海洋能发电技术的发展现状与前景

海洋能发电技术的发展现状与前景摘要:海洋能是取之不尽、用之不竭的清洁能源。海洋能多种多样,主要包括波浪能、潮流能、潮汐能和温差能等。利用海洋能发电能够改善能源结构和环境,有利于海洋资源开发,受到许多国家的重视。文中对各种海洋能发电系统的主要技术原理、特点和技术现状作了综述和评价,最后指出海洋能利用的意义和前景。关键词:海洋能波浪能潮流能潮汐能环境保护海洋能是指依附在海水中的能源。海洋通过各种物理过程或化学过程接收、存储和散发能量,这些能量以波浪、海流、潮汐、温差等形式存在于海洋之中。海洋面积占地球总面积的71%,到达地球的各种来自宇宙的能量,大部分落在海洋上空和海水中,部分转化为各种形式的海洋能。海洋能的大部分来自于太阳的辐射和月球的引力。例如:太阳辐射到地球表面的太阳能大部分被海水吸收,使海洋表层水温升高,形成深部海水与表层海水之间的温差,因而形成由高温到低温的温差能；太阳能的不均匀分布导致地球上空气流运动,进而在海面产生波浪运动,形成波浪能；由地球之外其他星球(主要由月球)的引力导致的海面升高形成位能,称为潮汐能；由上述引力导致的海水流动(其特征是在一日内发生的、有规则的双向流动)的动能称为潮流能；非潮流的海流(其特征是一日内不发生双向的流动)的成因有受风驱动或海水自身密度差驱动等,归根结蒂是由太阳能造成的,其动能称为海流能。海洋能是清洁的可再生能源,开发和利用海洋能对缓解能源危机和环境污染问题具有重要的意义,许多国家特别是海洋能资源丰富的国家,大力鼓励海洋能发电技术的发展。由于海洋能发电系统的运行环境恶劣,与其他可再生能源发电系统,如风电、光伏发电相比,发展相对滞后,但是随着相关技术的发展,以及各国科技工作者的努力,近年来,海洋能发电技术取得了长足的进步,陆续有试验电站进入商业化运行。可以预见,不远的将来,随着海洋能发电技术日益成熟,将会有越来越多的海洋能发电系统接入电网运行。由于海洋蕴涵量巨大,海洋能必将成为能源供给的重要组成部分。1.发展现状目前，只有潮汐能发电技术比较成熟，其他形式海洋能的应用大都还停留在探索阶段。1.1潮汐能潮汐能是海水受到月球、太阳等天体引力作用而产生的一种周期性海水自然涨落现象，是人类认识和利用最早的一种海洋能。潮汐能发电与水力发电的原理、组成基本上是一样的，也是利用水的能量使水轮发电机发电。问题是如何利用海潮所形成的水头和潮流量，去推动水轮发电机运转。海水的垂直涨落运动称为潮汐，海水水平运动叫潮流。人们通常把潮汐和潮流中所包含的机械能统称为潮汐能。潮汐能利用一般分两种形式：一是利用潮汐的动能，直接利用潮流前进的力量来推动水车、水泵或水轮发电机；一是利用潮汐的位能，在电站上下游有落差时引水发电。由于利用潮汐的动能比较困难，效率又低，所以潮汐发电多采用后一种形式，潮汐电站就是利用海洋潮位涨、落与库水位形成落差进行涨落潮发电。利用潮汐能发电可以采用单库单向、单库双向或双库单向等三种形式。国外利用潮汐发电始于欧洲，20世纪初德国和法国已开始研究潮汐发电。世界上最早利用潮汐发电的是德国1912年建成的布苏姆潮汐电站，而法国则于1966年在希列塔尼米岛建成一座最大落差为13.5m、坝长750m、总装机容量24万kW的朗斯河口潮汐电站，年均发电量为5.44亿hkw，它使潮汐电站进入了实用阶段。之后，美、英、加拿大、前苏联、瑞典、丹麦、挪威、印度等国都陆续研究开发潮汐发电技术，兴建各具特色的潮汐电站，并已取得巨大成功。我国大陆海岸线长1.8万km，曲折的海岸线，众多的潮汐河流，蕴藏着丰富的潮汐能源。潮汐能利用的近代发展，起始于20世纪50年代后期。从1958年起，我国陆续在广东顺德、东湾、山东乳山、上海崇明等地建立了几十座潮汐能发电站，其中浙江省温岭市西南角乐清湾江厦潮汐试验电站装机容量最大，功率为3200kW，仅次于法国的郎斯潮汐发电站和加拿大安纳波利斯潮汐发电站，是亚洲最大的潮汐电站。1.2波浪能波浪能发电是继潮汐发电之后发展最快的一种海洋能源利用措施。波浪能是由大气层和海洋在相互影响的过程中，由于在风和海水重力作用下形成永不停息、周期性上下波动的波浪，这种波浪具有一定的动能和势能。波浪能的大小与波高的平方和波动水域面积成正比。目前，日本、英国、美国、德国、加拿大、中国等都在研究波浪能发电，以日本、英国、挪威等国开发利用的水平较高。解决波浪能发电的关键是波浪能转换装置。目前，人们运用最多的几种方式有气动式波浪能发电、液动式波浪能发电、蓄水波浪能发电等。气动式波浪能发电是利用波浪的起伏力量，均匀地把波浪能转换成气流能，以推动空气涡轮机发电。世界上第一台小型气动式波浪能发电装置是日本人益田在1964年发明的。液动式波浪能发电装置是把波浪能转换成液压能，再通过液压电机发电。比较典型的是英国人索尔特博士发明的“点头鸭”式波浪发电装置，“鸭体”吸收波浪能效率可达80%～90%。1985年，英国在苏格兰的艾莱岛建造了一座75kW的振荡水柱波力电站，1995年又建成一座输出功率为2MW的波浪能发电站，可满足2000户家庭用电。蓄水波浪能发电是利用气泵原理，使海浪“聚集”，并提高波浪的高度，以涌进岸边高处的蓄水池，再用高水头来冲击水轮电机发电。我国波浪能资源丰富，估计约有5亿kW以上。但我国波浪能发电的研究起步较晚，1990年才在大万山岛建成第一座20kW级的试验性波浪发电站。1.3温差能温差能是由于深部海水与表面海水温度差而产生的能量。温差能发电与地热能发电相似，其方式有三种：第一种是开放循环式，即将海水直接在低压下蒸发，产生蒸汽，去推动涡轮发电机发电。最早提出开放循环式温差发电的是法国的阿松瓦尔，他的学生克劳德在1926年试验成功海水温差发电，并于1930年在古巴海滨建成世界上第一座海水温差发电站，功率为10kW。1948年，法国在非洲象牙海岸建造了一座7000kW的海水温差发电站。开放循环式发电除得到电能外，还可以得到大量的淡水和副产品。第二种是封闭循环式，即利用海水上下温度差来使低沸点物质(如氟里昂、氨等)产生蒸汽，再用蒸汽推动涡轮发电机发电。闭路循环式是美国安德森父子1964年提出来的，1979年美国在夏威夷正式建成闭路循环式发电站，发电能力为50kW。闭路循环式发电可大大提高进排气之间的压力差和涡轮机的工作效率。第三种是混合循环式，它具有以上两种发电方式的特点，且效率更高。目前，全世界已建有8座温差能发电站。预计到2010年全球将有1030座海洋温差能发电站问世。美、日等国是研究温差能发电的先进国家。美国在夏威夷建有一座闭路循环温差发电站，输出功率50kW，还将建一座发电能力达16万kW的温差能发电站。日本于20世纪80年代分别在南太平洋的瑙鲁岛和鹿儿岛建成100kW和MW级两座温差能电站。我国海域辽阔，东海、黄海、南海的平均水温都比较高，特别是南海夏季平均可达36℃以上，且大部分地区水深在1000m以上，自表层向下500～1000m即可得到5℃的冷水，具有利用海水温差发电的有利条件和广阔前景。中国科学院广州能源研究所于20世纪80年代中期曾在实验室进行过开放式温差能装置的模拟研究。1.4海流能海流亦称洋流，是海洋中的海水朝一个方向不断流动，尤如河流具有固定流动路线一样，会产生一种不易觉察的海流动力。海流主要分布在大西洋的西部边界，那里有强大的黑潮海流、墨西哥海流，此外，世界上还有日本海流、北太平洋海流、南极环海流等。海流能的主要用途是发电。它的发电原理就是利用海流的冲击力使水轮机高速旋转，再带动发电机发电。美国设计了一个最宏伟的海流能利用装置，就放在佛罗里达半岛外侧的墨西哥海流上，还将一艘海流发电船长年停泊在强劲的海流上发电。我国海流能发电起步较晚，1994年才在浙江省岱山县官山岛建成第一座海流能发电站。目前，世界海流能发电技术仍处于试验研究阶段。2.海洋能利用前景2.1各种海洋能技术评价从目前技术发展来看,潮汐能发电技术最为成熟,已经达到了商业开发阶段,已建成的法国朗斯电站、加拿大安纳波利斯电站、中国的江厦电站均已运行多年；波浪能和潮流能还处在技术攻关阶段,英国、丹麦、挪威、意大利、澳大利亚、美国、中国建造了多种波浪能和潮流能装置,试图改进技术,逐渐将技术推向实用；温差能还处于研究初期,只有美国建造了一座温差能电站,进行技术探索。从能流密度来看,波浪能、海流能的能流密度最大,因此这2种能量转换装置的几何尺度较小,其最大尺度通常在10m左右,可达到百千瓦级装机容量；温差能利用需要连通表层海水与深部海水,因此其最大尺度通常在几百米量级,可达到百千瓦级净输出功率；潮汐能能流密度较小,需要建立大坝控制流量,以增大坝两侧的位差,从而在局部增大能流密度,计入大坝尺度,潮汐能的最大尺度在千米量级,装机容量可达到兆瓦级。尺度小带来许多便利之处:一是应用灵活,建造方便,一旦需要可以在短时间内完成,因此具有军用前景；二是规模可大可小,大规模可以通过适当装机容量的若干装置并联而成；三是对环境的影响较小。因此，人们普遍认为波浪能和潮流能对环境的影响不大,而潮汐能对环境的影响较大。基于以上理由,目前国外发展最快的是波浪能和海流能。而波浪能由于比海流能的分布更广,因而更加受到人们的关注。2.2海洋能利用的意义2.2.1开发海洋能可以缓解能源紧缺能源是世界经济增长的动力,经济的增长总是伴随着能源消耗的增长。在20世纪的100年内,世界能源消耗量增加了约9倍。根据国际能源署(IEA)的预测,未来25年内,世界能源需求总量还将增加近1倍。期间,发达国家能源消费增长速度将减慢,但在世界能源消费总量中仍占相当比重,以亚太地区为主的发展中国家能源消费依然处于高增长状态。与此同时,中国的化石能源资源非常有限。以石油为例,截至2004年底,中国石油剩余可采储量为81023t,位居世界第13位,但仅占世界总量的1.4%,石油储采比13.4,远低世界平均水平的40.5。中国经济的增长在能源供应和需求问题上面临着严峻挑战。2004年的电荒已经凸显电力对经济发展的强力制约。可以预见,在不远的将来,中国有相当一部分能源需求不能由现在常规的能源供应来满足,也必须寻求新的办法来解决能源长期的需求短缺问题。海洋能作为一种新型的可再生能源,全球的可开发量远远超过目前的发电功率,大规模地开发海洋能可以缓解能源紧缺,是解决中国能源问题的一条有效途径。中国沿海地区的经济发展水平在国内位居前列,但又是化石能源资源相对匮乏的地区,随着能源取得成本的日益上升,例如:浙江省90%以上的化石能源要从外省输入,平均运输距离在1500km以上,价格也由此而上升了1倍。因而,能源问题已经成为制约该地区经济发展的瓶颈。然而,国内沿海地区有着较为丰富的海洋能资源,如果能因地制宜,有效地开展海洋能的开发利用,将对国内这一地区的经济发展起到很好的推动作用。随着技术的不断成熟,海洋能发电的成本也不断下降；再加上常规能源价格飙升,人们对包括海洋能在内的可再生能源越来越重视。目前某些海洋能发电技术已经接近实用,有望在经济建设中发挥作用。2.2.2开发海洋能可以极大地增强海洋资源开发能力目前陆地上资源日益枯竭,许多国家正逐渐将目光转向海洋。在海洋这一表层矿产中,有着许多沉积物软泥,含有丰富的金属元素和浮游生物残骸,例如:在覆盖超过2810km的海底红粘土中,富含轴、铁、锰、锌、银、金等,具有较大的经济价值。海底有富集的矿床。海洋矿砂主要有滨海矿砂和浅海矿砂。它们都存在于水深不超过几十米的海滩和浅海中,该矿砂矿物富集且具工业价值,开采方便。另外,从这类砂矿中还可以淘出黄金、金刚石、石英、钻石、独居石、钛铁矿、磷钇矿、金红石、磁铁矿等。所以,海洋矿砂已经成为增加矿产储量的最大的潜在资源之一,越来越受到人们的重视。在深海的海底,存在更加丰富的矿藏。其中多金属结核锰结核作为最有经济价值的一种,呈现高度富集状态,并分布于300m~6000m水深的大洋底表层沉积物上。估计整个大洋底锰结核的蕴藏量约12103t。因此,锰结核矿已成为许多国家的开发热点。石油和天然气是遍及世界各大洲大陆架的矿产