能源与动力技术.pdf

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1、能源與動力技術1ௐ˟ቔਕ໚ᄃજ˧ԫఙ台大生機系馮丁樹教授第五章新能源的開發5.12ঔ߶ਕԫఙ8地球表面積約為5.1x10km，其中陸地表面積為881.49x10km，占29％；海洋面積達3.61x10km，占71％。以海平面計，全部陸地的平均海拔約為840m，而海洋的平均深度卻93為380m，整個海水的容積多達1.37x10km。一望無際的汪洋大海，不僅為人類提供航運、水產和豐富的礦藏，而且還蘊藏著巨大的能量。通常海洋能是指依附在海水中的可再生能源，包括：潮汐能、波浪能、海洋溫差能、海洋鹽差能和海流能等。廣義的海洋能源還包括海洋上空

2、的風能、海洋表面的太陽能以及海洋生物質能等。全球海洋能的可再生量很大，上述五種海洋能理論上可再生的總量為766億KW。雖然海洋能的強度較常規能源為低，但在可再生能源中，海洋能仍具有可觀的能流密度。近年來，世界潮汐能的開發利用有了較大的發展。僅法國、前蘇聯、加拿大和韓國已經或即將建成的潮汐電站即達66多萬KW。目前，世界潮汐能開發的趨勢是偏向大型化，如法國西部沿海建造的朗斯洛潮汐電站年發電量為5.44億度；俄國基斯洛潮汐電站裝置容量800KW，年發電量230萬度；美國塞文電站為720萬KW，印度坎貝灣電站為736萬KW。5.12.1海

3、洋能的類型2生物產業機械學海洋能的表現形式多種多樣，通常包括：潮汐能、波浪能、海洋溫差能、海洋鹽差能和海流能等。5.12.2潮汐能潮汐能是以位能形態出現的海洋能，是指海水潮漲和潮落形成的水的勢能。據估計世界海洋潮汐能蘊藏量約為27億KW，若全部發電，年發電量可達1.2億度。海水漲落的潮汐現像是由地球和天體運動以及它們之間的相互作用而引起的。在海洋中，月球的引力使地球的向月面和背月面的水位升高。由於地球的旋轉，這種水位的上升以週期為12h25min和振幅小於1m的深海波浪形式由東向西傳播。圖5.43太陽影響潮汐的情形太陽引力的作用與此

4、相似，但是作用力小些，其週期為12h。當太陽、月球和地球在一條直線上時，就產生大潮；當它們成直角時，就產生小潮。除了半日週期潮和月週期潮的變化外，地球和月球的旋轉運動還產生許多其他的週期性迴圈，其週期可以從幾天到數年。同時地表的海水又受到地球運動離心力的作用，月能源與動力技術3球引力和離心力的合力正是引起海水漲落的引潮力。除月球、太陽外，其他天體對地球同樣會產生引潮力。雖然太陽的質量比月球大得多，但太陽與地球的距離也比月球與地球之間大，故其引潮力還不及月球的一半。其他天體或因遠離地球，或因質量太小所產生的引潮力很小。就萬有引力計算，

5、月球之最大引潮力可使海水面升高0.563m，太陽的引潮力則達0.246m。但實際的潮差卻比上述計算值大得多。如大陸杭州灣的最大潮差達8.93m，加拿大芬地灣最大潮差更達19.6m。這種差異目前尚無確切的解釋，一般認為是當海洋潮汐波衝擊大陸架和海岸線時，通過上升、收聚和共振等運動，使潮差增大。潮汐能的能量與潮量和潮差成正比，或者說，與潮差的平方和水庫的面積成正比。與水力發電相比，潮汐能的能量密度很低，相當於低水頭發電的水準。世界上潮差的較大值約為13∼15m，但一般說來，平均潮差在3m以上就有實際應用價值。由於潮水的流動與河水不同，其

6、方向不斷變換，因此潮汐發電具不同的型式，例如：①單庫單向型，只能在落潮時發電。②單庫雙向型：在漲、落潮時都能發電。③雙庫雙向型：可以連續發電，但經濟上不合算，未見實際應用。最簡單的潮汐發電系統包括在海口建一座水霸、閘門。當漲潮時，海水經由閘門進入貯水池，退潮時貯水池之海水往外流經水輪機，以行發電。漲潮時雖亦可用以發電，但實際上乃較少使用，故仍屬單庫單向型。4生物產業機械學圖5.44退潮發電之配置水輪機的型式則與一般水力發電水輪略有不同，在法國西北部不列搭尼區之聖馬羅處所設置的潮汐水輪機屬球型(圖5.45)。海水流經水輪時可使水輪轉動

7、，但必須防止整個水輪反向。圖5.45球形水輪機(CopyrightBoyle,1996)環水輪(圖5.46)是另一種水輪型式，應用於加拿大之蘇格夏。發電機之機體固定於霸體內與水輪機之葉片成直角。只是這樣的安排不容易調整水輪機之出力性能，亦不適用於抽水的反功能。管水輪(圖5.47)最先應用於英國，其葉輪連接一長軸，且因能源與動力技術5呈傾斜狀態，故發電機可以安放在壩內。圖5.46環型水輪機(CopyrightBoyle,1996)圖5.47管型水輪機1970年提出之潮汐水輪機如圖，其出力為15KW，類似風車的功能，這種水輪機比其他型式

8、較佳，且其對環境的影響也較小。這種水輪機在水流2-3m/s(4-6節)的範圍時，可以發電4-13kW/m2。流速太高會損及整個機體之結構，太小反而不經濟。雖然潮汐發電具有優點，諸如交通簡化、減少溫室效應等，但仍有可能改變當地之水文及生