可再生能源—海洋能.ppt

第五章,海洋能Ocean Energy,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、海水热能和海水盐差能。这些资源分布在广阔的沿海区，而海水热能资源主要分布在热带海区。虽然这些不同形式的资源有各自的特点，但共同处是能量密度低，而且海洋条件对这些资源利用的工程设计是一个挑战。,近20多年来，受化石燃料能源危机和环境变化压力的驱动，作为主要可再生能源之一的海洋能事业取得了很大发展，在相关高技术后援的支持下，海洋能应用技术日趋成熟，为人类在下个世纪充分利用海洋能展示了美好的前景,中国能源一直处于紧缺状态，而且能源利用效率比发达国家低很多。中国又是一个能源消耗大国。全国用电连年攀高。在用电高峰时期，全国缺电高达3000万千瓦。为摆脱电力短缺的困境，我国曾大力发展水力煤电事业，,但这些项目只是解决了一时之急，它们将进一步消耗弥足珍贵的不可再生资源，并且不可避免地对生态环境造成破坏。然而，反观海洋能却有着总量大、可再生、环保等优点。因此，开发海洋能对我国的经济发展和环境保护将有深远的影响。,海洋热能资源的估算我国温差能资源蕴藏量大，在各类海洋能资源中占居首位，这些资源主要分布在南海和台湾以东海域，尤其是南海中部的西沙群岛海域和台湾以东海区，具有日照强烈，温差大且稳定，全年可开发利用，冷水层离岸距离小，近岸海底地形陡峻等优点，开发利用条件良好。,我国南海海域辽阔，水深大于8OO米的海域约140150万平方公里，位于北回归线以南，太阳辐射强烈，是典型的热带海洋，表层水温均在25C以上。5OO8OO米以下的深层水温在5C以下，表深层水温差在2O24C，蕴藏着丰富的温差能资源。,据初步计算，南海温差能资源理论蕴藏量约为119133 X 1O19千焦耳，技术上可开发利用的能量（热效率取7）约为（833931）X 10 17千焦耳，实际可供利用的资源潜力（工作时间取5O，利用资源10）装机容量达 13211476亿千瓦。,我国台湾岛以东海域表层水温全年在2428C，5OO80O米以下的深层水温在5C以下，全年水温差2O24C。据台湾电力专家估计，该区域温差能资源蕴藏量约为2.16 X 1O14千焦耳。,.2海洋热能利用技术海洋热能是一种重要的可再生能源，对其进行开发利用是解决当前人类所面临的能源短缺和由于矿物燃料燃烧和大量使用空调所造成的环境效应的有效途径。目前，对海洋热能利用的方式主要是海洋温差发电,海水冷却和空调系统。,1海水温差发电的利用技术从理论上讲，冷热水温差达到166 C即可用来发电，但在实际应用中一般为2O C。由于海洋表面吸收了太阳能，温度一般可达253O，而水下400 700 m深层冷水温度则为510，两者温差为2O24，可以用来发电。,研究表明98个国家和地区可从海洋温差发电技术中受益。海洋温差发电装置根据所用工质及流程的不同，一般可分为开式循环、闭式循环和混合式循环。,（1）开式循环(opencycle system)工作原理：真空泵将系统内抽到一定真空，起动温水泵把表层的温海水抽人蒸发器，温海水在蒸发器内沸腾蒸发，变为蒸汽。蒸汽经管道由喷嘴喷出推动汽轮机运转，带动发电机发电，蒸汽通过汽轮机后，又被冷水泵抽上来的深海冷水所冷却而凝结成淡化水。,由于只有不到0.5 的温海水变为蒸汽，因此必须泵送大量的温海水，以便产生出足够的蒸汽来推动巨大的低压汽轮机，这就使得开式循环系统的净发电能力受到了限制口。但开式循环所产生的副产品脱盐海水 具有很高的实用价值，特别是对于大洋中严重缺乏淡水的小岛。,（2）闭式循环(closedcycle system)工作原理：闭式循环系统以一些低沸点的物质(如丙烷、异丁烷、氟利昂、氨等)作为工作介质，目前认为氨水是最好的工作介质。系统工作时，表层温海水通过热交换器把热量传递给低沸点的工作介质(以氨水为例)，氨水从温海水吸收足够的热量后开始沸腾，变为氨气,氨气经过管道推动气轮发电机，深层冷海水在冷凝器中使氨气冷凝、液化，用氨泵把液态氨重新压进蒸发器，以供循环使用。闭式循环系统能使发电量达到工业规模，但其缺点是蒸发器和冷凝器采用表面式换热器，导致这一部分不仅体积庞大，而且耗资昂贵。此外，闭式循环系统不能产生淡水。,（3）混合循环系统(hybridcycle system)工作原理：该系统基本与闭式循环相同，但用温海水闪蒸出来的低压蒸汽来加热低沸点工质。这样做的好处在于既能产生新鲜的淡水，又可减少蒸发器的体积，节省材料，便于维护。,此外，日本还采用了热发电方式。此法与上述几种方式迥然不同，它是一种不使用汽轮机与发电机的直接发电方式。其发电原理是，利用二种导体的接点之间存在温差情况下会产生电动势的塞贝克效应。,这种热电发电方法应用于温水温差发电，将会有以下几个优点：由于不存在活动的设备部件，容易维修保养，运转可靠性高；不需使用氨、氟里昂之类的工作介质，因此安全、可靠。不过，目前存在着转换效率低、成本过高等不足。,2海水冷却技术海水冷却是指用海水取代淡水做工业上的冷却水，它是海水直接利用的主要方式之一，其用水量约占海水取用总量的90%以上。海水利用过程中，海水实际上是替代淡水作为一种迁移热量的介质，但人们往往只是比较注重其作为水源的这一层面，而对其作为热源(冷却介质)的一面重视不足。海水冷却主要有两种形式:海水直流冷却和海水循环冷却.,（1）海水直流冷却技术是以原海水为冷却介质，经换热设备完成一次性冷却后，即直接排海的冷却水处理技术。国外许多拥有海水资源的国家，都大量采用海水做工业用水，且主要是做工业冷却水。海水直流冷却技术有近百年的发展历史。海水做工业冷却水，国内外都仍以直流冷却为主。,海水直流冷却技术具有深海取水温度低、冷却效果好和系统运行管理简单等优点；但也存在取水量大、工程一次性投资大、排污量大和海体污染明显等问题。随着国际环境保护(无公害)公约的出台，对海水直流冷却技术提出了更高的环保要求，原有技术尚需进一步改进和完善，并逐渐向无公害方向发展。,海水直流冷却技术可广泛用于沿海城市和苦咸水地区的电力、钢铁、化工、能源(石油、煤炭)、建材、有色金属和食品等有关行业，应用前景十分广阔。海水直流冷却技术面临的主要问题是海水对金属材料的腐蚀性远高于一般淡水，且微生物和大生物的种类多、含量高。,因而，用海水作为直流冷却水，存在着严重的腐蚀和污损生物附着问题。其技术关键是防腐蚀技术和防海洋污损生物附着技术。,（2）海水循环冷却技术是以原海水为冷却介质，经换热设备完成一次冷却后，再经冷却塔冷却、并循环使用的冷却水处理技术。和同等规模的海水直流冷却系统相比，海水循环冷却系统由于海水循环使用，使得其取水量和排污量均少95%以上，但同时增加了海水冷却塔。,海水循环冷却技术是在海水直流冷却技术和淡水循环冷却技术基础上提出的。2O世纪7O年代以来，人们在探索无公害防腐、防生物附着海水直流冷却技术的同时，借鉴淡水循环冷却的有关工艺和技术，开展了海水循环冷却技术的研究和开发工作。海水循环冷却的主要问题是海水含盐量高，,具有腐蚀和结垢性的离子浓度远高于一般淡水，且微生物和大生物的种类多、含量高，因而，用海水作循环冷却水，系统存在着严重的腐蚀、结垢、污损生物附着以及海水冷却塔的盐沉积、盐雾飞溅等问题。海水循环冷却水处理较之淡水循环具有更大的难度。海水循环冷却技术的技术关键包括：防腐技术、阻垢技术、防生(生物附着)技术及海水冷却塔技术。,随着社会经济的高速发展和人口的急剧增加，淡水资源危机问题已经成为仅次于全球气候变暖的世界第二大环境问题。据统计，城市用水中约7O 8O%是工业用水，工业用水中约7O%8O%是工业冷却用水口 1。目前各主要沿海工业国家都非常重视海水冷却技术的发展和推广应用。,我国的海水冷却发展较快，但在取用量上与发达沿海工业国家尚有很大差距，潜力很大。据报道，2002年时，我国海水冷却水用量约140亿m3a，而日本约为3 000亿m3a，美国约为1 000亿m3a。我国是淡水资源严重缺乏的国家，淡水资源缺乏已经成为制约我国特别是很多沿海经济发达城市经济和社会发展的问题。,因此，在淡水资源日益短缺的形式下，在沿海地区大力推广海水冷却，对于缓解淡水危机，保持经济和社会的可持续发展有重要意义。,3.海水用于空调的技术随着社会的发展，人们对生活舒适度的要求越来越高，空调设备被大量使用，随之而来的是能源特别是电能消耗量的急剧上升加剧了能源的短缺问题，影响到经济和社会的可持续发展。由于空调系统的高能耗，其推广和使用也受到限制。,在我国，由于空调用电较多，许多城镇家庭还没有安装使用空调；许多单位在装了空调后因运行费用负担重而少开甚至不开；许多缺电的农村更是无法安装使用空调。使用空调设备除了大量耗能之外，也产生了较为严重的负面环境效应：大量消耗由矿物燃料燃烧产生的电能，间接的加剧了环境污染；,同时，由于多数空调系统大量使用氟里昂等制冷剂，对臭氧层产生破坏作用。另外，夏季由于在某一地区大量使用空调设备，极易产生“热岛效应”，危害人们的生活环境。因此，研制节能环保型空调系统具有非常重要的意义。在沿海地区，海水是一种理想的节能环保型空调的热源。,采用相应的换热技术，用海水作为空调冷热源可从很大程度上缓解沿海地区的用电紧张和由大面积使用空调而造成的环境问题。美国从1990年起开展了利用海水供冷的理论和实验研究，他们立足于取用深海(700 tTt以下)海水因而温度较低(7oC)。日本计划在东京等城市中铺设管道，引人海水，夏天为城市降温，解决“热岛效应”。,清华同方人工环境公司研发的“海水源热泵系统”，与以往以煤、气、油等为供热能量来源不同，它主要是以海水作为提取能量和储存能量的基本“源体”，它借助压缩机，消耗少量电能，从海水中“抽取”或“释放”能量，通过能量的压缩转换，实现建筑物和小区的供热、制冷。,由于海水热能的一些特性，做空调热源时，不仅要求开发出高效的热机和换热设备，而且要求空调系统利用自然能源的方式更为合理。目前某些地区采用以地下水作为空调冷源的换热方案，这种系统由水井、水泵、水空气换热器、风机、水管及控制件组成。该系统直接利用地下水给房间供冷或供暖。当地下水温较低时，冬天供热的意义不大。,目前采用的换热器一般是管翅式换热器，海水源空调系统也采用这种换热方式，那么如果空气出口温度设在25，允许温差为5，则水的出口温度为2O，若海水的温度为15，那么水的温升仅为5。海水的供冷能力为58 kW(th)，很多地区在取用深层海水的情况下是可行的。,海洋热能用于空调系统在节能、环保方面有明显的优势，在一些对空调要求强的地区（如热带地区等）有广阔前景。,3海洋热能利用在环境方面的考虑研究结果表明，海洋热能转换电站对环境有一定潜在影响。其主要影响来自电站大量的抽取冷水和排放用过的水。估计这会使鱼卵、幼鱼和成鱼等被水流卷走或遭到伤害。水流卷走生物群不仅是环境的问题，同时对电站本身的运行也有不利影响。如果合理的选择抽水位置，这些问题是可以控制的。,电站会使其所在海区的温度和盐度发生变化，这也会改变当地生态系统，危及珊瑚，同时还会影响诸如海流、海洋温度和气候等大尺度海洋过程。,海洋热能转换电站，特别是开式循环系统，可能会导致表层暖水向大气排放二氧化碳，但排放量会很小。在最坏情况下，排放量只相当于燃油电站的1/5，燃煤电站的1/25。然而，这些二氧化碳有可能重新进入被排放的温水中。电站利用杀虫剂来防止生物附着也是一种污染。但氯的释放量可以控制在美国环境保护局规定的允许排放量的1/10以下。,我国对海洋能的利用（1）潮汐能潮汐是由于月亮和太阳的引力作用于旋转的地球上而产生的。潮汐发电是海洋能中技术最成熟和利用规模最大的一种。全世界潮汐电站的总装机容量为265兆瓦，中国为564兆瓦。,中国是世界上建造潮汐电站最多的国家，在50年代至7O年代先后建造了近5O座潮汐电站，但据5O年代初的统计，只有8个电站仍正常运行发电。江厦电站是中国最大的潮汐电站，目前已正常运行近2O年。,（2）波浪能波浪能是由风把能量传递给海洋而产生的。能量传递速率和风速有关，也和风与水相互作用的距离有关。中国是世界上主要的波能研究开发国家之一。从8O年代初开始主要对固定式和漂浮式振荡水柱波能装置以及摆式波能装置等进行研究。,1985年中科院广州能源研究所开发成功利用对称翼透平的航标灯用波浪发电装置。经过十多年的发展，已有6O瓦至45O瓦的多种型号产品并多次改进，目前已累计生产600多台在中国沿海使用，并出口到日本等国家。,（3）盐度梯度能在淡水与海水之间有着很大的渗透压力差（相当于240m的水头）。中国西安冶金建筑学院于1985年对水压塔系统进行了试验研究。上水箱高出渗透器约10米，用3O公斤于盐可以工作814小时，发电功率为0912瓦。,盐差能开发的技术关键是膜技术。除非半渗透膜的渗透流量能在目前水平的基础上再提高一个数量级，并且海水可以不经预处理，否则，盐差能利用难以实现商业化。,（4）海洋热能海洋表层温度较高，而深处则温度较低。海洋热能就是以这种温度差的形式存在于海洋中的。1980年台湾电力公司曾计划将第3和第4号核电厂余热和海洋温差发电并用。经过3年的调查研究，确定台湾东岸及南部沿海具有开发海洋热能的自然条件，并初步选择花莲县的平溪口、石梯坪及台东县樟原等三地做厂址，并与美国进行联合研究。,1985年中国科学院广州能源研究所开始对温差利用中的一种“雾滴提升循环”方法进行研究。这种方法的原理是利用表层和深层海水之间的温差所产生的培降来提高海水的位能。据计算，温度从2OC降到7C时，海水所释放的热能可将海水提升到125米的高度，然后再利用水轮机发电。,该方法可以大大减小系统的尺寸，并提高温差能量密度。1989年，该所在实验室实现了将雾滴提升到21米的高度记录。同时，该所还对开式循环过程进行了实验 室研究，建造了两座容量分别为1O瓦和6O瓦的试验台。,海洋热能利用前景和展望当前海洋热能转换电站对常规能源的竞争力主要取决于它的副产品的市场及价格。其中，空调，海产养殖和淡化水估计将对输出电力的单位成本起到最大的调节作用。一座1Mw海洋热能转换电站排放的冷却水可以替代10MW的空调。经可靠示范后，在十分需要空调的地区，即使是在当前的投资费用下，海洋热能发电也是经济的。,不过，只有当电站设在岸上，用深海冷水为电站提供冷却用水时，海洋热能转换电站才有可能在降温方面发挥作用。根据这一情况，太平洋岛屿，加勒比海地区以及墨西哥湾沿海地区将是最大的市场。在那些不适宜建造大型常规基本符合电站的地区，可建造适合规模的海洋热能转换电站来满足当地对电力的有限需求,我国的台湾省东岸外表层水与深层水的温度差，全年都保持在20以上，离东岸不远处的水深急剧加大，因而，可在岸上建立海洋热能发电厂，可以不需很长的冷水管。利用海洋热能发电，除生产无环境污染的洁净能源以外，还可生产具有很大经济价值的副产品。,如海水养殖、药品、冷藏、空调、淡水等。正是基于对以上条件和优点的认识，台湾能源委员会在1988年提出了一项“海洋热能综合开发规划”，次年由太平洋国际高技术研究中：为该规划拟定了一个发展计划。,（1）规划的目的、范围和项目该规划的主要目的是制定在台湾实施海洋热能发电商用化所需的步骤。设计、建造和验一座5兆瓦的小规模试验性发电厂。是朝商用化迈出的第一步，规划的重点是提供一种设计合理、循序渐进的方法，以便在台湾设计和建造一座综合性海洋热能试验发电厂和海水养殖场。,该试验厂包括(1)净发电量为5兆瓦的海洋热能试验发电厂(配备有泵、冷暖水和排水管组成的海水系统)(2)能量转换系统(3)相配套的海水养殖场。,这项规划准备分两个阶段共用7年的时间完成各种设计和建设工作。第一阶段要完成初步设计和预先设计；第二阶段将虽后设计与试验电厂、配套海水养殖场的建设和验收试验结合进行。,通过5兆瓦试验电厂和配套养殖场的设计、建设 安装和经营，可获得大量资料和实践经验，从而为设计和建设大型商用规模的海洋热能发电厂与海水养殖场创造条件。这套综合试验设备可用来有效地开发台湾和海洋自然资源。,技术转让也是该规划的一个重要目的。通过这种转让，可以加强台湾的技术与工程能力。将挑选几家地方公司与该系统综合承包公司及子项目承包公司来共同完成该项规划。,（2）设计与技术考虑在过去10年间，有好几家国际和地方公司及其他组织对台湾海洋热能发电系统的可行性和初步设计进行了大量研究和调查，发展计划的出发点就是这些调查的结果。调查中对美、日、法海洋热能发电概念和实际系统进行了大量论证和实验研究，发展计划中的基线设计和技术考虑就是以这些研究结果作为依据。,为了使技术性风险减到最低限度，计划中提出选用精心研制的封闭循环系统来设计试验电厂。经过研究，台湾东海岸河平和昌原是建设海洋热能发电厂的最理想地点，其中河平更好。基线设计包括一个5兆瓦岸基发电系统。,设在海底的冷水管道由近岸区的混凝土建筑和玻璃钢增强塑料构成 排水管如暖水管由混凝土建筑构成。海水养殖场同时作为试验电厂的格架进行建设。主发电系统由两台总发电量为35 兆瓦发电机(以氨作为工作液体，组成。,每台35兆瓦机组将驱动一台氨涡轮发电机组 作为基线设计，每个机组中还有两台蒸发量为50 的燕发装置和冷凝量为50 的两台冷凝器，铝板型热交换器用作基线设计。用于防治污损生物的次氯酸钠和二氧化氯喷射系统要放在选养种类和当地环境中进行评价。,从实验电厂发出的电力通过输电线送到配套变压器，然后再送到台湾电力公司的电网 其他岸上设备包括；氨的储存、转运和净化系统。涡轮发电机辅助系统，蒸发器与冷凝器除气系统，管道系统，发电厂的其他辅助系统，仪表和控制设备。,试验发电厂设有三套海水管道分系统；冷水管、热水管和排水管。在海水系统建设中，危险性最大的是冷水管部分。因在深海敷设这类管道的技术和经验十分不足，全世界也只在少数海域进行过这种作业，因而需要设计出最好的建设与铺设方案以弥补经验与知识的不足。,许多设计取决于资料的收集，如精确的管道路线、海流及地震概率等。因此，首先要获得环境资料，然后决定铺设方法、锚泊技术和建设方案。计划中借鉴了夏威夷铺设冷水管的经验。,据计算，5兆瓦试验电厂的冷水管最小内径为25米，要求有达到额定深度为1公里的适宜长度。通过水管中的流速为25米秒，流量为125米 秒(水温为5)，冷水管的近岸部分(60米以浅)为水泥管，横越破波带的那一段需要埋好。,冷水管的下部(即60米至l公里深处)采用玻璃钢增强塑料管，这部分管子要固定在跨距为150米的海底基座上沿海底陡坡下延。冷水管入口距海底要有一定高度，以免抽吸近底层海水。进水口端还要安装一十流速罩，以消除垂直速度分量。该罩要设计得同时起到保护栅的作用，以防大型海洋生物的进入或缠绕。,暖水可在电厂就近获得。可在与冷水进水口相反一侧的静水池或通过水泥暖水管抽取。作为一种基线设计，要考虑到使暖水流量为冷水的15倍。排水管要安装在海底，其内径与长度决定于初步设计。通过排水管的流速约20米秒，流量为315米 秒(水温l7)。,这种排水管类似于浅水部分的冷水管与暖水管，也是水泥管，被安装在沿海底放置的块体上必要时要开沟埋放。其排水端要呈喇叭形，以减少排水过程中的能量损耗。发展计划中还包括一个陆基海水养殖场，要与试验电厂建在一起，要求养殖最佳种类的海产品。,该计划为养殖场的蓄养建筑设计了几种可行方案。可采用水槽、土地 长条水池或海上网箱。蓄养建筑的选择要依当地自然条件而定 若选用水池或海上方法，可采用现在通用的各种技术。水槽或长条水池可进行高密度养殖，能最充分地利用电厂用过的海水，因而，这是一些最合适的蓄养建筑。若选用后者，还要对所采用的那些系统进行研究。,海洋热能综合开发规划是由许多功能上相互有关的部分组成的一个综合系统。该系统的工程技术将用于确保各组成部分(如发电厂、养殖场、海水系统、蓄养建筑、电力公司精电网和配电站以及输电基础结构)形成一个完整的综合体。,（3）规划的实施步骤该发展计划分两步完成。第一阶段鬻准备一份环境评价报告，并要获得环保局韵批准。承包公司要选点，进行发电厂、海水系统和海水养殖场的初步设计与预先设计，向中选的当地公司进行技术转让，为电力公司提供技术培训。通过监测系统获取建厂点所需海洋学资料。,该阶段要制定完善的管理计划，完成详细的成本估算等工作。还要根据深海测量资料制定管道铺设战略，对冷水管进行海上试验评价。据估计，需要将近一年的时间来完成环境评价，获得批准要等4个月。第一阶段提出的初始海水养殖试验要为第二阶段海水养殖场的最后建设提供必需的设计资料和经验。,第一期计划要在两年内完成，投资660万美元。第二阶段包括5兆瓦海洋热能发电厂和海水养殖场的最终设计、建设及验收试验。这期工程约需5年时间，投资7 255万美元。总共要用7年的时间来完成试验电厂和与之相配套的海水养殖工程，总投资为7 915万美元。,在这项规划的实施过程中，将产生大量技术情报、成本核算和经营方面的资料，并将积累许多有价值的工程建设经验。在成功地完成试验电厂之后便可投入商用海洋热能发电厂的设计、建设、试验和运营。根据对试验电厂设计资料的分析比较，估计9年以后即可设计和建设商用规模的海洋热能发电厂。,