山东大学先进制造科学发展概论第4讲新能源

山东大学通识教育核心课程制造科学发展概论第4讲：新能源机械工程学院谢玉东讲师博士后[e-mail]山东大学通识教育核心课程第2页新能源概述1太阳能及其应用2风能及其应用3地热能及其应用4核能及其应用5海洋能及其应用（重点详细介绍）6新能源海水淡化7相关海洋设备8目录山东大学通识教育核心课程第3页1能源概述能源能的形式：——凡是能够提供某种形式能量的物质，或是物质的运动，统称为能源。机械能、声能、光能、电能、磁能、化学能、生物能…山东大学通识教育核心课程第4页世界能源结构的演变柴草时期（从火的发现——18世纪中叶）煤炭时期（18世纪中叶——20世纪中叶）石油时期（20世纪中叶至今）山东大学通识教育核心课程第5页能源分类新能源：太阳能、风能、地热能、核能、海洋能山东大学通识教育核心课程第6页3风能及其应用全球风能约2.74×109MW，其中可利用的风能2×107MW，比地球上可开发利用的水能总量还要大10倍。四大优点是：蕴量巨大；可以再生；分布广泛；没有污染。三大弱点是：密度低；不稳定；地区差异大。山东大学通识教育核心课程第7页风能发电的运行方式独立运行方式并网运行方式山东大学通识教育核心课程第8页4地热能及其应用地热来源于地球的熔融岩浆和放射性物质的衰变。地下水的深处循环和来自极深处的岩浆侵入到地壳后，把热量从地下深处带至近表层。国际上把地热资源的范围规定在地壳表层以下5000米深度以内，温度在150℃以上的岩石和热流体所含的热量。据统计，全世界地热资源总量相当于4948万亿吨标准煤。我国西藏、云南、四川、广东、福建等地地热资源丰富，在全国121个水温高于80℃的温泉中，云南与西藏约占62%，广东与福建约占18.2%。能否把地球钻透？山东大学通识教育核心课程第9页n+U→Sr+Xe+2n+能量10235929338935410中子铀锶氙xiān中子1千克铀核发生裂变时，放出的能量相当于燃烧2700吨标准煤。核电站中使用的主要是铀核裂变。⑴核能产生的原理重核裂变核能及其应用山东大学通识教育核心课程第10页轻核聚变两个较轻原子核，聚合成一个较重的原子核nHeHH01241312+能量氘dāo氚chuān氦中子原子核聚变时，放出的能量比核裂变时还要大。但氢弹中的核聚变目前人们还无法控制。科学家们正在研究可控制的核聚变，以造福人类。核能及其应用山东大学通识教育核心课程第11页核燃料：天然铀或浓缩铀制成的铀棒减速剂：作用是使快中子变成慢中子，通常用石墨、重水或普通水。控制棒：调节中子的数量，从而控制反应速度，通常用镉棒。冷却剂：保证反应堆在一定温度下运行，通常用水、液态金属钠、空气等流体。核能反应堆视频核电站的核反应堆山东大学通识教育核心课程第12页目前中国核电站：6个投入运营，12个在建，25个筹建中（1）秦山核电站（中核）秦山核电站地处浙江省海盐县。秦山一期核电站秦山二期核电站秦山三期核电站（2）广东大亚湾核电站（中广核）（3）岭澳核电站（中广核）岭澳核电站位于广东大亚湾西海岸大鹏半岛东南侧。（4）田湾核电站（中核）位于江苏省连云港市连云区田湾。内陆核电视频核能及其应用山东大学通识教育核心课程第13页6海洋能及其应用6.1海洋能的内涵及特点通常所说的海洋能主要包括波浪能、潮汐能、潮流能、海水温差能和海水盐差能。广义上的海洋能还包括海上风能、太阳能和海洋生物质能。优点：储量大、可再生、清洁缺点：不稳定、能流密度低、投资高、开发风险大山东大学通识教育核心课程第14页政府间气候变化委员会（IPCC)的总体评价海洋能利用装置的环境影响可以预测海洋能技术环境问题小，比其它可再生能源技术更易被认可其社会效益明显（促进造船业、渔业的发展，可为边远地区提供电能和饮用水）海洋能技术不排放温室气体山东大学通识教育核心课程第15页世界海洋能的资源状况资源类别世界波浪能年发电量29500TWh(10亿千瓦时)潮汐能平均功率3TW潮（洋）流能仅欧洲的潮流能年发电量48TWh温差能年发电量30000～90000TWh盐差能年发电量1650TWh资料来源：IPCCSpecialReportonRenewableEnergySourcesandClimateChangeMitigation,2010海洋里面蕴藏着丰富的能源，可把巨大的海洋誉为“蓝色的煤海”！山东大学通识教育核心课程第16页我国的海洋能资源状况名称可开发资源量/万千瓦资源状况潮汐能2200主要集中于福建和浙江沿海。潮流能1400以浙江沿岸最多，其次是台湾、福建、辽宁等省岸。波浪能1300我国沿海波浪能功率密度相对较低，平均为2-7kW/m。以台湾岛、浙、闽、粤等地资源丰富。温差能15000我国温差能资源蕴藏量最大，其中，南海海域最富集2010年，11月24山东大学通识教育核心课程第17页6.2潮汐能潮汐如何形成？因地球和天体运动以及它们之间相互作用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。山东大学通识教育核心课程第18页潮汐能发电站单库单向型潮汐电站需建一个水库，在水库大坝上分别建一个进水闸门和一个排水闸门，发电站的厂房建在排水闸门处。当涨潮时，打开进水闸门，关闭排水闸门，这样就可以在水库内容纳大量海水；当落潮时，打开排水闸门，关闭进水闸门，水从排水闸门流出，冲动水轮机带动发电机发电。水轮发电机只能在排水时发电山东大学通识教育核心课程第19页潮汐能的发电站单库双向型潮汐电站这种潮汐电站采用一个库和双向水轮机，涨潮和落潮都可进行发电，其特点是水轮机和发电机组的结构比较复杂，能满足正、反双向运转要求，一般每天可发电16-20h。水轮发电机在进水和排水时发电山东大学通识教育核心课程第20页潮汐能发电站双库单向型潮汐电站电站需要建立两个相邻的水库，一个水库仅在涨潮时进水，称上水库或称高位水库；另一个只在退潮时放水，称下水库或低位水库，电站建在两个水库之间。涨潮时，打开上水库的进水闸，关闭下水库的排水闸，上水库的水位不断提高，超过下水库水位形成水位差，水从上水库通过电站流向下水库，水流冲动水轮发电机发电；落潮时，打开下水库的水闸，下水库的水位不断降低，与上水库仍保持水位差。因此水轮发电机可全日发电，提高了潮汐能的利用率，但投资较高。山东大学通识教育核心课程第21页截止至2010年，规模最大的是法国的朗斯电站。法国朗斯潮汐电站建成于1966年，总装机容量为24万千瓦，设计年发电量60.7亿千瓦小时。2011开始，韩国始华湖潮汐电站是世界规模最大的。根据IPCC统计，到2010年底，全世界潮汐电站的总容量达到2190万千瓦，其中有些是泻湖形式。潮汐能的利用山东大学通识教育核心课程第22页商业化运行达46年的法国朗斯潮汐能电站潮汐能的利用山东大学通识教育核心课程第23页韩国装机容量25.4万千瓦的始华湖潮汐电站潮汐能的利用山东大学通识教育核心课程第24页中国江厦潮汐实验电站，始建于上世纪70年代，总装机为3.9MW，是世界上正在运行的第四大潮汐电站。潮汐能的利用潮汐发电视频山东大学通识教育核心课程第25页6.3潮流能根据IPCC的结论，潮流能与流速的3次方成正比，平均流速大于1.5m/s的潮流才有潜在的商业开发价值。伴随着海水的涨潮和落潮（潮汐），引起海水的水平运动称为潮流运动。利用潮流运动带动发电机发电称为潮流发电。潮汐利用的是势能，潮流利用动能。在潮流发电技术中，英国和意大利处于世界领先地位。其中英国最新研制成功并安装的潮流发电机SeaGen为大规模开发利用潮流能展现了美好的前景。发电机山东大学通识教育核心课程第26页桩柱式漂浮式坐海底式潮流能发电装置的固定方式山东大学通识教育核心课程第27页潮流发电装置Seaflow英国洋流涡轮机有限公司MCT研制，转子直径11m，功率300kW，2003年5月在北德文郡近海岸成功安装，可靠运行超过一年。该项目是世界上第一个在广阔海域上安置的潮流水轮机，此工程由英国DTI、欧盟、德国政府和联盟合作伙伴共同赞助，于2003年投用。单叶轮山东大学通识教育核心课程第28页SeaGen（2008年7月14日）在Seaflow的基础上，MCT公司成功研发了1.2MW的SeaGen，并于2008年4月在位于爱尔兰北部海床试验成功，标志着世界上第一个商业化规模的潮流发电系统投入使用。SeaGen的水轮机以明显的优势超越了现有的潮汐发电设备成为世界上最大的潮流水轮机，SeaGen潮流水轮机发出的电力与当地电网相连，产生的清洁电力可供约1000户家庭使用。SeaGen双叶轮Seaflow单叶轮山东大学通识教育核心课程第29页国内潮流能发电技术现状我国较为系统的潮流能发电技术研究开始于1982年。主要参加单位有哈尔滨工程大学、东北师范大学、浙江大学等。研制过程中得到国家科技支撑项目、863计划及其他专项资金的支持和企业的赞助。成果有水平轴式、垂直轴式、漂浮式、固定式等多种。哈尔滨工程大学完成第一个漂浮式潮流发电装置——“万向I号”，70千瓦。在国家科技部的支持下，哈尔滨工程大学又研制了40千瓦海底固定式垂直轴潮流能装置。山东大学通识教育核心课程第30页全球波浪能能流密度图我国近海波浪能年平均密度5-10kW/m,远低于西欧和北欧地区。山东大学通识教育核心课程第31页波浪振荡水柱透平发电机（1）振荡水柱(OWC)工作原理一级转换二级转换三级转换波浪上下起伏，在密闭腔室形成压缩空气，带动发电机发电。山东大学通识教育核心课程第32页（2）越浪（收缩波道）类波浪能装置定义：利用收缩波道对波浪的约束作用，使波浪冲入高位水库，再利用水势能驱动水轮发电机发电的装置。波浪能俘获系统：收缩波道+高位水库能量转换系统：低水头水轮机+发电机安装形式：岸式固定/离岸漂浮优点：能量转换系统不直接受波浪作用，可靠性较高。缺点：岸式装置对地形依赖性大；漂浮式装置尺寸大，难以建造，系泊系统容易出问题。山东大学通识教育核心课程第33页（3）振荡浮子类波浪能装置定义：利用浮子在波浪作用下的运动做功，通过液压或机械传递，驱动发电机发电的装置。现有的装置有筏式、摆式、浮子式、鸭式。波浪能俘获装置：振荡浮子能量转换：（液压泵+液压马达）或（齿条+齿轮）+普通发电机；或直线发电机；或液态金属发电机。优点：效率高缺点：可靠性差山东大学通识教育核心课程第34页（4）摆式装置原理波浪摆板机械能液压系统发电机一级转换二级转换三级转换悬挂的摆板随着波浪的运动而发生摆动，带动液压泵产生高压的液压油，进而通过马达带动发电机发电。沉箱液压泵摆板山东大学通识教育核心课程第35页（5）点吸收式（PointAbsorber）装置原理波浪浮子机械能液压或机械系统发电机一级转换二级转换三级转换浮子随着波浪上下起伏运动，产生高压的液压油，高压液压油再驱动发电设备发电。山东大学通识教育核心课程第36页（7）柔性囊类波浪能装置定义：利用柔性囊在波浪中的变形，造成囊内的流体流动，再通过空气叶轮、水轮机或液压马达驱动发电机发电的装置。现有装置有蚌式、水蟒、水母。波浪能俘获系统：柔性囊能量转换系统：（空气叶轮/水轮机/液压泵+液压马达）+发电机安装形式：离岸漂浮优点：廉价、可靠性高。缺点：效率不高。山东大学通识教育核心课程第37页试验场位于山东威海荣成成山头，主要功能：场区具有一定的波浪能、潮流能资源场区环境与资源状况实时监测发电装置的实海况能量转换效率测试与评价发电装置的环境适应性与可靠性测试与评价发电装置电力安全与并网服务提供数据、技术、设施、咨询等全面服务国家波浪能、潮流能海上试验场开建