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黄素逸-新能源发电技术介绍

作者:e胜博官网 发布时间:2020-12-06 15:36 点击:

  新能源发电技术华中科技大学能源与动力工程学院黄素逸2013-10-24于西安2013年发电企业节能减排技术论坛 新能源• 太阳能• 风能• 地热能• 海洋能• 生物质能 太阳能概述• 太阳是一个巨大、久远、无尽的能源。尽管太阳辐射到地球大气层的能量仅为其总辐射能量(约为3.75×l0 26 W)的22亿分之一,但已高达1.73×10 17 W,换句话说,太阳每秒钟照射到地球上的能量就相当于500万t煤。 • 地球上的风能、水能、海洋温差能、波浪能和生物质能以及部分潮汐能都是来源于太阳;即使是地球上的化石燃料从根本上说也是远古以来贮存下来的太阳能。• 太阳能既是一次...

  新能源发电技术华中科技大学能源与动力工程学院黄素逸2013-10-24于西安2013年发电企业节能减排技术论坛 新能源 太阳能 风能 地热能 海洋能 生物质能 太阳能概述 太阳是一个巨大、久远、无尽的能源。尽管太阳辐射到地球大气层的能量仅为其总辐射能量(约为3.75×l0 26 W)的22亿分之一,但已高达1.73×10 17 W,换句话说,太阳每秒钟照射到地球上的能量就相当于500万t煤。 地球上的风能、水能、海洋温差能、波浪能和生物质能以及部分潮汐能都是来源于太阳;即使是地球上的化石燃料从根本上说也是远古以来贮存下来的太阳能。 太阳能既是一次能源,又是可再生能源。它资源丰富,既可免费使用,又无需运输,对环境无任何污染。 但太阳能也有两个主要缺点:一是能流密度低;二是其强度受各种因素的影响不能维持常量。这两大缺点大大限制了太阳能的有效利用。 人们对太阳能利用有着悠久的历史。发展到现代,太阳能利用已日益广泛。在高科技的支持下,太阳能被期望成为21世纪的最主要辅助能源。 太阳结构 太阳是太阳系的中心天体,是太阳系里唯一的一颗恒星,也是离地球最近的一颗恒星。 太阳是一个炽热的气态球体,没有固体的星体或核心。太阳是一个炽热的气态球体,没有固体的星体或核心。 它的直径约为1.39×10 6 6 km,是地球的109倍,质量约为2.2×l0km,是地球的109倍,质量约为2.2×l0 27 t,为地球质量的3.32×10t,为地球质量的3.32×10 5 5 倍,体积则比地球大1.3×10倍,体积则比地球大1.3×10 6 6 倍,平均密度为地球的1/4。其主要组成气体为氢(约71%)和氦(约27%)。倍,平均密度为地球的1/4。其主要组成气体为氢(约71%)和氦(约27%)。 由于太阳内部持续进行着氢聚合成氦的核聚变反应,所以不断地释放出巨大的能量,并以辐射和对流的方式由核心向表面传递热量,温度也从中心向表面逐渐降低。太阳能量的99%是由中心的核反应区的热核反应产生的。 由核聚变可知,氢聚合成氦在释放巨大能量的同时,每1g质量将亏损0.0072g。根据目前太阳产生核能的速率估算,其氢的储量足够维持500亿年,因此太阳能可以说是用之不竭的。 太阳外部有“外三层”。依次为光球层、色球层和日冕层。人们肉眼可见的明亮表面就是光球层,我们所见到太阳的可见光,几乎全是由光球发出的。光球层厚约500千米,温度为5762K,密度为10 -6 g/cm 3 ,它是由强烈电离的气体组成,太阳能绝大部分辐射都是由此向太空发射的。 太阳表面结构 光球层 光球并不完美,其表面布满了米粒般的粒状结构,科学家形象地称它们为“米粒组织”,光球上亮的区域叫光斑,暗的黑斑叫太阳黑子 。 所谓太阳黑子是光球层上的黑暗区域,它的温度大约为4500K, 而光球其余部分的温度约为6000K。在明亮的光球反衬下,就显得很黑。 色球层 从光球表面到8000千米高度为色球层,大部分由氢和氦组成。在色球层的边缘常常突然串升一片火舌般的气体,高度达到几万公里,这就是日珥,其温度高达1百万度,高度有时达几十个太阳半径。日珥可谓千姿百态,有的像脱兔,有的如飞鸟,有的如喷泉飞瀑,这里可以算得上是太阳最壮丽的景色了。 日冕层 在色球之上是极其稀薄的高温日冕层,只有在日全食中才能看到一片青白色的日冕光区。 在太阳活动极大年,日冕接近圆形;在太阳宁静年则呈椭圆形。日冕上有冕洞,而冕洞是太阳风的风源。 1973年12月一个巨大的日珥跨越日面588000km 色球层 当太阳上有强烈爆发和日冕物质抛射时,太阳风携带着的强大等离子流可能到达地球极区。这时,在地球两极则可看见瑰丽无比的极光。 从太阳的构造可见,太阳并不是一个温度恒定的黑体,而是一个多层的有不同波长发射和吸收的辐射体。不过在太阳能利用中通常将它视为一个温度为6000K,发射波长为0.3~3m的黑体。 太阳能利用 人类对太阳能的利用已有悠久历史。太阳能利用主要包括太阳能热利用和太阳能光利用。 太阳能热利用应用很广,如太阳能热水、供暖和制冷;太阳能干燥农副产品、药材和木材;太阳能淡化海水;太阳能热动力发电等。 太阳能光利用主要是太阳能光伏发电和太阳能制氢。 太阳能热动力发电 太阳能热动力发电一直是太阳能热利用的主要研究方向,根据太阳能热动力发电系统中所采用的集热器的型式不同,该系统可以分为分散型和集中型两大类。分散型发电系统是将抛物面聚光器配置成很多组,然后把这些集热器串联和并联起来,以满足所需的供热温度。集中型发电系统也称为塔式接受器系统,它由平面镜、跟踪机构、支架等组成定日镜阵列,这些定日镜始终对准太阳,把入射光反射到位于场地中心附近的高塔顶端的接受器上。 太阳能热发电原理热 聚光集热子系统 热- 功- 电转换子系统 蓄热子系统 典型的太阳能光热发电系统 式 碟式 Dish 槽式 Trough 塔式 TowerSolar thermal power system 抛物槽式电站的原理图 聚光集热器主要构成示例 热流体为熔盐的塔式热发电系统工作原理图 以空气为热流体的塔式太阳能热发电系统工作原理 西班牙CESA-1太阳能实验电站 西班牙PS10太阳能实验电站 西班牙Andasol槽式太阳能电站 西班牙Nevada Solar One电站外景 碟式斯特林系统实验电站自由活塞式斯特林发动机 碟式太阳能热发电系统的结构 主动式直接蓄热系统 Solar Two电站的蓄热系统 PS10电站安装中的蓄热水箱 另一种有前途的太阳能热动力发电技术是太阳能烟囱发电。它是在一大片圆形土地上盖满玻璃,圆中心建一高大的烟囱,烟囱底部装有风力透平机。透明玻璃盖板下被太阳加热的空气通过烟囱被抽走,驱动风力透平机发电。这种发电装置简单可靠,在西班牙已建有一座容量为100kW的试验电站。显然这种发电方式非常适合于我国广大的西部地区。 太阳能热气流发电系统太阳辐射加热集热棚内的储热层,棚内空气受热浮升;由于导流筒的抽吸作用,筒内形成稳定的上升热气流;在流动通道上布置风力机可稳定发电。在晚间,储热层蓄积的热量放出,继续稳定发电。蓄热层热惯性很大,滞后效应显著,外界环境及太阳辐射的短时、瞬时波动均可被平滑,故系统的出力相当稳定。 置 导流筒底部沿圆周布置8台 台单机容量单机容量1MW 风力发电机组。太阳辐射60m1000m地表蓄热层500m导流筒5MW太阳能热气流实验示范电站设计风力发电机组风力发电机组导流筒导流筒 核心技术 系统设计技术 新型风力发电机组成套设计制造技术 超高耸建筑结构设计与建造技术 超大规模集热系统设计与建造技术 储能系统吸热与保温技术 热气流发电机组控制技术 发电系统稳定并网技术 风道直径10m 轮毂直径3m 叶片数12或20 太阳能热气流电站概念设计导流筒透视图 超大规模集热棚屋顶设计结论:当倾角31~35时,全年获得的日照辐射量最大。 屋面接受更多的阳光,使集热棚的温度上升快,温度高,提高其集热效率; 同时也有利于屋面应对雨雪荷载;有利于屋面的自组织排水与自清洁等。超大规模集热棚屋顶轻型清扫机械:网状布置压缩空气吹扫装置,并按照一定的距离设置排沙尘通道。 太阳能光利用 太阳能光利用最成功的是用光电转换原理制成的太阳电池(又称光电池)。太阳电池1954年诞生于美国贝尔实验室,随后1958年被用作“先锋1号”人造卫星的电源上了天。这种电池一下子就使人造卫星的电源可安全工作达20年之久,从而彻底取代了只能连续工作几天的化学电池,为航天事业的发展提供了一种新的能源动力。电转换原理制成的太阳电池(又称光电池)。太阳电池1954年诞生于美国贝尔实验室,随后1958年被用作“先锋1号”人造卫星的电源上了天。这种电池一下子就使人造卫星的电源可安全工作达20年之久,从而彻底取代了只能连续工作几天的化学电池,为航天事业的发展提供了一种新的能源动力。 太阳电池是利用半导体内部的光电效应,当太阳光照射到一种称为“P太阳电池是利用半导体内部的光电效应,当太阳光照射到一种称为“PN结”的半导体上时,波长极短的光很容易被半导体内部吸收,并去碰撞 硅原子中的“价电子”使“价电子”获得能量变成自由电子而逸出晶格,从而产生电子流动。N结”的半导体上时,波长极短的光很容易被半导体内部吸收,并去碰撞 硅原子中的“价电子”使“价电子”获得能量变成自由电子而逸出晶格,从而产生电子流动。 常用太阳电池按其材料可以分为:晶体硅电池、硫化镉电池、硫化锑电池、砷化镓电池、非晶硅电池、硒铟铜电池、叠层串联电池等。常用太阳电池按其材料可以分为:晶体硅电池、硫化镉电池、硫化锑电池、砷化镓电池、非晶硅电池、硒铟铜电池、叠层串联电池等。 太阳电池重量轻,无活动部件,使用安全。单位质量输出功率大,即可作小型电源,又可组合成大型电站。目前其应用已从航天领域走向各行各业,走向千家万户,太阳能汽车,太阳能游艇,太阳能自行车,太阳能飞机都相继问世,然而对人类最有吸引力的是所谓太空太阳站。太阳电池重量轻,无活动部件,使用安全。单位质量输出功率大,即可作小型电源,又可组合成大型电站。目前其应用已从航天领域走向各行各业,走向千家万户,太阳能汽车,太阳能游艇,太阳能自行车,太阳能飞机都相继问世,然而对人类最有吸引力的是所谓太空太阳站。 太空太阳电站的建立无疑将彻底改善世界的能源状况,人类都期待这一天的到来。太空太阳电站的建立无疑将彻底改善世界的能源状况,人类都期待这一天的到来。 单晶硅太阳电池生产过程 天基太阳能发电系统 天基太阳能发电系统太阳塔概念图 天基太阳能发电系统太阳盘概念图 太阳能光伏、光热集成发电系统系统特点: 在集热棚内布置一部分光伏电池,利用光伏发电,而电池的热量仍留在棚内,可以作为热能进一步利用,提高了单位面积上的能量利用率; 棚内可以种植农作物(蔬菜、水果或能源植物),既获得经济效益,又改善了生态环境; 以此系统为中心可在沙漠或荒芜的地方建立生态城。 发展旅游事业 太阳能光伏、光热集成发电试验电站 在太阳能热气流发电系统的基础上,在集热棚内布置一部分光伏电池,同时利用太阳能的光能和热能。提高单位面积的能量利用率和取得更大的经济效益。目前世界上尚无此种系统。 电站功能 发电功能系统兼有发电、储能、调峰三种功能,特别适合作为我国三北太阳能丰富地区的电源。 生态环保功能系统的集热棚相当于一个特大型的温室,可以有效地防止扬沙,对减少我国的沙尘暴十分有利。集热棚内还可种植农作物,发展生态农业,极大地改善当地的环境条件。 旅游功能系统可以和旅游事业结合起来,组织观光旅游。对建在东部地区的小型电站(10MW以下)导流筒上既可作为电视转播台又可建观光旅馆,开发生态旅游。 旅游观光超过70%顶棚面积可布置光伏电池 试验电站的主要参数 50kw太阳能热气流子系统 太阳能热气流尺寸:烟囱高度H=100m,直径Rc=20m,集热棚直径为D=320m,进口高度为hin=3m,出口高度为hout=5m。 在集热棚每个分区的出口处布置6KW的涡轮透平发电机组,共8个,总额定功率为48KW。热气流系统全年运行时间为1250h(东南沿海地区开阔地并网系统有效利用时数计算),不计夜间可能发电量,全年输出电力约为6万千瓦时。 风的形成 地球上任何地方都在吸收太阳的热量,但是由于地面每个部位受热的不均匀性,空气的冷暖程度就不一样,于是,暖空气膨胀变轻后上升;冷空气冷却变重后下降,这样冷暖空气便产生流动,形成了风。而且由于地球自转、公转的力量及地形之不同也更加强风力和风向之变化多端。 地球上风的运动方向 白昼海陆风 夜间陆海风 白天“谷风”夜间“山风” 风力等级表风级和符号 名称 风速(米)* 陆地物象 海面波浪 浪高(米)0风级和符号 名称 风速(米)* 陆地物象 海面波浪 浪高(米)0 无风 0.0-0.2 烟直上 平静 01 1 软风 0.3-1.5 烟示风向 微波峰无飞沫 0.12 2 轻风 1.6-3.3 感觉有风 小波峰未破碎 0.23 3 微风 3.4-5.4 旌旗展开 小波峰顶破裂 0.64 4 和风 5.5-7.9 吹起尘土 小浪白沫波峰 15 5 劲风 8.0-10.7 小树摇摆 中浪折沫峰群 26 6 强风 10.8-13.8 电线 步行困难 破峰白沫成条 48 8 大风 17.2-20.7 折毁树枝 浪长高有浪花 5.59 9 烈风 20.8-24.4 小损房屋 浪峰倒卷 710 狂风 24.5-28.4 拔起树木 海浪翻滚咆哮 911 暴风 28.5-32.6 损毁普遍 波峰全呈飞沫 11.512 飓风 32.7- 摧毁巨大 海浪滔天 14注:本表所列风速是指平地上离地10米处的风速值 风力发电常用方式一、独立运行方式二、风力发电与其他发电方式相结合三、风力发电并入常规电网运行独立运行方式二、风力发电与其他发电方式相结合三、风力发电并入常规电网运行 风力机 风车最早出现在波斯,起初是立轴翼板式风车,后又发明了水平轴风车。风车传入欧洲后,15世纪在欧洲已得到广泛应用。荷兰、比利时等国为排水建造了功率达66千瓦以上的风车。18世纪末期以来,随着工业技术的发展,风车的结构和性能都有了很大提高,已能采用手控和机械式自控机构改变叶片桨距来调节风轮转速。 风力机的分类 以风轮作为风能接收装置的常规风力机为例,按风轮转轴相对于气流的方向可分为水平轴风轮式(转轴平行于气流方向)、侧风水平轴风轮式(转轴平行于地面、垂直于气流方向)和垂直轴风轮式(转轴同时垂直于地面和气流方向)。 WTC Turbine Layout Size of Wind Turbines 风电机组的大型化 Turbine Parts TransportationBy Land TransportationBy Sea TransportationBy Air Transportation (Air Cargo) Wind Turbine Installation Masned Wind Farm 3,75 MW, 5 turbines located at Masned, Denmark Lift of nacelle - Tjreborg Wind Turbine, located near Esbjerg, Denmark 地球的内部构造 根据现在的认识,地球的构成是这样的:在约2800km厚的铁﹣镁硅酸盐地幔上有一薄层(厚约30km)铝﹣硅酸盐地壳;地幔下面是液态铁﹣镍地核,其内还含有一个固态的内核。在6~70km厚的表层地壳和地幔之间有个分界面,通常称之为莫霍不连续面。莫霍界面会反射地震波。从地表到深100~200km为刚性较大的岩石团。由于地球内圈和外圈之间存在较大的温度梯度,所以其间有黏性物质不断循环。 地壳和地幔 大洋壳层厚约6~10km,由玄武岩构成,大洋壳层会延伸到大陆壳层下面。大陆壳层则是由密度较小的钠钾铝﹣硅酸盐的花岗石组成,典型厚度约为35km,但是在造山地带其厚度可能达70km。地。地壳好像一个“筏”放在刚性岩石圈上,岩石圈又漂浮在黏性物质构成的软流圈上。由于软流圈中的对流作用,会使大陆壳“筏”向各个方向移动,从而会导致某一大陆板块与其他大陆板块或大洋板块碰撞或分离。它们就是造成火山喷发、造山运动、地震等地质活动的原因。 地壳和地幔模型的示意图 地球內部推測溫度分佈曲線 地壳上层的平均温度梯度约为25℃/km,但在某些异常地区其温度梯度可能大大超出此值。这些地区约占全球陆地总面积的10%。它们是最适宜地热钻井的地区。 通常地幔中的对流把热能从地球内部传到近地壳的表面地区,在那里热能可能绝热储存达百万年之久。虽然这里储热区的深度已大大超过了目前钻探技术所能达到的深度,但由于地壳表层中含有游离水,这些水有可能将热储区的热能带到地表附近,或穿出地面而形成温泉,特别在所谓地质活动区更是如此。 地热资源 据估计在地壳表层10km的范围内,地热资源就达12.6×1026J,相当于4.6×1016t标准煤,即超过世界技术和经济力量可采煤储量含热量的70000倍 我国的地热资源 中国地处全球欧亚板块的东南边缘,在东部和南部与太平洋板块和印度洋板块连接,是地热资源丰富的国家之一。 据不完全统计,我国已查明地热资源相当于2000万亿吨标准煤。西藏、云南、四川、广东、福建等地的温泉多达1503处,占全国温泉总数的61.3%。在全国121个水温高于80 ℃的温泉中,云南,西藏占62%,广东、福建占18.2%,其他省区不足1/5。 地热资源类型 地质学上常把地热资源分为:五大类 蒸汽型 热水型 干热岩型 地压型 岩浆型 蒸汽型 蒸汽型地热田是最理想的地热资源,它是指以温度较高的干蒸汽或过热蒸汽形式存在的地下储热。形成这种地热田要有特殊的地质结构,即储热流体上部被大片蒸汽覆盖,而蒸汽又被不透水的岩层封闭包围。这种地热资源最容易开发,可直接送入汽轮机组发电,可惜蒸汽田很少,仅占已探明地热资源的0.5% 热水型 它是指以热水形式存在的地热田,通常既包括温度低于当地气压下饱和温度的热水和温度高于沸点的有压力的热水,又包括湿蒸汽。90℃以下称为低温热水田,90~150℃称为中温热水田,150℃以上称为高温热水田。中、低温热水田分布广,储量大,我国已发现的地热田大多属这种类型。 干热岩型 干热岩是指地层深处普遍存在的没有水或蒸汽的热岩石,其温度范围很广,在150~650℃之间。干热岩的储量十分丰富,比蒸汽、热水和地压型资源大得多。目前大多数国家都把这种资源作为地热开发的重点研究目标。 地压型 它是埋藏在深为2~3km的沉积岩中的高盐分热水,被不透水的页岩包围。由于沉积物的不断形成和下沉,地层受到的压力越来越大,可达几十兆帕,温度处在150~260℃范围内。地压型热田常与石油资源有关。地压水中溶有甲烷等碳氢化合物,形成有价值的副产品。 岩浆型 它是指蕴藏在地层更深处处于黏弹性状态或完全熔融状态的高温熔岩。火山喷发时常把这种岩浆带至地面。岩浆型资源据估计约占已探明地热资源的40%左右。 上述五类地热资源中,目前应用最广的是热水型和蒸汽型。 地热能的利用可分为地热发电和直接利用两大类。对于不同温度的地热流体可能利用的范围如下: 200~400℃ 直接发电及综合利用 150~200℃ 双循环发电,制冷,工业干燥,工业热加工 100~150℃ 双循环发电,供暖,制冷,工业干燥,脱水加工,回收盐类,罐头食品 50~100℃ 供暖,温室,家庭用热水,工业干燥 20~50℃ 沐浴,水产养殖,饲养牲畜,土壤加温,脱水加工 为提高地热利用率,现在许多国家采用梯级开发和综合利用的办法,如热电联产联供,热电冷三联产,先供暖后养殖等。地热能的利用 地热发电 地热发电是地热利用的最重要方式。高温地热流体应首先应用于发电。根据地热流体的类型,目前有两种地热发电方式,即蒸汽型地热发电和热水型地热发电。 蒸汽型地热发电 蒸汽型地热发电是把蒸汽田中的干蒸汽直接引入汽轮发电机组发电,但在引入发电机组前应把蒸汽中所含的岩屑和水滴分离出去。这种发电方式最为简单,但干蒸汽地热资源十分有限,且多存于较探的地层,开采技术难度大,故发展受到限制。 热水型地热发电 目前热水型地热电站有两种循环系统: 1) 闪蒸系统 闪蒸系统如图所示。当高压热水从热水井中抽至地面,由于压力降低部分热水会沸腾并“闪蒸”成蒸汽,蒸汽送至汽轮机做功;而分离后的热水可继续利用后排出,当然最好是再回注入地层。 热水型地热发电闪蒸系统 双循环系统地热水首先流经热交换器,将地热能传给另一种低沸点的工作流体,使之沸腾而产生蒸汽。蒸汽进入汽轮机做功后进入凝汽器,再通过热交换器而完成发电循环。地热水则从热交换器回注入地层。这种系统特别适合于含盐量大、腐蚀性强和不凝结气体含量高的地热资源。发展双循环系统的关键技术是开发高效的热交换器。 热水型地热发电的双循环系统 地热发电 1904年,意大利人拉德瑞罗利用地热进行发电,并创建了世界上第一座地热蒸气发电站,装机容量为250千瓦。 60年代以来,由于石油、煤炭等各种能源的大量消耗,美国、新西兰、意大利等国又对地热能重视起来,相继建成了一批地热电站,总计约有150多座,装机总容量达350万千瓦。 Turbine blades inside a geothermal turbine generator. Turbine generator in a geothermal power plant in Cerro Prieto, Mexico. 地球表面积中海洋面积达3.6l×10 8 km 2 ,占71%。以海平面计,全部陆地的平均海拔约为840m,而海洋的平均深度却为3800m,整个海水的容积多达1.37×10 9 km 3 。 一望无际的汪洋大海,不仅为人类提供航运、水产和丰富的矿藏,而且还蕴藏着巨大的能量。海洋能 海洋能的类型 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、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,潮汐能和海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。 各种海洋能的蕴藏量是巨大的,据估计有750多亿千瓦,其中波浪能700亿千瓦,温度差能20亿千瓦,海流能10亿千瓦,盐度差能10亿千瓦。 海洋能的特点 它在海洋总水体中的蕴藏量巨大,而单位体积、单位面积、单位长度所拥有的能量较小。这就是说,要想得到大能量,就得从大量的海水中获得。 它具有可再生性。海洋能来源于太阳辐射能与天体间的万有引力,只要太阳、月球等天体与地球共存,这种能源就会再生,就会取之不尽,用之不竭。 潮汐能 海水涨落的潮汐现象是由地球和天体运动以及它们之间的相互作用而引起的。在海洋中,月球的引力使地球的向月面和背月面的水位升高。由于地球的旋转,这种水位的上升以周期为12h25min和振幅小于1m的深海波浪形式由东向西传播。太阳引力的作用与此相似,但是作用力小些,其周期为12h。 因月球引力的变化引起潮汐现象,潮汐导致海水平面周期性地升降,因海水涨落及潮水流动所产生的能量,称为潮汐能。潮汐能是以位能形态出现的海洋能,是指海水潮涨和潮落形成的水的势能。 海洋的潮汐中蕴藏着巨大的能量。在涨潮的过程中,凶涌而来的海水具有很大的动能,而随着海水水位的升高,就把海水的巨大动能转化为势能,在落潮的过程中,海水奔腾而去,水位逐渐降低,势能又转化为动能。 潮汐潮落所形成的水位差,即相邻高潮潮位与低潮潮位的高度差,称为潮位差或潮差。通常,海洋中的潮差不大,一般只有几十厘米至1米左右。而在喇叭状海岸或河口的地区,其潮差就比较大。 例如,加拿大的芬迪湾、法国的塞纳河口、我国的钱塘江口、英国的泰晤士河口、巴西的亚马逊河口、印度和孟加拉国的恒河口等,都是世界上潮差较大的地区。其中芬迪湾的最高潮差记录达到了18米,是世界上潮差最大的地区。 海水潮汐能的大小随潮差而变,潮差越大则潮汐能也越大。比如说在1平方千米的海面上,当潮差为5米时,其潮汐能的最大发电能力约为5500千瓦;而当潮差为10米时,其潮汐能的最大发电能力则可达22000千瓦。 据专家们估计,全球海洋中所蕴藏的潮汐能约有27亿千瓦,若能把它充分利用起来,其每年的发电量可达33480万亿度。无怪乎人们把巨大的潮汐能誉为“蓝色的煤海”! 我国海岸线曲折,漫长的海岸蕴藏着十分丰富的潮汐能资源。我国潮汐能的理论蕴藏量达1.1亿千瓦,其中浙江、福建两省蕴藏量最大,约占全国的80.9%。 潮汐能利用的主要方式是发电,潮汐发电与水力发电的原理相似。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。 Tidal Power Plant to produce electricity 双水库潮汐电站的示意图 潮汐电站的水库都是利用河口或海湾来建造的,不占用耕地,也不像河川水电站或火电站那样要淹没或占用大量的良田; 它既不像河川水电站那样受洪水和枯水季节的影响,也不像火电站那样污染环境,是一种既不受气候条件影响而又非常“干净”的发电站; 潮汐电站的堤坝较低,建造容易。其投资也相对较少。 潮汐电站对环境的影响 潮汐电站会改变潮差和潮流,还会改变海水温度和水质。拦潮后形成的水库对生态既有有利影响,也有不利影响,例如它能为水产养殖提供适合的条件,但同时也会对地下水和排水等带来不利影响。此外在建设潮汐电站时还必须考虑海岸的侵蚀和对鸟类栖息环境的影响,特别是在河口建潮汐电站时更应注意环境问题,如对鱼类的影响等。 国外主要潮汐电站的总装机容量 我国的潮汐电站 This barrage has been operating for over 20 years and produces about 230 MW. Electricity is generated on both incoming and outgoing tides. 法国朗斯电站 波浪能 波浪能是以动能形态出现的海洋能。波浪是由风引起的海水起伏现象,它实质上是吸收了风能而形成的。波浪功率的大小与风速、风向、连续吹风的时间、流速等诸多因素有关。据估计全世界可开发利用的波浪能达2.5×109kW。我国沿海有效波高约为2~3m,波浪功率可达17~39kW/m,渤海湾更高达42kW/m,利用前景诱人。 最早的波浪能利用机械发明专利是1799年法国人吉拉德父子获得的。1854-1973年的119年间,英国登记了波浪能发明专利340项,美国为61项。在法国,则可查到有关波浪能利用技述的600种说明书。 波浪能利用的几种基本原理 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。 早期海洋波浪能发电付诸实用的是气动式波力装置。道理很简单,就是利用波浪上下起伏的力量,通过压缩空气,推动汲筒中的活塞往复运动而做功。 1910年,法国人布索.白拉塞克在其海滨住宅附近建了一座气动式波浪发电站,供应其住宅l000瓦的电力。 这个电站装置的原理是:与海水相通的密闭竖瓶中的空气因波浪起伏而被压缩或抽空稀薄,驱动活塞做往复运动,再转换成发电机的旋转运动而发出电力。 60年代,日本研制成功用于航标灯浮体上的气动式波力发电装置。此种装置已经投入批量生产,产品额定功率从60瓦到500瓦不等。产品除日本自用外,还出口,成为仅有的少数商品化波能装备之一。 各种利用波浪能装置的示意图 波浪發電站示意圖波浪能供電的燈光浮標 3.海洋温差能 温差能是以热能形态出现的海洋能,又称海洋热能。海洋是地球上一个巨大的太阳能集热和蓄热器。 由太阳投射到地球表面的太阳能大部分被海水吸收,使海洋表层水温升高。赤道附近太阳直射多,其海域的表层温度可达25~28℃,波斯湾和红海由于被炎热的陆地包围,其海面水温可达35℃。而在海洋深处500~1000m处海水温度却只有3~6℃。这个垂直的温差就是一个可供利用的巨大能源。据估计,如果利用这一温差发电,其功率可达2×10 9 kw。 全世界海洋温差能的理论估算值为10 6 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1.5×10 8 kW,其中99%在南中国海。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21℃,属于温差能丰富区域。 温差发电的基本原理就是借助一种工作介质,使表层海水中的热能向深层冷水中转移,从而做功发电。例如使用低沸点的二氧化硫、氨或氟利昂做介质,在表层温水热力作用下气化、沸腾,吹动透平机发电,再利用深层冷水把工作介质凝结成液态。如此循环不息,保持发电机运行。海洋温差能发电系统主要有开式循环和闭式循环两种方式。 开式循环系统 闭式循环系统 巨大的海水温差发电装置(设想)巨大的海水温差发电装置(设想) 美国工程师设计的一个16 万千瓦的海洋温差发电装置,全长450 米,自重23 . 5万吨,排水量达30万吨。由于海洋能密度比较小,要得到比较大的功率,海洋能发电装置要造得很庞大。 除了发电之外,海洋温差能利用装置还可以同时获得淡水、利用深层海水进行空调。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。 4.海洋盐差能 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10 8 kW量级,我国的盐差能估计为1.1×10 8 kW,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。 盐差能发电三类方法 1、渗透压法 2、蒸汽压法 3、反电渗析电池法 渗透压法 渗透压法在海水和淡水间放一半透膜,利用两者间的渗透压差来发电,具体实施又分为强力渗压、水压塔和压力延滞渗透三种方法: 强力渗压 水压塔 压力延滞渗透 反电渗析电池法 它由阴阳离子交换膜、阴阳电极、隔板、外壳、盐水和淡水等组成。由于该系统需要采用面积大而昂贵的交换膜,因此发电成本很高,不过这种离子交换膜的使用寿命长。 反电渗析电池 盐差能的发展前景 5.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。海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。 世界著名的海流 世界著名的海流有:大西洋的墨西哥湾暖流,北大西洋海流,太平洋的黑潮暖流,赤道潜流等。墨西哥湾海流和北大西洋海流是北大西洋里两支相连的最大的海流,它们以每小时1~2海里的流速贯穿大西洋,从冰岛和大不列颠岛中间通过,最后进入北冰洋。太平洋的黑潮暖流的宽度约为100海里,平均厚度约400米,平均日流速在30~80海里之间,其流量相当于全世界所有河流总流量的20倍。赤道潜流是一支深海潜流,总长度达8000海里,宽度在120~250海里之间,流速为每小时2~3海里。显然海水流动会产生巨大的能量。据估计全球海流能高达5×109kW。 全世界海流能的理论估算值约为10 8 kW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1.4X10 7 kW。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/m 2 ,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/m 2 以上,开发环境和条件很好 。 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。 一种海流发电站,有许多转轮成串地安装在两个固定的浮体之间,在海流冲击下呈半环状张开,被称为花环式海流发电站。 降落伞式海洋发电方案 生物质能生物质是指由光合作用而产生的有机体。生物质能是太阳能以化学能形式贮存在生物中的一种能量形式,一种以生物质为载体的能量,它直接或间接地来源于植物的光合作用,在各种可再生能源中,生物质能是独特的,它是贮存的太阳能,更是一种唯一可再生的碳源,可转化成常规的固态、液态和气态燃料。 生物质能的来源 柴薪,至今仍是许多发展中国家的重要能源。但由于柴薪的需求导致林地日减,应适当规划与广泛植林。 牲畜粪便,牲畜的粪便,经干燥可直接燃烧供应热能。若将粪便经过厌氧处理,可产生甲烷和肥料。 制糖作物,制糖作物可直接发酵,转变为乙醇。 水生植物,同柴薪一样,水生植物也可转化成燃料。 城市垃圾,主要成分包括:纸屑(占40%)、纺织废料(占20%)和废弃食物(占20%)等。将城市垃圾直接燃烧可产生热能,或是经过热分解处理制成燃料使用。 城市污水,一般城市污水约含有0.02%~0.03%的固体与99%以上的水分,下水道污泥有望成为厌氧消化槽的主要原料。 各类生物质燃料的热值生物质 热值(MJ/kg)生物质 热值(MJ/kg)纤维素 17.5 粪 便 13.4木 炭 12~22.4 甲 醇 22.4草 类 18.7 乙 醇 29.4藻 类 10.0 生物烃油 36~42城市垃圾 12.7 生物质(热解)气化后用于电力生产,如集成式生物质气化器和喷气式蒸汽燃气轮机(BIG/STIG)联合发电装置; 对农业废弃物、粪便、污水或城市固体废物等进行厌氧消化,以生产沼气和避免用错误的方法处置这些物质,以免引起环境危害。 1.直接燃烧技术 直接燃烧大致可分四种情况:炉灶燃烧;锅炉燃烧;垃圾焚烧;固型燃料燃烧。 直接燃烧是生物质能最简单又应用最广的利用方式,目前亚洲、非洲的大多数发展中国家,用直接燃烧方式所获得的生物质能约占该国能源消费总量的40%以上。1996年中国从薪柴、秸秆直接燃烧获得的能量,相当于2.2亿吨标准煤,约占全国能源消耗总量的14%,占农村地区能源消耗量的34%,占农村生活用能的59%。 Biomass Fired Energy SystemCombustion Chamber & Boiler for Energy ProductionAutomatic FuelHandlingAutomatic Ash HandlingFluegas & Emission Control Grayling Biomass Station 上海老港垃圾填埋气发电项目每年可减少填埋场区约8100余万立方米的可燃易爆填埋气体直接向大气中排放,同时向上海电网输送约1.1亿千瓦时的绿色电力,解决约10万户居民的日常用电。年电费收入约为7000万元。与相同发电量的火电相比,每年节约标准煤约3.78万吨。 谢谢参与!请批评指正!

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