水平軸式海流能發電裝置的設計研究

A. 利用海洋鹽度差能發電的設想是由哪國人提出的

利用海洋鹽度差能發電的設想，是1939年由美國人提出的。1954年，美國建造並試驗了一套根據電位差原理運行的裝置，最大輸出功率為15毫瓦。1975年以色列人建造並試驗了一套滲透法裝置。日本科學技術廳從1978年開始進行鹽度差能發電的研究，目前又在試制模型設備、高壓泵、半透明膜、耐壓容器等，不久將進行發電試驗。

利用鹽度差能發電較早的設想是利用滲透膜兩側海水和淡水之間的水位差驅動水輪機發電。這種發電方法，存在一些問題：由於海水和淡水之間的滲透壓較大，使水壓塔中的水柱高達250米，這就使水壓塔下面的半透明膜承受很大的壓力，容易被壓壞，影響使用壽命。另外，由於淡水中的水分子源源不斷地向水壓塔滲透，會使海水鹽度降低，引起水柱高度下降，從而直接影響輸出功率。再者，在河口建造一座200多米高的水塔，也決非易事。

為了克服這些問題，R.S.諾曼博士在原有設計的基礎上，增加了一個海水泵。他把水輪機與水泵聯系起來，海水依然從導管中流出，但導管的高度卻相當於海水與淡水滲透壓差的一半還低，約10～11兆帕。這樣，就能延長半透明膜的壽命。同時，海水泵把海水打入，使海水維持一定的鹽度，不致於使水的滲透壓差降低。

此後，美國國家健康學院的約翰·韋因斯坦和內政部的弗蘭克·雷茲兩位科學家，抓住鹽能換能器發電過程中出現的氯離子和鈉離子運動的現象，設計出一種濃度差電池，也叫反向滲析電池。為了更充分利用電能，這種電池在海水通道兩側，分別設置了陰離子交換膜和陽離子交換膜。這樣，氯離子通過陰離子交換膜向一個方向流動，鈉離子通過陽離子交換膜向另一個方向流動，使電勢雙倍增強。另外，為了得到足以供外部用戶使用的電力，就把許多個電池串聯使用。

B. 海流發電的方式有什麼

從海流中提取電能可以採用三種方式:一是直接以電能的方式用水下電纜送到岸上;二是用洋流電能從海水中提取氫氣

C. 波浪能與海流發電嗎

即使在晴朗無風的日子裡，海面仍是動盪不定的，波浪起伏不停地拍打著海岸。波浪是由風吹海水而引起的。波浪能主要是由風的作用引起的海水沿水平方向周期性運動而產生的能量。波浪能是巨大的，一個巨浪就可以把13噸重的岩石拋出20米高。一個波高5米、波長100米的海浪，在一米長的波峰片上就具有3120千瓦的能量，由此可以想像整個海洋的波浪所具有的能量該是多麼驚人。波浪能發電是利用波浪的推動力，使波浪轉化為推動空氣流動的壓力來推動空氣渦輪機葉片旋轉而帶動發電機發電。波浪發電設計方案最多，但是因為波浪能源分散，本身破壞力大，開發技術到現在為止還不成熟。據計算，全球海洋的波浪能達700億千瓦，可供開發利用的為20億～30億千瓦，每年發電量可達9萬億度。

我國對波浪能的研究始於20世紀70年代，在1975年曾研製成一台1千瓦的波力發電浮標。80年代以來獲得較快發展，我國成功研製航標燈用波能發電裝置，並根據不同航標燈的要求，開發了一系列產品，與日本合作研製的後彎管型浮標發電裝置，已向國外出口，該技術屬國際領先水平。1989年，我國第一座波力電站在南海大萬山島建成，裝機容量3千瓦。2000年，我國首座岸式波力發電工業示範電站——廣東汕尾100千瓦岸式波力發電站建成，標志著我國海洋波力發電技術已達到實用化水平和推廣應用條件。

我國波力發電雖起步較晚，但發展很快。微型波力發電技術已成熟，小型岸式波力發電技術進入世界先進行列，但我國波浪能開發的規模遠小於挪威和英國。

大洋中的海水從來都不是靜止不動的，它像陸地上的河流那樣，長年累月沿著比較固定的路線流動著，這就是「海流」。不過，河流兩岸是陸地，而海流兩岸仍是海水。在一般情況下，用肉眼是很難看出來的。世界上最大的海流，有幾百公里寬、上千公里長、數百米深。大洋中的海流規模非常大。由於海流遍布大洋，縱橫交錯，川流不息，所以它們蘊藏的能量也是可觀的。例如世界上最大的暖流——墨西哥洋流，在流經北歐時為1厘米長海岸線上提供的熱量大約相當於燃燒600噸煤的熱量。據估算世界上可利用的海流能約為0.5億千瓦，而且利用海流發電並不復雜。海流發電也受到許多國家的重視。

1973年，美國試驗了一種名為「科里奧利斯」的巨型海流發電裝置。該裝置為管道式水輪發電機，機組長110米，管道口直徑170米，安裝在海面下30米處。在海流流速為2.3米/秒條件下，該裝置獲得8.3萬千瓦的功率。日本、加拿大也在大力研究試驗海流發電技術。我國的海流發電研究也有樣機進入中間試驗階段。

世紀90年代以來，我國開始計劃建造海流能示範應用電站，在「八五」、「九五」科技攻關中均對海流能進行連續支持。目前，哈爾濱工程大學正在研建75千瓦的潮流電站。義大利與中國合作在舟山地區開展了聯合海流能資源調查，計劃開發140千瓦的示範電站。因此要海流做出貢獻還是有利可圖的事業，當然也是冒險的事業。

D. 海流發電的原理是怎樣的

海流中所蘊藏的動能是河洋能中蘊藏量最大的一種能源，科學家們發現海流也可以用來發電，它發電能產生50億千瓦左右，能量大得驚人。

海流發電是依靠海流的沖擊力來使水輪旋轉，再通過變速裝置變換成高速，然後帶動發電機發電。利用海流進行發電，比利用陸地上的河流進行發電要好得多。海流不受洪水的威脅，也不受枯水季節的影響，它幾乎以常年不變的流量不停地運動，它是取之不盡用之不竭的能源。

E. 波浪能與海流發電之間存在什麼聯系

即使在晴朗無風的日子裡，海面也是動盪不定的，波浪不停地拍打著海岸。波浪是由風吹海水而引起的。波浪能主要是由風的作用引起的海水沿水平方向周期性運動而產生的能量。波浪能是巨大的，一個巨浪就可以把13噸重的岩石拋出20米高。一個波高5米、波波浪發電示意圖

長100米的海浪，在一米長的波峰片上就具有3，120千瓦的能量，由此可以想像整個海洋的波浪所具有的能量該是多麼驚人。波浪能發電是利用波浪的推動力，使波浪轉化為推動空氣流動的壓力來推動空氣渦輪機葉片旋轉而帶動發電機發電。波浪發電設計方案最多，但是因為波浪能源分散，本身破壞力大，開發技術到現在為止還不成熟。據計算，全球海洋的波浪能達700億千瓦，可供開發利用的為20億～30億千瓦，每年發電量可達9萬億度。

我國對波浪能的研究始於20世紀70年代，在1975年曾研製成一台1千瓦的波力發電浮標。80年代以來該項研究獲得較快發展，我國成功研製航標燈用波能發電裝置，並根據不同航標燈的要求，開發了一系列產品，與日本合作研製的後彎管型浮標發電裝置，已向國外出口，該技術屬國際領先水平。1989年，我國第一座波力電站在南海大萬山島建成，裝機容量3千瓦。2000年，我國首座岸式波力發電工業示範電站——廣東汕尾100千瓦岸式波力發電站建成，標志著我國海洋波力發電技術已達到實用化水平和推廣應用的條件。

我國波力發電雖起步較晚，但發展很快。微型波力發電技術已成熟，小型岸式波力發電技術進入世界先進行列，但我國波浪能開發的規模遠小於挪威和英國。

大洋中的海水從來都不是靜止不動的，它像陸地上的河流那樣，長年累月沿著比較固定的路線流動著，這就是「海流」。不過，河流兩岸是陸地，而海流兩岸仍是海水，在一般情況下，用肉眼是很難看出來的。世界上最大的海流，有幾百公里寬、上千公里長、數百米深。大洋中的海流規模非常大。由於海流遍布大洋，縱橫交錯，川流不息，所以它們蘊藏的能量也是可觀的。例如世界上最大的暖流——墨西哥洋流，在流經北歐時為1厘米長的海岸線上提供的熱量大約相當於燃燒600噸煤的熱量。據估算世界上可利用的海流能約為0．5億千瓦，而且利用海流發電並不復雜，受到許多國家的重視。

1973年，美國試驗了一種名為「科里奧利斯」的巨型海流發電裝置。該裝置為管道式水輪發電機，機組長110米，管道口直徑170米，安裝在海面下30米處。在海流流速為2．3米／秒條件下，該裝置獲得8．3萬千瓦的功率。日本、加拿大也在大力研究試驗海流發電技術。我國的海流發電研究也有樣機進入中間試驗階段。

20世紀90年代以來，我國開始計劃建造海流能示範應用電站，在「八五」、「九五」科技攻關中均對海流能進行連續支持。目前，哈爾濱工程大學正在研建75千瓦的潮流電站。義大利與中國合作在舟山地區開展了聯合海流能資源調查，計劃開發140千瓦的示範電站。因此要海流做出貢獻還是有利可圖的事業，當然也是冒險的事業。

F. 海流發電是怎樣的

從海流中提取電能可以採用三種方式：一是直接以電能的方式用水下電纜送到岸上；二是用洋流電能從海水中提取氫氣，用管道輸往陸地，或用罐子裝藏氫氣運往陸地；三是用洋流電能製取壓縮空氣。他們的設想使海流發電這項研究獲得了社會各界的響應。在當時，美國科學家葛利·斯特爾曼曾發明了以水下降落傘系統，從海流中取電的具體方案。這一裝置可以將低速海流的能量轉換成可以利用的能源。這個裝置包括兩部分，一部分是安裝在船上或平台上的帶軸的輪子，另一部分是一根繞著輪子旋轉像傳送帶似的環形纜。在這根纜上，裝著一把把形狀似降落傘一樣的帆，它們都向一個方向排列。當它們繞著環形纜轉動時，傘便收籠起來。這樣反復不斷的運動，導致旋轉的輪子驅動使渦輪發電機發電。後來，美國加利福尼亞州的皮特·可沙曼組織設計了一個海流發電方案，取名「科里奧利方案」。

G. 國內波浪能發電取得了那些成就，在這方面存在那些不足

• 成就

我國沿岸波浪能資源理論平均功率約1285萬千瓦，具有良好的開發應用價值，建立波浪能發電系統發展潛力巨大。中國波浪發電雖然起步較晚，但發展勢頭良好。微型波浪發電技術已經成熟，小型岸式波力發電技術已進入世界先進行列。

中國科學院廣州能源研究所於1989年在廣東珠海建成了第一座示範實驗波力電站，1996年又建成了一座新的波力實驗電站，專家們通過試驗積累了寶貴經驗。我國首座波力獨立發電系統汕尾100千瓦岸式波力電站於1996年12月開工，2001年進入試發電和實海況試驗階段，2005年，第一次實海況試驗獲得成功。該電站建於廣東省汕尾市遮浪鎮最東部，為並網運行的岸式振盪水柱型波能裝置，設有過壓自動卸載保護、過流自動調控、水位限制、斷電保護、超速保護等功能。

近年來，我國積極推進新能源開發利用。隨著一大批清潔能源發電項目建成投產，我國的發電裝機結構進一步得到優化，新能源發電呈加速發展態勢。我國波浪能資源蘊藏量豐富，清潔無污染，再生能力強，波浪發電產業得到國家政策的鼓勵和扶持，投資前景良好。根據規劃，到2020年，我國將在山東、海南、廣東各建1座1000千瓦級的岸式波浪發電站。

• 不足

波浪能的利用並不容易。波浪能是可再生能源中最不穩定的能源，波浪不能定期產生，各地區波高也不一樣，由此造成波浪能利用上的困難。利用波浪能發電要依靠波浪發電裝置，但是由於海浪具有力量強、速度慢和周期性變化的特點，100多年來，世界各國科學家提出300多種設想，發明了各種各樣的波浪能發電裝置，但是普遍發電功率很小，而且效果差。

想要充分地利用波浪能發電，有幾項難題需要解決。一是獨立發電問題。最早的波浪能發電裝置需要與柴油機並聯工作，這樣會造成污染。後來則需要依靠電網，先把波浪能轉化的電能供應到電網上，然後才可以利用，這樣又會受到電網覆蓋范圍的限制，造成發電成本高昂、發電功率小、質量差等問題。二是穩定性問題。由於受技術限制，波浪能發電裝置只能將吸收來的波浪能轉化為不穩定的液壓能，這樣再轉化的電能也是不穩定的。英國、葡萄牙等歐洲國家採用昂貴的發電設施，仍無法得到穩定的電能。三是控制問題。由於波浪的運動沒有規律性和周期性，浪大時能量有剩餘，浪小時能量供應不足。這就需要有一種設備在浪大時將多餘的波浪能儲存、再利用。

• 尚未解決的問題

對於波浪能研究來說，目前存在以下主要技術問題：

1.材料問題——波浪能裝置的材料應該具有(1)抗海水腐蝕的特性;(2)廉價;(3)較好的耐久性和可靠性。不銹鋼滿足第1、3兩條，不滿足第2條;工程塑料在強度上已有了顯著提高，但其耐久性和可靠性還未能滿足要求。因此，現有的波浪能裝置只是採用普通鋼材，靠表面塗層提高抗腐蝕能力，耐久性差強人意。

2.工業產品系列太少——目前並不存在專門為波浪能利用而發展的工業產品，只能逐漸發展。但我國目前許多產品的系列太少，迫使在波浪能研究上改變設計，犧牲效率、合理性，用現有產品拼湊成波浪能。例如小型電機，明顯缺乏低轉速、功率100W以下的發電機，或低轉速、100kW以上的大功率發電機。齒輪等機械，液壓泵、液壓馬達等也存在類似的問題。

3.投入研發經費不足——我國從「七五」開始研究波浪能。從「八五」到「十五」，國家科技部、中國科學院等對波浪能研究開展了持續的支持，3個五年計劃共支持了約1000萬，用於研製20kW、100kW岸式振盪水柱波能裝置各一座，8kW、30kW擺式波能裝置各一座，5kW漂浮式波能發電船一座，50kW波浪能獨立發電與制淡系統一座。這些研究使我國的波浪能研究水平逐漸發展起來，特別是「十五」期間，我國在波浪能轉換效率、波浪能穩定輸出和波浪能裝置建造技術上有了顯著的提高，處於世界先進水平。

但相對國外的波浪能研究，我國的研發經費太少了。3個五年計劃共支持了約1000萬，研建了6個波浪能裝置，全部加起來僅相當於英國近5年投入研究費用的1/60。上述項目均有較大缺口，需要部門、省、地方匹配才能完成。研究費用的欠缺，對我國波浪能研究進展有負面影響。

總的來說，我國的波浪能轉換研究進步是明顯的，在世界上也有一定影響，目前可以進入示範階段，但尚未進入商業開發階段。波浪能利用在技術上並未完全成熟，還需要國家進一步的支持。

H. 海流能的利用方式

發電
海流能的利用方式主要是發電，其原理和風力發電相似，幾乎任何一個風力發電裝置都可以改造成為海流能發電裝置。但由於海水的密度約為空氣的1000倍，且必須放置於水下，故海流發電存在著一系列的關鍵技術問題，包括安裝維護、電力輸送、防腐、海洋環境中的載荷與安全性能等。此外，海流發電裝置和風力發電裝置的固定形式和透平設計也有很大的不同。海流裝置可以安裝固定於海底，也可以安裝於浮體的底部，而浮體通過錨鏈固定於海上。海流中的透平設計也是一項關鍵技術。
助航
人類對海流傳統的利用是「順水推舟」。古人利用海流漂航。帆船時代，
利用海流助航正如人們常說的「順水推舟」。18世紀時，美國政治家兼科學家富蘭克林曾繪制了一幅墨西哥灣流圖。該圖特別詳細地標繪了北大西洋海流的流速流向，供來往於北美和西歐的帆船使用，大大縮短了橫渡北大西洋的時間。在東方，相傳二戰時，日本人曾利用黑潮從中 國、朝鮮以木筏向本土漂送糧食。現代人造衛星遙感技術可以隨時測定各海區的海流數據，為大洋上的輪船提供最佳航線導航服務。
海流發電也受到許多國家的重視。1973年，美國試驗了一種名為「科里奧利斯」的巨型海流發電裝置。該裝置為管道式水輪發電機。機組長l10米，管道口直徑170米，安裝在海面下30米處。在海流流速為2.3米/秒條件下，該裝置獲得8.3萬千瓦的功率。日本、加拿大也在大力研究試驗海流發電技術。我國的海流發電研究也已經有樣機進入中間試驗階段。
海流發電技術，除上述類似江河電站管道導流的水輪．機外還有類似風車槳葉或風速計那樣機械原理的裝置。一種海流發電站，有許多轉輪成串地安裝在兩個固定的浮體之間，在海流沖擊下呈半環狀張開，被稱為花環式海流發電站。另外，前面提到的水輪機潮流發電船，也能用於海流發電。