海洋能发电装置的分析和展望

李思超　王世明　胡海鹏　任楼华

【摘 要】随着人类的发展，对陆地资源的开采，带来了温室效应、大气污染、生物多样性减少等问题，为了解决这些问题，世界各国已在大力发展海洋能。海洋能是一种种类丰富、储量巨大、可二次利用的清洁能源，现在已经研究出多种装置，本文通过对各种海洋能的简述、主流发电的装置的分析，并分析各个装置的优缺点以及对海洋能的未来利用的展望。

【关键词】海洋能；发电装置；未来展望

中图分类号： TP311.52 文献标识码： A 文章编号： 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

能源缺少和环境破坏是当今社会面临的十分严峻的问题，随着时代的发展，科技的进步，人们利用能源的总量也在不断的增长，现在对化石能源的使用量更是急剧上升，因此导致了一系列的环境问题资源短缺、大气污染、自热环境破坏，因此，能源问题也成了世界性的问题。

据统计，全世界海洋能的理论可再生量超过760亿千瓦。地球上海洋所具有海洋能的理论值是目前世界总发电量的数百倍。其中，其中海水温差能约400亿千瓦，盐度差能约300亿千瓦，潮汐能大于30亿千瓦，波浪能约30亿千瓦。有着十分广阔的商业前景和战略价值，目前，世界各国正竞相探索海洋能开发利用技术。本文将对各类海洋能发电进行简单分析、以及对海洋能发电未来的展望。

1 波浪能发电

波浪能是一种分布广泛且储量巨大的能量，无处不在，如何可以很好的利用波浪能发电，将对我国乃至世界都有深远的影响，目前在海洋能的利用当中，对波浪能的利用较为成熟，波浪能发电主要原理是通过波浪的运动带动机械装置运动，从而带动发电装置进行发电。波浪能发电装置一般由3—4级能量转换部分组成，一级能量装置直接与海水接触，转换为装置的机械能或水的势能，二级能量转换装置通过水力透平、空气透平，将机械能转化为旋转动能，三级能量装置通过发电机将动能转化为电能，按其结形式分主要有振荡水柱式、摆式、筏式、鸭式、收缩波道式、震荡浮子式[1]各种形式的详细介绍在下文中讲到。

1.1 震荡水柱式

震荡水柱式波浪能发电是目前应用最广泛的发电装置，装置主要由一个气室（装置在海面下有一个开口或者气孔，用来海水的进入）、空气透平装置以及发电机构成。主要原理是通过波浪的运动导致水流通过小孔进入气室，波浪不停地上下波动导致了水柱也不断的震荡，从而产生气流，气流通过小孔产生压力进入空气透平装置，压力推动空气涡轮机转动进而产生电力[2]。

1.2 摆式

其发电基本原理为利用摆在波浪的作用下作做规律性的往复摆动来捕获海洋能量，从而带动与之相连的机械系统或液压装置进行运动，将波浪能转化为机械能或液压能，最后通过与它连接的发电装置进行发电。摆式发电装置的液压装置一般与摆板的轴相连，利用摆体运动产生的动能转化为液压泵的动能，再通过泵的运动来使发电装置进行发电因此体的运动很适合波浪大推力和低频的特性[3]。其转化效率较高，但不足之处在于液压装备和传动装置的设备成本较高及维护比较困难。

1.3 筏式

筏式发电装置发电主要是由基本阀体在波浪的运动下发生相对运动，阀体是由多个浮体铰接而成，铰接处有能量转换装置比如液压装置。由于相对运动，对每一个铰接处进行反复挤压，使液压装置不断运动，将海洋能转化為液压能或机械能，再通过发电机将动能转化为电能进行发电[4]。由于其各个浮体之间都有位移角，即使在大风大浪的环境中使用也不会出较大的损害，所以具有较好的抗风浪能力。

1.4 鸭式

这一装置是由英国爱丁堡大学的Stephen Salter 博士于1974年发明的。它是一种独特的波能转换方法，可以最大限度地将其固有周期与波浪周期相配，提高波浪能的利用效率，使二维正弦波的转换效率可接近90%[5]。因该装置的形状和运动特性酷似鸭的运动，故而得名点头鸭。其凸轮形状为鸭蛋形，分为两端，前端为迎浪面，后端为背浪面，波浪的运动带动凸轮绕轴旋转，流体静压力的改变又使鸭体做上升和下沉的往复运动。波浪的运动周期与这两种压力所产生的运动周期是同相位的，因此能量捕获效率很高，捕获得到的能量再通过机械装置或液压装置将能量转化为电能[6]。endprint

1.5 振荡浮子式

振荡浮子式发电装置是在振荡水柱式发电装置的基础上发展起来的发电装置，其工作原理主要是通过波浪能的运动，带动浮子不断进行摆动、垂荡，再通过机械系统或者液压装置将收集到的动能和势能储存起来，利用发电机驱动发电完成能量转换。

1.6 收缩波道式

收缩波道式发电装置是一种基于聚波理论的能量转换装置，收缩波道式发电装置主要是由一个高位水库（高于海平面）、一个收缩波道（由宽变窄）、一个水轮机和一个发电机所组成。其原理是利用波道作为一级能量转换机构，与海连通的一面开口宽，然后逐渐收缩通至贮水库。随着波道的收缩，波高会逐渐升高，直至波峰溢出由混凝土制成的边墙，陡然落下，将海洋能转换成势能，再通过水轮机发电机来进行发电，从而完成能量的转换[7]。

2 潮汐能发电

潮流能发电主要是指在海湾、海峡、河口、等流域一带，经常会有较大潮水的潮落，引起较强的潮流，潮流能发电的工作原理就是通过潮流直接冲击叶片等机械装置而进行发电，主要由水轮机、发电机、传动系统、控制系统等组成。根据水轮机轴向与水流方向的关系可将水轮机分为水平轴式和竖轴式两种[8]。

水平轴潮流能发电装置主要由叶片、轮毂、传动系统、发电机、塔架组成，其塔架将装置固定在水下，保持水流方向和叶轮旋转轴方向垂直，在水流的切向力作用下，叶片随着水流的流动开始旋转，获得动能，从而带动传动机构将动能转化为电能进行发电。与水平轴潮流能发电装置相比，竖直轴潮流能发电装置没有对水机构，其他结构类似[9]。竖直轴潮流能发电装置水流方向和叶轮旋转轴方向平行。該装置在海水的流动作用的冲击下，受到一个向上的升力，叶轮得到动能并开始旋转，再通过发电装置进行发电完成能量得转换。

3 海水温差能发电

海水温差能是指由于太阳辐射，随着海水深度的增加，其温度随之下降，表面温度和水下温度形成温差，含有十分丰富的热能。据估计每6000万平方公里的热带海洋每天吸收的热量相当于2500亿桶原油所含的能量，所以如何利用这些热能进行发电，成为了人类研究的方向，海洋温差能发电中最常利用的技术就是海洋热能转换（OTEC）其原理较简单，就是利用表层25℃的温海水与深层5℃的冷海水的温差进行发电[10]。

工作方式可分为三种方式，一，开式循环系统，开式循环系统以表层水作为工作流体，海水在小于水泵的压力下蒸发变成水蒸气，然后进入涡轮机等机械装置进行转化，输出电能，最终海水进入冷凝装置由冷海水冷却成液体。二，闭式循环系统，闭式循环系统是以甲烷、氨等沸点低的物质作为工作流体，然后由表面较热的海水加热蒸发，经过发电装置，再由海面下的冷海水进行冷却。三，混合式循环系统，即开式和闭式综合的循环系统[11]。

4 盐差能发电

盐差能是指由于两种溶液的盐度不同，所形成的化学电位差能。在江河口中，由于海水与淡水之间的浓度不同，以一种化学能的形式储存在海水中，据统计，全球可供利用的盐差能理论发电功率可达2.6TW[12]。

常以渗透压的形式表现出来，渗透压是指将两种不同浓度的溶液放在同一个容器中，并用半透膜隔开，发生的渗透现象。水分子由低浓度一端流向高浓度一端，产生水位差，利用电机将这部分势能转化为电能，就是盐差能发电的主要研究方向。目前将盐差能转化为电能的方法主要有渗透压力法、反电渗析法和蒸汽压力法三种。渗透压力法即利用海水与淡水之间的盐度差，进而利用它们之间的渗透压来推动机械装置，带动发电机来进行发电。反电渗析法是利用阴阳离子交换膜将海水与淡水隔开，阴阳离子会在溶液中定向流动，接入负载后会有电流产生[12]。蒸汽压力法是指随着温度升高，淡水和盐水变成蒸汽，利用两种蒸汽之间的压力差推动机械装置进行工作，产生电能完成转换。

5 海洋能发电装置及优缺点

6 海洋能发电装置的未来展望

海洋能是一种清洁无污染、可再生的新型能源，其存储量巨大、分布范围广，随着人类的发展，资源的短缺以及环境的破坏，开发海洋能已经是不可阻挡的未来趋势，目前世界各国都在积极研发效率更高，更大规模适用的海洋能利用装置。我国海岸线长达1.8万千米，海域面积470多万平方千米，海洋能资源非常丰富。因此大力发展海洋能也是未来发展的趋势，对我国有重要的战略意义。

本文通过对各类海洋能的分析，以及对海洋能发电装置类别的分析，波浪能在海洋中无处不在，而且受时间限制相对较小同时波浪能的能流密度大，因此各国都很重视对波浪能的利用，是未来海洋能利用的主要方向，在波浪能当中，发电装置多样化，振荡浮子式波浪能发电装置因为其效率高、成本低、可靠性好，因此是今后波浪能发电装置的重要发展[1]。

潮流能发电技术也已经较为成熟，然而由于潮流能发电技术还未最终成型，现阶段由于缺少潮流能量发电系统海上长期运行的性能和成本数据，所以很难对某一种发电装置进行明确的评定目前还没有一种形式的潮流能量转换装置具有明显的技术优势而被广为认可[13]本文介绍了潮流能发电的主要两种形式，即水平轴发电装置与竖直轴发电装置，由于水平轴发电装置结构简单、成本较小、开发较为灵活，目前主要应用形式为水平轴发电。但是由于竖直轴发电装置不需要偏航机构不受水流影响，受到越来越多的关注。

海洋温差能在理论上、技术上都是可行的，但在实际生产当中，却仍没有一个示范性商业电站投入运行，其首要原因是经济性问题[14]。

其设备费用过于高昂，成本太高，以及技术难题，比如半透膜的选材、提高传电器具的效率。并且在地理上也有一定的限制性，海水温差必须在20度以上才能进行发电，但是我国温差能90%分布在南海，理论储量为14.4×1021～15.9×1021J。海洋温差能的合理运用，对解决我国能源环境问题有着非常积极的作用，也存在着巨大的商业潜力。

全球可供利用的盐差能发电功率能够达到 2.6TW，我国可供利用的盐差能约0.1TW[15]，但是由于盐差能对环境要求苛刻、成本高昂，开发难度很大，目前并不成熟，国内外研究资料都有限，本文介绍了渗透压力法、反电渗析法、蒸汽压力法三种主流方法，渗透压力法、反电渗析法前景较为乐观，由于蒸汽压力法置过于庞大，而且所需的投资费用高昂，目前整体上还停留在理论研究阶段[16]。

总而言之，海洋能对我国乃至世界都有着巨大的影响，尤其是在陆地资源日渐匮乏的情况下，发展海洋能更是必然趋势。目前人类对海洋能的认识和使用已经取得了一定的成就，但仍存在一些技术上的缺陷，建造与维修成本较高，效率较低，还不能够普及。相信在科研人员的努力下，一定可以解决这些问题，将海洋能发电运用于各个行业，解决世界上的能源问题，真正做到为人们的生活、工作做出贡献。

【参考文献】

[1]张丽珍，羊晓晟，王世明，梁拥成.ZHANG Li-zhen，YANG Xiao-sheng，WANG Shi-ming，LIANG Yong-cheng.海洋波浪能发电装置的研究现状与发展前景[J].湖北农业科学，2011（1），50（1）：161-164.

[2]姚琦，王世明，胡海鹏.波浪能发电装置的发展与展望[J]，海洋开发与管理，2016（1）：86-92.

[3]张文喜，叶家玮.摆式波浪能发电技术研究[J].广东造船，2011，30（1）：20-22.

[4]杨绍辉，何宏舟，陈沪，等.阵列筏式波浪能发电系统设计与试验研究[J].机械工程学报，2016，52（11）：57-62.endprint