能源知识海洋能

Posted 2022-01-04

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地球表面积约为5．1亿平方公里，其中陆地面积为1．4亿平方公里，占总面积的29％，海洋面积达3．61亿平方公里，占总面积的71％。在浩瀚的海洋里，蕴藏着极为丰富的自然资源和巨大的可再生能源，海洋的能源除矿物能源外还有以位能、热能、动能、化学能等形式出现的“海洋能”，据专家估计，海洋能源约占世界能源总量的70％以上。

海洋能是蕴藏于海水中的再生能源，包括潮汐能、波浪能、海流能、温差能、盐差能以及海上太阳能和风能等自然资源。海洋能开发技术就是指将海洋能转换成电能的技术。海水受到海面上风的吹动和日照的辐射以及冷却条件的不平衡，造成了不同海域温度不同，含盐量各异。这些差异，产生了各种各样的能量，这些能量作为海洋能源可以转化为电能而加以利用。比如，海洋热能的利用一般是用热力循环方式把海水温差能转化为机械能，再用机械能发电；海水潮汐、海流、波浪等能源属于机械能，将其转变为发电机的动力能直接发电；盐差能则属于化学能，通过化学方式转变为电能。

海洋能的储量，按粗略的估计，全世界的潮汐能约为27亿千瓦，波浪能约为25亿千瓦，海流能约为50亿千瓦，温差能约为20亿千瓦，盐差能约为 26亿千瓦。此外，海面上的太阳能蕴藏量约为80亿千瓦，风能约为10～100亿千瓦。这样巨额的海洋能源含量如能充分开发利用，将是何等巨大的能源库。

目前，世界各国有关海洋能源的研究和利用还处于初始阶段，因而海洋能属于有待开发利用的新能源行列。其中，对于潮汐能的开发技术比较成熟，已进入技术经济评价和工程规划阶段；波浪能的利用处于试验研究阶段；海洋热能的利用正在进行工程性研究；海流和盐度差能的利用，仅处于原理研究阶段。

我国海洋能资源非常丰富，而且开发利用的前景广阔。全国大陆海岸线长达18000多公里；还有6000多个岛屿，其海岸线长约14000多公里；整个海域达490万平方公里。其地处低纬度的南海，海域达360万平方公里。入海的河流淡水量约为2．3万亿立方米／年。如果将我国的海洋能资源转换为有用的动力值，至少可达1．5亿千瓦，相当于我国目前电力总装机容量的两倍多。在海洋能的开发利用方面，当前我国还仅仅处于起步阶段，一些沿海地区先后研制成了各种试验性的发电装置，并建成了试验性的潮汐电站等，为今后进一步开发利用海洋能源打下了初步基础。

全世界海洋能的总储量，约为全球每年耗量的几百倍甚至几千倍。这种海洋能是取之不尽，用之不竭的新能源，在不远的将来，海洋能在造福人类方面，将发挥巨大而重要的作用。

潮汐现象是海水在一定时间内作有规律的涨落运动，是由于月亮、太阳对地球上海水的吸引力和地球的自转而引起海水周期性、有节奏的垂直涨落现象。海水白天涨落叫“潮”，晚上涨落叫“汐”，合称为“潮汐”。

海洋的潮汐中蕴藏着巨大的能量。在涨潮的过程中，汹涌而来的海水具有很大的动能，随着海水水位的升高，就把大量的海水的动能转化为势能；在落潮的过程中，海水又奔腾而去，水位逐渐降低，大量的热能又转化为动能。海水在涨落潮运动中所包含的大量动能和势能，称为潮汐能。

海水潮汐能的大小随潮差而变，潮差越大，潮汐能也越大。潮汐涨落形成的水位差，即相邻高潮潮位与低潮潮位的高度差，称为潮差。通常，海洋中的潮差比较小，一般仅几十厘米，多者只有1米左右。而喇叭状海岸或河口的地区，潮差就比较大。例如：加拿大芬地湾、法国的塞纳河口、中国的钱塘江口、英国的泰晤士河口、巴西的亚马逊河口、印度和孟加拉国的恒河口等，都是世界上潮差较大的地区。其中，芬地湾的潮差最高达18米。是世界上潮差最大的地方。如果在1平方公里的海面上，潮差为5米时，其潮汐能发电的最大功率为5500千瓦；而潮差为10米时，最大发电功率可达32000千瓦。据初步统计，全世界海洋蕴藏的潮汐能约有27亿千瓦，每年的发电量可达33480万亿度。所以，人们将潮汐能称为“蓝色的油田”。

人们早在15世纪到18世纪就逐步认识了潮汐能。并安装了一些装置进行动力利用。到了20世纪50年代，人们才开始重视起来，逐步开发了潮汐发电的利用技术。

潮汐发电的工作原理和一般的水力发电原理是相近的。它采取把靠海的河口或海湾用一条大坝与大海分开，形成天然水库，发电机组安装在拦海大坝里，利用潮汐涨落的位差能来推动水力涡轮发电机组发电。它的特点是涨潮和落潮过程中水流方向相反，双向推动水力涡轮转动，且水流速度也有变化。这一点虽给潮汐发电带来技术上的一些特殊困难，但可通过调节控制水库流量和用电气线路转变的方法得到解决。而它的优点也在于不受洪水，枯水的水文因素影响，功率反而比较稳定。

目前，潮汐发电站依其布置形式不同可分为以下三种：

单库单向电站：一般在连接海湾的河口修建水坝使河口内形成水库。在涨潮时使海水进入水库；落潮时则让海水通过大坝里的涡轮电机向海湾泄水，从而发电。这种电站修建容易，但不能连续发电。

单库双向电站：这种电站也只用一个水库，但使用的水轮机既可顺转，也可以倒转，并配有可正反转的发电机。所以，它在正反向运行时都能发电。涨潮时，反向发电；落潮时，正向发电。在海潮的一次涨落过程中可以发电两次。这是20世纪60年代开发的一种新型潮汐发电技术，极大地提高了潮汐能的利用率。

双库单向电站：它有两个水库：一个高水库，一个低水库，水轮发电机安装在两水库之间，作单向运行。高水库在涨潮时进水，低水库在落潮时放水。两个水库始终保持不同水位，使水流不断由高水库流向低水库，水轮机组可以不停地运转，做到全日发电。

世界潮汐能的开发利用已初见成效。全球潮汐能发电储量约有2000亿度，而目前实际用来发电的只有6亿度左右。据联合国预测，到2000年，全世界的潮汐发电站年发电量可达300～600亿度。目前，有多个国家已经或即将修建潮汐发电站。1966年，法国的朗斯河口建成了世界上第一座现代化潮汐电站，它的总装机容量达24万千瓦，年发电量5亿度。美国在库克海和阿拉斯加州，以及缅因州和加拿大苏格兰海岸之间的丰迪海岸，与加拿大联合修建大型潮汐电站。英国已在塞汶河口投资2000万英镑修建了潮汐电站，设计发电量为720万千瓦。英国能源部认为，利用英国的潮汐动力，足可满足英国电力消耗的1／5。前苏联于1968年就在巴伦支海的基斯洛伊建成一座装机容量为800千瓦的潮汐电站，后来又于1989年决定加速装机容量为4万千瓦的克尔斯卡雅潮汐电站的建设，同时还决定在白海和白令海峡着手修建潮汐电站，还开展了800万千瓦和1500万千瓦电能的论证工作。1974年，韩国在大同江下游的台城川建成一座装机容量为250千瓦的小型潮汐电站。印度于1991年完成了第一座潮汐能工厂的选址工作，计划在古吉拉特海岸修建一座90万千瓦的潮汐电站。

我国潮汐能的蕴藏量是非常丰富的，至少约有1．9亿多千瓦，占世界总蕴藏量的15％左右，可供开发的年发电量达800多亿度。其中，渤海3000万千瓦，黄海5500万千瓦，东海7400万千瓦，南海4000万千瓦。钱塘江的潮汐能约在700万千瓦以上，著名的钱塘江大潮，潮差高达9米，如用来发电，发电能力几乎等于三门峡水电站的50％。从1958年至今，我国已建成数十座中、小型潮汐发电站，遍布滨海的广东、广西、福建、浙江、上海、江苏、山东、河北、辽宁等省市。1980年设计建造的浙江温岭江厦潮汐电站，其装机总容量为3000千瓦，是我国第一座双向潮汐电站，平均每天可发电 15／小时。1975年，我国在浙江省乐清湾的第埏岛上，修建了世界上当时唯一的一座海岛潮汐电站，解决了海岛居民的生产生活用电。

波浪能是以动能形态出现的海洋能之一。汹涌澎湃的海浪蕴藏着极大的能量。据计算，在每一平方公里的海面上，运动着的海浪大约蕴藏着30万千瓦的能量，如此推算，全球波浪能功率超过700亿千瓦，其中可开发利用的约为20～30亿千瓦。波浪中蕴藏的巨大能源，使得各国都十分重视利用这种能源作为发电的动力。早在1955年，就发明了第一台波浪力发电机，以后各国先后提出几百种不同方案的科学设想，并设计了多种波浪力发电实验装置。1964年，日本制成了世界上第一个海浪发电装置--航标灯，开创了人类利用海浪发电的新纪元。

利用海浪发电，既不消耗任何燃料和资源，又不产生任何污染，投资少，见效快，因此引起各国的关注，一致认为合理开发利用波浪能具有重大的实用价值。这种不占用任何土地，只要有海浪就能发电的方法，特别适合于那些无法架设电线的沿海小岛以及航标灯，浮标等的电源使用。

目前，利用海浪发电的方法大致有三种。①利用海浪的上下运动所产生空气流或水流，使气（水）轮机转动，从而带动发电机发电。②利用海浪装置的前后摆动或转动产生空气流或水流，使气（水）轮机转动，从而带动发电机发电。③将低压大波浪变为小体积的高压水，然后把水引入高位水池积蓄起来，使它形成一个水头，再来冲动水轮发电机发电。

海浪发电装置按使用安装的位置不同，分为“海洋式波浪发电装置”和“海岸式波浪发电装置”两类。海洋式波浪发电装置最多的是漂浮在海面上的浮标式波浪发电装置，它利用波浪起伏产生的气流冲击涡轮机发电。海岸式波浪发电装置的涡轮发电机组安装在岸上，利用波力压缩空气，以强大的气动力推动涡轮机工作。

据统计，全世界约有近万座小型波浪发电装置在运行，主要用于航标灯、浮标等；也有些国家已开始向中，大型波浪发电装置发展。

1980年，日本与国际能源机构合作研制了“海明”号波浪发电船，总装机容量1250千瓦，年发电能力180万度，很大程度上解决了日本众多岛屿居民的能源问题。日本还于1988年开始在酒井港建造一座20万千瓦的波力发电装置，用海底电缆向陆地供电。英国把波浪发电的研究放在新能源开发的首位，甚至把它称为“第三能源”。90年代初在苏格兰的艾莱岛上建成一座发电能力为75千瓦的海浪发电站。爱丁堡大学正在研制5万千瓦的海浪发电装置，而且还将在海岸以外的海面上建造波浪能发电站。挪威于1984年5月开始建造在拜耳根的两座波力发电站，装机容量分别为350和500千瓦。后来，又开始建造1万千瓦的波浪电站，还于1988年与印尼签订协议，在巴厘岛建造1500千瓦级波力电站。丹麦、印度、加拿大、澳大利亚等国家均已建成波浪能电站并投入运营。

我国海岸线长达2万余公里，蕴藏着大量波浪能动力资源，据估计有1．5亿千瓦以上，可开发利用的约为3000～4000万千瓦；如把外海的波浪加在一起，将有7000万千瓦。从70年代以来，我国也研制成功了一批小型浮标式波力发电实验装置，功率为1千瓦的电力。今后将继续开发这种海洋能源。

经过长期观测计算，科学家发现到达水面的太阳辐射能，大约有60％透射到一米的水深处，有18％可以到达海面以下10米深处，少量的太阳辐射能甚至可以透射到水下100米的深处。海水温度随水深而变化，一般深海区大致可以分为三层：第一层是从海面到深度约60米左右的地方，称为表层，该层海水一方面吸收着太阳的辐射能，一方面受到风浪的影响使海水互相混合，海水温度变化较小，约在25～27℃；第二层水深60～300米，海水温度随着深度加深急剧递减，温度变化较大，称为主要变温层；第三层深度在300米以下，海水因为受到从极地流来的冷水的影响，温度降低到4℃左右。表层海水和深层海水之间存在着20℃以上的温差，是巨大的能量来源。

据测算，全球热带海洋的水温只要下降1℃，就能释放出1200亿千瓦的能量，实际上，海洋的温差能居于海洋里各种能源之首。

海水温差发电装置的结构由两部分组成。一部分是构成发电循环的设备，如蒸发器、冷凝器、汽轮发电机、循环泵和辅助设备等；另一部分是海洋结构物，如海洋结构物主体、冷水取水设备、温水取水设备和电站定位设备等。海水温差发电一般是用氨或氟利昂等低沸点物质作为介质、吸收表层海水的热量而在蒸发器中蒸发成气体，出来推动汽轮发电机。做完功后的气体进入冷凝器，由深层海水冷凝，然后再由循环泵将介质送至蒸发器用表层海水使其蒸发，推动汽轮发电机发电。

从世界各国研究的情况看，海水温差发电在技术上完全可行，主要的问题是费用太大。此外，会受台风等不利自然条件的影响，平台、错系等方面还有技术问题待解决。

利用海水温差发电，必须选择温差在20℃以上的海域。古巴、巴西、安哥拉、印尼和我国南部沿海等低纬度海域，是利用海水温差发电的理想场所。据估计，仅北纬20度至南纬20度之间的海域，海水温差能大约可以发电26亿千瓦。我国海域可利用的海水温差能达1．2亿千瓦。

所谓海流是指大范围的海水朝着一定的方向作有规律的流动的现象，包括水平运动和垂直运动。海流能就是海水的这种运动中蕴藏的动能，估计有56亿千瓦之巨。主要集中在大洋的西部边界，在那里有强大的海流系统，如黑潮暖流、北大西洋暖流等。

产生海流的原因主要有两个：一个是方向不变的信风，另一个是海水的温度和盐度的不同；另外，由于来自极地的海水温度很低，使之流向低纬的大洋深处，这也是产生海流的原因。

海水流动会产生巨大的能量。以黑潮暖流为例，其平均流速为1米／秒，以宽度30公里，深度300米计算，平均输出功率达1000万千瓦。因此，利用海流发电已引起科学家的兴趣，有些国家正开始进行研究。海流发电是依靠海流的动力使水轮机旋转，然后再变换成高速，带动发电机发电。目前，海流发电站多是浮在海面上的。如一种叫做“花环式”的海流发电站，是用一串螺旋桨组成的，它的两端固定在浮筒上，浮筒里装有发电机。由于海流流速小，故发电能力较小，一般用于灯塔或灯船提供电力。美国设计了一种驳船式海流发电站，其发电能力比花环式发电站大得多。在船舷两侧装着巨大的水轮，在海流推动下不断转动，进而带动发电机发电，其发电能力可达

5万千瓦。70年代末期，国外研制了一种设计新颖的伞式海流发电站，这种电站也建在船上。将50个降落伞串在一根绳子上来积聚海流能量，转动的伞带动船上的轮子，连接着轮子的发电机就跟着转动而发出电。对于这种装置，美国能源部作了一个估计，如在佛罗里达海湾的海流中放置这种电站，其发电能力可达1000万千瓦。日本的一个研究小组还在研究使海流通过磁场而发电的新技术，研究人员设想把一种超导磁体放入黑潮海流中来获得电力。

盐差能是以化学能形态出现的一种海洋能。在江河入海口，海水和淡水混合使含盐浓度较高的海水以较大的渗透压力向淡水扩散，而淡水也在向海水扩散，不过渗透压力较小，这种渗透压力差所产生的能量应是海水盐差能。据估计，世界各河口区的盐差能约有3000亿千瓦，可能利用的大约有26亿千瓦。

如何利用如此丰富的海水盐差能呢？人们设想了利用化学中浓差电池的原理，以电化学的方法把盐差能转换成电能。另外，还有一种方法是利用海水和淡水之间的盐度差产生的渗透压力直接推动水轮发电机发电。不过这些方法还处于实验研究阶段，没有一个国家取得成熟的技术。

总之。从宏观上看，海洋能是一种富饶而诱人的新型能源，在现代高技术的不断进步推动下，海洋能的开发利用必将出现一个崭新的局面。为了迎接21世纪的到来，一些有识之士都在积极准备，努力发展海洋能源新技术，在解决常规能源危机中，使海洋作出更大的贡献，造福于人类的子孙后代。

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