海洋能技术及应用

海洋能技术及应用随着全球能源消费的迅速增长，能源安全问题和能源环境问题越来越成为国内各界和国际社会高度关注的问题。传统能源储量的减少和开发难度的日益增大使人类困扰于前所未有的能源危机，大部分传统能源的利用过程往往也伴随着相当程度的污染，这对人类的生存环境造成了严重的破坏，因此开发清洁而安全的新能源是解决目前能源与环境困境的有效办法之一。各国科学家都在努力研究，开发利用新的能源。海洋能是一种洁净的新能源，我国拥有丰富的海洋能，开发海洋能对沿海地区及海域的经济发展与节能减排工作都具有重要意义。一．海洋能简介海洋能是一种蕴藏在海洋中的重要的可再生清洁能源，主要包括潮汐能、波浪能、海流能(潮流能)、海水温差能和海水盐差能，更广义的海洋能还包括海洋上空的风能、海洋表面的太阳能以及海洋生物质能等。从成因上来看，海洋能是由太阳能加热海水、太阳月球对海水的引力、地球自转力等因素的影响下产生的，因而是一种取之不尽、用之不竭的可再生能源，而且开发海洋能不会产生废水、废气，也不会占用大片良田，更没有辐射污染，因此，海洋能被称为21世纪的绿色能源，被许多能源专家看好。海洋能的全球储量达1500亿千瓦，其中便于利用的有70亿千瓦。据估算．全球海洋能固有功率以温差能、盐差能以及海洋风能和太阳能最大．波浪能和潮汐能居中，海流能相对较小。1981年联合国教科文组织统计资料显示，技术上海洋能可利用功率达64亿kW．是当时全球发电装机容量的2倍。二．海洋能特点海洋能源与常规能源相比具有以下特点：1.海洋能在海洋总水体中的蕴藏量巨大，能量密度低而单位体积、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。海洋能广泛地存在于占地球表面积71%的海洋上，所以其总蕴藏量却是巨大的。据国外学者们计算，全世界各种海洋能固有功率的数量以温差能和盐差能最大为1010KW，波浪能和潮汐能居中均为1O9KW，海流能最小为1O8KW。另外，由于海洋永不间断地接受着太阳辐射和月亮太阳的作用，所以海洋能又是可再生的，因此海洋能可称谓取之不尽，用之不竭。当然，也必须指出，以上巨量的海洋能资源，并不是全部可以开发利用。据1981年联合国教科文组织出版的《海洋能开发》一书估计，全球海洋能理论可再生的功率为766亿KW，技术上允许利用的功率仅为64亿KW，即使如此，这一数字也为80年代初全世界发电机装机总容量的两倍。2.能量随时空变化，但有规律可循。各种海洋能按各自的规律发生和变化。就空间而言，既因地而异，又不能搬迁，各有各自的富集海域。温差能主要集中在低纬度大洋深水海域，我国主要在南海(远海、深海):潮汐、潮流能主要集中在沿岸海域，我国东海沿岸最富集(沿岸、浅海):海流能主要集中在北半球两大洋西侧，我国主要在东海的黑潮流域(外海、深海);波浪能近海、外海都有，但以北半球两大洋东侧中纬度(300-400N)和南极风暴带(400-500S)最富集，我国东海和南海北部较大(全海域);盐差能主要在江河入海口附近沿岸，我国主要在长江和珠江等河口(沿岸、浅海)。就时间而言，除温差能和海流能较稳定外，其他均具有明显的日、月变化和年变化，故海洋能发电多存在不稳定性。不过，各种海洋能能量密度的时间变化一般均有规律性，可以予报，特别是潮汐和潮流的变化，目前已能做出较准确的予报。3.开发环境严酷，一次性投资大，单位装机造价高，但不污染环境，不占用土地，可综合利用.由于不论在沿岸近海，还是在外海深海，开发海洋能资源都存在风、浪、流等动力作用，海水腐蚀，海生物附着以及能量密度低等问题，致使转换装置设备庞大、要求材料强度高、防腐好、设计施工技术复杂、投资大造价高.但是，由于海洋能发电在沿岸和海上进行，所以不但不占用土地资源，不需要迁移人口，而且还多具有综合利用效益。同时，由于海洋能发电不消耗一次性矿物燃料，所以既不付燃料费，又不受能源枯竭的威胁。另外，海洋能发电几乎都不伴有氧化还原反应，并且不向大气排出有害气体和热。故也不存在常规能源和原子能发电多存在的环境污染问题，这就避免了很多社会问题的处理。三．海洋能的能量形式及其利用1、潮汐能因月球引力的变化引起潮汐现象，潮汐导致海水平面周期性地升降，因海水涨落及潮水流动所产生的能量成为潮汐能。潮汐与潮流能来源于月球、太阳引力，其它海洋能均来源于太阳辐射，海洋面积占地球总面积的71%，太阳到达地球的能量，大部分落在海洋上空和海水中，部分转化成各种形式的海洋能。潮汐能的主要利用方式为发电，具体地说，潮汐发电就是在海湾或有潮汐的河口建一拦水堤坝，将海湾或河口与海洋隔开构成水库，再在坝内或坝房安装水轮发电机组，然后利用潮汐涨落时海水位的升降，使海水通过轮机转动水轮发电机组发电。涨潮时，海水从大海流人坝内水库，带动水轮机旋转发电；落潮时，海水流向大海，同样推动水轮机旋转而发电。潮汐电站按照运行方式和对设备要求的不同，可以分为单库单向型，单库双向型，双库双向型，双库单向型三种。目前世界上最大的潮汐电站是法国的朗斯潮汐电站，我国的江夏潮汐实验电站为国内最大。我国的潮汐电站建设开始于20世纪50年代中期，经过了1958年前后、70年代初期和80年代3个时期建设，至80年代初共建设有76个潮汐电站。在80年代运行的有8座，目前还在运行的潮汐能电站只剩下了3座，分别是：总装机容量3200kW的浙江温岭的江厦站、总装机容量150kW的浙江玉环的海山站、总装机容量640kW的山东乳山的白沙口站。2.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。波浪的能量波高的平方、波浪的运动周期以及迎波面的宽度成正比。波浪能是海洋能源中能量最不稳定的一种能源。波浪发电是波浪能利用的主要方式，此外，波浪能还可以用于抽水、供热、海水淡化以及制氢等。波浪发电的原理：利用海面波浪的垂直运动、水平运动和海浪中水的压力变化产生的能量发电。波浪能发电一般是利用波浪的推动力，使波浪能转化为推动空气流动的压力(原理与风箱相同，只是用波浪做动力，水面代替活塞)，气流推动空气涡轮机叶片旋转而带动发电机发电。中国波浪发电研究开始于1978年，经过30年的开发研究，获得了较快的发展。我国波浪发电的相关成果有：额定功率为20kW的岸基式广州珠江口大万山岛电站；额定功率为8kW采用摆式波浪发电装置的小麦岛电站；额定功率为100kW的广州汕尾岸式波浪实验电站；青岛大管岛30kW摆式波浪实验电站；“十五”期问投资的广州汕尾电站，2005年1月成功地实现了把不稳定的波浪能转化为稳定电能。3.海水温差能海水温差能是指涵养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，目前各国仍在积极探索中。温差发电的原理：海洋温差发电主要采用开式和闭式两种循环系统。在开式循环中，表层温海水在闪蒸蒸发器中由于闪蒸而产生蒸汽，蒸汽进入汽轮机做功后流人凝汽器，由来自海洋深层的冷海水将其冷却。在闭式循环中，来自海洋表层的温海水先在热交换器内将热量传给丙烷、氨等低沸点物质，使之蒸发，产生的蒸汽推动汽轮机做功后再由冷海水冷却。我国的浙江、福建和山东沿海是世界上潮流能资源最丰富的地区之一，其中舟山群岛一带的部分海域潮流流速在2～4m／s，其能流密度相当于20～40m／s(即9～12级以上)风能的能流密度，具有非常可观的开发价值。4.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。盐差发电的原理：当两种不同盐度的海水被一层只能通过水分而不能通过盐分的半透膜相分离的时候，两边的海水就会产生一种渗透压，促使水从浓度低的一侧通过这层膜向浓度高的一则渗透，使浓度高的一侧水位升高，直到膜两侧的含盐浓度相等。通常，海水和河水之间的化学电位差具有相当于240m高水位的落差所产生的能量，利用这一水位差就可以直接由水轮发电机发电。盐差能发电的基本方式是，将不同盐浓度的海水之间或海水与淡水之间的化学电位差能转换成水的势能，再利用水轮机发电。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。5.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。潮流能与太阳能、风能、波浪能等可再生能源相比较，其规律性较强，能量稳定，易于电网的发配电管理，因此是优秀的可再生清洁能源。潮流发电的原理：利用海洋中沿一定方向流动的潮流的动能发电，潮流发电装置的基本形式与风力发电装置类似，故又称为“水下风车”。潮流能发电装置由水轮机和电机组成，水轮机有垂直翼和水平翼两种，视实际需要而定。当海流流过水轮机时，在水轮机的叶片上产生环流，导致升力，因而对水轮机的轴产生扭矩，推动水轮机上叶片的转动，故可驱动电机发电。全世界海流能的理论估算值约为10^8kW量级。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1.4X10^7kW。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／m^2，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。6.近海风能风能是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。四．我国海洋能的利用我国是海洋大国，大陆海岸线长达1.87万km．面积500m2以上的岛屿有6961个．海岛海岸线1.4万km，海洋能资源总量可达近30亿kW，开发利用潜力极大．其中东南沿海及海岛地区最具资源优势。80年代初至90年代中期。海洋能开发利用研究受到众多部门、单位和专家的重视。参与海洋能开发利用研究的专业单位和电站等最多时达近50个。其中波浪能最多，其次是潮汐能。全国和省级(浙闽)的大型学术研讨和潮汐电站选址考察活动接连不断。各地新建、续建、扩建、技术改造、设备更新的潮汐电站陆续完成.至80年代中期建成并长期运行发电的潮汐电站达8座。80年代中期至90年代中期。浙闽两省对几个大中型潮汐电站进行了考察迭址、规划设计和预可行性研究.随着改革的深入、计划经济向市场经济的过渡，由于海洋能技术研究未列入“七五”科技计划，研究经费困难等原因，80年末参与海洋能技术研究的专业单位很快减少，至90年代中期仅剩4-5个.主要是开展波浪能和潮流能技术研究。温差能、盐差能研究已停顿。由