海洋能發(fā)電裝置的分析和展望

李思超　王世明　胡海鵬　任樓華

【摘 要】隨著人類的發(fā)展，對陸地資源的開采，帶來了溫室效應、大氣污染、生物多樣性減少等問題，為了解決這些問題，世界各國已在大力發(fā)展海洋能。海洋能是一種種類豐富、儲量巨大、可二次利用的清潔能源，現在已經研究出多種裝置，本文通過對各種海洋能的簡述、主流發(fā)電的裝置的分析，并分析各個裝置的優(yōu)缺點以及對海洋能的未來利用的展望。

【關鍵詞】海洋能；發(fā)電裝置；未來展望

中圖分類號： TP311.52 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2017）20-0109-002

Analysis and Prospect of Marine Energy Generator

LI Si-chao WANG Shi-ming HU Hai-peng REN Lou-hua

（School of Engineering，Shanghai Ocean University，Shanghai 201306，China）

【Abstract】With the development of human resources，the exploitation of terrestrial resources has brought about greenhouse effect， air pollution and biodiversity reduction.In order to solve these problems，the world has developed marine energy.The ocean energy is a kind of clean energy with abundant species and huge reserves and can be used twice.Nowadays， a variety of devices have been developed.Through the analysis of various ocean energy，the analysis of the main power generation devices， and the analysis of the various devices Advantages and disadvantages，and prospects for future use of ocean energy.

【Key words】Ocean energy；Power generation device；Future prospect

0 引言

能源缺少和環(huán)境破壞是當今社會面臨的十分嚴峻的問題，隨著時代的發(fā)展，科技的進步，人們利用能源的總量也在不斷的增長，現在對化石能源的使用量更是急劇上升，因此導致了一系列的環(huán)境問題資源短缺、大氣污染、自熱環(huán)境破壞，因此，能源問題也成了世界性的問題。

據統計，全世界海洋能的理論可再生量超過760億千瓦。地球上海洋所具有海洋能的理論值是目前世界總發(fā)電量的數百倍。其中，其中海水溫差能約400億千瓦，鹽度差能約300億千瓦，潮汐能大于30億千瓦，波浪能約30億千瓦。有著十分廣闊的商業(yè)前景和戰(zhàn)略價值，目前，世界各國正競相探索海洋能開發(fā)利用技術。本文將對各類海洋能發(fā)電進行簡單分析、以及對海洋能發(fā)電未來的展望。

1 波浪能發(fā)電

波浪能是一種分布廣泛且儲量巨大的能量，無處不在，如何可以很好的利用波浪能發(fā)電，將對我國乃至世界都有深遠的影響，目前在海洋能的利用當中，對波浪能的利用較為成熟，波浪能發(fā)電主要原理是通過波浪的運動帶動機械裝置運動，從而帶動發(fā)電裝置進行發(fā)電。波浪能發(fā)電裝置一般由3—4級能量轉換部分組成，一級能量裝置直接與海水接觸，轉換為裝置的機械能或水的勢能，二級能量轉換裝置通過水力透平、空氣透平，將機械能轉化為旋轉動能，三級能量裝置通過發(fā)電機將動能轉化為電能，按其結形式分主要有振蕩水柱式、擺式、筏式、鴨式、收縮波道式、震蕩浮子式[1]各種形式的詳細介紹在下文中講到。

1.1 震蕩水柱式

震蕩水柱式波浪能發(fā)電是目前應用最廣泛的發(fā)電裝置，裝置主要由一個氣室（裝置在海面下有一個開口或者氣孔，用來海水的進入）、空氣透平裝置以及發(fā)電機構成。主要原理是通過波浪的運動導致水流通過小孔進入氣室，波浪不停地上下波動導致了水柱也不斷的震蕩，從而產生氣流，氣流通過小孔產生壓力進入空氣透平裝置，壓力推動空氣渦輪機轉動進而產生電力[2]。

1.2 擺式

其發(fā)電基本原理為利用擺在波浪的作用下作做規(guī)律性的往復擺動來捕獲海洋能量，從而帶動與之相連的機械系統或液壓裝置進行運動，將波浪能轉化為機械能或液壓能，最后通過與它連接的發(fā)電裝置進行發(fā)電。擺式發(fā)電裝置的液壓裝置一般與擺板的軸相連，利用擺體運動產生的動能轉化為液壓泵的動能，再通過泵的運動來使發(fā)電裝置進行發(fā)電因此體的運動很適合波浪大推力和低頻的特性[3]。其轉化效率較高，但不足之處在于液壓裝備和傳動裝置的設備成本較高及維護比較困難。

1.3 筏式

筏式發(fā)電裝置發(fā)電主要是由基本閥體在波浪的運動下發(fā)生相對運動，閥體是由多個浮體鉸接而成，鉸接處有能量轉換裝置比如液壓裝置。由于相對運動，對每一個鉸接處進行反復擠壓，使液壓裝置不斷運動，將海洋能轉化為液壓能或機械能，再通過發(fā)電機將動能轉化為電能進行發(fā)電[4]。由于其各個浮體之間都有位移角，即使在大風大浪的環(huán)境中使用也不會出較大的損害，所以具有較好的抗風浪能力。

1.4 鴨式

這一裝置是由英國愛丁堡大學的Stephen Salter 博士于1974年發(fā)明的。它是一種獨特的波能轉換方法，可以最大限度地將其固有周期與波浪周期相配，提高波浪能的利用效率，使二維正弦波的轉換效率可接近90%[5]。因該裝置的形狀和運動特性酷似鴨的運動，故而得名點頭鴨。其凸輪形狀為鴨蛋形，分為兩端，前端為迎浪面，后端為背浪面，波浪的運動帶動凸輪繞軸旋轉，流體靜壓力的改變又使鴨體做上升和下沉的往復運動。波浪的運動周期與這兩種壓力所產生的運動周期是同相位的，因此能量捕獲效率很高，捕獲得到的能量再通過機械裝置或液壓裝置將能量轉化為電能[6]。endprint

1.5 振蕩浮子式

振蕩浮子式發(fā)電裝置是在振蕩水柱式發(fā)電裝置的基礎上發(fā)展起來的發(fā)電裝置，其工作原理主要是通過波浪能的運動，帶動浮子不斷進行擺動、垂蕩，再通過機械系統或者液壓裝置將收集到的動能和勢能儲存起來，利用發(fā)電機驅動發(fā)電完成能量轉換。

1.6 收縮波道式

收縮波道式發(fā)電裝置是一種基于聚波理論的能量轉換裝置，收縮波道式發(fā)電裝置主要是由一個高位水庫（高于海平面）、一個收縮波道（由寬變窄）、一個水輪機和一個發(fā)電機所組成。其原理是利用波道作為一級能量轉換機構，與海連通的一面開口寬，然后逐漸收縮通至貯水庫。隨著波道的收縮，波高會逐漸升高，直至波峰溢出由混凝土制成的邊墻，陡然落下，將海洋能轉換成勢能，再通過水輪機發(fā)電機來進行發(fā)電，從而完成能量的轉換[7]。

2 潮汐能發(fā)電

潮流能發(fā)電主要是指在海灣、海峽、河口、等流域一帶，經常會有較大潮水的潮落，引起較強的潮流，潮流能發(fā)電的工作原理就是通過潮流直接沖擊葉片等機械裝置而進行發(fā)電，主要由水輪機、發(fā)電機、傳動系統、控制系統等組成。根據水輪機軸向與水流方向的關系可將水輪機分為水平軸式和豎軸式兩種[8]。

水平軸潮流能發(fā)電裝置主要由葉片、輪轂、傳動系統、發(fā)電機、塔架組成，其塔架將裝置固定在水下，保持水流方向和葉輪旋轉軸方向垂直，在水流的切向力作用下，葉片隨著水流的流動開始旋轉，獲得動能，從而帶動傳動機構將動能轉化為電能進行發(fā)電。與水平軸潮流能發(fā)電裝置相比，豎直軸潮流能發(fā)電裝置沒有對水機構，其他結構類似[9]。豎直軸潮流能發(fā)電裝置水流方向和葉輪旋轉軸方向平行。該裝置在海水的流動作用的沖擊下，受到一個向上的升力，葉輪得到動能并開始旋轉，再通過發(fā)電裝置進行發(fā)電完成能量得轉換。

3 海水溫差能發(fā)電

海水溫差能是指由于太陽輻射，隨著海水深度的增加，其溫度隨之下降，表面溫度和水下溫度形成溫差，含有十分豐富的熱能。據估計每6000萬平方公里的熱帶海洋每天吸收的熱量相當于2500億桶原油所含的能量，所以如何利用這些熱能進行發(fā)電，成為了人類研究的方向，海洋溫差能發(fā)電中最常利用的技術就是海洋熱能轉換（OTEC）其原理較簡單，就是利用表層25℃的溫海水與深層5℃的冷海水的溫差進行發(fā)電[10]。

工作方式可分為三種方式，一，開式循環(huán)系統，開式循環(huán)系統以表層水作為工作流體，海水在小于水泵的壓力下蒸發(fā)變成水蒸氣，然后進入渦輪機等機械裝置進行轉化，輸出電能，最終海水進入冷凝裝置由冷海水冷卻成液體。二，閉式循環(huán)系統，閉式循環(huán)系統是以甲烷、氨等沸點低的物質作為工作流體，然后由表面較熱的海水加熱蒸發(fā)，經過發(fā)電裝置，再由海面下的冷海水進行冷卻。三，混合式循環(huán)系統，即開式和閉式綜合的循環(huán)系統[11]。

4 鹽差能發(fā)電

鹽差能是指由于兩種溶液的鹽度不同，所形成的化學電位差能。在江河口中，由于海水與淡水之間的濃度不同，以一種化學能的形式儲存在海水中，據統計，全球可供利用的鹽差能理論發(fā)電功率可達2.6TW[12]。

常以滲透壓的形式表現出來，滲透壓是指將兩種不同濃度的溶液放在同一個容器中，并用半透膜隔開，發(fā)生的滲透現象。水分子由低濃度一端流向高濃度一端，產生水位差，利用電機將這部分勢能轉化為電能，就是鹽差能發(fā)電的主要研究方向。目前將鹽差能轉化為電能的方法主要有滲透壓力法、反電滲析法和蒸汽壓力法三種。滲透壓力法即利用海水與淡水之間的鹽度差，進而利用它們之間的滲透壓來推動機械裝置，帶動發(fā)電機來進行發(fā)電。反電滲析法是利用陰陽離子交換膜將海水與淡水隔開，陰陽離子會在溶液中定向流動，接入負載后會有電流產生[12]。蒸汽壓力法是指隨著溫度升高，淡水和鹽水變成蒸汽，利用兩種蒸汽之間的壓力差推動機械裝置進行工作，產生電能完成轉換。

5 海洋能發(fā)電裝置及優(yōu)缺點

6 海洋能發(fā)電裝置的未來展望

海洋能是一種清潔無污染、可再生的新型能源，其存儲量巨大、分布范圍廣，隨著人類的發(fā)展，資源的短缺以及環(huán)境的破壞，開發(fā)海洋能已經是不可阻擋的未來趨勢，目前世界各國都在積極研發(fā)效率更高，更大規(guī)模適用的海洋能利用裝置。我國海岸線長達1.8萬千米，海域面積470多萬平方千米，海洋能資源非常豐富。因此大力發(fā)展海洋能也是未來發(fā)展的趨勢，對我國有重要的戰(zhàn)略意義。

本文通過對各類海洋能的分析，以及對海洋能發(fā)電裝置類別的分析，波浪能在海洋中無處不在，而且受時間限制相對較小同時波浪能的能流密度大，因此各國都很重視對波浪能的利用，是未來海洋能利用的主要方向，在波浪能當中，發(fā)電裝置多樣化，振蕩浮子式波浪能發(fā)電裝置因為其效率高、成本低、可靠性好，因此是今后波浪能發(fā)電裝置的重要發(fā)展[1]。

潮流能發(fā)電技術也已經較為成熟，然而由于潮流能發(fā)電技術還未最終成型，現階段由于缺少潮流能量發(fā)電系統海上長期運行的性能和成本數據，所以很難對某一種發(fā)電裝置進行明確的評定目前還沒有一種形式的潮流能量轉換裝置具有明顯的技術優(yōu)勢而被廣為認可[13]本文介紹了潮流能發(fā)電的主要兩種形式，即水平軸發(fā)電裝置與豎直軸發(fā)電裝置，由于水平軸發(fā)電裝置結構簡單、成本較小、開發(fā)較為靈活，目前主要應用形式為水平軸發(fā)電。但是由于豎直軸發(fā)電裝置不需要偏航機構不受水流影響，受到越來越多的關注。

海洋溫差能在理論上、技術上都是可行的，但在實際生產當中，卻仍沒有一個示范性商業(yè)電站投入運行，其首要原因是經濟性問題[14]。

其設備費用過于高昂，成本太高，以及技術難題，比如半透膜的選材、提高傳電器具的效率。并且在地理上也有一定的限制性，海水溫差必須在20度以上才能進行發(fā)電，但是我國溫差能90%分布在南海，理論儲量為14.4×1021～15.9×1021J。海洋溫差能的合理運用，對解決我國能源環(huán)境問題有著非常積極的作用，也存在著巨大的商業(yè)潛力。

全球可供利用的鹽差能發(fā)電功率能夠達到 2.6TW，我國可供利用的鹽差能約0.1TW[15]，但是由于鹽差能對環(huán)境要求苛刻、成本高昂，開發(fā)難度很大，目前并不成熟，國內外研究資料都有限，本文介紹了滲透壓力法、反電滲析法、蒸汽壓力法三種主流方法，滲透壓力法、反電滲析法前景較為樂觀，由于蒸汽壓力法置過于龐大，而且所需的投資費用高昂，目前整體上還停留在理論研究階段[16]。

總而言之，海洋能對我國乃至世界都有著巨大的影響，尤其是在陸地資源日漸匱乏的情況下，發(fā)展海洋能更是必然趨勢。目前人類對海洋能的認識和使用已經取得了一定的成就，但仍存在一些技術上的缺陷，建造與維修成本較高，效率較低，還不能夠普及。相信在科研人員的努力下，一定可以解決這些問題，將海洋能發(fā)電運用于各個行業(yè)，解決世界上的能源問題，真正做到為人們的生活、工作做出貢獻。

【參考文獻】

[1]張麗珍，羊曉晟，王世明，梁擁成.ZHANG Li-zhen，YANG Xiao-sheng，WANG Shi-ming，LIANG Yong-cheng.海洋波浪能發(fā)電裝置的研究現狀與發(fā)展前景[J].湖北農業(yè)科學，2011（1），50（1）：161-164.

[2]姚琦，王世明，胡海鵬.波浪能發(fā)電裝置的發(fā)展與展望[J]，海洋開發(fā)與管理，2016（1）：86-92.

[3]張文喜，葉家瑋.擺式波浪能發(fā)電技術研究[J].廣東造船，2011，30（1）：20-22.

[4]楊紹輝，何宏舟，陳滬，等.陣列筏式波浪能發(fā)電系統設計與試驗研究[J].機械工程學報，2016，52（11）：57-62.endprint