探究海洋能源奥秘 了解能源利用前景丁玉祥

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.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.

一、认识海洋能源

地球表面积约为5.1×108km2,海洋面积达3.61×108km2,占总面积的71%.在浩瀚的海洋里,海洋被认为是地球上最后的资源宝库,蕴藏着极为丰富的自然资源和巨大的可再生能源,也被称作为能量之海.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.海洋能源按储能形式分,又可分为机械能、热能和化学能.其中潮汐能、海流能(包括潮流能)、波浪能为机械能(位能和动能)、海水温差能为热能、海水盐差能为化学能.潮汐能和潮流能来源于太阳和月亮对地球的引力变化,其他均源于太阳辐射.更广义的海洋能源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.据专家估计,海洋能源约占世界能源总量的70%以上.海洋能的储量,按粗略的估计,全世界的潮汐能约为2.7×109kW、波浪能约为2.5×109kW、海流能约为5×109kW、温差能约为2×109kW、盐差能约为2.6×109kW.此外,海面上的太阳能蕴藏量约为8×109kW,风能约为1×109~1×1011kW.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.

1.潮汐能

潮汐能是指海水在涨落潮运动中所包含的大量动能和势能.海洋的潮汐中蕴藏着巨大的能量.潮汐现象是海水在一定时间内有规律地涨落运动,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”.人们早在15世纪到18世纪就逐步认识了潮汐能.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.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18m,是世界上潮差最大的地方,我国的最大值(杭州湾澈浦)为8.9m.一般说来,平均潮差在3m以上就有实际应用价值.如果在1km2的海面上,潮差为5m时,其潮汐能发电的最大功率为5500kW;而潮差为10m时,最大发电功率可达32000kW.所以,人们将潮汐能称为“蓝色的油田”.我国的潮汐能理论估算值虽为108kW量级,但实际可利用数远小于此数,其中浙江和福建沿海为潮汐能较丰富的地区.

2.波浪能

波浪能是指海洋表面波浪所具有的动能和势能.波浪能是海洋能源中能量最不稳定的一种能源.台风导致的巨浪,其功率密度可达每米迎波面数千千瓦,而波浪能丰富的欧洲北海地区,其年平均波浪功率也仅为20～40kW/m.中国海岸大部分的年平均波浪功率密度为2～7kW/m.中国沿海海洋观测台站资料显示,中国沿海波浪理论估算年平均功率约为1.3×107kW.其中浙江、福建、广东和台湾沿海为波能丰富的地区.

3.海流能

所谓海流是指大范围的海水朝着一定的方向做有规律的流动的现象,包括水平运动和垂直运动.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.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.海流能就是海水流动过程中蕴藏的动能,估计有5.6×109kW之巨.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1m/s,以宽度30km,深度300m计算,平均输出功率达1×107kW.相对波浪而言,海流能的变化要平稳且有规律得多.潮流能随潮汐的涨落每天2次改变大小和方向.一般来说,最大流速在2m/s以上的水道,其海流能均有实际开发的价值.中国沿海海流能的年平均功率理论估算值约为1.4×107kW.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,具有良好的开发价值.值得指出的是,中国的海流能属于世界上功率密度最大的地区之一,特别是浙江的舟山群岛的金塘、龟山和西候门水道,开发环境和条件很好.

4.温差能

温差能是指海洋表层海水和深层海水之间水温之差的热能.实际上,海洋的温差能居于海洋里各种能源之首.太阳就是地球上一切能源的源泉.太阳光照到地球上的能量约为8×1013kW,而被海水吸收的太阳能约为6×1013kW,相当于1.7×1011t优质煤的热量.海水所接受的太阳能,除了一部分直接反射到空气中外,大部分被海水所吸收.海水吸收了太阳能,水分子运动速度加快,水温升高,这样,太阳光所辐射的能量就被转化为水分子热运动能贮存起来了.海洋的表面把太阳的辐射能的大部分转化成为热水并储存在海洋的上层.另一方面,接近冰点的海水在不到1000m的深度大面积地从极地缓慢地流向赤道.这样,就在许多热带或亚热带海域终年形成20℃以上的垂直海水温差.利用这一温差可以实现热力循环并发电.据测算,全球热带海洋的水温只要下降1℃,就能释放出1.2×1011kW的能量.根据中国海洋水温测量资料中国海域的温差能估算约为1.5×108kW,其中99%在南中国海.南海的表层水温年均在26℃以上,深层水温(800m深处)常年保持在5℃,温差为2℃,属于温差能丰富区域.

5.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一种海洋能.盐差能在江河入海口,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主要存在于河海交接处.盐差能是海洋能中能量密度最大的一种可再生能源.利用这一水位差就可以直接由水轮发电机发电.我国的盐差能估计为1.1×108kW,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.据估计,世界各河口区的盐差能约有3×1011kW,可能利用的大约有2.6×109kW.

二、我国海洋能源的利用情况

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约18000km,还有6000多个岛屿,其海岸线长约14000km,整个海域达4.9×106km2.其地处低纬度的南海,海域达3.6×106km2.每年入海的河流淡水量约为2.3×1012km3.如果将我国的海洋能资源转换为有用的动力值,至少可达1.5×108kW,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.

从21世纪能源利用、海洋高技术和国防科技综合考虑,我国温差能利用应放到相当重要的位置.海洋温差能的利用可以提供可持续发展的能源、淡水、生存空间并可以和海洋采矿与海洋养殖业共同发展,解决人类生存和发展的资源问题.在基础研究方面,还需要重点研究低温差热力循环过程,解决高效强化传热及低压热力机组以及相应的热动力循环和海洋环境中的载荷问题.在技术项目方面,应尽早安排百千瓦级以上的综合利用实验装置,并可以考虑与南海的海洋开发和国土防卫工程相结合,作为海上独立环境的能源、淡水以及人工环境(空调)和海上养殖场的综合设备.

中国是世界上海流能量资源密度最高的国家之一,发展海流能有良好的资源优势.海流能和风能一样,可以发展“机群”,以一定的单机容量发展标准化设备,从而达到工业化生产以降低成本的目的.因此,海流能应先建设百千瓦级的实验装置,解决机组的水下安装、维护和海洋环境中的生存问题.

从宏观上看,海洋能是一种富饶而诱人的新型能源,在现代高技术不断进步的推动下,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,使海洋做出更大的贡献,造福于子孙后代.