海洋能源開發(fā)大勢

開心問答

最有前途的海洋能利用方法是什么？

古老的水車是人類最早利用水力的范例，所以人們就萌生了設法從海洋中的海浪、海流和潮汐中獲取能量的念頭。

海洋能源開發(fā)利用的最大優(yōu)點是這種自然資源取之不盡，用之不竭。這在地球上非再生能源日益減少的情況下，尤有重要意義。其次，海洋能源不產(chǎn)生環(huán)境污染，不占用寶貴的陸地空間。當然，海洋能源也有缺點。它們的能源密度小，開發(fā)設備要很龐大，經(jīng)濟性差。海洋能開發(fā)是在動蕩不定的海面上進行，工程技術難度很大。再就是能源受自然條件左右，變動幅度大，不穩(wěn)定。

據(jù)海洋學家估算，世界海洋中的“能”蘊藏量高達1 500多億千瓦，除了它們都屬于“再生性能源”不會枯竭外，還不必擔心二氧化碳、二氧化硫和核廢料的污染。海洋能中占比例最大的是波浪能，達700多億千瓦；潮汐能為27億千瓦；溫差能達20億千瓦；海流能為l0億千瓦；鹽差能約為300億千瓦。

科學家們發(fā)現(xiàn)：最有前途的海洋能利用莫過于利用被太陽光照熱的海水與海面下760米深的冷水之間的溫差來發(fā)電。

一般認為，可用于海洋熱能發(fā)電的區(qū)域，上下海水溫差至少要大于18℃。這樣看來，大約南、北緯度30°之間的廣大海域，都是可利用的區(qū)域，海洋熱能是各種海洋能源中較豐富的。據(jù)估算，理論蘊量約為500億千瓦，可利用的有20萬億至40萬億千瓦。

1881年法國科學家德爾松瓦首次大膽提出利用海水溫差發(fā)電的設想，他預言海洋中的溫差能量遲早有一天會被人類大規(guī)模地利用。但由于當時的技術條件不夠，這位科學家的設想竟然被埋沒了近半個世紀。直到1926年，德爾松瓦的學生克勞德才實現(xiàn)了老師的夙愿。這年11月5日，他相約切特合作，進行了一次海水溫差發(fā)電的模擬實驗。他們取來兩只容積為25升的燒瓶，一只里裝有28℃的溫水，代表熱帶海域表面水溫，另一只則盛入冰水混合物，代表深層低溫的海水。在連接兩只燒瓶的一段粗玻璃管中，安裝著一臺制作得十分精巧的汽輪發(fā)電機，組成了一個封閉的發(fā)電系統(tǒng)。同時，這個系統(tǒng)里還裝有一臺抽氣機，并用引線接出三只小燈泡。隨著抽氣機不斷地把燒瓶內的空氣抽出，使瓶內的空氣降到只有大氣壓的1/25時，28℃的溫水猛烈地翻泡沸騰起來。水蒸汽越來越濃，強大的氣流把汽輪發(fā)電機沖擊得飛速旋轉，一時間三個小燈泡同時發(fā)出耀眼的光芒。

克勞德于1930年帶著他改進的實驗成果，來到古巴的馬坦薩斯港，建立了一座海水溫差電站。這里離岸不遠就是很深的海區(qū)，水溫落差很大。該站以海邊27℃的表面溫海水為“熱源”，以離岸2千米遠的600米深處冷海水為“冷源”，以開式循環(huán)方式發(fā)電。這個世界上第一座海水溫差發(fā)電站獲得了10千瓦的輸出功率。盡管輸出功率很小，但卻使人們看到了利用海水溫差發(fā)電的光明前景。

英國的安德森父子在總結克勞德等人的經(jīng)驗教訓后，于1964年提出了不使海水降壓沸騰，而僅僅利用表層海水的熱量把怕熱的液體“煮沸”，再利用這種液體的蒸汽來發(fā)電的方案，稱為“閉式循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)”。這種沒想著實奇妙：它是把整個發(fā)電設備安裝在—個巨大的浮體上。使之浮于海中，這樣就可以大大縮短冷水取水管的長度；所謂怕熱液體即沸點低的液態(tài)丙烷、氯、氟里昂等等，它們即使在很低溫度下也很容易沸騰，從而產(chǎn)生大量蒸汽，得到較高的壓力。1957年8月2日，根據(jù)安德森父子設想原理建造的—座海洋溫差電站終于正式在夏威夷海面上發(fā)電了。這座電站安裝在一艘改裝了的海軍駁船上，采用一種稱為閉式循環(huán)溫差的發(fā)電方式：把海面上25℃的溫水抽送到—個熱交換器中，交換器內通過一根彎彎曲曲的管子——里面裝有低沸點液體，它們在熱交換器里吸收了表層海水的熱量后變?yōu)榫哂幸欢▔毫Φ恼羝?，于是就推動汽輪發(fā)電機組發(fā)出電來。

這座夏威夷海洋溫差發(fā)電站的發(fā)電能力為50千瓦，它除了把船一無所有的實驗系統(tǒng)都開動起來，剩下的只夠點亮9盞500瓦的燈泡和一臺電視機。美國能源局從這座海洋溫差發(fā)電站中看到了溫差發(fā)電的可行性和巨大潛力，便依仗其先進的科學技術，加快了海洋溫差發(fā)電的研究和設計。美國現(xiàn)已在夏威夷西海岸一座古老的黑色火山巖床上建有一座舉世聞名的海洋能轉換發(fā)電廠，每天除了提供電力外，還生產(chǎn)口味清新的脫鹽海洋凈水2.65萬升。美國賓夕法尼亞約克海洋太陽能動力研究所正擬在印度塔米爾海邊建造一座10萬千瓦的浮動海洋能電廠。

我國東海、黃海水溫均比較高，而南海水溫更高。夏季，南海表層水溫在27℃以上，最高時可以達到36℃以上，即使冬季，表層水溫也保持在20℃～26℃之間。另一個很重要的條件是，南海大部分地區(qū)水深都在1 000米以上，而自表層向下500～1 000米處，即可獲得5℃的冷卻水。況且，我國南海海域面積很大，約有350多萬平方千米，是渤海、黃海、東海海域面積和的3倍。可以說，這里是我國未來海洋溫差發(fā)電的搖籃。

潮汐能是人類最早開發(fā)利用的一種海洋動力資源。它主要取決于潮差，而潮差大小與特定的地理位置有關。世界上潮汐顯著的區(qū)域多集中在海峽、海灣和一些河口。美國和加拿大交界的芬迪灣是世界上反差最大的地方.高達19米，潮汐能估計有2 000萬千瓦。

波浪能大小和波高的平方成正比，因此波能主要取決于波高分布。世界海洋上，一般沿岸波能較小，而外海和大洋波能較大。大多數(shù)沿岸區(qū)域波能約為20～50千瓦/米，而大洋上達50～70千瓦/米。

在北半球中緯度海域（北緯30°～40°），由于盛行西風，波能在東部海域集聚。因此那里波能最大，可達70～90千瓦/米。

1961年，法國在英吉利海峽沿岸的朗斯河河口靠近圣馬諾城建了一座潮汐發(fā)電站。這是世界上最早建成的潮汐發(fā)電站之一，也曾是世界上最大的潮汐發(fā)電站。這里的潮差平均為10.9米，最大可達13.5米。水庫壩長350米，漲潮時水庫的水面能延伸到20千米長。電站壩內安裝有直徑為5.35米的可逆水輪機24臺，每臺功率1萬千瓦，每年可供電1.96拍焦。法國還在圣馬諾灣興建了一座巨型潮汐電站，建成后的年發(fā)電量將達到90拍焦，幾乎是朗斯電站的50倍。

在各國陸上能源日益減少的情況下，有條件的國家都已經(jīng)在抓緊發(fā)展潮汐發(fā)電。美國、加拿大、阿根廷、印度、中國等都在積極建造和規(guī)劃各型潮汐發(fā)電站，美國和加拿大兩國聯(lián)合在凡迪灣建立一個功率為600萬千瓦的潮汐發(fā)電站。建成后它的發(fā)電成本要低于火力發(fā)電成本。英國能源部近年來提出—項大規(guī)模的潮汐發(fā)電計劃，擬在塞文河口建造一座大型水庫，安裝216臺水輪機，總功率720萬千瓦，建成后每年提供的電力相當于英國目前發(fā)電量的6%～7%，而且每年還可減少1 760萬噸二氧化碳排放量。

我國海岸線長達1.8萬多千米，島嶼岸線長1.4萬多千米，港灣交錯，蘊藏著極其豐富的海洋潮汐能源。據(jù)有關部門估計，如果把我國潮汐能源利用起來，每年可以得到1.08艾焦電。近年來我國潮汐發(fā)電站發(fā)展迅速，目前沿海各地區(qū)陸續(xù)有一批中小型潮汐發(fā)電站已投入運行發(fā)電。其中最大的潮汐發(fā)電站是浙江省溫嶺縣江夏潮汐試電站，它也是目前世界已建成的較大雙向潮汐電站之—。這里的最大潮差8.39米、平均潮差5.08米，電站功率3 200千瓦，1989年發(fā)電量22.3太焦。我國另一座較大規(guī)模的潮汐發(fā)電站是福建平潭幸福洋潮汐發(fā)電站，潮差平均為4.54米，最大7.16米。該站年發(fā)電量可達11.3太焦。

1957年以來，我國相繼建了一批小型潮汐發(fā)電站，主要分布在遼寧、山東、上海、浙江、福建和廣東沿海。現(xiàn)已開發(fā)利用的潮汐能合計裝機容量為4 000多千瓦。規(guī)模最大的為浙江江廈潮汐電站，設計裝機容量為3 000千瓦，年發(fā)電量為1 070萬度；其次是山東乳山白沙口潮汐電站，設計裝機容量為960千瓦，年發(fā)電量為230萬度。

從潮汐能資源的普查結果表明，杭州灣、長江口北段、浙江樂清灣三處是中國最有希望建立大型潮汐電站的地方。

杭州灣潮汐潮差8.9米，潮汐能蘊藏量達590億度/年，居全國首位。若在乍浦建站，裝機容量為450萬千瓦，年發(fā)電量為186.5億度，可超過葛洲壩水電站的電力。

上海崇明島與蘇北之間的長江口北段的最大潮差5米，潮汐能蘊藏量為78億度/年。若在廟港建站，裝機容量為80萬千瓦，年發(fā)電量為22.8～29.3億度，幾乎等于一個新安江水電站的發(fā)電量。

浙江樂清灣潮汐平均潮差4.54米，如建電站，裝機容量為55萬千瓦，年發(fā)電量可達16～20億度。

另外，像山港、沙埕港、三都澳、興化灣等地的潮汐能蘊藏量也十分可觀。

波浪能是散布在海面上的低密度但不穩(wěn)定的能源。世界上第一個波浪能發(fā)電專利是1799年法國人吉拉德取得的。據(jù)統(tǒng)計，從1856—1973年，世界波浪能發(fā)電專利有360個。但實際開發(fā)利用的很少。20世紀70年代以來，小型波浪發(fā)電裝置進入實用階段。1978—1979年，日本海洋科技中心建成了—艘世界上最大的海浪發(fā)電船“海明”號，并進行海上試驗?！昂Ｃ鳌碧枃栏竦卣f并不是船，它沒有底，只是—個長80米、寬12米的浮動設備。船上裝有三臺兩閥式渦輪機組，額定功率為25千瓦，最大輸出功率曾達到過150千瓦。1979年下半年，“海明”號發(fā)電船納入國際能源機構的共同開發(fā)計劃，由日、英、美、加拿大、愛爾蘭五國參加。當時船上裝設了八臺機組，總裝機容量達到2 000千瓦，一下子躍居為世界上最大規(guī)模的海上波浪發(fā)電站。1985年8月，日本又在“海明”號發(fā)電船試驗海域附近的岸邊建造了一座40千瓦的固定波浪發(fā)電站。該站在有效波高800毫米時開始發(fā)電，有效波高4米時的輸出功率達44千瓦。日本格外青睞波浪能，主要由于日本有3 000多個大小島嶼，四面環(huán)海，海岸線長達13萬千米。它擁有得天獨厚的自然條件，波浪能量每年可達10億千瓦，這個數(shù)字相當于目前日本最高用電量的25倍。

在波浪能發(fā)電裝置上另辟路徑的是英國人，他們研制了一種稱為“點頭鴨”式波浪能發(fā)電裝置和“筏式波力發(fā)電裝置”?！包c頭鴨”發(fā)電裝置的外形像個大凸輪，輪尖可以繞凸輪軸轉動。凸輪的圓形部分是一個中間空的圓筒。在圓筒上有分別向外和向內突出的圓筒片。在海浪的沖擊下，凸輪尖繞輪軸左右搖擺，而圓筒中內外突出的圓筒片隨著來回轉動，不斷擠壓海水，像水壓泵一樣使水壓升高。于是，高壓水就沖擊水輪機葉片轉動，并帶動發(fā)電機運轉而發(fā)電。實際使用的發(fā)電裝置，是將許多凸輪并列排在一起，中間串在一根固定的水平轉軸上；海浪沖來時，這些凸輪就像在水上的一排鴨子似地隨海浪上下跳動，驅動發(fā)電機發(fā)電?！胺な讲Πl(fā)電裝置”是由許多個浮體順著波浪前進方向排成一列用鉸鏈連接一起而構成的；在筏與筏之間安裝水泵，利用波上筏體的相對回轉運動，使水泵工作，從而驅動發(fā)電機發(fā)電。

由于成本太高，技術過于復雜以及在較惡劣的條件下無法發(fā)電，于是乎1991年英國人別出心裁，建造了一座依靠天然海底洞谷發(fā)電的波能電站，其原理是利用天然海底巖洞、溝谷或人工構造的類似地形與海水作用產(chǎn)生的波力驅動渦輪機。發(fā)電機通過安裝在巖谷上方的一個柱狀混凝土合狀振動器發(fā)電，就如同氣體活塞在渦輪機的驅動下使氣體做往復運動—樣，巖谷與海水所產(chǎn)生的波能迫使合狀構造內的水體做漲落往復運動。這座發(fā)電站可發(fā)電75千瓦，除極惡劣的氣候條件外，其余時間均能正常運轉。

在利用波力發(fā)電研究領域，挪威在世界上名列前茅。挪威有漫長的海岸線，其海浪資源可提供的電力將是目前挪威水力發(fā)電裝機容量的6倍。1985年挪威建立了兩座波力發(fā)電站：一座為裝機容量600千瓦的振蕩水柱波力發(fā)電站；另一座是裝機容量350千瓦的楔型波力發(fā)電站。前者是目前世界正在運轉發(fā)電的最大波力電站。挪威國家能源部還制定了一項更宏偉的規(guī)劃，計劃建立一座1萬千瓦的波力發(fā)電站。

英國國家工程實驗室也幫助印度建造了一座目前世界上最大的海浪發(fā)電站，其發(fā)電能力為5 000千瓦。這座電站的發(fā)電原理是，當海浪升起時，海水涌進港口圍墻上的排列孔，使豎井中的水柱升高，壓縮空氣從豎井頂部的導管排出，豎井中水柱下降，吸入的空氣驅動渦輪機發(fā)電。由英國設計制造的渦輪機極為先進，機上裝有兩排葉片，來自正反兩個方向的空氣流都能使渦輪機沿著同一個方向轉動。

幾年前，荷蘭一家公司也研制出一種海浪發(fā)電裝置。這種名為“阿基米德海浪擺動式發(fā)動機”的水下發(fā)電裝置可利用涌浪引起的壓力變化發(fā)電。該發(fā)電機是利用海上巨大的涌浪發(fā)電，連續(xù)性較強，破壞力比陣浪小，不易遇襲而毀壞。

我國的波浪能資源也非常豐富，據(jù)估算，大概在5億千瓦以上。我國近海因受季風控制，冬季浪大，夏季浪小。特別是冬季在強烈的偏北風的吹刮下，從黃海到南海形成一條東北—西南走向的大浪帶，波浪具有波高而周期小的特點，有利于波能發(fā)電。從20世紀70年代中期開始，我國開始研究波力發(fā)電技術，現(xiàn)已能生產(chǎn)系列化的小型波能發(fā)電裝置，以作為航標燈、浮標的電源。我國沿海波能的開發(fā)利用大有前途，初步估算，僅沿岸地段的波能資源約1.5億千瓦，可開發(fā)利用的能量約3 000～3 500萬千瓦；而渤、黃、東、南海的總波能約為806.3×10¹³焦耳，總功率為57.4×10¹³瓦。如將其全部轉換為電能，每年可發(fā)電5～50萬億度，約相當于中國1981年發(fā)電量（3 052億度）的16～160倍。

目前，我國波能開發(fā)還處于小型發(fā)電裝置的研究階段。1980年已研制成功一種新型波能發(fā)電裝置，在風力3級、波高0.2米情況下，發(fā)電最大功率為60瓦，一天的發(fā)電量可供一只航標燈用電3天。

1990年12月，我國第一座海浪發(fā)電站發(fā)電試驗成功，隨即著手建造20千瓦的波力發(fā)電站。

據(jù)估算，世界各地海水和江河水相交匯處蘊含著數(shù)百億千瓦的鹽差能。鹽差能發(fā)電，就是利用兩種含鹽濃度不同的海水化學電位差能，并將其轉換為有效電能?？茖W家經(jīng)過周密的計算后發(fā)現(xiàn)，在17℃時如果有1摩鹽類從濃溶液中擴散到稀溶液中去，就會釋放出5.5千焦的能量來。經(jīng)過進一步計算，人們還發(fā)現(xiàn)，如果利用海洋鹽分的濃度差來發(fā)電，它的能量可排在海洋波浪發(fā)電能量之后，比海洋中的潮汐、溫差和海流的能量都要大。

我國河川眾多，河川資源豐富。在江河入海處，淡水與海水的鹽度差較大，尤以長江口、珠江口最甚。初步估算，中國主要大河口的鹽差能在1.0億千瓦以上，其中長江口和珠江口分別占45%和15%左右。

海洋中還有許許多多終年不息地沿著比較固定路徑流動的海流。調查研究結果表明，海流中蘊藏著巨大的能量。據(jù)估算，世界各大洋海流能的總蘊藏量達數(shù)十億千瓦。海流能量如此豐富，人們自然不會忽視它。多年來，各國科學家執(zhí)著地研究，并先后建造了數(shù)百種海流發(fā)電裝置。在目前形形色色的海流發(fā)電裝置中，以降落傘集流式、螺旋槳式和垂直軸式最為創(chuàng)新，且頗具實用價值。

日本曾經(jīng)提出黑潮發(fā)電計劃，估計黑潮的總能量為1 700億度，功率為1 900萬千瓦。黑潮終年流經(jīng)中國臺灣以東海域，流向穩(wěn)定，流速較強，中國臺灣以東是海流發(fā)電的良好場所。在蘭嶼與綠島（火燒島）之間形成天然的大堤壩。臺東新港附近的三仙臺更是利用海流發(fā)電的理想之地，估計在三仙臺與綠島的南寮可發(fā)電200～500萬千瓦。中國沿岸強潮流區(qū)約20多處，如渤海海峽、杭州灣、舟山群島附近、臺灣海峽西側及瓊州海峽等均是有名的強潮流區(qū)，上述強潮流區(qū)可開發(fā)利用的潮流能粗估約1 200萬千瓦左右。

海洋能與其他能源相比，具有資源豐富、不會污染、占用陸地少、可搞綜合利用及可再生產(chǎn)等優(yōu)點。但密度小，穩(wěn)定性差，環(huán)境復雜，設備、材料及技術要求高，開發(fā)利用困難，成本較高等不足之處一直制約著它的發(fā)展。然而，海洋能的優(yōu)點正是現(xiàn)有常規(guī)能源的弱點。中國沿海人口稠密，工、商、輕紡、交通、貿易等行業(yè)在沿海城鎮(zhèn)占有相當大比重，能源消耗大，正是目前能源短缺的地方。沿海海洋能資源豐富，可“就地取材”，不失為一種重要的補充能源。尤其對海島建設來講，海洋能具有重要的意義，一方面可解決邊遠島嶼的用電，另一方面可搞海水淡化，解決淡水供應的困難。

答：利用被太陽光照熱的海水與海面下760米深的冷水之間的溫差來發(fā)電。