未来海洋能量能得到充分利用吗？以什么方式实现？ - 海洋资源利用技术

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知乎圆桌期间补充：

比较成功的海洋能装置有哪些？ - 知乎用户的回答 . s! D$ y6 u# b

这是最近另外一个回答，介绍了海洋新能源国际上一些最新动态，对各种海洋能的前景做了一个比较分析，也说明了面临的挑战。

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看到这个题目很感兴趣，现在公司的R&D部门也在进行一些海洋可再生能源方面的研究。已有答案也提到了海洋能源的几种利用形式：风能、潮汐能、波浪能、温差能，还有人提出洋流、内波发电；矿产资源方面，除了传统的油气，还有深海水合物（gas hydrate）、锰结核, etc。

目前offshore风能、潮汐能都已经有成熟的商业化装置，波浪能、温差能也都有试验。深海水合物、锰结核理论上都可以开采，但距离商业化距离甚远。

1. offshore风能

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这算是本人最了解的，重点说一下。中国东海大桥附近已经建设了海上风电场，但工程设计上和陆上风场相差不大，仍然是座底式的。现在欧美的研究机构热衷于搞浮式的风机，可以建在更深的海域。以下是几种风机的示意图：

浅水的风机和陆地上的差别不大，顶多再考虑一下波浪和潮流的荷载、导致的dynamic load和疲劳以及海水腐蚀等等。当大于50m时，座底式的就不经济了。浮式风机的难点在于会晃动的很厉害。这就需要station-keeping system能设计好。图上展示了目前几种类型。其概念其实都来源于海上石油平台几种浮体形式-tension leg platform(TLP), Spar, Semi（半潜式）。工程计算上就是将浮体水动力、锚泊系统力和上部风力荷载耦合起来。每个部分现在都有成熟的软件来做，比如水动力的wamit；锚泊系统就多了去了，简化成线性弹簧都可以；风力荷载有NREL(美国国家可再生能源实验室)的FAST。现在欧美日大部分offshore wind turbine的研究，大体上是研究怎么把这几个体系耦合起来，具体可参考MIT, TAMU, NTU等院所的博士论文和journal paper。

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在浮式风机方面，日本和欧美是走在前列的。这是日本的semi式风力发电机组。西欧据说将来也要建造大量离岸风电场：

http://www.ewea.org/policy-issues/offshore/ # z, @5 b5 l1 \ H/ }) d" X+ A

。

以上所讲的offshore wind turbine，都是一个浮体对应一个风机。现在又提出一个multi-turbine hull的概念。就是一个浮体上安装一组风机，譬如这样：

还譬如这样：

也许有人要问为毛要往海里建，陆地上不行吗？如下是建在海上的好处。

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有以下优点：（1）海上吹程长，摩擦力小，风速大。学过物理的都知道能量和速度的二次方成正比；所以如果海上风速是陆地上的1.5倍，输出功率则2倍多（当然对wind turbine的设计也提出了更高的要求）；（2）海上可以安装更大型的装置；船能运输、吊装更大的机组（3）近海风场往往距离沿海人口密集地区较近，减少了电力运输的损耗；（4）不会占用陆地的宝贵资源，尤其是西欧、东亚的沿海人口密集地区。

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当然仍是不少缺点的，否则早就大规模利用了：（1）成本仍然较高，甚至还高过陆上风电，毕竟浮体风机技术还不太成熟；（2）安装、维护成本高，只要开了船，银子就哗哗的上去了，工程船的日费可不是一般的高；(3)所有风电都存在的问题，譬如并网。这点就不多赘述了。

可以预见，在政府行为的干预下，海洋风能或许是海洋能里目前最有商业化可能的。但想像烧天然气、煤那样白菜价的发电，短期内我只能呵呵了。

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2. 潮汐能

已有商业化，参考法国Rance潮汐电站：

潮汐电站也有几种利用形式。一种是朗斯电站采用的形式，在涨潮的时候水从外海通过发电机组进入海湾或内河，落潮的时候海水以相反方向通过发电站，这样一来一去，潮水推动水轮机发电。当然这是适用于潮水比较急的地方。如果潮水比较缓，则可能采取类似水电站的方式，涨潮时开闸门，落潮时闭闸门，这样两边形成高度差发电。

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第二种似乎是直接把水轮机置于潮流中发电，不建水闸了。这样问题比较多，搞过海洋观测的应该知道，一些流速仪放到水里经常被水藻缠住，还不谈海里那么多的泥沙和漂浮物.若是直接把水轮机放在潮流里，那实在是作死。置于怎么解决，应该也是目前研究的问题。细节不了解，就不多说了。

潮汐能的使用范围其实很有限，因为不是啥地方都能利用起来。有几个限制条件1)潮差; (2)地形。潮差不够，不适合建，海域太开阔也不行。因此只有潮差大的海湾、河口相对合适。但要每个海湾都搞个潮汐电站，你看环保主义者不天天跳出来骂街。潮汐能利用对生态环境的影响也是很显而易见的。譬如类似水电站的模式，造成的后果就是该涨潮的时候不涨，该落潮的时候不落，那些鱼啊鸟啊什么的可惨了。至于水轮机对海底生态的影响，我想也是需要进一步论证的。

同理，个人认为潮汐能不会成为发电主流，但对Local起到补充作用还是可以的。

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（3）波浪能

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以前有同学研究过wave energy converter. 很简单的装置，貌似就是一个truncated cylinder插在海面上，圆筒里的自由液面随波浪上下动。圆筒的顶上开个小口，这样液面升的时候排气，液面低的时候进气，推动turbine发电。呵呵，是不是很山寨的感觉。其实和这个很接近：(Oscillating Water Column)

还有一种利用浮标的上下往复运动来带动发电机：（Point Absorber Buoy）

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Surface Attenuater： 这是一种蛇形的波浪能转换装置，随波扭动，带动内部的机械传动装置进行发电。

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overtopping device: 波浪传递过程中，波峰的水涌进浮体的reservoir，与mean sea level形成高度差。水向下流通过turbine驱动发电。

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Oscillating wave surge converter： 一端固定在海底，一段随波浪摆动，通过hydaulic pump驱动发电机。

前几年佐治亚理工有科学家还研制成功一种很fancy的波浪纳米摩擦发电机。具体原理可以百度。

波浪能有个较大的优点就是随时都有，全世界哪片海没波浪的，而且这玩意儿昼夜不停。缺点则是好多新能源的通病——能量密度太低、输出不稳定。另外这些装置会产生电磁场，对海洋生物产生一些不良的影响。

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具体可参考wave power维基百科词条：

Wave power ; a" }5 g: [3 {- g1 [# l3 j' H

（4）温差能

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利用海表和海底的温度差，传热介质在海表加热，在海底冷凝，构成循环，推动turbine发电。如图所示工作原理简图。

在理论上也是没什么问题的。还是那句话，成本太高。

Lockheed Martin (没错就那家造战斗机的军火巨头)曾设计过一个装置：Ocean Thermal Energy Converter：

Ocean Thermal Energy Conversion · Lockheed Martin

把其无码大图搬运过来：

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有木有感觉很写意？

hehe，估计人家也不会把详细的图给放上来的。不过在读硕士时参加过一个seminar，是一个洛克希德马丁曾参与过这个项目的专家。他向我们展示了一些内部资料。这个玩意儿外形上和半潜式平台很像，但这个上面挂了细细长长的圆筒状物，挂到海底，名曰heat exchange unit。里面应该是流着那种能在室温汽化但又能在4度左右液化的气体（maybe氟利昂？）（有一位好心同学提醒可能是液氨）。至于这些unit的设计分析，和海洋工程中广泛利用的生产立管（riser）非常接近。大概就是有限元建个模再加上wave\current的荷载算一算。软件模拟、图纸上都很好看，可是成本啊成本！

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5. 矿产资源

关于天然气水合物（传说中的可燃冰），请看链接：

可燃冰技术进展如何，哪些国家领先，离大规模应用还有多远？ - 电力

地球化学的人先做前期论证。置于商业开采需要的工程技术，等常规天然气、页岩气用的差不多了再说也不迟啊。

有机会再来补充吧！

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Updated 03/21/2015

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前几天看资料想起来一个特别有意思的发电方式，来补充下第六点

6. 涡激振动发电 （Vortex Induced Vibration，所谓VIV）

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所谓VIV, 通俗解释：想象一个圆柱置于流水中，水流会绕过去.理想无粘无旋的情况下，流场会很稳定，能得出解析解（平行流流场势+偶极子流场势）；而实际情况，流体是有粘度的，因此会在圆柱表面减速，形成边界层，所谓boundary layer separation。圆柱两侧边界层的发展是不对称的，因此产生了不对称的lift force，导致了和流动垂直方向上的分力。在这种力的作用下，如果恰好和圆柱的某个自然频率相吻合，则会激发剧烈的振动。

目前工程应用上总是要千方百计地减少VIV，因为VIV高频，如果被激发就很剧烈，十分影响疲劳寿命。但如果换一种思路，倘若设计一种装置，激发出VIV，那这种振动是否可以用来发电呢？

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答案是可以的。

密歇根大学有研究组在做VIV发电. youtube上有视频，我不确定国内的同学是否能看到。

https://www.youtube.com/watch?v=IcR8HszacOE + {) i3 D. l- J& @

就贴张他们实验的截图吧。

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这是他们做的实验。流速为2.74节，从左往右。他们布置了四个横向的柱子。在VIV的作用下，这四根柱子做上下往复运动，带动连杆以及水槽上方的机械传动装置进行发电。看起来还是很fancy的说。

这是一张网上的概念图，有密集恐惧症者慎看。。

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这种VIV发电方式据说能量密度比用水轮机和波浪发电效率更高，1一方米的水可以发51瓦特的电，并且在流速低于1节时就可以。其实以前也和导师探讨过VIV发电的问题，不过他倒很不以为然。。VIV非常难预测，湍流至今是流体力学领域里一个悬而未决的问题。这种方式仍处在实验室阶段。湍流随机性太高，难以得到精确解。这就需要数学、流体力学等各学科研究人员不懈的努力了。

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