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本帖最后由 晨枫 于 2021-10-16 07:29 编辑
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; U' T+ F" r: a& I2 }' S中国缺电，缺得厉害。随着汽车电动化，住宅空调化和电热化，长期用电需求还将大幅度增长。短期办法当然是增加燃煤发电，但煤电污染大，长远来说肯定不是主要发展方向。核电除非钍堆技术大发展了，否则由于成本、核废物处理和安全限制，也不便过度依赖。水电受到资源限制，开发完了也就开发完了，新技术可以发掘低水头发电，但还是有生态和景观限制，不便遍地开花。
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风电受到地理条件限制，不是哪里都能开发的，而且对生态和景观的影响也大，有利于开发风电的地方，常常在候鸟迁徙路线上。中国好不容易通过再森林化恢复了一点生态，要是因为风电大量杀伤鸟类，就不好了。太阳能也受到地理条件限制，而且中国太阳能条件较好的西北和青藏高原远离用电集中的东南沿海，长途输电的损失不宜忽略。
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但风电和太阳能不必限制在大陆上，海上也可以发展。
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丹麦和德国大力发展海上风电，已经取得很大成就
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6 H( u" w+ f8 F7 c% |2 o4 p; d北海常年大风，丹麦和德国正好大力发展海上风电，已经很有规模。中国也可以利用漫长的海岸线，发展海上风电。
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海上风电的坏处是建造、运作和输电成本高于陆上风电，但有不占地的好处，鸟撞的问题也大大降低。离岸几公里以外，日常飞行的海鸟就大大减少。海底铺设的输电缆比陆上要复杂，维修麻烦，但也有不需要征地和建造输电铁塔的好处。需要对过往渔船的作业有所限制，避免拖带。此外，工作环境倒是很稳定，没有风雨、飞鸟的影响。反正坐在海底，海洋生物攀附的影响可能也较低。, M' B+ q5 \9 T4 f' a
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浮动的光电场是另一个向大海要电的路子，这里还是在湖面，但在原则上也可以造到海上! |+ H- _2 c8 }& M$ c$ S
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) E' E# q2 o8 h2 a' a还可以用大型“救生圈”围起来，人工制造一个避风港，圈内的风浪大大小于圈外% t; i& b8 _8 \( b% T
0 g) N2 A- L' d) G海上光电是另一个路子。海上没有树木、山峦、建筑的遮挡问题，也没有尘土、杂物的沉积问题。只要解决了防腐问题，经常冲水、保持清洁没有水源问题。海水的冷却还提高光电板的效率。光电浮板可以连锁起来，既避免飘散，也降低风浪中的稳定性。还可以和海上风电场在一起，栓在风电桩上，并共用输电设施。如果风浪影响太大，可以用大型环状或者矩形浮体把光电板阵围护起来。这像避风港一样，圈内的风浪大大小于圈外，有利于光电板有效工作。- i/ F! \1 B3 g1 y6 x4 D! b
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1 V3 _1 c1 r! Q H+ G) @, d& k) E在浅海，也可以把光电阵直接早在海底上，简化光电板的使用和维修; u6 D, V1 E5 y7 ? y7 U) x
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或者把光电板安装在大型浮筏上
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7 M" p' i) r- j* U' p9 Y0 |/ A! G如果直接浸泡在海水里的防腐和海洋生物挑战较大，可以用工程手段把光电板架起来。在浅海，直接从海底造支架就行。在深海，可以用大型浮筏。2 v9 ?: q. `# Y( r+ x: K1 R/ p
$ d' K; B7 W% `3 o. h! Y光电板的好处是对太阳的方向性要求不太高，只要大体朝上就可以在日照下发电，缺点转换效率较低。光热的效率就比较高了，而且可以和海水淡化连接起来。) C; D4 W! a! G
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光热是另一个发展方向
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光热将太阳的热量用聚光镜聚焦，加热焦点上的蒸汽发生器，产生高压蒸汽，推动蒸汽轮机发电。这是最简单的单回路，实际光热常用双回路，内回路用熔盐，可以升温更高，提高光热效率。然后循环的炽热熔盐进入蒸汽发生器，产生高压蒸汽，推动蒸汽轮机发电。光热还可以把部分炽热熔盐打入地下保温，在夜间抽取出来作为热源，继续发电。
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; h0 h# g. p8 u0 }8 }在大西北，发展光热的最大限制在于水源。热电用循环水不容易。发电后的低温低压蒸汽要靠自然散热而冷凝成水就太费事了，用冷却水则有冷却水的散热问题，跑得了和尚跑不了庙。一般热电厂巨大的白色烟柱常被误解为废气污染，其实那只是冷却塔的水蒸气。但在干旱的大西北，这样大量消耗宝贵的水资源是很可惜的。
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但在海上就没有这个问题了。可以用熔盐的双回路，也可以直接用简单的海水单回路。熔盐的好处是可以储能和调峰发电，但海底存储炽热的熔盐不易。海水单回路简单，而且没有水源和冷却塔问题。高压蒸汽推动发电后，直接通过水下管道边冷却，边作为淡水输往大陆，发电、海水淡化两不误。
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# {3 p7 A4 H8 U ]! Q- e! V1 u# s海水是淡盐水，蒸发后留下浓盐水。这既可以作为氯碱化工的原料，也可以用部分冷凝水稀释后直接向大海排放。由于排放的盐分本来就来自海水，除了可能形成局部“热点”，排放对海水的盐度影响很小。局部热点的问题可以通过海流研究和长管多点排放解决。
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- U1 n1 G' d& M4 Q. \. H8 [光热需要所有反光板精确指向聚光塔顶的焦点，现代控制是做得到的。将反光镜阵分成安装在大型浮架上，浮架的尺寸大大超过本地典型波浪波长，可以用波浪的自然起伏抵销很大一部分波动影响。浮架相当于大型浅网箱结构，这对中国毫无技术压力。8 A$ K) k$ W8 ~1 o3 h
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如果反光镜阵和聚光塔在同一个浮架上，反光镜的控制和同步就更容易了，但这要求发电机也分散化，每个浮架配备一套汽轮机-发电机组。但这样，高压蒸汽管路也都是刚性连接，设计和制造上简单得多，就是浮架要足够大，才能有足够的经济性。多个浮架连接成海上光热场，可以提供可观的电力和淡水。% o- u# ~- j: \) `9 X/ U
- l2 \6 C# K# c+ }$ A" _+ C当然，这对机组的全自动可靠工作有很高要求，经常需要伺候就不好了。
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海洋上的风利用起来了，海洋上的阳光利用起来了，但海洋上的波浪不仅是要克服的困难，本身也是能源。坏天气通常还是大浪天，波浪受昼夜的影响也相对小点，可发电的时间更长。! q4 e1 d$ F9 z$ D' ]% B/ B s
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波浪发电长期在“打气筒”理念里打转转，这有概念简单的好处，但使用起来挺别扭，需要把往复式的直线运动转换成更加适合发电机的单向旋转运动。更加直接的是用活塞的往复运动直接切割筒体磁场的磁力线，直接发电，但需要对电流“梳理干净”，否则相位、频率都很难与电网相同。或许用直流发电、直流输电是一个解决的办法。
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“打气筒”不光可以竖立在海里，还可以横卧在水面
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. G# J7 s7 m$ h: m* R; V$ u; g* ^8 N号称“海蛇”的发电装置在两节浮筒之间是液压发电装置，在波浪的上下运动中，交替抽吸液压油，驱动发电
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9 H6 |+ ~6 W' q# O( ~7 z8 \更加巧妙的是把“打气筒”横卧在水面上，成为“海蛇”。这样把多节浮筒相连的波浪发电装置的两端都栓在海底，每两节浮筒之间是发电装置，用上下交错的自由转动的铰链连接。随着波浪的运动，浮筒随着波面的起伏，驱动活塞。图中黑色的就是活塞驱动杆。
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油路都带单向阀，液压油只能向一个方向流动，通过流路的周期性切换，保证驱动液压马达的液压油只朝一个方向流动，液压马达不会周期性正反转。具体来说，假定连接液压马达两侧的管路从右往左流动。这样，右侧油缸的底部管路和左侧油缸的顶部管路都只能向上流动，在左活塞推进、右活塞退出时，液压油在下液压缸里压缩，通过右油缸，向左驱动液压马达，再通过左油缸回到上液压缸存储待用。右油缸通向上液压缸和左油缸通向下液压缸的旁通管路都只能从左上往右下流动，这样，在右活塞推进、左活塞退出时，液压油在上液压缸里压缩，“绕道”右油缸，向左驱动液压马达，再通过左油缸回到下液压缸存储待用。左右油缸都是有弹性的，自然保持压力，对波浪起伏带来的液压油压力起伏进行平滑，帮助稳定发电。: F0 n: G0 N. C- R _# [6 A
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这是很巧妙的设计，而且是利用波浪的形状，而不是波浪的升沉。但由于连接铰链只能上下运动，而真实海浪是复合运动，机械磨损很大。为了适应真实海浪，每两节之间交替用上下转动的铰链和横向转动的铰链，一方面利用横狼的能量，另一方面降低机械磨损。但“海蛇”的机械磨损还是太大，2004年在苏格兰建成并网发电，2008年在葡萄牙建成并网发电，中国在2015年建成“海龙”装置，在试验完成后都撤出电网了，技术还需要进一步成熟化。; e9 K' l+ g3 F$ J7 f9 k
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Wavestar也是用液压油，但稍微有点不一样。装置是坐在海底的，两侧各一排浮筒驱动的臂
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2 @" n! i4 m: Y2 M5 I臂在上下运动中，驱动液压缸，向中央高压油缸加压，最终驱动发电机2 I" _+ Y* _5 X8 c6 C6 u
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已经建成一个实验性装置，能看到左侧两个浮筒在水中“随波逐浪”
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“海蛇”需要在水深超过50米的地方使用，避免涨潮落潮的海平面差影响浮筒的工作。Wavestar则避开了这个问题，装置直接坐落在海底，浮筒随波浪上下运动时，直接利用波浪的升沉，而不再理会波浪的形状。Wavestar像打气筒一样驱动液压缸，产生高压，最后驱动液压马达和发电机。设计比“海蛇”简单、结实、可靠，但装置很庞大，建造成本较高。
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+ U1 |$ H& _* Y( O; t/ ]- |威尔士涡轮机摆脱了“打气筒”的思路，利用波浪在斜坡水道上下运动时压缩空气和抽负压的作用，使得顶部空腔内的空气流出、流入，驱动空气涡轮
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" b6 J2 e, K, c3 L采用对称翼型，当气流从下往上吹动叶片时，气流向右偏上滑走，推动叶片向左转动；当气流从上往下吹动叶片式，气流向右偏下滑走，同样推动叶片向左转动
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威尔士涡轮机是英国人艾伦·威尔士发明的，利用独特的对称翼型的叶片设计，使得气流从两边吹动时，叶片始终向同一个方向转动，特别适合波浪发电。这时需要在岸边建造一个封顶的斜坡水道结构，顶部在水面以上，内部就是空气，没别的。: l$ f1 Q& y$ d& K4 ~
- j1 z* g2 P8 K/ J波浪往上涌的时候，水面沿坡道升高，推动坡顶空腔内的空气向外流动，驱动空气涡轮。波浪往下退的时候，水面沿坡道降低，对坡顶空腔抽负压，使得环境空气往里流动，反向驱动空气涡轮。但威尔士涡轮机的特殊设计使得不管空气朝外流动还是朝里流动，叶片始终往同一个方向转动，驱动发电机。, l# [' m( t* ~; q& m7 q ?
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波浪滑翔器的桨叶是可在潜航体的升沉中自由转动的，这个角度使得潜航体在升沉中同时产生推力，好像江南小船摇橹一样; f( t9 b' G ` q' n" P
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但威尔士涡轮机的叶片不固定，而是随气流方向像波兰滑翔器的桨叶一样可自由偏转到一定角度后锁定，可以进一步提高能量回收效率。
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- H9 h. b/ Q. B' P, ~威尔士涡轮机也可以在海上用坐底的空心立管实现，空心立管本身就是“水压活塞”的筒体，下半部向海水敞开就行了。远离海岸还解决了“呼吸”时的噪声问题。
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威尔士涡轮机也可用于海上立桩发电，图中还是海岸的，但用大直径空心立管在海上坐底，下半部向海水敞开，可以得到同样的效果
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) E, T* \& j! }+ k# K6 d波浪发电很少受天气影响，风浪越大，发电的出力越大，但不像风力发电，可能有叶片被强风损坏的问题。遇到极端天气的话，还可以下潜个十来米，就波澜不兴了，躲一躲。这不需要像潜艇那么复杂，在台风前派船派人绑一点配重，过后再解除，就完事了。反正不是经常的事。
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带可转动叶片的威尔士涡轮机也可以和“海蛇”结合起来，极大地简化设计，只要上下液压缸来回推动液压油就可以了，不需要担心正流、逆流问题。
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a3 G. M! H5 G% U海上还可以用洋流发电，那就和陆地上的风力发电差不多了，只是洋流通常稳定一些，较少受到天气和季节的影响。潮汐是另一个可供发电的能源，最简单的办法就是建设潮汐水库，高潮蓄水，低潮放水，像抽水储能一样工作，不过只能间隙性工作，对储能的要求较高。而且高低潮的水位差可能也太小，不便利用。波浪发电相对稳定一些。
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海洋占地球面积70%，向大海要电必定成为无碳电力的主要部份，主要技术都已经成形，应该大力发展。首先应该在远离大陆的岛屿上推广。
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发表于 2021-10-16 14:14:42
