边远海岛的多种能源综合利用与开发【毕业设计】.pdf

1、 毕 业 论 文（设计） 课题名称：边远海岛的多种能源综合利用与开发 系 ： 船舶与建筑工程系 专 业： 船舶与海洋工程 年 级： 指导教师： 学生姓名： 学 号： 起止日期： 摘要 - 1 - 边远海岛的多种能源综合利用与开发 摘要设计了边远海岛的多种能源综合利用与开发的方案，通过对海洋风能、波浪能、潮流能、 太阳能、温差能、盐差能、生物质能等开发原理和开发设备的了解，分析边远海岛多种能源 利用与开发的可行性。根据我省实际情况，选择适合开发的能源，并为这几种能源的综合利 用与开发建立初步方案。通过已有资料分析得出在为边远海岛提供电能的过程中，多能互补 系统具有无可比拟的优越性。说明该系统可以

2、更广泛的适用于我省的海岛环境，更高效、稳 定的将自然资源转化为电能。通过对该系统进行粗略的经济可行性分析，说明对该系统进行 投资是有意义的。最后希望本次边远海岛的多种能源综合利用与开发的方案，可以对我省东 部海岛的能源开发提供有价值的参考。关键 词边远海岛；多种能源；综合利用；方案设计；可行性；优越性；经济性摘要 - 2 - A variety of energy utilization and development of remote islandAbstractThis paper introduces the design of remote islands of the compre

3、hensive utilization of energy and development plan.Through the understanding to development principle and development equipments ofthe sea windenergy,the wave energy,tridal current energy, solar energy, and temperature difference energy, rock difference energy, biomass energy,analysis the energy uti

4、lization and development of feasibilityof remote islands.According to the actual situation in our province, choose energy to suit the development, and establishinitial planof utilization and developmentfor these kinds of energy.Through the existing material analysis for remote islandsin the process

5、of providing electrical power, energycomplementary system has the incomparable advantage. This indicatesthat the system can be more widely used in our provinces island environment, will transform natural resources into electrical energymore efficiently.Through the system of rough economic feasibilit

6、y analysis, it suggeststhat the system is a significant investment. Finally, I hope that the plan of comprehensiveutilizationand developmentof energy of remote islands can provide valuable referenceto theenergy development ofeast islands in our province.Key Wordsremote island;various energy;comprehe

7、nsive utilization;project design;feasibility;advantage;economical efficiency目录 - 3 - 目录 边远海岛的多种能源综合利用与开发 . 1 摘 要 . 1 引言 . 5 第一章 1.1 本文研究的目的和意义 . 5 海岛可开发的再生能源 . 6 第二章 2.1 海岛风能. 6 2.2 波浪能. 7 2.3 潮流能. 12 2.4 太阳能发电 . 15 2.5 海水温差能 . 17 2.6 海水盐差能 . 20 2.7 生物质能. 21 海岛多种能源开发的可行性分析 . 23 第三章 3.1 风能资源分析 . 23 3

8、.2 波浪能资源分析 . 25 3.3 潮流能资源分析 . 26 3.4 太阳能资源分析 . 28 3.5 海水温差能分析 . 29 3.6 海水盐差能分析 . 31 3.7 海洋生物质能分析 . 31 边远海岛多种能源互补系统设计方案 . 32 第四章 4.1 海岛能源利用现状及主要问题 . 32 4.2 海岛多种能源利用与开发的适用性 . 32 4.3 开发海岛多能互补系统的目标 . 33 4.4 分布式发电 . 33 4.5 多能互补发电系统简介 . 33 4.6 设备布置的方案分类 . 34 4.7 对多能互补发电系统的补充普及节能用电设备 . 36 经济可行性初步分析 . 38 第五

9、章东海科学技术学院本科毕业论文 目录 - 4 - 5.1 可再生能源的市场前景 . 38 5.2 多能互补发电系统的成本与收益估算 . 38 结论 . 40 第六章 6.1 课题的成果 . 40 6.2 课题的深入 . 40 参考文 献 . 41 正文 - 5 - 引言 第一章 1.1 本文研究的目的和意义 我国海域辽阔，海岛众多，在海洋经济发展突飞猛进的当今时代，边远海岛的发展明显 滞后于其他岛屿，而制约边远海岛发展的主要原因就是能源问题。由于大多数海岛地处偏远 海域，常规化石能源供应成本高与运输困难大的因素成为这些边远海岛发展过程中难以克服 的顽症。随着我国大力推进海洋经济建设，这些海岛在

10、建设海洋经济中的重要战略地位也逐 渐凸显出来。因此，如何来科学高效的开发这些岛屿，解决边远海岛的能源问题成为开发建 设这些岛屿的首要问题。 早在 20 世纪 80 年代，就已经开始了一系列解决边远海岛能源问题的建设。比如通过铺 设海底电缆或架空线与邻近有电网供电的岛屿联网。这办法一次性投资太大。根据目前的边 缘小岛的经济状况， 用电量很有限， 这样巨大的投资，靠岛上的乡村集体经济和居民集资 是难以承担的。也有通过柴油机组发电的，但是边远海岛多数交通不便、运输困难。柴油供 应量逐年减少，议价柴油比例增大，加上小岛居民文化水平低、机械维修技术和管理力量都 很薄，因而白办电厂的机械磨损严重，能耗高、

11、电费贵，尤其是一些工业不发达的边缘小岛， 要想昼夜供电在目前是难以实现的。 由于对边远海岛供电的种种困难，便有人提出，要就地取材，利用岛上取之不尽， 用之 不竭的可再生能源风能、太阳能和海洋能发电。开发利用这些新能源，虽然一次性投资 大于柴油机发电好几倍，但建成后，不耗煤、油等常规能源，通过蓄电池后，就能比较可靠 地实现无电海岛昼夜供电的需求。 从能源调查和区划资料来看，风能，太阳能和潮流能在这些边远海岛所在的海域都有非 常丰富的资源，但当时都是采用比较单一的采取方式，由于这些能源不连续、不稳定，因此 当用其为岛屿供电时，须有大量的储能设备，系统容量庞大，使成本上升，维护困难。 针对 这种情况

12、，走多能互补的道路可以有效地解决问题。通过将海岛周围能方便收集利用的能源 开发并系统整合到一起，才是解决海岛能源问题的正确思路。在边远海岛周边海域比较丰富 的能源主要有以下几种：风能、潮汐能、潮流能、太阳能、生物能源。这些能源都不同于我 们现在常用的常规型化石能源，属于可再生，无污染的新型能源。 目前，风力发电，光伏发电，潮流能发电，柴油发电机组和蓄电电池组的技术都已经相 对成熟，将他们整合起来成为混合发电系统完全是可行的。混合发电系统能利用多种可再生 能源的互补特性，可以获得比较稳定的总输出；在保证同样供电的情况下可以大大减少蓄电 池数量，节约系统成本；对混合系统的合理设计和匹配能使其在较好

13、的状态下运行，满足供 电要求，同时能尽量减少备用电源（柴油发电机）的启用次数。对边远海岛周边海域的多种 能源进行有效的开发和利用，根本解决边远海岛的能源问题。 正文 - 6 - 海岛可 开发的再生能源 第二章 2.1 海岛 风能 风能就是指流动的空气所具有的能量，是由太阳能转化而来的。风能是一种干净的自然 能源、可再生能源，同时风能的储量非常丰富。比世界上可利用的水能大 10倍。风能的利用 主要靠风力机，风力机是把风能转化为其他形式能量的旋转机械，因此利用风力可以发电。 2.1.1 风 能发 电概述 风力发电的原理，是利用风力带动风车叶片旋转，再通过增速机将旋转的速度提升，来 促使发电机发电。

14、根据目前的风力发电技术，大约是 3m/s 的微风，便可以开始发电。 风力 发电正在世界上形成一股热潮，因为风力发电没有燃料问题，也不会产生辐射或空气污染。 最简单的风力涡轮机包括以下三个主要部分： 转子叶片叶片在本质上是系统的帆；它们以最简单的方式充当风的障碍。当风使叶片 运动起来时，便将部分能量转移给了转子。 转轴风力涡轮机转轴与转子中心相连。当转子旋转时，转轴也随之转动。这样，转子 将它的机械转动能转移到转轴，而转轴另一端连接着发电机。 发电机发电机利用电磁感应的特性产生电压，产生电压实际就是产生电流。简单发电 机由磁体和导体组成。导体通常是线圈。在发电机内，转轴与缠绕着线圈的永磁体连接。

15、在 电磁感应过程中，如果导体周围有磁体，那么当其中的磁体与导体之间发生相对旋转时，便 会在导体中感应出电压。当转子旋转转轴时，转轴便会旋转磁体部件，从而在线圈中产生电 压。电压使电流通过电线流出以进行配电。 2.1.2 风 能发 电结构 a) 垂直轴风力涡轮及（VAWT） 在垂直轴风力涡轮机中，转轴安装在垂 直轴上，与地面垂直。与水平轴式的同类产 品不同，垂直轴风力涡轮机始终与风向保持 一致，因此当风向改变时无需调整；但垂直 轴风力涡轮机不能自己启动它需要电力 系统的推动才能启动。它通常使用拉索而不 是塔架进行支撑，因此转子高度较低。 较低的高度意味着风速因地面阻碍而较 慢，所以垂直轴风力涡轮

16、机的效率通常要比 水平轴风力涡轮机低。从有利的一面来说， 所有设备都处于地面高度便于安装和维修。 正文 - 7 - b) 水平轴风力涡轮机（HAWT） 水平轴风力涡轮机的转轴是水平安装的， 与地面平行。水平轴风力涡轮机需要使用偏 航调整装置时刻根据风向进行调整。偏航系 统通常包括电机和变速箱，用于缓慢左右移 动整个转子。涡轮机的电子控制器读取风向 标设备（机械或电子风向标）的位置，并调 整转子位置以尽量捕获最大的风能。水平轴 风力涡轮机使用塔架将涡轮机组件上升到最 适合风速的高度 （这样叶片便不会碰到地面） ， 并且占用非常少的地面空间，因为几乎所有 组件都在高达 80 米的空中。 2.1.3

17、 海 岛风 能发电 优缺 点 优点：风力发电不需要燃料、不占用耕地、没有污染，运行成本低。我国的风能资源十 分丰富，是一种干净的可再生能源；风力发电产业的前景非常广阔。风能设施日趋进步，大 量生产的成本降低，在适当的地点，风力发电的成本已低于火力发电。 缺点：受到地域限制，在许多地区的风力有间歇性。风力发电需要大量的土地兴建风力 发电场，才可以生产较多的能源。进行风力发电时，风力发电机会发出庞大的噪音。风源利 用率依然较低，能量转换率不高，对风源依赖性强。 2.2 波 浪能 2.2.1 波 浪能 发电概 述 波浪发电装置大都可看作为一个包括三级能量转换的系统。一般说来，一级能量转换机 构直接与

18、波浪相 互作用，将波浪能转换成装置的动能、或水的位能或中间介质（如空气）的 动能与压能等；二级能量转换机构 将一级能量转换所得到的能量转换成旋转机械的动能，如 水力透平、空气透平、液压马达等；三级能量转换将 旋转机械的动能通过发电机转换成电能。 波浪能 气压能 液压能 机械能 机械能 电能能 三级转换 二级转换 一级转换 正文 - 8 - 2.2.2 波 浪能 发电结 构 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

19、复运动而做功。 a) 波-机械能 “点头鸭”式波能转换装置 点头鸭式波能转换装置是在 1974 年由 Salter 提出的，转换效率可接近 90%左右， 其名字的由来是因为该装置的形状和运动特 性都类似于鸭的运动。受能体的运动主要来 自于入射波运动产生的动压力和流体静压力， 动压力推动鸭身绕轴线旋转，静压力推动鸭 嘴做起伏运动。因为两种形式的运动是同相 位的，因此可将产生的能量同时传递出去， 从而再转换为电能使用。 摆式波能转换装置 摆式波能转换装置的原理较为简单，即 在波浪推动下，摆板上下运动产生机械能， 然后再经由中间装置传输到最终转换，转化 为电能。 东海科学技术学院本科毕业论文 正文

20、- 9 - b) 波-液压能 摆板式波浪发电装置 摆体是摆式装置的一级能量转换机构。 在波浪的作用下，摆体作前后或上下摆动， 与摆板相联的是液压装置，它将摆的动能转 换成液力泵的动能，再带动发电机发电。 东海科学技术学院本科毕业论文 正文 - 10 - 聚波水库式 波道与海连通的一面开口宽，然后逐渐 收缩通至贮水库。 波浪在逐渐变窄的波道中， 波高不断地被放大，直至波峰溢过边墙，将 波浪能转换成势能贮存在贮水库中；收缩波 道具有聚波器和转能器的双重作用。水库与 外海间的水头落差可达 3一 8m， 利用水轮发 电机组可以发电。 c) 波-气压能 振荡水柱式波能转换装置 目前已建成的振荡水柱波能装

21、置都利用 空气作为转换的介质。其一级能量转换机构 为气室，二级能量转换机构为空气透平。气 室的下部开口在水下与海水连通，气室的上 部也开口（喷嘴） ，与大气连通。在波浪力的 作用下，气室下部的水柱在气室内作强迫振 动，压缩气室的空气往复通过喷嘴，将波浪 能转换成空气的压能和动能。 浙江海洋学院本科毕业论文 正文 - 11 - 航标波力装置 航标波力装置是典型的气动式中间转动。 转换过程是:空气泵室（即空腔， 将机械能 转换为空气能) 整流气阀和气道气轮机 (将空气能转换为机械能)。它采用空气作为 中间介质，因此对机件的腐蚀较之用海水作 为介质大为减小。空气泵借用水体为活塞， 简化了结构。空气密

22、度小，限流流速高，可 使气轮机转速较高，因而使气轮机以较小的 尺寸获得较大的功率。 2.2.3 波 浪能 发电优 缺点 优点： 1. 储量大：波浪能是海洋中分布最广的可再生能源大海里很难找到没有波浪的地方。 海浪能一般多应用在发电上，海洋占地球表面积有十分之七，可 24 小时连续供电，不怕原料 缺乏。 2. 波浪能以机械能形式出现，是海洋能中品位最高的能量；波浪能的能流密度最大，在 太平洋、大西洋东海岸纬度 4060区域，波浪能可达到 3070kW/m，某些地方达到 100kW/m。 3.操作护理简单。波浪能可通过较小的装置实现其利用，可以提供可观的廉价能量。 缺点： 1. 波浪能是一种散布在

23、海洋表面上低密度不稳定能源，难以集中。 2. 波浪能变化无常，往往越是大风大浪大海区，越是波浪能集中的地方，而此时发电设 备要在极其恶劣的条件下运转，就必须改进技术，从而大大提高设备的造价。 浙江海洋学院本科毕业论文 正文 - 12 - 2.3 潮 流能 2.3.1 潮 流能 发电概 述 潮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所产生的能量，是一种以动能形态出现的海洋能。 潮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

24、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。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。 2.3.2 潮 流能 发电结 构 水平轴潮流能水轮机 水平轴潮流能水轮机又称轴流叶轮水轮机，这种水轮机类似于常见大型风力机，其水流 方向与旋转轴平行，利用水流推动叶轮旋转桨叶发电。水平轴潮流能水轮机又可按结构分为 风车式、空心贯流式和导流罩式。 风车式潮流能水轮机 风车式潮流能水轮机是目前技术比较成 熟

25、、发展最快的机型。风车式潮流能水轮机 的工作原理和结构都与现代风力机类似，其 水轮机翼型叶片可以是固定的，也可以是可 调的。风车式潮流能水轮机结构简单，稳定 性较好，获能系数较高。 空心贯流式水轮机 该潮流发电装置无轴，由固定的外部环和内 部的旋转盘组成，两部分上分别布置线圈和 永久磁铁，组成一台永磁发电机。 SeaGen型 1.2MW潮流能发电装置 Open Centre型空心贯流式潮流能水轮机 浙江海洋学院本科毕业论文 正文 - 13 - 导流罩式水平轴水轮机 这种水轮机是在水轮机转子叶轮外面增加一 个导流罩。导流罩具有导流、聚能的作用， 可以使通过水轮机的能量更加集中，获能效 果更高。

26、竖轴潮流能水轮机 竖轴潮流能水轮机又称横流叶片式水轮机， 其工作原理与竖轴风力机相似，水流方向与 叶轮旋转轴垂直（横流） ，桨叶有直叶片和螺 旋叶片两种。 竖轴固定偏角直叶片潮流水轮机具有结构简 单、系统稳定可靠、造价低的特点，具有广 阔的应用前景。但是由于该机构在水流场中 的自启动能力较差，低流速下很难启动，故 在实际工程应用中有着明显的劣势。提高竖 轴固定叶片水轮机自启动性能是目前研究的 重点。 1MW导流罩式水平轴潮流能水轮机 竖轴潮流能水轮机示意图 浙江海洋学院本科毕业论文 正文 - 14 - 振荡式水翼潮流能装置 振荡式水翼潮流能装置上的翼型水翼通过摆 臂连接，当水流流过时，升力和阻

27、力使水翼 上升， 使摆臂上下摆动， 驱动液压马达发电。 BioPower公司的振荡水翼技术 Pulse Generation 公司的振荡水翼机 2.3.3 潮 流能 发电优 点与 缺点 优点： 潮流能是一种清洁、不污染环境、不影响生态平衡的可再生能源。海水洋流，取之不尽， 用之不竭。它是一种相对稳定的可靠能源，很少受气候、水文等自然因素的影响，全年总发 电量稳定，不存在丰、枯水年和丰、枯水期影响。 潮流能电站不需淹没大量农田构成水库， 因此，不存在人口迁移、淹没农田等复杂问题。这对于人多地少、农田非常宝贵的沿海地区， 更是个突出的优点。 潮流能开发一次能源和二次能源相结合，不用燃料，不受一次能

28、源价格的影响，而且运 行费用低，是一种经济能源。但也和河川水电站一样，存在一次投资大、发电成本低的特点。 机组台数多，不用设置备用机组。 缺点： 海流在会发生变化， 在无特殊调节措施时， 出力有间歇性。 而且发电机因浸泡在海水中， 海水、海生物对金属结构物和海工建筑物有腐蚀和沾污作用，放需作特殊的防腐和防海生物 粘附处理。 浙江海洋学院本科毕业论文 正文 - 15 - 2.4 太 阳能 发电 2.4.1 太 阳能 发电概 述 太阳能发电分为光热发电和光伏发电。通常说的太阳能发电指的是太阳能光伏发电，简 称“光电” 。光伏发电是利用半导体界面的光生伏特效应而将光能直接转变为电能的一种技术。 这种

29、技术的关键元件是太阳能电池。太阳能电池经过串联后进行封装保护可形成大面积的太 阳电池组件，再配合上功率控制器等部件就形成了光伏发电装置。 2.4.2 太 阳能 发电结 构 利用太阳能发电有两大类型，一类是太阳光发电（亦称太阳能光发电） ，另一类是太阳热 发电（亦称太阳能热发电） 。 太阳能光发电是将太阳能直接转变成电能的一种发电方式。它包括光伏发电、光化学发 电、光感应发电和光生物发电四种形式，在光化学发电中有电化学光伏电池、光电解电池和 光催化电池。 太阳能热发电是先将太阳能转化为热能，再将热能转化成电能，它有两种转化方式。一 种是将太阳热能直接转化成电能，如半导体或金属材料的温差发电，真空

30、器件中的热电子和 热电离子发电，碱金属热电转换，以及磁流体发电等。另一种方式是将太阳热能通过热机（如 汽轮机）带动发电机发电，与常规热力发电类似，只不过是其热能不是来自燃料，而是来自 太阳能。 1） 太阳能光伏发电 聚光式光伏发电：用聚光器取代大部分光伏电池，降低成本，要求稳定可靠的聚光器和跟踪 装置，系统复杂、维护费用高，还要考虑散热。分单轴式跟踪和双轴式跟踪。 非聚光的平板式光伏发电：平板式系统简单可靠、易安装、运营维护成本低廉，占主导地位。 光-电转换 太阳能光伏发电 太阳能热力发电 水蒸汽（槽、碟、 塔式） 低沸点工质（太阳 池） 气体（烟囱） 浙江海洋学院本科毕业论文 正文 - 16

31、 - 太阳能热发电 太阳能热发电，也叫聚焦型太阳能热发电（Concentrating Solar Power，简称 CSP） ，通过大量 反射镜以聚焦的方式将太阳能直射光聚集起来，加热工质，产生高温高压的蒸汽，蒸汽驱动 汽轮机发电。 2） 槽式太阳能热电系统 槽式太阳能热电系统原理图 抛物柱面槽式反射器将阳光聚焦到管状的接收器上，将管内的传热工质加热，产生高温 水蒸气，推动汽轮发电机发电。 塔式太阳能热电系统 塔式太阳能热发电系统的基本形式是利 用独立跟踪太阳的定日镜群，将阳光聚集到 一个固定在塔顶部的接收器上，用以产生高 温。加热工质产生过热蒸汽或高温气体，驱 动发电机组发电， 从而将太阳能

32、转换为电能 。 塔式太阳能热发电系统包括：聚光子系 统、集热子系统、发电子系统、蓄热子系统 和辅助能源子系统。具有规模大、热传递路 程短、 热损耗少、 聚光比和温度较高等特点， 极适合于大容量工业化应用。 塔式太阳能热电系统 浙江海洋学院本科毕业论文 正文 - 17 - 碟式太阳能热电系统碟式太阳能热发电系统是利用旋转抛物 面反射镜，将入射阳光聚集在焦点上，放置 在焦点处的太阳能接收器收集较高温度的热 能，加热工质，产生过热蒸汽，驱动汽轮发 电机组发电；或在焦点处直接放置斯特林 （stirling）电机发电。 碟式太阳能热发电系统具有寿命长、效 率高、灵活性强等特点，可以单台供电，也 可以多套

33、并联使用，非常适合边、远、山区 发电。整个系统包括：聚光集热子系统、发 电子系统、蓄热子系统。 2.4.3 太 阳能 发电优 缺点 优点： 太阳能是人类可以利用的最丰富的能源，到处都是，不需要运输，随取随用。太阳能资 源的使用不会带来污染，不会排放出任何对环境有不良影响的物质，是一种清洁的能源。太 阳能的使用对于地球不增加热载荷，因此太阳能系统被称作“无变量的能源系统” 。 缺点： 太阳能虽然到达整个地球表面的能量非常巨大，但这种能量非常分散，作为能源，它的 密度太低。因此，太阳能的利用装置必须具有相当大的面积，才能收集到足够的功率。所以， 大面积的使用太阳能发电设备，会有很高的造价。太阳能受

34、气候、昼夜的影响很大，达到很 不稳定。而增加储存装置，不仅增加了技术上的难度，也增加了造价。 2.5 海 水温 差能 2.5.1 海 水温 差能发 电概 述 海水温差能是因深部海水与表面海水的温度差而产生能量。火力发电和原子能发电是以 热能使水沸腾，利用水蒸气带动涡轮机发电。海洋温差发电，则是利用氨和水的混合液，借 助表面海水的热量，用蒸发器使氨水沸腾（与水的沸点 100相比，氨水的沸点是 33，很 容易沸腾） ，再用氨蒸汽带动涡轮机发电。氨蒸汽会被深层海水冷却，重新变成液体。在这一 循环过程中，可以不间断地将海水的温差变成电力。利用水面的高温海水，蒸发沸点低的液 体，获得蒸汽旋转涡轮发电，再由深海吸取的冷水，以冷却蒸汽成液体，内部形成一密闭的