海洋能

海洋能指依附在海水中的可再生能源,海洋通过各种物理过程接收、储存和散发能量,这些能量以潮汐能、波浪能、温差能、盐差能、海流能等形式存在于海洋之中。

海洋能的利用是指利用一定的方法、设备把各种海洋能转换成电能或其他可利用形式的能。由于海洋能具有可再生性和不污染环境等优点,因此是一种亟待开发的具有战略意义的新能源。

基本概念

海洋能是一种蕴藏在海洋中的可再生能源,包括潮汐能、波浪引起的机械能和热能。海洋能同时也涉及一个更广的范畴,包括海面上空的风能、海水表面的太阳能和海里的生物质能。中国拥有18,000公里的海岸线和总面积达6,700平方公里的6,960座岛屿。这些岛屿大多远离陆地,因而缺少能源供应。因此要实现我国海岸和海岛经济的可持续发展,必须大力发展我国的海洋能资源。

海洋能指依附在海水中的可再生能源,海洋通过各种物理过程接收、储存和散发能量,这些能量以潮汐、波浪、温度差、盐度梯度、海流等形式存在于海洋之中。地球表面积约为5.1×108km2,其中陆地表面积为1.49×108km2占29%;海洋面积达3.61×108km2,以海平面计,全部陆地的平均海拔约为840m,而海洋的平均深度却为380m,整个海水的容积多达1.37×109km3。一望无际的大海,不仅为人类提供航运、水源和丰富的矿藏,而且还蕴藏着巨大的能量,它将太阳能以及派生的风能等以热能、机械能等形式蓄在海水里,不像在陆地和空中那样容易散失。

海水温差能是一种热能。低纬度的海面水温较高,与深层水形成温度差,可产生热交换。其能量与温差的大小和热交换水量成正比。潮汐能、潮流能、海流能、波浪能都是机械能。潮汐的能量与潮差大小和潮量成正比。波浪的能量与波高的平方和波动水域面积成正比。在河口水域还存在海水盐差能(又称海水化学能),入海径流的淡水与海洋盐水间有盐度差,若隔以半透膜,淡水向海水一侧渗透,可产生渗透压力,其能量与压力差和渗透能量成正比。

海洋能发电装置

能源特点

潮流能发电方案

  • 海洋能在海洋总水体中的蕴藏量巨大,而单位体积、单位面积、单位长度所拥有的能量较小。这就是说,要想得到大能量,就得从大量的海水中获得。
  • 海洋能具有可再生性。海洋能来源于太阳辐射能与天体间的万有引力,只要太阳、月球等天体与地球共存,这种能源就会再生,就会取之不尽,用之不竭。
  • 海洋能有较稳定与不稳定能源之分。较稳定的为温度差能、盐度差能和海流能。不稳定能源分为变化有规律与变化无规律两种。属于不稳定但变化有规律的有潮汐能与潮流能。人们根据潮汐潮流变化规律,编制出各地逐日逐时的潮汐与潮流预报,预测未来各个时间的潮汐大小与潮流强弱。潮汐电站与潮流电站可根据预报表安排发电运行。既不稳定又无规律的是波浪能。
  • 海洋能属于清洁能源,也就是海洋能一旦开发后,其本身对环境污染影响很小。

能量形式

潮汐能

潮汐能指在涨潮和落潮过程中产生的势能。潮汐能的强度和潮头数量和落差有关。通常潮头落差大于3m的潮汐就具有产能利用价值。潮汐能主要用于发电。

波浪能

波浪能是指海洋表面波浪所具有的动能和势能,是一种在风的作用下产生的、并以位能和动能的形式由短周期波储存的机械能。波浪能主要用于发电,同时也可用于输送和抽运水、供暖、海水脱盐和制造氢气。

温差能

海水温差能是指海洋表层海水和深层海水之间水温差的热能,是海洋能的一种重要形式。低纬度的海面水温较高,与深层冷水存在温度差,而储存着温差热能,其能量与温差的大小和水量成正比。

温差能的主要利用方式为发电,首次提出利用海水温差发电设想的是法国物理学家阿松瓦尔,1926年,阿松瓦尔的学生克劳德试验成功海水温差发电。1930年,克劳德在古巴海滨建造了世界上第一座海水温差发电站,获得了10kW的功率。

温差能利用的最大困难是温差大小,能量密度低,其效率仅有3%左右,而且换热面积大,建设费用高,各国仍在积极探索中。

盐差能

盐差能是指海水和淡水之间或两种含盐浓度不同的海水之间的化学电位差能,是以化学能形态出现的海洋能。主要存在与河海交接处。同时,淡水丰富地区的盐湖和地下盐矿也可以利用盐差能。盐差能是海洋能中能量密度最大的一种可再生能源。

据估计,世界各河口区的盐差能达30TW,可能利用的有2.6TW。我国的盐差能估计为1.1×10^8kw,主要集中在各大江河的出海处,同时,我国青海省等地还有不少内陆盐湖可以利用。盐差能的研究以美国、以色列的研究为先,中国、瑞典和日本等也开展了一些研究。但总体上,对盐差能这种新能源的研究还处于实验室实验水平,离示范应用还有较长的距离。

海流能

海流能是指海水流动的动能,主要是指海底水道和海峡中较为稳定的流动以及由于潮汐导致的有规律的海水流动所产生的能量,是另一种以动能形态出现的海洋能。

海流能的利用方式主要是发电,其原理和风力发电相似。全世界海流能的理论估算值约为108kW量级。 [1] 
利用中国沿海130个水道、航门的各种观测及分析资料,计算统计获得中国沿海海流能的年平均功率理论值约为1.4X107kW。属于世界上功率密度最大的地区之一,其中辽宁、山东、浙江、福建和台湾沿海的海流能较为丰富,不少水道的能量密度为15~30kW/m2,具有良好的开发值。特别是浙江的舟山群岛的金塘、龟山和西候门水道,平均功率密度在20kW/m2以上,开发环境和条件很好。

海风能

近海风能是风能地球表面大量空气流动所产生的动能。在海洋上,风力比陆地上更加强劲,方向也更加单一,据专家估测,一台同样功率的海洋风电机在一年内的产电量,能比陆地风电机提高70%。 
风能发电的原理:风力作用在叶轮上,将动能转换成机械能,从而推动叶轮旋转,再通过增速机将旋转的速度提升,来促使发电机发电。 
我国近海风能资源是陆上风能资源的3倍,可开发和利用的风能储量有7.5亿kW。长江到南澳岛之间的东南沿海及其岛屿是我国最大风能资源区以及风能资 
源丰富区。资源丰富区有山东、辽东半岛、黄海之滨,南澳岛以西的南海沿海、海南岛和南海诸岛

海洋热能

海洋热能指由于海洋表层水体和深层水体温度差引起的热能。除了发电,海洋热能还可以用于海水脱盐、空调、和深海矿藏开发。

优点和缺点

  • 缺点 :获取能量的最佳手段尚无共识,大型项目可能会破坏自然水流、潮汐和生态系统。
  • 优点 :取之不竭的可再生资源,潮汐能源有规律可循,开发规模大小均可。

海洋能资源通常指海洋中所蕴藏的可再生的自然能源,包括潮汐能、波浪能、海流能(潮流能)、海水温差能、海水盐差能等。这些能源都具有可再生性和不污染环境等优点,是一项亟待开发利用的具有战略意义的新能源。

波浪发电,据科学家推算,地球上波浪蕴藏的电能高达90万亿度。大型波浪发电机组也已问世。我国在也对波浪发电进行研究和试验,并制成了供航标灯使用的发电装置。将来的世界,每一个海洋里都会有属于我们中国的波能发电厂。波能将会为我国的电业作出很大贡献。

潮汐发电,据世界动力会议估计,到2020年,全世界潮汐发电量将达到1000-3000亿千瓦。世界上最大的潮汐发电站是法国北部英吉利海峡上的朗斯河口电站,发电能力24万千瓦,已经工作了30多年。中国在浙江省建造了江厦潮汐电站,总容量达到3000千瓦。

能源利用方式

利用方式海洋热能发电有两种方式

  • 第一种是将低沸点工质加热成蒸汽;
  • 第二种是将温水直接送入真空室使之沸腾变成蒸汽。蒸汽用来推动汽轮发电机发电,最后从600~1000米深处抽冷水使蒸汽冷凝。

第一种采取闭式循环,第二种采取开式循环。

海水温差发电,1930年在法国首次试验成功,只是当时发出的电能不如耗去的电力多,因而未能付诸实施。许多国家都在进行海水温差发电研究。

开式循环比闭式循环有更多的优点:

  • 以温海水作工质,可避免氨或二氯二氟甲烷等有毒物质对海洋的污染;
  • 开式循环系直接接触热交换器,价廉且效率高;
  • 直接接触热交换器可采用塑料制造,在温海水中的抗腐蚀性高;
  • 能产生副产品——蒸馏水。

开式循环也有缺点:

  • 产生的蒸汽密度低,汽轮机体积大;
  • 变成蒸汽的海水排回海洋后,会影响附近生物的生存环境。

具体发电方式

温差发电

是以非共沸介质(氟里昂-22与氟里昂-12的混合体)为媒质,输出功率是以前的1.1~1.2倍。一座75千瓦试验工厂的试运行证明,由于热交换器采用平板装置,所需抽水量很小,传动功率的消耗很少,其他配件费用也低,再加上用计算机控制,净电输出功率可达额定功率的70%。一座3000千瓦级的电站,每千瓦小时的发电成本只有50日元以下,比柴油发电价格还低。人们预计,利用海洋温差发电,如果能在一个世纪内实现,可成为新能源开发的新的出发点。

潮汐发电

汹涌澎湃的大海,在太阳和月亮的引潮力作用下,时而潮高百丈,时而悄然退去,留下一片沙滩。海洋这样起伏运动,日以继夜,年复一年,是那样有规律,那样有节奏,好像人在呼吸。海水的这种有规律的涨落现象就是潮汐。

潮汐发电就是利用潮汐能的一种重要方式。据初步估计,全世界潮汐能约有10亿多千瓦,每年可发电2~3万亿千瓦时。我国的海岸线长度达18000千米,据1958年普查结果估计,至少有2800万千瓦潮汐电力资源,年发电量最低不下700亿千瓦时。

世界著名的大潮区是英吉利海峡,那里最高潮差为14.6米,大西洋沿岸的潮差也达4~7.4米。我国的杭州湾的“钱塘潮”的潮差达9米。

据估计,我国仅长江口北支就能建80万千瓦潮汐电站,年发电量为23亿千瓦时,接近新安江和富春江水电站的发电总量;钱塘江口可建500万千瓦潮汐电站,年发电量约180多亿千瓦时,约相当于10个新安江水电站的发电能力。

早在12世纪,人类就开始利用潮汐能。法国沿海布列塔尼省就建起了“潮磨”,利用潮汐能代替人力推磨。随着科学技术的进步,人们开始筑坝拦水,建起潮汐电站。

法国在布列塔尼省建成了世界上第一座大型潮汐发电站,电站规模宏大,大坝全长750米,坝顶是公路。平均潮差8.5米,最大潮差13.5米。每年发电量为5.44亿千瓦时。

中国解放后在沿海建过一些小型潮汐电站。例如,广东省顺德县大良潮汐电站(144千瓦)、福建厦门的华美太古潮汐电站(220千瓦)、浙江温岭的沙山潮汐电站(40千瓦)及象山高塘潮汐电站(450千瓦)。

波力发电

“无风三尺浪”是奔腾不息的大海的真实写照。海浪有惊人的力量,5米高的海浪,每平方米压力就有10吨。大浪能把13吨重的岩石抛至20米高处,能翻转1700吨重的岩石,甚至能把上万吨的巨轮推上岸去。海浪蕴藏的总能量是大得惊人的。据估计地球上海浪中蕴藏着的能量相当于90万亿千瓦时的电能。

能源利用现状

上述不同形式的能量有的已被人类利用,有的已列入开发利用计划,但人们对海洋能的开发利用程度至今仍十分低。尽管这些海洋能资源之间存在着各种差异,但是也有着一些相同的特征。每种海洋能资源都具有相当大的能量通量:潮汐能和盐度梯度能大约为2TW;波浪能也在此量级上;而海洋热能至少要比此大两个数量级。但是这些能量分散在广阔的地理区域,因此实际上它们的能流密度相当低,而且这些资源中的大部分均蕴藏在远离用电中心区的海域。因此只能有一小部分海洋能资源能够得以开发利用。

面临的问题

很多海洋能至今没被利用的原因主要有两方面:

  • 经济效益差,成本高。
  • 一些技术问题还没有过关。尽管如此,不少国家一面组织研究解决这些问题,一面在制定宏伟的海洋能利用规划。如法国计划到本世纪末利用潮汐能发电350亿千瓦时,英国准备修建一座100万千瓦的波浪能发电站,美国要在东海岸建造500座海洋热能发电站。从发展趋势来看,海洋能必将成为沿海国家,特别是发达的沿海国家的重要能源之一。

前景展望

全球海洋能的可再生量很大。根据联合国教科文组织1981年出版物的估计数字,五种海洋能理论上可再生的总量为766亿千瓦。其中温差能为400亿千瓦,盐差能为300亿千瓦,潮汐和波浪能各为30亿千瓦,海流能为6亿千瓦。但如上所述是难以实现把上述全部能量取出,设想只能利用较强的海流、潮汐和波浪;利用大降雨量地域的盐度差,而温差利用则受热机卡诺效率的限制。因此,估计技术上允许利用功率为64亿千瓦,其中盐差能30亿千瓦,温差能20亿千瓦,波浪能10亿千瓦,海流能3亿千瓦,潮汐能1亿千瓦(估计数字)。

海洋能的强度较常规能源为低。海水温差小,海面与500~1000米深层水之间的较大温差仅为20℃左右;潮汐、波浪水位差小,较大潮差仅7—10米,较大波高仅3米;潮流、海流速度小,较大流速仅4~7节。即使这样,在可再生能源中,海洋能仍具有可观的能流密度。以波浪能为例,每米海岸线平均波功率在最丰富的海域是50千瓦,一般的有5~6千瓦;后者相当于太阳能流密度1千瓦/米2)。又如潮流能,最高流速为3米/秒的舟山群岛潮流,在一个潮流周期的平均潮流功率达4.5千瓦/米2。 海洋能作为自然能源是随时变化着的。但海洋是个庞大的蓄能库,将太阳能以及派生的风能等以热能、机械能等形式蓄在海水里,不象在陆地和空中那样容易散失。海水温差、盐度差和海流都是较稳定的,24小时不间断,昼夜波动小,只稍有季节性的变化。潮汐、潮流则作恒定的周期性变化,对大潮、小潮、涨潮、落潮、潮位、潮速、方向都可以准确预测。海浪是海洋中最不稳定的,有季节性、周期性,而且相邻周期也是变化的。但海浪是风浪和涌浪的总和,而涌浪源自辽阔海域持续时日的风能,不象当地太阳和风那样容易骤起骤止和受局部气象的影响。

海洋能的利用还很昂贵,以法国的朗斯潮汐电站为例,其单位千瓦装机投资合1500美元(1980年价格),高出常规火电站。但在严重缺乏能源的沿海地区(包岛屿),把海洋能作为一种补充能源加以利用还是可取的。

中国技术现状

从总体看,我国海洋能资源十分丰富,可开发利用量达10亿kW的量级。其中,我国海岸的潮汐能资源总装机容量为2179kW;波浪能理论平均功率为1285万kW;潮流能130个水道的理论平均功率为1394万kW;近海及毗邻海域温差能资源可供开发的总装机容量约为17.47亿~218.65亿kW;沿岸盐能资源理论功率约为1.14亿kW;近海风能资源达到7.5亿kW。

技术现状

资料显示,我国从20世纪80年代开始,在沿海各地区陆续兴建了一批中小型潮汐发电站并投入运行发电。其中最大的潮汐电站是1980年5月建成的浙江省温岭市江厦潮汐试验电站,它也是世界已建成的较大双向潮汐电站之一。总库容490万立方米,发电有效库容270万立方米。这里的最大潮差8.39米,平均潮差5.08米;电站功率3200千瓦。据了解,江厦电站每昼夜可发电14~15小时,比单向潮汐电站增加发电量30%~40%。江厦电站每年可为温岭、黄岩电力网提供100亿瓦/小时的电能。

除潮汐能外,重点开发波浪能和海水热能。统计显示,海浪每秒钟在1平方千米海面上产生20万千瓦的能量,全世界海洋中可开发利用的波浪约为27—30亿千瓦,而我国近海域波浪的蕴藏量约为1.5亿千瓦,可开发利用量约3000—3500万千瓦,一些发达国家已经开始建造小型的波浪发电站。

而海水热能是海面上的海水被太阳晒热后,在真空泵中减压,使海水变为蒸汽,然后推动蒸汽轮机而发电。同时,蒸汽又被引上来,冷却后回收为淡水。这两项技术我国正在研究和开发中。

现有电站

1980年5月4日,浙江省温岭的江厦潮汐电站第一台机组并网发电,揭开了中国较大规模建设潮汐电站的序幕。该电站装有6台500千瓦水轮发电机组,总装机容量为3000千瓦,拦潮坝全长670米,水库有效库容270万立方米,是一座规模不小的现代潮汐电站。它不但为解决浙江的能源短缺作出应有的贡献,而且在经济上亦有竞争能力。江厦潮汐电站的单位造价为每千瓦2500元,与小水电站的造价相当。浙江沙山的40千瓦小型潮汐电站,从1959年建成至今运行状况良好,投资4万元,收入已超过35万元。海山潮汐电站装机150千瓦,年发电量29万千瓦时,收入2万元,并养殖蚶子、鱼虾及制砖,年收入20万元。

潮汐发电有三种形式:

  • 单库单向发电:它是在海湾(或河口)筑起堤坝、厂房和水闸,将海湾(或河口)与外海隔开,涨潮时开启水闸,潮水充满水库,落潮时利用库内与库外的水位差,形成强有力的水龙头冲击水轮发电机组发电。这种方式只能在落潮时发电,所以叫单库单向发电。
  • 单库双向发电:它同样只建一个水库,采取巧妙的水工设计或采用双向水轮发电机组,使电站在涨、落潮时都能发电。但这两种发电方式在平潮时都不能发电。
  • 双库双向发电:它是在有利条件的海湾建起两个水库,涨潮和落潮的过程中,两库水位始终保持一定的落差,水轮发电机安装在两水库之间,可以连续不断地发电。

潮汐发电有许多优点:

  • 潮水来去有规律,不受洪水或枯水的影响:
  • 以河口或海湾为天然水库,不会淹没大量土地:
  • 不污染环境:
  • 不消耗燃料等。

缺点:

  • 工程艰巨
  • 造价高
  • 海水对水下设备有腐蚀作用等

但综合经济比较结果,潮汐发电成本低于火电。

目录
1.
基本概念
2.
能源特点
3.
能量形式
4.
优点和缺点
5.
能源利用方式
6.
能源利用现状
7.
中国技术现状
讨论