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新能源课程报告中文

xxxx大学

《新能源技术》课程报告

姓名

学号：

学院（系）:

自动化学院

专业:

电力系统及其自动化

题目:

洋流能的发展状况与最新研究状况

组别

任课教师

硕士导师

2017年12月25号

洋流能的发展状况与最新研究状况

摘要：

首先，本文介绍了洋流能的基本概念与利用洋流能发电的基本原理，并简单介绍了利用洋流能发电的常用装置。

然后，介绍了一种新颖的利用洋流能发电的装置：

海洋风筝。

详细阐述了海洋风筝的工作原理，并对比了两种不同结构的海洋风筝，介绍了他们的研发现状以及实际的应用状况。

重点介绍了由意大利科学家研发出的最新结构的GEM-Ocean’sKite具体结构，以及相关的创新与改进。

并且对改进前后的GEM-Ocean’sKite发电效率进行了分析和对比，发现效率得到很大提高。

最后，对海洋风筝在发电过程中存在的优缺点进行了总结，对其应用前景进行了展望。

关键词：

洋流能；海洋风筝；工作原理；创新

Thedevelopmentofmarinecurrentenergyandthelatestresearchstatus

ABSTRACT：

Firstofall,thisarticleintroducesthebasicconceptsofmarinecurrentsandthebasicprinciplesofusingmarinecurrentstogenerateelectricity.Then,thearticleintroducesanoveldevicethatusesmarinecurrentstogenerateelectricity:

Ocean’skite.TheworkingprincipleofOcean’skiteisexpoundedindetail,andtwokindsofOcean’skiteswithdifferentstructuresarecontrasted.Thestatusquooftheirresearchanddevelopmentoftheactualapplicationareintroduced.ThearticlehighlightsthelateststructureoftheGEM-Ocean'sKite,developedbyItalianscientists,andthelatestimprovements.TheefficiencyofGEM-Ocean'sKitepowergenerationbeforeandaftertheimprovementisanalyzedandcompared,andtheefficiencyisgreatlyimproved.Finally,theadvantagesanddisadvantagesofOcean’skitesinpowergenerationaresummarized,andtheirapplicationprospectsareprospected.

KEYWORDS：

MarineCurrentEnergy;Ocean’sKite;Workingprinciple;Innovations

1引言

洋流能即海流能，是取之不尽的海洋发电能源的一种。

人类赖以生存的地球面积约为5.1亿平方千米，其中浩瀚无边的海洋占71%。

据估计：

蕴藏在海洋中的潮汐能、海流能、海洋温差能和波浪能的可再生总量为766亿千瓦。

其中，洋流能由于其可利用能量大、相对较稳定的特点，引起了重点关注。

图1太平洋区域洋流基本分布

如图1所示，为太平洋区域洋流基本分布示意图。

洋流是海洋中海水因热辐射、蒸发、降水、冷缩等而形成密度不同的水团，再加上风应力、地转偏向力、引潮力等作用而具有相对稳定速度的流动。

因而，洋流能从本质上说，就是海水流动产生的动能。

2世界洋流能利用现状及发展趋势

2.1我国洋流能资源分布

我国的洋流是季节性变化的。

沿岸流系的季节变化除受大陆径流变化的影响外，还受季风变化的影响，与季风变化相一致。

我国渤海、黄海、东海的海流主要是由黑潮暖流和沿岸流两个流系组成，具有气旋式环流的特征。

其中黑潮流系是由黑潮主干及其分支组成。

南海因其位于热带季风区，夏季盛行西南风，冬季风盛行东北风，季风方向

于海区长轴一致，有利于稳定流系的发展。

2.2国内外洋流能发电现状

20世纪70年代，美国与日本率先开始研究潮流能与洋流能发电。

1974年美国开发了一种小型伞式水轮机，并在佛罗里达洋流中进行了试验。

1985年，美国在墨西哥湾海域进行了一台2kW的水轮机的试验，同年另一台20kW的潮流能发电机在纽约市的河中进行了试验。

目前，美国、挪威、法国、爱尔兰、英国等国都陆续有潮流能与洋流能发电机投入测试，单机容量几百千瓦的机组各国都己有较为成熟的机型，1MW以上的机组己经开始投入研发、试验。

未来潮流能与洋流能发电技术的发展方向与波浪能类似，发电效率与可靠性是首要解决的问题。

要达到商业化运行的程度，必须继续降低先期投入的成本与运行费用。

中国的洋流能储量非常丰富。

根据1989年的《中国沿海农村海洋能资源区划》对全国130个水道的统计，理论平均功率为13948.2MW。

其中以东海沿岸的省份为主，浙江省的洋流能更是占全国一半以上。

特别是舟山群岛区域，部分水道的洋流流速高于4m/s，适合大型潮流发电场的建设。

我国的潮流能和洋流能发电技术的研究开展得较早。

在60年代就己经进行过水流发电机的试验。

80年代中期，哈尔滨工业大学研制了1kW的潮流能发电装置的样机。

2002年中国第一座70kW的潮流能发电站在浙江舟山建成发电。

此后，国内许多高校与科研机构陆续进行了各种不同特性潮流能和洋流能发电设备的研究，不过单机容量仍然较小。

《国家中长期科学技术发展规划纲要》（2006~2020）中已将150kW洋流能电站关键技术列为我国海洋能研究开发的重点项目。

3洋流能发电基本原理与典型发电装置

3.1洋流能发电基本原理

利用洋流能发电基本原理与利用风力带动涡轮机发电原理基本相同：

一定流速的洋流通过涡轮发电机中的涡轮，使涡轮旋转，带动发电机的转子在定子中转动。

发电机转子通过直流形成磁场，此磁场在定子中转动后，磁力线切割定子中的线圈，在线圈中感应除电势，很多线圈的电势叠加后在发电机端子处形成电压，就能够向负荷供电了。

3.2典型利用洋流能发电的装置

目前，利用洋流能发电的装置有很多种，这里简单介绍几种装置的工作原理。

3.2.1水平轴涡轮机与垂直轴涡轮机

水平轴涡轮机，垂直轴涡轮机是利用洋流流过涡轮机带动其叶片转动进行发电，结构示意图分别如图2，图3所示。

图2水平轴涡轮机

图3垂直轴涡轮机

3.2.2摆动水翼艇

摆动水翼艇则是基于摆动式水翼的流体能量捕获技术研究，与现有的基于旋转叶片的水轮机技术相比，这种基于摆动水翼的流体能量捕获技术具有对环境影响小、噪声小，捕能效率高以及可在浅水使用等优点，另外还具有翼片结构简单，易于加工，捕能效率高等特点，大约为传统旋转水轮机4倍的捕能效率。

摆动水翼艇结构如图4所示。

图4摆动水翼艇

3.2.3文丘里结构装置

文丘里结构是利用流体压差的一种装置，是意大利物理学家G.B.文丘里发明的。

文丘里管是先收缩而后逐渐扩大的管道，如果涡轮机安装合理可以有效的利用洋流进行发电。

但目前仅限于实验室研发阶段，还没有完全投入使用。

文丘里结构如图5所示。

图5文丘里结构装置

3.2.4阿基米德螺旋

阿基米德螺旋工作原理是当洋流带动其轴转动时，螺杆一方面绕本身的轴线旋转，另一方面它又沿衬套内表面滚动，于是带动发电机转动。

螺杆每转一周,密封腔内的液体向前推进一个螺距，随着螺杆的连续转动，液体螺旋形方式从一个密封腔压向另一个密封腔。

阿基米德螺旋是一种新型的带动发电机转动的机械，具有结构简单、工作安全可靠，使用维修方便、压力稳定等优点。

同样由于其用于海底时，受微生物等复杂环境影响大效率被限制，还处于进一步研发阶段。

阿基米德螺旋如图6所示。

图6阿基米德螺旋

4海洋风筝—-新型的洋流能发电装置

4.1海洋风筝的工作原理

海洋风筝主要结构是翅膀和涡轮机。

海洋风筝通常使用功率约150〜800千瓦的涡轮机。

一般放置在海面以下50〜300米处，用电缆连接到海底。

它可以在洋流速度大约为1到2.5m/s的条件下工作。

当发电时，海洋风筝会左右摆动，它的运动路径是“八”字型，就像我们看到风筝在空中飞舞一样。

4.2海洋风筝的主要结构

海洋风筝现阶段主要分为两种结构。

第一种结构为机翼加涡轮机的结构。

第二种结构就是由意大利科学家发明的GEM-Ocean’sKite（这种最新结构前不久研发成功，还没有投入实际使用）。

4.2.1第一种结构：

机翼和涡轮机

第一种结构的海洋风筝，一般如下图7所示。

可以清楚地看出，它主要由两部分组成：

机翼和涡轮发电机。

风筝的翅膀长约12米，起到调节方向和提供浮力的作用，而涡轮机起到发电作用。

由于海水密度是空气的800倍，安装在水下风筝上的小型涡轮机产生的能量就相当于空中的800倍。

瑞典Minesto公司成功地研制一款水下风筝，就是使用的第一种结构。

它能够在洋流中俯冲和下潜，它看上去颇似孩子的玩具，Minesto公司称这项最新技术为“深绿”，即使海面十分平静，也能产生500千瓦的能量。

水下风筝可使洋流能量增加至80%，Minesto公司宣称，“深绿”水下风筝的第一款比例模型将于2011年在北爱尔兰海岸部署运行。

图7Minesto公司研发的“深绿”海洋风筝

4.2.2第二种结构：

GEM-Ocean’sKite

海洋风筝的第二种结构，即GEM-Ocean’sKite是由意大利科学家研发成功的，“GEM”代表意大利语“GeneratoreElettricoMarino”的缩写,意思是海洋电力发电机。

与第一种结构相比，其整体所占空间较小，并在结构改进后效率得到很大提高（后面章节将重点阐述），因此我将详细介绍这种结构。

GEM-Ocean’sKite海洋风筝概念CAD模型如图8所示。

GEM-Ocean’sKite主要由五部分组成：

1）两个涡轮机

2）浮体

3）V型尾翼

4）扩散器型叶片保护罩

5）能量传输装置

图8GEM-Ocean’sKite海洋风筝概念CAD模型

两个涡轮机作用是将洋流能转换为电能。

发电的主要过程就是当一定流速的洋流通过涡轮发电机中的涡轮，使涡轮旋转，带动发电机的转子在定子中转动。

发电机转子通过直流形成磁场，此磁场在定子中转动后，磁力线切割定子中的线圈，在线圈中感应除电势，很多线圈的电势叠加后在发电机端子处形成电压，就能够向负荷供电了。

浮体的作用与第一种结构中的机翼相同，能够为海洋风筝提供所需要的浮力，以保证其在悬浮状态下正常工作。

V型尾翼可以在潜艇身体受到洋流冲击时增强其纵向稳定性，并可通过可调节的尾翼改变自身方向，增强了海洋风筝在水下的灵活性。

扩散器型的叶片保护罩是科研人员最新研究出的成果。

它的作用是加快流过涡轮机的洋流流速，因为涡轮机发电功率与洋流流速的三次方成正比，所以可以使涡轮机发电量有很大提高，也使涡轮机效率有很大提高。

能量传输装置作用是连接电缆并将涡轮机产生的电能传输给分布于海底的电能采集网络，从而实现电能的采集与输送。

4.3GEM-Ocean’sKite的发电效率

在GEM-Ocean’sKite设计研发的过程中，发电效率一直是重点研究的问题，洋流流速下怎样使效率提高是科研人员一直想要解决的问题。

根据搭建的GEM-Ocean’sKite的CAD模型，研究人员观察和测量的数量包括：

1）假定对称的工作条件下，左手侧涡轮机转矩

和角速度

，从中可以估计总输出功率

;

2）通过称重传感器获得的电缆上的张力

；

3）通过惯性平台获得水下整个系统的状态。

这些参数足以表征海洋风筝系统的整体工作效率和发电量。

当洋流流速为

，海洋风筝总体上受到三个力的作用：

绳索张力

，浮体产生的浮力

以及总水平力

。

当海洋风筝处于稳定状态时，这三个力保持平衡，使风筝以“八”字形路径运动，同时涡轮机稳定发电。

研究表明，由于海水密度是空气的800倍，使用水下风筝的小型水轮机产生的能量约为小型涡轮机在空气中产生能量的800倍。

GEM系统在稳态条件下的示意图，如图9所示。

图9GEM系统在稳态条件下的示意图

我们将效率定义为

，其计算公式如下：

（1）

在公式

（1）中，

是功率，

是洋流的速度（在稳定状态下），A是参考表面（与涡轮盘面积重合）的面积，

是海水密度。

考虑到涡轮速度和洋流流速，在GEM海洋风筝效率分析的过程中，我们将转子尖端速度TSR定义为参数，用来探究最大效率

。

TSR计算公式如下所示：

（2）

其在公式

（2）中，

是涡轮速度和

是洋流流速，R是标称涡轮盘半径。

GEM-Ocean’sKite没有改进之前（没有扩散器）转子尖端速度TSR与发电机效率

之间的关系，如下图10所示。

实验时，V型尾翼为垂直状态，洋流流速V=1.5m/s。

图10效率与转子尖端速度函数（涡轮没有扩散器，垂直V型尾翼，V=1.5m/s）

从上图可以看出，最初的GEM-Ocean’sKite在正常运行状态下，发电效率大概只能达到40%~50%，并不是很理想。

综合考虑海底复杂的环境，以及水下高额的运行维护费用，结构没有改进之前的GEM-Ocean’sKite似乎没有很大的实际使用价值。

因此，科研人员一直在致力于提升其效率，使其有更大的使用价值。

4.4GEM-Ocean’sKite结构的创新与改进

为了使GEM-Ocean’sKite得发电效率得到提高，科研人员进行了很多尝试，近年来有了比较大的突破。

总的来说，对GEM-Ocean’sKite效率提升起到重要作用的创新点有两个，如下：

1）加装扩散器结构的涡轮叶片保护罩

GEM-Ocean’sKite结构上的第一个改进，就是加装扩散器结构的涡轮叶片保护罩。

以往没有加装涡轮叶片的保护装置，导致叶片容易受损，效率也得不到提高。

加装保护罩之后，一方面可以保护叶片，延长其使用寿命，另一方面，它可以在涡轮出口处形成一个低压区域，就相当于让更多洋流流入涡轮机，从而增大了洋流流速V，进而增大了电能的输出。

通过公式

（1）我们可以知道，涡轮机的发电量P和流速V的立方成正比,很小的流速增量

都能使发电功率P有很大的提高。

加装过扩散器结构的涡轮叶片保护罩的GEM-Ocean’sKite如图11所示（图中黄色部分为扩散器结构的保护罩）：

图11装有叶片保护罩的GEM-Ocean’sKite

2）在叶片和保护罩内表面加细网格

GEM-Ocean’sKite结构上的第二个改进，就是根据流体力学的计算，在叶片和保护罩内表面加细网格，具体的细网格结构如12所示。

同样，经过流体力学的推算，添加在叶片和保护罩内表面的细网格，也可以有效地增大洋流流速V，进而增大电能的输出。

同时，增加的细网格结构也能够有效地减少高速洋流对海洋风筝的冲击，使GEM-Ocean’sKite整体的稳定性有了很大提高。

大量实验数据表明，改进后的结构各方面性能都有很大提升。

图12叶片和保护罩内表面的细网格

4.5海洋风筝改进前后的发电效率对比

由改进前的海洋风筝发电效率图，即图10，我们可以知道，最初的GEM-Ocean’sKite在正常运行状态下，发电效率并不是很高，总体效率大概只能达到40%~50%。

在进行了结构上的改进，加装了扩散器结构的涡轮叶片保护罩，并且在叶片和保护罩内表面加细网格结构之后，改进过后的海洋风筝发电效率C与转子尖端速度TSR之间的函数关系如图13所示：

图13效率与转子尖端速度函数（涡轮改进后，装有扩散器和细网格结构，垂直V型尾翼，V=1.5m/s）

从上图可以看出，在加装了扩散器结构的保护罩，并且在叶片与保护罩内表面添加细网格结构之后，稳态运行时（垂直V型尾翼，V=1.5m/s）涡轮机的发电效率提升到了60%~80%，相比改进前的结构效率有了极大的提高，大大提升了海洋风筝实际应用的价值。

正因为GEM-Ocean’sKite近年来在结构上有了很大的提升，才引起了大家的关注。

相信在不久的将来，结构不断改进的海洋风筝会成为洋流能最有效的开发设备，并得到更广泛的应用。

4.6GEM-Ocean’sKite的优缺点

海洋风筝（主要针对GEM-Ocean’sKite）的主要优点如下：

1）相同洋流流速下，其稳态发电效率很高，能达到60%~80%；

2）结构改进后，涡轮机所需的启动流速降低，使涡轮机能工作在更大的流速范围中，从而增大了涡轮机的发电量；

3）增加的叶片保护罩，可以一定程度的保护叶片，延长涡轮机的使用寿命。

海洋风筝（主要针对GEM-Ocean’sKite）的主要缺点如下：

1）海洋风筝的叶片结构需要使用高强度材料，来保证涡轮机能够在海底复杂多变的环境中正常工作；

2）海洋风筝工作在海底，需要考虑设备密封问题，这会使其运行成本大大增加；

3）海水的腐蚀问题将会对海洋风筝的维护工作提出更高的要求。

水下的很多微生物会附着在涡轮机表面，一方面造成设备的损坏，另一方面使涡轮机的发电效率大大降低，需要经常进行维护工作，增大了运行成本。

5关于我国洋流能产业发展的建议

世界各国可再生能源产业发展的历史证明，从研究开发到产业化、商业化的实现，需要经历几十年的时间，而且可再生能源技术大都属于高新技术，开发应用需要大量资金，存在着较大的开发和市场风险。

同时，保护资源、环境是可再生能源产业发展的首要目标，这就使得该类产业在如何适应市场经济特点方面，面临着比常规产业更为突出的困难，政府的支持是发展新能源与可再生能源产业不可缺少的基本条件。

根据我国洋流资源分布的特点以及当地的社会特征，可制定相应的洋流资源发展规划。

如，在东南沿海地区，夏季温度高、时间长，制冷的能耗相当高，如果利用该区域丰富的洋流资源来制冷，可以大幅缓解我国南方地区夏季电力供应不足的矛盾。

东北、华北地区，冬季供暖的压力非常大，当前的供暖方式以燃煤为主，空气污染十分严重，严重影响了当地人们的生活质量，而作为优质清洁能源之一的洋流能，资源量大，供应持续稳定，是北方供暖的最佳替代能源。

为此提出以下建议：

（1）加大政府资金投入，支持洋流资源的勘探、开发与可持续利用。

查清各地区洋流资源潜力并进行科学评价。

我国海岸线辽阔，洋流资源远景储量巨大，但勘察研究程度较低，只有少数省市完成了少量洋流资源的勘查。

加强基础洋流资源勘查工作十分重要和必要。

（2）建立政府专项基金，资助东南沿海地区洋流供暖工程中设备的研发制造工作。

支持大型洋流发电设备的核心技术研究，如海洋风筝及其高效结构的先进设计方法研究等，实现产业化，以利于洋流能资源的开发利用和规模化推广应用。

（3）加强洋流能勘查技术研究，扩大对洋流资源储量的发现；加强提高洋流能发电效率技术的研究，实现洋流资源的高效利用、广泛使用。

（4）制定经济激励政策。

政府采取财政和金融等经济刺激措施是实现规划目标的关键性措施之一，也是促进可再生能源发展技术商业化，提高市场渗透率和经济竞争力的重要政策手段。

特别是在商业化的初级阶段，由于技术的价格承受力与政府推广目标之间存在着差距，政府政策上的支持往往是市场发育的关键因素。

如：

对专门从事洋流资源开发利用企业的税收减免政策；对合理使用洋流资源的用户实施价格补贴政策；与洋流资源开发利用有关的投资补贴、低息贷款和信贷担保、建立风险投资基金、实施污染者付费制度等。

（5）采取政策支持、财政补贴、风险投资等手段，在全国扶植几个专门从事洋流能开发的大型集团公司，带动洋流能利用的发展，逐步推进洋流能开发走向产业化、商业化。

6结束语

随着世界经济的增长，人们对于能源的需求量也在不断增长。

海洋能作为一种新型可再生的绿色能源，蕴藏量极为丰富，若得到有效开发，完全可以解决世界能源长期短缺的问题。

随着近年来，陆上油气资源的不断枯竭，石油天然气的勘探开发也已经逐步向海上、向深海前进。

而海洋能不但可以借此机会得到发展，也可以为海上油气开发提供便捷、廉价的能源。

中国有着广阔的海域和丰富的海洋能源，合理地利用这一资源不但可以促进中国经济的发展，也可以有效地保护环境，最终实现社会的可持续发展。

海洋能源中，洋流能作为稳定性高、分布范围广的优质能源，也越来越得到科学家的重点关注。

相信随着类似于海洋风筝这样利用洋流能发电的高效设备不断地被研发出来，洋流能的应用前景也将越来越广阔。

7参考文献

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