新能源与分布式发电技术05海洋能多种发电技术课件.ppt
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- 新能源 分布式 发电 技术 05 海洋 多种 课件
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1、新能源与分布式发电技术新能源与分布式发电技术制作人:制作人:朱永强朱永强,许许 郁郁,丁泽俊丁泽俊华北电力大学华北电力大学海洋的巨大威力海洋的巨大威力巨大的海浪可把巨大的海浪可把 1313吨重的整块巨石抛到吨重的整块巨石抛到 2020米高处,能把米高处,能把 1.71.7万吨的大船推上海岸。万吨的大船推上海岸。19681968年,一艘巨型油轮,在好望角海域被狂涛巨浪折为两段年,一艘巨型油轮,在好望角海域被狂涛巨浪折为两段(想想这是怎么原因?详见教材引例故事想想这是怎么原因?详见教材引例故事)如果海洋中蕴藏的丰富能源能够为人类所用,那人类也许如果海洋中蕴藏的丰富能源能够为人类所用,那人类也许再也
2、不必为能源问题担忧了。再也不必为能源问题担忧了。5 海洋能多种发电技术海洋能多种发电技术关注的问题关注的问题浩瀚的海洋中蕴藏着怎样的能量?浩瀚的海洋中蕴藏着怎样的能量?海洋中的各种能量都是怎样形成的?海洋中的各种能量都是怎样形成的?大洋中的海流又能否利用?大洋中的海流又能否利用?不同深处的海水温差如何转变为电能?不同深处的海水温差如何转变为电能?咸海水中的盐分和发电有什么联系?咸海水中的盐分和发电有什么联系?海洋能发电的设备有什么特点?海洋能发电的设备有什么特点?海洋能发电的发展状况如何?海洋能发电的发展状况如何?教学目标教学目标了解海洋能资源的形成原因和表现特征,了解海洋能资源的形成原因和表
3、现特征,了解海洋能发电的各种方式和相关思路,了解海洋能发电的各种方式和相关思路,理解海洋能发电的特点和意义。理解海洋能发电的特点和意义。海和洋海和洋 海和洋是有区别的,是不同的概念。海和洋是有区别的,是不同的概念。远离陆地的水体远离陆地的水体部分为部分为洋洋,靠近大陆的水体靠近大陆的水体部分为部分为海海。洋是海洋的洋是海洋的主体主体部分,占海洋总面积的部分,占海洋总面积的89%。海是海洋的海是海洋的边缘边缘部分。部分。海洋海洋是地球上广大而连续的是地球上广大而连续的咸水水体咸水水体的总称,是相互连通的。的总称,是相互连通的。海洋的水底地形,像个海洋的水底地形,像个大水盆大水盆(详见教材)详见教
4、材)。5.1 海洋的概念海洋的概念地球表面的总面积约地球表面的总面积约 5.1 亿平方公里,其中海洋的面积占亿平方公里,其中海洋的面积占71%,汇集了地球,汇集了地球97%的水量。的水量。趣闻:趣闻:假如地球表面是平整的球面,将就会怎样?假如地球表面是平整的球面,将就会怎样?海洋能源(简称海洋能)海洋能源(简称海洋能)海洋能源是海水中蕴藏着的一切的能量资源的总称,通常海洋能源是海水中蕴藏着的一切的能量资源的总称,通常指海洋中所蕴藏的可再生的自然能源。指海洋中所蕴藏的可再生的自然能源。以以潮汐、波浪、温度差、盐度梯度、海流潮汐、波浪、温度差、盐度梯度、海流等形式存在。等形式存在。除了潮汐能和潮流
5、能来源于太阳和月亮对地球的引力作用以除了潮汐能和潮流能来源于太阳和月亮对地球的引力作用以外,其他几种都来源于外,其他几种都来源于太阳辐射。太阳辐射。海洋能源又可分为海洋能源又可分为机械能、热能和化学能机械能、热能和化学能。想想上面五种形想想上面五种形式的海洋能都是什么类型?式的海洋能都是什么类型?蕴藏于海水中的海洋能是十分巨大的,这些海洋能源可以不蕴藏于海水中的海洋能是十分巨大的,这些海洋能源可以不断得到补充,都是取之不尽、用之不竭的断得到补充,都是取之不尽、用之不竭的。5.2 海洋能资源海洋能资源海洋是超大的太阳能接收体和存储器,是个海洋是超大的太阳能接收体和存储器,是个“蓝色油田蓝色油田”
6、。据据联合国教科文组织联合国教科文组织估计,海洋能可再生总量为估计,海洋能可再生总量为766 亿千瓦亿千瓦。其中其中温差能温差能为为400 亿亿千瓦,千瓦,盐差能盐差能为为300 亿亿千瓦,千瓦,潮汐能潮汐能为为 30 亿亿千瓦,千瓦,波浪能波浪能为为 30 亿亿千瓦,千瓦,海流能海流能为为 6 亿亿千瓦。千瓦。5.2.1 世界海洋能资源世界海洋能资源不是全能利用。估计不是全能利用。估计技术上允许利用的技术上允许利用的约约64 亿千瓦亿千瓦,其中,其中,盐差能盐差能30 亿亿千瓦,千瓦,温差能温差能20 亿亿千瓦,千瓦,波浪能波浪能10 亿亿千瓦,千瓦,海流能海流能3 亿亿千瓦,潮汐能千瓦,潮
7、汐能1 亿亿千千瓦。瓦。也有学者给出不同的估计。也有学者给出不同的估计。中国新能源与可再生能源中国新能源与可再生能源1999 白皮书白皮书公布的结果:公布的结果:沿海沿海潮汐能潮汐能资源资源可开发总装机容量可开发总装机容量为为2179 万千瓦万千瓦,年发年发电电624 亿度亿度;进入岸边的进入岸边的波浪能波浪能理论理论平均功率平均功率为为1285 万千瓦万千瓦;潮流能潮流能理论平均功率理论平均功率1394 万千瓦万千瓦;温差能温差能理论蕴藏量约理论蕴藏量约(1.21.3)1019 kJ,实际可用装机,实际可用装机(1.31.5)106 MW;盐差能盐差能资源理论蕴藏量约为资源理论蕴藏量约为3.
8、91015 kJ,理论功率为,理论功率为1.25105 MW。5.2.2 我国海洋能资源我国海洋能资源5.2.3 海洋能的特点海洋能的特点海洋能的特点,主要体现在以下几个方面:海洋能的特点,主要体现在以下几个方面:(1)蕴藏量丰富,可循环再生。)蕴藏量丰富,可循环再生。(2)能流分布不均,能量密度低。)能流分布不均,能量密度低。(3)稳定性较好或者变化有规律。)稳定性较好或者变化有规律。(4)清洁无污染。)清洁无污染。5.3 波浪发电波浪发电 5.3.1 波浪的成因和类型波浪的成因和类型波浪的能量来自于风和海面的相互作用,波浪的能量来自于风和海面的相互作用,传递的能量取决于传递的能量取决于风速
9、风速、风与海水、风与海水作用时间作用时间及及作用路程作用路程。小知识:小知识:巨大浪涌往往是风暴来袭的前兆?巨大浪涌往往是风暴来袭的前兆?海浪的类型海浪的类型风浪风浪,在风的直接吹拂作用下产生的水面波动。由风引起的,在风的直接吹拂作用下产生的水面波动。由风引起的波浪在靠近其形成的区域才被称为风浪。波浪在靠近其形成的区域才被称为风浪。风浪传播开去,出现在距离很远的海面。这种不在有风海域风浪传播开去,出现在距离很远的海面。这种不在有风海域的波浪称为的波浪称为涌浪涌浪。外海的波浪传到海岸附近,因水深和地形会改变波动性质,外海的波浪传到海岸附近,因水深和地形会改变波动性质,出现折射、波面破碎和倒卷,这
10、就是出现折射、波面破碎和倒卷,这就是近岸浪近岸浪。小知识:小知识:“无风不起浪无风不起浪”和和“无风三尺浪无风三尺浪”水面上的大小波浪交替,有规律地顺风滚动前进;水面上的大小波浪交替,有规律地顺风滚动前进;水面下的波浪随风力不同做直径不同、转速不同的圆周或椭水面下的波浪随风力不同做直径不同、转速不同的圆周或椭圆运动。圆运动。海浪的运动海浪的运动5.3.2 波浪能资源的分布和特点波浪能资源的分布和特点波浪的波浪的前进前进,产生,产生动能动能,波浪的,波浪的起伏起伏产生产生势能势能。波浪的能量与波浪的波浪的能量与波浪的高度、波浪的运动周期高度、波浪的运动周期以及以及迎波面的宽迎波面的宽度度等多种因
11、素有关。等多种因素有关。因此,波浪能是各种海洋能源中能量因此,波浪能是各种海洋能源中能量最不稳定最不稳定的一种。的一种。5.3.2.1 全球波浪能资源全球波浪能资源波浪能年平均功率密度的全球分布,如图所示:波浪能年平均功率密度的全球分布,如图所示:想想:想想:哪些地方的波浪能比较便于利用?哪些地方的波浪能比较便于利用?5.3.2.2 我国波浪能资源我国波浪能资源我国海岸线长,海域辽阔。我国海岸线长,海域辽阔。90%以上分布在经济发达而常规能源缺乏的东南沿海,主要以上分布在经济发达而常规能源缺乏的东南沿海,主要是是浙江、福建和广东沿海,以及台湾省沿岸。浙江、福建和广东沿海,以及台湾省沿岸。据波浪
12、能能流密度和开发利用的自然环境条件,据波浪能能流密度和开发利用的自然环境条件,首选首选浙江、福建沿岸浙江、福建沿岸,应为,应为重点开发利用地区重点开发利用地区,其次其次广东东部、长江口和山东半岛南岸中段广东东部、长江口和山东半岛南岸中段。5.3.2.3 波浪能的优点波浪能的优点在海洋能中,波浪能除可循环再生以外,还有以下优点:在海洋能中,波浪能除可循环再生以外,还有以下优点:1)以机械能形式存在,在各种海洋能中)以机械能形式存在,在各种海洋能中品位最高品位最高;2)在海洋能中)在海洋能中能流密度最大能流密度最大;3)在海洋中)在海洋中分布最广分布最广。4)可)可通过较小的装置实现通过较小的装置
13、实现其利用;其利用;5)可提供)可提供可观的廉价能量可观的廉价能量。5.3.3 波浪发电装置的基本构成波浪发电装置的基本构成波浪发电,一般是通过波浪发电,一般是通过波浪能转换装置波浪能转换装置,先把波浪能转换为,先把波浪能转换为机械能机械能,再最终转换成,再最终转换成电能。电能。波浪上下起伏或左右摇摆,能够直接或间接带动水轮机或空波浪上下起伏或左右摇摆,能够直接或间接带动水轮机或空气涡轮机转动气涡轮机转动波浪能利用的关键是波浪能转换装置,通常经三级转换:波浪能利用的关键是波浪能转换装置,通常经三级转换:1)波浪能采集波浪能采集系统,捕获波浪的能量;系统,捕获波浪的能量;2)机械能转换机械能转换
14、系统,把捕获的波浪能转换为某种特定形式系统,把捕获的波浪能转换为某种特定形式的机械能;的机械能;3)发电发电系统,与常规发电装置类似,用空气涡轮机或水轮系统,与常规发电装置类似,用空气涡轮机或水轮机等设备将机械能传递给发电机转换为电能。机等设备将机械能传递给发电机转换为电能。5.3.4 波浪能的转换方式波浪能的转换方式波浪能的转换方式,大体上可分为四类:波浪能的转换方式,大体上可分为四类:机械传统式机械传统式 空气涡轮式空气涡轮式 液压式液压式 蓄能水库式蓄能水库式(1)机械传动式)机械传动式(2)空气涡轮式)空气涡轮式这种装置结构简单,而且以空气为工质,没有液压油泄露这种装置结构简单,而且以
15、空气为工质,没有液压油泄露的问题。的问题。(3)液压式)液压式通过某种泵液装置将波浪能转换为通过某种泵液装置将波浪能转换为液体的压能或位能液体的压能或位能,再由,再由油压马达或水轮机驱动发电机。油压马达或水轮机驱动发电机。这类装置这类装置结构复杂结构复杂,成本也较高成本也较高。但由于液体的不可压缩性,当与波浪相互作用时,液压机构但由于液体的不可压缩性,当与波浪相互作用时,液压机构能获得很高的压强,能获得很高的压强,转换效率也明显高转换效率也明显高。(4)蓄能水库式)蓄能水库式也叫收缩斜坡聚焦波道式,也叫收缩斜坡聚焦波道式,其实就是借助上涨的海水制造水位差,然后实现水轮机发其实就是借助上涨的海水
16、制造水位差,然后实现水轮机发电,电,类似潮汐发电类似潮汐发电。这类装置这类装置结构相对简单结构相对简单,而且由于有水库储能,可实现较稳,而且由于有水库储能,可实现较稳定和便于调控的电能输出,是迄今定和便于调控的电能输出,是迄今最成功最成功的方式之一。的方式之一。但一般但一般效率不高效率不高,而且对,而且对地形地形条件条件依赖性强依赖性强,应用受到局限。,应用受到局限。根据根据系留状态系留状态,波浪能转换装置可分为,波浪能转换装置可分为固定式固定式和和漂浮式漂浮式。5.3.5 波浪能装置的安装模式波浪能装置的安装模式各种波浪能转换装置,往往都需要一个各种波浪能转换装置,往往都需要一个主梁主梁或或
17、主轴主轴,即一种,即一种居中的、稳定的结构,系锚或固定在海床或海滩。居中的、稳定的结构,系锚或固定在海床或海滩。根据根据主梁与波浪运动方向的关系主梁与波浪运动方向的关系,波浪能转换装置可分为:,波浪能转换装置可分为:(1)终结型模式)终结型模式(2)减缓型模式)减缓型模式(3)点吸收模式)点吸收模式5.3.6 典型的波浪能发电装置典型的波浪能发电装置(1)振荡水柱式(振荡水柱式(OWC)水注上升和下降时,气流方向是相反的,气轮机的旋转方向水注上升和下降时,气流方向是相反的,气轮机的旋转方向如果来回变化,发电也时正时负如果来回变化,发电也时正时负小知识小知识:Wells涡轮机(涡轮机(详见教材详
18、见教材)(3)点头鸭式()点头鸭式(Duck)鸭子的鸭子的“胸脯胸脯”对着海浪对着海浪传播的方向,随着海浪传播的方向,随着海浪的波动,像不倒翁一样的波动,像不倒翁一样不停地摆动。不停地摆动。摇摆机构带动内部的凸轮摇摆机构带动内部的凸轮/铰链机构,改变工作液铰链机构,改变工作液体的压力,从而带动工体的压力,从而带动工作泵,推动发电机发电。作泵,推动发电机发电。可同时将波浪的动能和势能转换,理论效率达到可同时将波浪的动能和势能转换,理论效率达到90%以上。以上。浮动主梁骨架上,可并排放置多个浮动主梁骨架上,可并排放置多个“鸭子鸭子”。(4)海蛇式()海蛇式(Pelamis)由一系列圆柱形钢壳结构单
19、元铰接而成,外型类似火车。由一系列圆柱形钢壳结构单元铰接而成,外型类似火车。当波浪起浮带动整条装置时就会起动铰接点,其内部的液压当波浪起浮带动整条装置时就会起动铰接点,其内部的液压圆筒的泵油会起动液压马达经过一个能量平滑系统。圆筒的泵油会起动液压马达经过一个能量平滑系统。(5)摆式()摆式(Pendulum)1983 年建造了一座推摆式波浪能电站。年建造了一座推摆式波浪能电站。通过浮板的摆动将波浪能转换为液压产生电力。通过浮板的摆动将波浪能转换为液压产生电力。这是日本的波浪能电站中这是日本的波浪能电站中效率较高的一个。效率较高的一个。(6)收缩坡道式)收缩坡道式在电站入口处设置喇叭形聚波器和逐
20、渐变窄的楔形导槽,当在电站入口处设置喇叭形聚波器和逐渐变窄的楔形导槽,当波浪进入宽阔一端向里传播时,波高不断地被放大,直至波浪进入宽阔一端向里传播时,波高不断地被放大,直至波峰溢过边墙,转换成势能。水流从楔形流道上端流出,波峰溢过边墙,转换成势能。水流从楔形流道上端流出,进入一个水库,然后经过水轮机返回大海。进入一个水库,然后经过水轮机返回大海。(7)其它海浪发电装置)其它海浪发电装置其它多种新型海浪发电装置的原理和图片,详见教材。其它多种新型海浪发电装置的原理和图片,详见教材。波浪能转换发电系统的主要构造波浪能转换发电系统的主要构造5.3.7 代表性波浪能发电项目代表性波浪能发电项目(1)英
21、国)英国75kW 和和500kW 的的LIMPET岸式海洋动力能源转换器,是一种振荡水柱型(岸式海洋动力能源转换器,是一种振荡水柱型(OWC)波)波浪能装置。浪能装置。1991年在苏格兰爱雷岛上建成年在苏格兰爱雷岛上建成75kW项目。项目。2000年又在同一岛屿上建成一座年又在同一岛屿上建成一座500 kW的项目,是目前世的项目,是目前世界上最成功的海浪发电装置。界上最成功的海浪发电装置。(2)挪威)挪威350kW 的的TAPCHAN1986 年,在挪威贝尔根附近一个小岛上,建造了一座装机容年,在挪威贝尔根附近一个小岛上,建造了一座装机容量为量为350kW 波浪能电站。波浪能电站。特色:开口约
22、特色:开口约60 m的喇叭形聚波器和长约的喇叭形聚波器和长约30m的楔形导槽。的楔形导槽。电站从电站从1986年建成后,一直正常运行到年建成后,一直正常运行到1991年,年平均输出年,年平均输出功率约为功率约为75kW,是比较成功的一座波浪电站。,是比较成功的一座波浪电站。(3)英国)英国750kW 的海蛇的海蛇“海蛇海蛇”由英国海洋动力传递公司设计。漂浮式,由若干圆由英国海洋动力传递公司设计。漂浮式,由若干圆柱形钢壳结构单元铰接而成。柱形钢壳结构单元铰接而成。第一个第一个“海蛇海蛇”波能装置波能装置2002年年3月完成。月完成。承接建造了葡萄牙北部海岸承接建造了葡萄牙北部海岸“海蛇海蛇”波浪
23、发电项目,波浪发电项目,每条每条“海蛇海蛇”的装机容量为的装机容量为750 kW。(4)日本)日本“海明海明”号号“海明海明”号波浪发电计划是由日本海洋科学技术中心牵头,号波浪发电计划是由日本海洋科学技术中心牵头,美、英、挪威、瑞典、加拿大等国参加。美、英、挪威、瑞典、加拿大等国参加。研究工作在一个由船舶改造的漂浮结构上进行,带有研究工作在一个由船舶改造的漂浮结构上进行,带有13个振个振荡水柱气室,在船的内室里,安装了几台海浪发电装置。荡水柱气室,在船的内室里,安装了几台海浪发电装置。“海明海明”号的船身结构海底电缆和锚泊设计较成功,但发电效号的船身结构海底电缆和锚泊设计较成功,但发电效率令人
24、失望,系统总效率不超过率令人失望,系统总效率不超过6.5%。作为一个大型国际合作项目,作为一个大型国际合作项目,“海明海明”计划的贡献不仅在于计划的贡献不仅在于获得了大量技术成果,还在世界范围内推动了波浪能研究。获得了大量技术成果,还在世界范围内推动了波浪能研究。(5)日本)日本“巨鲸巨鲸”号号“巨鲸巨鲸”是日本海洋科学中心于是日本海洋科学中心于1990s初开始研建。初开始研建。一个包括波浪发电、海上养殖和旅游业在内的综合利用计划。一个包括波浪发电、海上养殖和旅游业在内的综合利用计划。安装了安装了1台台10 kW、2台台50 kW和和2台台30 kW的发电机组,于的发电机组,于1998年完成制
25、造,投放于三重县外海。年完成制造,投放于三重县外海。1998年年9月开始持续两年的实海况试验,装置的各部分工作正月开始持续两年的实海况试验,装置的各部分工作正常,总发电效率最大可达常,总发电效率最大可达12%。(6)欧共体)欧共体2MW 的的OSPREYOSPREY意思是海洋涌浪动力可再生能源,实际上是波浪能意思是海洋涌浪动力可再生能源,实际上是波浪能和风能两用的近岸装置。和风能两用的近岸装置。1995年英国制造了年英国制造了OSPREY-1,总容量,总容量2MW,其中沉箱式波,其中沉箱式波能发电装置能发电装置500 kW,风能,风能1500 kW,造价,造价$350万,下水万,下水时装置受到
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