书城自然科学海之馈赠:海洋资源大观
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第21章 未来能源的支柱:海洋能(3)

波浪能为115吉瓦,潮汐能为57吉瓦,潮汐阻拦为20吉瓦,海流能为4吉瓦,河流水动力能为3吉瓦。

§§§第二节海洋能源库

潮汐能

“人有悲欢离合,月有阴晴圆缺。”潮汐是一种世界性的海平面周期性变化的现象,由于受月亮和太阳这两个万有引力源的作用,海平面每昼夜有两次涨落。潮汐作为一种自然现象,为人类的航海、捕捞和晒盐提供了方便,同时,它可以带来巨大能量,形成潮汐能。

潮汐能是因月球引力的变化引起潮汐现象,潮汐导致海平面周期性地升降,因海水涨落及潮水流动所产生的能量成为潮汐能。潮汐能是以势能形态出现的海洋能,是指海水潮涨和潮落形成的水的势能与动能。

潮汐在涨落的运动过程中,蕴藏着无比巨大的能量。涨潮时,海水奔腾而来,水位升高,产生巨大的势能;潮落时,海水宣泄退去,水位降低,海水巨大的势能瞬间转化为强烈的动能。

潮汐能因地而异,不同的地区常常有不同的潮汐系统。潮汐能都是从深海潮波获取能量,但它们具有各自独有的特征。潮汐能的能量与潮量和潮差成正比。也就是说,潮汐能的大小取决于与潮差的平方和水库的面积。和水力发电相比,潮汐能的能量密度低,相当于微水头发电的水平。世界上潮差的较大值约为13~15米,但一般来说,平均潮差在3米以上就有实际应用价值。

潮汐能是一种不消耗燃料、没有污染、不受洪水或枯水影响、用之不竭的再生能源。在海洋的各种能源中,潮汐能的开发利用最为现实、最为简便。

发展潮汐能可以间接地使大气中二氧化碳含量的增加速度减慢。潮汐能的利用方式主要是发电。潮汐发电是利用海湾、河口等有利地形,修筑水堤,形成水库,以便于大量蓄积海水,并在坝中或坝旁建造水力发电厂房,通过水轮发电机组进行发电。只有出现大潮,能量集中时,并且在地理条件适于建造潮汐电站的地方,从潮汐中提取能量才有可能实现。

潮汐发电与普通水力发电原理类似,通过水库,在涨潮时将海水储存在水库内,以势能的形式保存,然后,在落潮时放出海水,利用高、低潮位之间的落差,推动水轮机旋转,带动发电机发电。其差别在于:海水与河水不同,蓄积的海水落差不大,但流量较大,并且呈间歇性;潮水的流动与河水的流动不同,它是不断变换方向的,潮汐发电有单池单向发电、单池双向发电和双池双向发电三种形式。据海洋学家计算,世界上潮汐能发电的资源量在10亿千瓦以上,其能源也是一个天文数字。

到目前为止,潮汐能是海洋能技术中最成熟和利用规模最大的一种。全世界潮汐电站的总装机容量为265兆瓦。

由于常规电站廉价电费的竞争,建成投产的商用潮汐电站不多。然而,由于潮汐能蕴藏量的巨大和潮汐发电的许多优点,人们还是非常重视潮汐发电的研究和试验。

世界上适于建设潮汐电站的二十几处地方,都在研究、设计建设潮汐电站。其中包括:美国阿拉斯加州的库克湾、加拿大芬地湾、英国塞文河口、阿根廷圣约瑟湾、澳大利亚达尔文范迪门湾、印度坎贝河口、俄罗斯远东鄂霍茨克海品仁湾、韩国仁川湾等地。随着科学技术的不断进步,潮汐发电成本不断降低,进入21世纪,将不断会有大型现代潮汐电站建成使用。

我国潮汐能的理论蕴藏量达到1.1亿千瓦,在我国沿海,特别是东南沿海有很多海湾能量密度较高,平均潮差4~5米,最大潮差7~8米。其中浙江、福建两省蕴藏量最大,约占全国的80.9%。我国的江厦潮汐实验电站,建于浙江省乐清湾北侧的江厦港,装机容量3200千瓦,于1980年正式投入运行。

从总体上看,现今潮汐能开发利用的技术难题已基本解决,国内外都有许多成功的实例,技术更新也很快。

波浪能

波浪能是指海洋表面波浪所具有的动能和势能。波浪的能量与波高的平方、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。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20~40千瓦/米。中国海岸大部分的年平均波浪功率密度为2~7千瓦/米。

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。波浪能利用装置大都源于几种基本原理,即:利用物体在波浪作用下的振荡和摇摆运动;利用波浪压力的变化;利用波浪的沿岸爬升将波浪能转换成水的势能等。经过20世纪70年代对多种波能装置进行的实验室研究和80年代进行的实海况试验及应用示范研究,波浪发电技术已逐步接近实用化水平,研究的重点也集中于3种被认为是有商品化价值的装置,包括振荡水柱式装置、摆式装置和聚波水库式装置。

根据调查和利用波浪观测资料计算统计,我国沿岸波浪能资源理论平均功率为1285.22万千瓦,这些资源在沿岸的分布很不均匀。以台湾省沿岸为最多,为429万千瓦,占全国总量的1/3。其次是浙江、广东、福建和山东沿岸也较多,在160万~205万千瓦之间,约为706万千瓦,约占全国总量的55%,其他省市沿岸则很少,广西沿岸最少,仅8.1万千瓦。

全国沿岸波浪能源密度(波浪在单位时间通过单位波峰的能量分布),以浙江中部、台湾、福建省海坛岛以北,渤海海峡为最高,达5.11~7.73千瓦/米。这些海区平均波高大于1米,周期多大于5秒,是我国沿岸波浪能能流密度较高,资源蕴藏量最丰富的海域。其次是西沙、浙江的北部和南部,福建南部和山东半岛南岸等能源密度也较高,资源也较丰富,其他地区波浪能能流密度较低,资源蕴藏也较少。

根据波浪能能流密度及其变化和开发利用的自然环境条件,首选浙江、福建沿岸应用为重点开发利用地区,其次是广东东部、长江口和山东半岛南岸中段。也可以选择条件较好的地区,如嵊山岛、南麂岛、大戢山、云澳、表角、遮浪等处,这些地区具有能量密度高、季节变化小、平均潮差小、近岸水较深、均为基岩海岸,具有岸滩较窄,坡度较大等优越条件,是波浪能源开发利用的理想地点,应做为优先开发的地区。

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。海流能的能量与流速的平方和流量成正比。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。一般说来,最大流速在2米/秒以上的水道,其海流能均有实际开发的价值。

海流能的利用方式主要是发电,其原理和风力发电相似,几乎任何一个风力发电装置都可以改造成为海流发电装置。但由于海水的密度约为空气的1000倍,且装置必须放于水下,故海流发电存在一系列的关键技术问题,包括安装维护、电力输送、防腐、海洋环境中的载荷与安全性能等。此外,海流发电装置和风力发电装置的固定形式和透平设计也有很大的不同。海流装置可以安装固定于海底,也可以安装于浮体的底部,而浮体通过锚链固定于海上。海流中的透平设计也是一项关键技术。我国沿岸潮流资源根据对130个水道的计算统计,理论平均功率为13948.52万千瓦。这些资源在全国沿岸的分布,以浙江为最多,有37个水道,理论平均功率为7090兆瓦,约占全国的1/2以上。其次是台湾、福建、辽宁等省份的沿岸也较多,约占全国总量的42%,其他省区较少。

根据沿海能源密度,理论蕴藏量和开发利用的环境条件等因素,舟山海域诸水道开发前景最好,如金塘水道、龟山水道、西侯门水道,其次是渤海海峡和福建的三都澳等,如老铁山水道、三都澳三都角。以上海区均有能量密度高、理论蕴藏量大、开发条件较好的优点,应优先开发利用。

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,主要存在于河海交接处。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。通常,海水(35‰盐度)和河水之间的化学电位差有相当于240米水头差的能量密度。这种位差可以利用半渗透膜(水能通过,盐不能通过)在盐水和淡水交接处实现,利用这一水位差就可以直接由水轮发电机发电。

盐差能的利用主要是发电。其基本方式是将不同盐浓度的海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,具体主要有渗透压式、蒸汽压式和机械一化学式等,其中渗透压式方案最受重视。

将一层半透膜放在不同盐度的两种海水之间,通过这个膜会产生一个压力梯度,迫使水从盐度低的一侧通过膜向盐度高的一侧渗透,从而稀释高盐度的水,直到膜两侧水的盐度相等为止。此压力称为渗透压,它与海水的盐浓度及温度有关。目前提出的渗透压式盐差能转换方法主要有水压塔渗压系统和强力渗压系统两种。我国海域辽阔,海岸线漫长,入海的江河众多,入海的径流量巨大,在沿岸各江河入海口附近蕴藏着丰富的盐差能资源。据统计我国沿岸全部江河多年平均入海径流量约为(1.7~1.8)×1012立方米,各主要江河的年人海径流量约为(1.5~1.6)×1012立方米,据计算,我国沿岸盐差能资源蕴藏量约为3.9×1015千焦耳,理论功率约为1.25×108千瓦。

我国盐差能资源有以下特点:

(1)地理分布不均。长江口及其以南的大江河口沿岸的资源量占全国总量的92.5%,理论总功率达1.156×108千瓦,其中东海沿海占69%,理论功率为0.86×108千瓦。

(2)沿海大城市附近资源最富集,特别是上海和广东附近的资源量分别占全国的59.2%和20%。

(3)资源量具有明显的季节变化和年际变化。一般汛期4~5个月的资源量占全年的60%以上,长江占70%以上,珠江占75%以上。

(4)山东半岛以北的江河冬季均有1~3个月的冰封期,不利于全年开发利用。