪作用下的升沉和搖擺運動將波浪能轉(zhuǎn)換為機械能，或利用波浪的爬升將波浪能轉(zhuǎn)換成水的勢能。波浪能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)一般包括三級能量轉(zhuǎn)換機構(gòu)：一級能量轉(zhuǎn)換機構(gòu)將波浪能轉(zhuǎn)換成某個載體的機械能;二級能量轉(zhuǎn)換機構(gòu)將一級能量轉(zhuǎn)換所得到的能量轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)機械的機械能;三級能量轉(zhuǎn)換通過發(fā)電機將旋轉(zhuǎn)機械的機械能轉(zhuǎn)換成電能。根據(jù)一級能源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的原理，波能發(fā)電技術(shù)可分為振蕩水柱技術(shù)、筏式技術(shù)、收縮波道技術(shù)、點吸收(振蕩浮子)技術(shù)和鴨式技術(shù)等。振蕩水柱技術(shù)是利用空氣作為轉(zhuǎn)換介質(zhì)的，其優(yōu)點是轉(zhuǎn)動機構(gòu)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(zhuǎn)換效率較低。目前，國外建成的振蕩水柱發(fā)電裝置有英國的LIMPET電站(500kW固定式)、葡萄牙的400kW固定式電站和澳大利亞的500kW漂浮式裝置。應(yīng)用筏式技術(shù)的發(fā)電裝置主要由鉸接的筏體和液壓系統(tǒng)組成，其優(yōu)點是設(shè)備抗浪性能較好，缺點是設(shè)備成本高。目前，國外建成的筏式發(fā)電裝置有英國Cork大學(xué)和女王大學(xué)研究的McCabe波浪泵波力裝置和蘇格蘭Ocean Power Delivery公司的Pelamis(海蛇)波能裝置。
應(yīng)用收縮波道技術(shù)的發(fā)電裝置主要由收縮波道、高位水庫、水輪機和發(fā)電機組成，其優(yōu)點是一級轉(zhuǎn)換沒有活動部件，可靠性好，維護費用低，在大浪時系統(tǒng)出力穩(wěn)定;不足之處是小浪下的系統(tǒng)轉(zhuǎn)換效率低。目前，國外建成的收縮波道發(fā)電裝置有挪威350kW的固定式收縮波道裝置以及丹麥的WaveDragon。
應(yīng)用點吸收技術(shù)的發(fā)電裝置主要由相對運動的浮體、錨鏈、液壓或發(fā)電裝置組成，其主要特點是點吸收式發(fā)電裝置的尺度與波浪尺度相比很小。目前建成的點吸收式發(fā)電裝置有英國的AquaBuOY裝置、阿基米德波浪擺、PowerBuoy以及波浪騎士裝置。
應(yīng)用鴨式發(fā)電技術(shù)的發(fā)電裝置的橫截面成鴨蛋形，發(fā)電效率很高，在短波時的一級轉(zhuǎn)換效率接近于100%，但抗風(fēng)浪能力有待提高。
2.2 潮流能(海流能)發(fā)電技術(shù)
潮汐是一種周期性海水自然漲落現(xiàn)象。在太陽和月球引力作用下，海水作周期性的運動，它包括海面周期性的垂直升降和海水周期性的水平流動。垂直升降部分為潮汐的位能，被稱為潮差能;水平流動部分為潮汐的動能，被稱為潮流能。潮流能的主要特點是：
①較強的規(guī)律性和可預(yù)測性;
?、诠β拭芏却螅芰糠€(wěn)定;
?、鄢绷髂艿睦眯问酵ǔＪ情_放式的，不會對海洋環(huán)境造成大的影響。
一般說來，最大流速在2m/s以上的水道，其潮流能均有實際開發(fā)的價值。
新型潮流能發(fā)電裝置作為一種開放式的海洋能量捕獲裝置，無需巨額的前期投資;利用該裝置發(fā)電時，由于葉輪轉(zhuǎn)速慢，不產(chǎn)生大的噪聲，不影響人們的視覺環(huán)境，各種海洋生物仍可以在葉輪附近流動，因此可保持良好的地域生態(tài)環(huán)境。潮流能發(fā)電裝置根據(jù)其透平機械的軸線與水流方向的空間關(guān)系可分成水平軸式和垂直軸式2種結(jié)構(gòu)。垂直軸式發(fā)電裝置研究起步較早，目前國外主要的設(shè)備樣機有加拿大Blue Energy公司的Davis四葉片垂直軸渦輪機、意大利Ponte di Archimede International SpA公司和Naples大學(xué)航空工程系合作研發(fā)的Kobold渦輪垂直軸水輪機(130kW)、美國GCK Technology公司的螺旋形葉片的垂直軸水輪機和日本Nihon大學(xué)的垂直軸式Darrieus型水輪機。水平軸式發(fā)電裝置是近10多年才興起的，與垂直軸式結(jié)構(gòu)相比，水平軸式潮流能發(fā)電裝置具有效率高、自啟動性能好的特點。目前國外主要的設(shè)備樣機有英國Marine Current Turbine公司的1.2MW雙葉輪結(jié)構(gòu)的“Seagen”樣機、挪威Hammerfest Strom公司的300 kW并網(wǎng)型潮流能發(fā)電原型樣機。 2.3 潮汐能發(fā)電技術(shù)
潮汐能發(fā)電與水力發(fā)電的原理、組成基本相同，也是利用水的能量使水輪發(fā)電機發(fā)電。潮汐能發(fā)電技術(shù)研究始于歐洲，早期的潮汐能電站有德國(1912年)的布蘇姆潮汐電站和法國(1966年)的朗斯河口潮汐電站，其中朗斯電站的建成及其近40年的成功運行證實了潮汐電站技術(shù)的可行性，它使潮汐電站進入了實用階段。目前，在英、加、俄、印、韓等13個國家運行、在建及擬建的潮汐電站達139座，進行規(guī)劃設(shè)計的10余座潮汐電站均為100MW～1000MW級。據(jù)資料顯示，韓國正在建設(shè)世界上最大的潮汐電站――Shihwa湖大型潮汐電站。
2.4 溫差能發(fā)電技術(shù)
熱帶海洋表層與千米深處存在著基本恒定的20℃～25℃的溫差，這就提供了一個量大且穩(wěn)定的能源。海洋溫差能是利用海洋表面的溫海水(26℃～28℃)加熱某工作介質(zhì)并使之汽化，驅(qū)動汽輪機獲取動力;同時，利用從海底提取的冷海水(4℃～6℃)將做功后的乏氣冷凝，使之重新變?yōu)橐后w。按照工作介質(zhì)及流程的不同可分為開式循環(huán)、閉式循環(huán)、混合式循環(huán)。開式循環(huán)的工作介質(zhì)是表層溫海水，其優(yōu)點在于產(chǎn)生電力的同時可進行海水淡化，缺點是設(shè)備尺寸大，機械能損耗高，單位功率的材料占用大，施工困難。閉式循環(huán)的工作介質(zhì)是氨等低沸點物質(zhì)，其優(yōu)點是設(shè)備尺寸小、機械耗能低、系統(tǒng)轉(zhuǎn)換效率高，缺點是不能進行海水淡化。混合式循環(huán)同時包括開式循環(huán)和閉式循環(huán)，其特點是效率高、設(shè)備造價低，且可實現(xiàn)海水淡化。目前，溫差能發(fā)電技術(shù)和裝備尚處于示范試驗階段，國外主要有美國奎爾哈公司的開式循環(huán)OTEC溫差能電站、印度海洋技術(shù)國家研究所的陸基溫差能電站和日本佐賀大學(xué)的混合溫差能電站。
3.國內(nèi)海洋能發(fā)電技術(shù)現(xiàn)狀
3.1 波浪能發(fā)電技術(shù)
我國波浪能發(fā)電技術(shù)研究已有30多年的歷史，先后研建了100千瓦振蕩水柱式和30千瓦擺式波浪能發(fā)電試驗電站，利用波浪能發(fā)電原理研制的海上導(dǎo)航燈標(biāo)已商業(yè)化并出口。目前，國內(nèi)處于試驗階段的設(shè)備主要有：國家海洋技術(shù)中心開發(fā)的浮力擺波浪能發(fā)電系統(tǒng)、廣州能源研究所開發(fā)的鴨式波浪能發(fā)電裝置(10kW)和點吸收式波浪能發(fā)電裝置(10kW)、華南理工大學(xué)開發(fā)的擺式振蕩浮子式波浪能發(fā)電系統(tǒng)和七一�研究所開發(fā)的筏式波浪能發(fā)電系統(tǒng)。
3.2 潮流能(海流能)發(fā)電技術(shù)
“八五”和“九五”期間，我國研建了70千瓦和40千瓦的潮流實驗電站。在 “十一五”科技支撐計劃和海洋能專項資金支持下，我國啟動了一項百千瓦級垂直軸潮流能示范試驗電站、一項小型水平軸潮流能示范電站和多項潮流能示范工程建設(shè)。
目前，國內(nèi)處于試驗階段的設(shè)備主要有：浙江大學(xué)的25kW水平軸潮流發(fā)電裝置、哈爾濱工程大學(xué)的萬向系列垂直軸潮流發(fā)電裝置(70kW和40kW)和東北師范大學(xué)的5kW模塊化潮流能發(fā)電裝置。
3.3 潮汐能發(fā)電技術(shù)
我國大陸海岸線長(達18000km)，海灣、河口多(近200個)，可開發(fā)潮汐能年總發(fā)電量大(約60TW・h)，裝機總?cè)萘靠蛇_20GW。近五十年來，中國在有關(guān)潮汐電站的研究、開發(fā)方案及設(shè)計方面做了許多工作，但建成投運的潮汐電站數(shù)量很少，目前正常運行或具備恢復(fù)運行條件的電站有8座，總裝機容量不及可開發(fā)總量的1%，開發(fā)潛力巨大。
3.4 溫差能發(fā)電技術(shù)
2004～2005年，天津大學(xué)完成了對混合式海洋溫差能利用系統(tǒng)的理論研究課題，并就小型化試驗用200 W氨飽和蒸汽透平進行了研究開發(fā)。在“十一五”科技支撐計劃支持下，國家海洋局第一研究所和華電青島發(fā)電有限公司正開展15千瓦閉式溫差能電站研建工作。
4.結(jié)束語
海洋溫能作為一種清潔、可再生的能源，具有很好的發(fā)展前景。其開發(fā)、利用對我國經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展和人民生活水平的提高具有重要的現(xiàn)實意義。對海洋能發(fā)電技術(shù)及其裝備的研究，是一項可持續(xù)能源需求的高技術(shù)投資項目，關(guān)系國家能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化和可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的實施，經(jīng)濟前景廣闊，現(xiàn)實意義重大。
參考文獻
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作者簡介：劉文麗(1982―)，女，講師，主要研究方向：電力系統(tǒng)規(guī)劃與新能源技術(shù)。
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