水平轴式海流能发电装置的设计研究

A. 利用海洋盐度差能发电的设想是由哪国人提出的

利用海洋盐度差能发电的设想，是1939年由美国人提出的。1954年，美国建造并试验了一套根据电位差原理运行的装置，最大输出功率为15毫瓦。1975年以色列人建造并试验了一套渗透法装置。日本科学技术厅从1978年开始进行盐度差能发电的研究，目前又在试制模型设备、高压泵、半透明膜、耐压容器等，不久将进行发电试验。

利用盐度差能发电较早的设想是利用渗透膜两侧海水和淡水之间的水位差驱动水轮机发电。这种发电方法，存在一些问题：由于海水和淡水之间的渗透压较大，使水压塔中的水柱高达250米，这就使水压塔下面的半透明膜承受很大的压力，容易被压坏，影响使用寿命。另外，由于淡水中的水分子源源不断地向水压塔渗透，会使海水盐度降低，引起水柱高度下降，从而直接影响输出功率。再者，在河口建造一座200多米高的水塔，也决非易事。

为了克服这些问题，R.S.诺曼博士在原有设计的基础上，增加了一个海水泵。他把水轮机与水泵联系起来，海水依然从导管中流出，但导管的高度却相当于海水与淡水渗透压差的一半还低，约10～11兆帕。这样，就能延长半透明膜的寿命。同时，海水泵把海水打入，使海水维持一定的盐度，不致于使水的渗透压差降低。

此后，美国国家健康学院的约翰·韦因斯坦和内政部的弗兰克·雷兹两位科学家，抓住盐能换能器发电过程中出现的氯离子和钠离子运动的现象，设计出一种浓度差电池，也叫反向渗析电池。为了更充分利用电能，这种电池在海水通道两侧，分别设置了阴离子交换膜和阳离子交换膜。这样，氯离子通过阴离子交换膜向一个方向流动，钠离子通过阳离子交换膜向另一个方向流动，使电势双倍增强。另外，为了得到足以供外部用户使用的电力，就把许多个电池串联使用。

B. 海流发电的方式有什么

从海流中提取电能可以采用三种方式:一是直接以电能的方式用水下电缆送到岸上;二是用洋流电能从海水中提取氢气

C. 波浪能与海流发电吗

即使在晴朗无风的日子里，海面仍是动荡不定的，波浪起伏不停地拍打着海岸。波浪是由风吹海水而引起的。波浪能主要是由风的作用引起的海水沿水平方向周期性运动而产生的能量。波浪能是巨大的，一个巨浪就可以把13吨重的岩石抛出20米高。一个波高5米、波长100米的海浪，在一米长的波峰片上就具有3120千瓦的能量，由此可以想象整个海洋的波浪所具有的能量该是多么惊人。波浪能发电是利用波浪的推动力，使波浪转化为推动空气流动的压力来推动空气涡轮机叶片旋转而带动发电机发电。波浪发电设计方案最多，但是因为波浪能源分散，本身破坏力大，开发技术到现在为止还不成熟。据计算，全球海洋的波浪能达700亿千瓦，可供开发利用的为20亿～30亿千瓦，每年发电量可达9万亿度。

我国对波浪能的研究始于20世纪70年代，在1975年曾研制成一台1千瓦的波力发电浮标。80年代以来获得较快发展，我国成功研制航标灯用波能发电装置，并根据不同航标灯的要求，开发了一系列产品，与日本合作研制的后弯管型浮标发电装置，已向国外出口，该技术属国际领先水平。1989年，我国第一座波力电站在南海大万山岛建成，装机容量3千瓦。2000年，我国首座岸式波力发电工业示范电站——广东汕尾100千瓦岸式波力发电站建成，标志着我国海洋波力发电技术已达到实用化水平和推广应用条件。

我国波力发电虽起步较晚，但发展很快。微型波力发电技术已成熟，小型岸式波力发电技术进入世界先进行列，但我国波浪能开发的规模远小于挪威和英国。

大洋中的海水从来都不是静止不动的，它像陆地上的河流那样，长年累月沿着比较固定的路线流动着，这就是“海流”。不过，河流两岸是陆地，而海流两岸仍是海水。在一般情况下，用肉眼是很难看出来的。世界上最大的海流，有几百公里宽、上千公里长、数百米深。大洋中的海流规模非常大。由于海流遍布大洋，纵横交错，川流不息，所以它们蕴藏的能量也是可观的。例如世界上最大的暖流——墨西哥洋流，在流经北欧时为1厘米长海岸线上提供的热量大约相当于燃烧600吨煤的热量。据估算世界上可利用的海流能约为0.5亿千瓦，而且利用海流发电并不复杂。海流发电也受到许多国家的重视。

1973年，美国试验了一种名为“科里奥利斯”的巨型海流发电装置。该装置为管道式水轮发电机，机组长110米，管道口直径170米，安装在海面下30米处。在海流流速为2.3米/秒条件下，该装置获得8.3万千瓦的功率。日本、加拿大也在大力研究试验海流发电技术。我国的海流发电研究也有样机进入中间试验阶段。

世纪90年代以来，我国开始计划建造海流能示范应用电站，在“八五”、“九五”科技攻关中均对海流能进行连续支持。目前，哈尔滨工程大学正在研建75千瓦的潮流电站。意大利与中国合作在舟山地区开展了联合海流能资源调查，计划开发140千瓦的示范电站。因此要海流做出贡献还是有利可图的事业，当然也是冒险的事业。

D. 海流发电的原理是怎样的

海流中所蕴藏的动能是河洋能中蕴藏量最大的一种能源，科学家们发现海流也可以用来发电，它发电能产生50亿千瓦左右，能量大得惊人。

海流发电是依靠海流的冲击力来使水轮旋转，再通过变速装置变换成高速，然后带动发电机发电。利用海流进行发电，比利用陆地上的河流进行发电要好得多。海流不受洪水的威胁，也不受枯水季节的影响，它几乎以常年不变的流量不停地运动，它是取之不尽用之不竭的能源。

E. 波浪能与海流发电之间存在什么联系

即使在晴朗无风的日子里，海面也是动荡不定的，波浪不停地拍打着海岸。波浪是由风吹海水而引起的。波浪能主要是由风的作用引起的海水沿水平方向周期性运动而产生的能量。波浪能是巨大的，一个巨浪就可以把13吨重的岩石抛出20米高。一个波高5米、波波浪发电示意图

长100米的海浪，在一米长的波峰片上就具有3，120千瓦的能量，由此可以想象整个海洋的波浪所具有的能量该是多么惊人。波浪能发电是利用波浪的推动力，使波浪转化为推动空气流动的压力来推动空气涡轮机叶片旋转而带动发电机发电。波浪发电设计方案最多，但是因为波浪能源分散，本身破坏力大，开发技术到现在为止还不成熟。据计算，全球海洋的波浪能达700亿千瓦，可供开发利用的为20亿～30亿千瓦，每年发电量可达9万亿度。

我国对波浪能的研究始于20世纪70年代，在1975年曾研制成一台1千瓦的波力发电浮标。80年代以来该项研究获得较快发展，我国成功研制航标灯用波能发电装置，并根据不同航标灯的要求，开发了一系列产品，与日本合作研制的后弯管型浮标发电装置，已向国外出口，该技术属国际领先水平。1989年，我国第一座波力电站在南海大万山岛建成，装机容量3千瓦。2000年，我国首座岸式波力发电工业示范电站——广东汕尾100千瓦岸式波力发电站建成，标志着我国海洋波力发电技术已达到实用化水平和推广应用的条件。

我国波力发电虽起步较晚，但发展很快。微型波力发电技术已成熟，小型岸式波力发电技术进入世界先进行列，但我国波浪能开发的规模远小于挪威和英国。

大洋中的海水从来都不是静止不动的，它像陆地上的河流那样，长年累月沿着比较固定的路线流动着，这就是“海流”。不过，河流两岸是陆地，而海流两岸仍是海水，在一般情况下，用肉眼是很难看出来的。世界上最大的海流，有几百公里宽、上千公里长、数百米深。大洋中的海流规模非常大。由于海流遍布大洋，纵横交错，川流不息，所以它们蕴藏的能量也是可观的。例如世界上最大的暖流——墨西哥洋流，在流经北欧时为1厘米长的海岸线上提供的热量大约相当于燃烧600吨煤的热量。据估算世界上可利用的海流能约为0．5亿千瓦，而且利用海流发电并不复杂，受到许多国家的重视。

1973年，美国试验了一种名为“科里奥利斯”的巨型海流发电装置。该装置为管道式水轮发电机，机组长110米，管道口直径170米，安装在海面下30米处。在海流流速为2．3米／秒条件下，该装置获得8．3万千瓦的功率。日本、加拿大也在大力研究试验海流发电技术。我国的海流发电研究也有样机进入中间试验阶段。

20世纪90年代以来，我国开始计划建造海流能示范应用电站，在“八五”、“九五”科技攻关中均对海流能进行连续支持。目前，哈尔滨工程大学正在研建75千瓦的潮流电站。意大利与中国合作在舟山地区开展了联合海流能资源调查，计划开发140千瓦的示范电站。因此要海流做出贡献还是有利可图的事业，当然也是冒险的事业。

F. 海流发电是怎样的

从海流中提取电能可以采用三种方式：一是直接以电能的方式用水下电缆送到岸上；二是用洋流电能从海水中提取氢气，用管道输往陆地，或用罐子装藏氢气运往陆地；三是用洋流电能制取压缩空气。他们的设想使海流发电这项研究获得了社会各界的响应。在当时，美国科学家葛利·斯特尔曼曾发明了以水下降落伞系统，从海流中取电的具体方案。这一装置可以将低速海流的能量转换成可以利用的能源。这个装置包括两部分，一部分是安装在船上或平台上的带轴的轮子，另一部分是一根绕着轮子旋转像传送带似的环形缆。在这根缆上，装着一把把形状似降落伞一样的帆，它们都向一个方向排列。当它们绕着环形缆转动时，伞便收笼起来。这样反复不断的运动，导致旋转的轮子驱动使涡轮发电机发电。后来，美国加利福尼亚州的皮特·可沙曼组织设计了一个海流发电方案，取名“科里奥利方案”。

G. 国内波浪能发电取得了那些成就，在这方面存在那些不足

• 成就

我国沿岸波浪能资源理论平均功率约1285万千瓦，具有良好的开发应用价值，建立波浪能发电系统发展潜力巨大。中国波浪发电虽然起步较晚，但发展势头良好。微型波浪发电技术已经成熟，小型岸式波力发电技术已进入世界先进行列。

中国科学院广州能源研究所于1989年在广东珠海建成了第一座示范实验波力电站，1996年又建成了一座新的波力实验电站，专家们通过试验积累了宝贵经验。我国首座波力独立发电系统汕尾100千瓦岸式波力电站于1996年12月开工，2001年进入试发电和实海况试验阶段，2005年，第一次实海况试验获得成功。该电站建于广东省汕尾市遮浪镇最东部，为并网运行的岸式振荡水柱型波能装置，设有过压自动卸载保护、过流自动调控、水位限制、断电保护、超速保护等功能。

近年来，我国积极推进新能源开发利用。随着一大批清洁能源发电项目建成投产，我国的发电装机结构进一步得到优化，新能源发电呈加速发展态势。我国波浪能资源蕴藏量丰富，清洁无污染，再生能力强，波浪发电产业得到国家政策的鼓励和扶持，投资前景良好。根据规划，到2020年，我国将在山东、海南、广东各建1座1000千瓦级的岸式波浪发电站。

• 不足

波浪能的利用并不容易。波浪能是可再生能源中最不稳定的能源，波浪不能定期产生，各地区波高也不一样，由此造成波浪能利用上的困难。利用波浪能发电要依靠波浪发电装置，但是由于海浪具有力量强、速度慢和周期性变化的特点，100多年来，世界各国科学家提出300多种设想，发明了各种各样的波浪能发电装置，但是普遍发电功率很小，而且效果差。

想要充分地利用波浪能发电，有几项难题需要解决。一是独立发电问题。最早的波浪能发电装置需要与柴油机并联工作，这样会造成污染。后来则需要依靠电网，先把波浪能转化的电能供应到电网上，然后才可以利用，这样又会受到电网覆盖范围的限制，造成发电成本高昂、发电功率小、质量差等问题。二是稳定性问题。由于受技术限制，波浪能发电装置只能将吸收来的波浪能转化为不稳定的液压能，这样再转化的电能也是不稳定的。英国、葡萄牙等欧洲国家采用昂贵的发电设施，仍无法得到稳定的电能。三是控制问题。由于波浪的运动没有规律性和周期性，浪大时能量有剩余，浪小时能量供应不足。这就需要有一种设备在浪大时将多余的波浪能储存、再利用。

• 尚未解决的问题

对于波浪能研究来说，目前存在以下主要技术问题：

1.材料问题——波浪能装置的材料应该具有(1)抗海水腐蚀的特性;(2)廉价;(3)较好的耐久性和可靠性。不锈钢满足第1、3两条，不满足第2条;工程塑料在强度上已有了显著提高，但其耐久性和可靠性还未能满足要求。因此，现有的波浪能装置只是采用普通钢材，靠表面涂层提高抗腐蚀能力，耐久性差强人意。

2.工业产品系列太少——目前并不存在专门为波浪能利用而发展的工业产品，只能逐渐发展。但我国目前许多产品的系列太少，迫使在波浪能研究上改变设计，牺牲效率、合理性，用现有产品拼凑成波浪能。例如小型电机，明显缺乏低转速、功率100W以下的发电机，或低转速、100kW以上的大功率发电机。齿轮等机械，液压泵、液压马达等也存在类似的问题。

3.投入研发经费不足——我国从“七五”开始研究波浪能。从“八五”到“十五”，国家科技部、中国科学院等对波浪能研究开展了持续的支持，3个五年计划共支持了约1000万，用于研制20kW、100kW岸式振荡水柱波能装置各一座，8kW、30kW摆式波能装置各一座，5kW漂浮式波能发电船一座，50kW波浪能独立发电与制淡系统一座。这些研究使我国的波浪能研究水平逐渐发展起来，特别是“十五”期间，我国在波浪能转换效率、波浪能稳定输出和波浪能装置建造技术上有了显著的提高，处于世界先进水平。

但相对国外的波浪能研究，我国的研发经费太少了。3个五年计划共支持了约1000万，研建了6个波浪能装置，全部加起来仅相当于英国近5年投入研究费用的1/60。上述项目均有较大缺口，需要部门、省、地方匹配才能完成。研究费用的欠缺，对我国波浪能研究进展有负面影响。

总的来说，我国的波浪能转换研究进步是明显的，在世界上也有一定影响，目前可以进入示范阶段，但尚未进入商业开发阶段。波浪能利用在技术上并未完全成熟，还需要国家进一步的支持。

H. 海流能的利用方式

发电
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能发电装置。但由于海水的密度约为空气的1000倍，且必须放置于水下，故海流发电存在着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。
助航
人类对海流传统的利用是“顺水推舟”。古人利用海流漂航。帆船时代，
利用海流助航正如人们常说的“顺水推舟”。18世纪时，美国政治家兼科学家富兰克林曾绘制了一幅墨西哥湾流图。该图特别详细地标绘了北大西洋海流的流速流向，供来往于北美和西欧的帆船使用，大大缩短了横渡北大西洋的时间。在东方，相传二战时，日本人曾利用黑潮从中 国、朝鲜以木筏向本土漂送粮食。现代人造卫星遥感技术可以随时测定各海区的海流数据，为大洋上的轮船提供最佳航线导航服务。
海流发电也受到许多国家的重视。1973年，美国试验了一种名为“科里奥利斯”的巨型海流发电装置。该装置为管道式水轮发电机。机组长l10米，管道口直径170米，安装在海面下30米处。在海流流速为2.3米/秒条件下，该装置获得8.3万千瓦的功率。日本、加拿大也在大力研究试验海流发电技术。我国的海流发电研究也已经有样机进入中间试验阶段。
海流发电技术，除上述类似江河电站管道导流的水轮．机外还有类似风车桨叶或风速计那样机械原理的装置。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。另外，前面提到的水轮机潮流发电船，也能用于海流发电。