现代海洋能发电技术

　　今后的5-10年内，潮汐能将得到更大规模的应用，波浪能和海流能将逐步产业化。作为战略能源资源的温差能将在2020年左右，在海洋开发中发挥重要作用。结合中国的具体情况，建议近期重点研究潮汐发电机组技术、百千瓦级波浪和海流示范装置以及温差能综合利用试验装置。
　　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。
　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。
　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。
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。
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。
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。
　　海洋能利用的基本原理
　　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。
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。
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。
单库双向型
　　单库双向型有两种设计方案。第一种方案利用两套单向阀门控制两条向水轮机引水的管道。在涨潮和落潮时，海水分别从各自的引水管道进入水轮机，使水轮机单向旋转带动发电机。第二种方案是采用双向水轮机组。
双库单向型
　　这个方案采用两个水力相联的水库，可实现潮汐能连续发电。涨潮时，向高贮水库充水；落潮时，由低贮水库排水，利用两水库间的水位差，使水轮发电机组连续单向旋转发电；其缺点是要建两个水库，投资大且工作水头降低。
　　潮汐发电的关键技术主要包括低水头、大流量、变工况水轮机组设计制造；电站的运行控制；电站与海洋环境的相互作用，包括电站对环境的影响和海洋环境对电站的影响，特别是泥沙冲淤问题；电站的系统优化，协调发电量、间断发电以及设备造价和可靠性等之间的关系；电站设备在海水中的防腐等。
波浪能转换的原理与技术
　　波浪发电是波浪能利用的主要方式，此外，波浪能还可以用于抽水、供热、海水淡化以及制氢等。波浪能利用装置的种类繁多，有关波能装置的发明专利超过千项。因此，波能利用又被称为发明家的乐园。但这些装置大部源于几种基本原理，即：利用物体在波浪作用下的振荡和摇摆运动；利用波浪压力的变化；利用波浪的沿岸爬升将波浪能转换成水的势能等。经过70年代对多种波能装置进行的实验室研究和80年代进行的实海况试验及应用示范研究，波浪发电技术已逐步接近实用化水平，研究的重点也集中于3种被认为是有商品化价值的装置，包括振荡水柱式装置、摆式装置和聚波水库式装置。
　　波浪发电装置大都可看作为一个包括三级能量转换的系统。一般说来，一级能量转换机构直接与波浪相互作用，将波浪能转换成装置的动能、或水的位能或中间介质（如空气）的动能与压能等；二级能量转换机构将一级能量转换所得到的能量转换成旋转机械的动能，如水力透平、空气透平、液压马达等；三级能量转换将旋转机械的动能通过发电机转换成电能。以下分别介绍上述三种最有前途的装置能量转换原理及过程。
振荡水柱波能装置
　　振荡水柱波能装置可分为漂浮式和固定式两种。目前已建成的振荡水柱波能装置都利用空气作为转换的介质。其一级能量转换机构为气室，二级能量转换机构为空气透平。气室的下部开口在水下与海水连通，气室的上部也开口（喷嘴），与大气连通。在波浪力的作用下，气室下部的水柱在气室内作强迫振动，压缩气室的空气往复通过喷嘴，将波浪能转换成空气的压能和动能。在喷嘴安装一个空气透平并将透平转轴与发电机相连，则可利用压缩气流驱动透平旋转并带动发电机发电。振荡水柱波能装置的优点是转动机构不与海水接触，防腐性能好，安全可靠，维护方便。其缺点是二级能量转换效率较低。
摆式波能装置
　　摆式波能装置也可分为漂浮式和固定式两种。摆体是摆式装置的一级能量转换机构。在波浪的作用下，摆体作前后或上下摆动，将波浪能转换成摆轴的动能。与摆轴相联的通常是液压装置，它将摆的动能转换成液力泵的动能，再带动发电机发电。摆体的运动很适合波浪大推力和低频的特性。因此，摆式装置的转换效率较高，但机械和液压机构的维护较为困难。摆式装置的另一优点是可以方便地与相位控制技术相结合。相位控制技术可以使波能装置吸收到装置迎波宽度以外的波浪能，从而大大提高装置的效率。
聚波水库波能装置
　　聚波水库装置利用喇叭型的收缩波道，作为一级能量转换机构。波道与海连通的一面开口宽，然后逐渐收缩通至贮水库。波浪在逐渐变窄的波道中，波高不断地被放大，直至波峰溢过边墙，将波浪能转换成势能贮存在贮水库中。收缩波道具有聚波器和转能器的双重作用。水库与外海间的水头落差可达3一8m，利用水轮发电机组可以发电。聚波水库装置的优点是一级转换没有活动部件，可靠性好，维护费用低，系统出力稳定。不足之处是电站建造对地形有要求，不易推广。
　　波浪能利用中的关键技术主要包括：波浪的聚集与相位控制技术；波能装置的波浪载荷及在海洋环境中的生存技术；波能装置建造与施工中的海洋工程技术；不规则波浪中的波能装置的设计与运行优化；往复流动中的透平研究等。
海洋温羌能的转换原理与捡求
　　除了发电之外，海洋温差能利用装置还可以同时获得淡水、深层海水、进行空调并可以与深海采矿系统中的扬矿系统相结合。因此，基于温差能装置可以建立海上独立生存空间并作为海上发电厂、海水淡化厂或海洋采矿、海上城市或海洋牧场的支持系统。总之，温差能的开发应以综合利用为主。
　　海洋温差能转换主要有开式循环和闭式循环两种方式。
开式循环发电系统
　　开式循环系统主要包括真空泵、温水泵、冷水泵、闪蒸器、冷凝器、透平一发电机组等部分。真空泵先将系统内抽到一定的真空，接着起动温水泵把表层的温水抽入闪蒸器，由于系统内已保持有一定的真空度，所以温海水就在闪蒸器内沸腾蒸发，变为蒸汽。蒸汽经管道由喷嘴喷出推动透平运转，带动发电机发电。从透平排出的低压蒸汽进入冷凝器，被由冷水泵从深层海水中抽上的冷海水所冷却，重新凝结为水，并排入海中。在此系统中，作为工作介质的海水，由泵吸入闪蒸器蒸发）推动透平作功一经冷凝器冷凝后直排人海中，故称此工作方式的系统为开式循环系统。在开式循环系统中，用海水作工作流体和介质，闪蒸器和冷凝器之间的压差非常小。因此，必须充分注意管道等的压力损耗、且使用的透平尺寸较大。开式循环的副产品是经冷凝器排出的淡水，这是它的有利之处。
闭式循环发电系统
　　闭式循环系统不以海水而采用一些低涕点的物质（如丙烷、氟利昂、氨等）作为工作介质，在闭合回路内反复进行蒸发、膨胀、冷凝。因为系统使用低沸点的工作介质，蒸汽的工作压力得到提高。
　　闭式循环与开式循环的系统组件及工作方式均有所不同，开式系统中的闪蒸器改为蒸发器。当温水泵将表层海水抽上送往蒸发器时，海水自身并不蒸发；而是通过蒸发器内的盘管把部分热量传递给低沸点的工作流体，如氨水。温水的温度降低，氨水的温度升育并开始沸腾变为氨气。氨气经过透平的叶片通道，膨胀作功，推动零平旋转。透平排出的氨气进入冷凝器、在冷凝器内由冷水泵抽上的深层冷海水冷却后重新变为液态氨，再用氨泵（工质泵）把冷凝器中的液态氨重新压进蒸发器，以供循环使用。
　　闭式循环系统由于使用低沸点工质，可以大大减小装置，特别是透平机组的尺寸。但使用低沸点工质会对环境产生污染。
　　温差能利用的最大困难是温差大小，能量密度太低。温差能转换的关键是强化传热传质技术。同时，温差能系统的综合利用，还是一个多学科交叉的系统工程问题。
　　海流能利用的关键技术
　　海流能的利用方式主要是发电，其原理和风力发电相似，几乎任何一个风力发电装置都可以改造成为海流发电装置。但由于海水的密度约为空气的1000倍，且装置必须放于水下。故海流发电存在一系列的关键技术问题，包括安装维护、电力输送、防腐、海洋环境中的载荷与安全性能等。此外，海流发电装置和风力发电装置的固定形式和透平设计也有很大的不同。海流装置可以安装固定于海底，也可以安装于浮体的底部，而浮体通过锚链固定于海上。海流中的透平设计也是一项关键技术。
　　盐差能的转换
　　盐差能的利用主要是发电。其基本方式是将不同盐浓度的海水之间的化学电位差能转换成水的势能，再利用水轮机发电，具体主要有渗透压式、蒸汽压式和机协化学式等，其中渗透压式方案最受重视：
　　将一层半透膜放在不同盐度的两种海水之间，通过这个膜会产生一个压力梯度，迫使水从盐度低的一侧通过膜向盐度高的一侧渗透，从而稀释高盐度的水，直到膜两侧水的盐度相等为止。此压力称为渗透压，它与海水的盐浓度及温度有关。下面介绍两种渗透压式盐差能转换方法。
　　水压塔渗透压系统
　　压塔渗透压系统主要由水压塔、半透膜、海水泵、水轮机一发电机组等组成。其中水压塔与淡水问由半透膜隔开，而塔与海水之间通过水泵连通）系统的工作过程如下：先由海水泵向水压塔内充入海水。伺时，由于渗透压的作用，淡水从半透膜向水压垮内渗透，使水压塔内水位上升。当塔内水位上升到一定高度后，便从塔顶的水槽溢出，冲击水轮机旋转，带动发电机发电。为了使水压塔内的海水保持一定的盐度、必须用海水泵不断向塔内打入海水，以实现系统连续工作，扣除海水泵等的动力消耗，系统的总效率约为20％左右。
　　强力渗压系统
　　强力系统的能量转换方法是在河水与海水之间建两座水坝分别称为前坝和后坝，并在两水坝之间挖一低于海平面约200m的水库。前坝内安装水轮发电机组，使河水与低水库相连，而后坝底部则安装半透膜渗流器，使低水库与海水相通。系统的工作过程为：当河水通过水轮机流入低水库时，冲击水轮机旋转并带动发电机发电。同时，低水库的水通过半透膜流入海中，以保持低水库与河水之间的水位差。理论上这一水位差可以达到240m。但实际上要在比此压差小很多时，才能使淡水顺利通过透水而不透盐的半透膜直接排人海中。此外，薄膜必须用大量海水不断地冲洗才能将渗透过薄膜的淡水带走，以保持膜在海水侧的水的盐度，使发电过程可以连续。
　　渗透压式盐差能发电系统的关键技术是膜技术和膜与海水介面间的流体交换技术。