海浪发电装置按使用安装的位置不同,分为“海洋式波浪发电装置”和“海岸式波浪发电装置”两类。海洋式波浪发电装置最多的是漂浮在海面上的浮标式波浪发电装置,它利用波浪起伏产生的气流冲击涡轮机发电。海岸式波浪发电装置的涡轮发电机组安装在岸上,利用波力压缩空气,以强大的气动力推动涡轮机工作。
据统计,全世界约有近万座小型波浪发电装置在运行,主要用于航标灯、浮标等;也有些国家已开始向中,大型波浪发电装置发展。
1980年,日本与国际能源机构合作研制了“海明”号波浪发电船,总装机容量1250千瓦,年发电能力180万度,很大程度上解决了日本众多岛屿居民的能源问题。日本还于1988年开始在酒井港建造一座20万千瓦的波力发电装置,用海底电缆向陆地供电。英国把波浪发电的研究放在新能源开发的首位,甚至把它称为“第三能源”。90年代初在苏格兰的艾莱岛上建成一座发电能力为75千瓦的海浪发电站。爱丁堡大学正在研制5万千瓦的海浪发电装置,而且还将在海岸以外的海面上建造波浪能发电站。挪威于1984年5月开始建造在拜耳根的两座波力发电站,装机容量分别为350和500千瓦。
后来,又开始建造1万千瓦的波浪电站,还于1988年与印尼签订协议,在巴厘岛建造1500千瓦级波力电站。丹麦、印度、加拿大、澳大利亚等国家均已建成波浪能电站并投入运营。
我国海岸线长达2万余公里,蕴藏着大量波浪能动力资源,据估计有1.5亿千瓦以上,可开发利用的约为3000~4000万千瓦;如把外海的波浪加在一起,将有7000万千瓦。从20世纪70年代以来,我国也研制成功了一批小型浮标式波力发电实验装置,功率为1千瓦的电力。今后将继续开发这种海洋能源。
经过长期观测计算,科学家发现到达水面的太阳辐射能,大约有60%透射到一米的水深处,有18%可以到达海面以下10米深处,少量的太阳辐射能甚至可以透射到水下100米的深处。海水温度随水深而变化,一般深海区大致可以分为三层:第一层是从海面到深度约60米左右的地方,称为表层,该层海水一方面吸收着太阳的辐射能,一方面受到风浪的影响使海水互相混合,海水温度变化较小,约在25~27℃;第二层水深60~300米,海水温度随着深度加深急剧递减,温度变化较大,称为主要变温层;第三层深度在300米以下,海水因为受到从极地流来的冷水的影响,温度降低到4℃左右。表层海水和深层海水之间存在着20℃以上的温差,是巨大的能量来源。
据测算,全球热带海洋的水温只要下降1℃,就能释放出1200亿千瓦的能量,实际上,海洋的温差能居于海洋里各种能源之首。
海水温差发电装置的结构由两部分组成。一部分是构成发电循环的设备,如蒸发器、冷凝器、汽轮发电机、循环泵和辅助设备等;另一部分是海洋结构物,如海洋结构物主体、冷水取水设备、温水取水设备和电站定位设备等。海水温差发电一般是用氨或氟利昂等低沸点物质作为介质、吸收表层海水的热量而在蒸发器中蒸发成气体,出来推动汽轮发电机。做完功后的气体进入冷凝器,由深层海水冷凝,然后再由循环泵将介质送至蒸发器用表层海水使其蒸发,推动汽轮发电机发电。
从世界各国研究的情况看,海水温差发电在技术上完全可行,主要的问题是费用太大。此外,会受台风等不利自然条件的影响,平台、错系等方面还有技术问题待解决。
利用海水温差发电,必须选择温差在20℃以上的海域。古巴、巴西、安哥拉、印尼和我国南部沿海等低纬度海域,是利用海水温差发电的理想场所。
据估计,仅北纬20度至南纬20度之间的海域,海水温差能大约可以发电26亿千瓦。我国海域可利用的海水温差能达1.2亿千瓦。
所谓海流是指大范围的海水朝着一定的方向作有规律的流动的现象,包括水平运动和垂直运动。海流能就是海水的这种运动中蕴藏的动能,估计有56亿千瓦之巨。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。
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1米/秒,以宽度30公里,深度300米计算,平均输出功率达1000万千瓦。因此,利用海流发电已引起科学家的兴趣,有些国家正开始进行研究。海流发电是依靠海流的动力使水轮机旋转,然后再变换成高速,带动发电机发电。目前,海流发电站多是浮在海面上的。如一种叫做“花环式”的海流发电站,是用一串螺旋桨组成的,它的两端固定在浮筒上,浮筒里装有发电机。由于海流流速小,故发电能力较小,一般用于灯塔或灯船提供电力。美国设计了一种驳船式海流发电站,其发电能力比花环式发电站大得多。在船舷两侧装着巨大的水轮,在海流推动下不断转动,进而带动发电机发电,其发电能力可达5万千瓦。20世纪70年代末期,国外研制了一种设计新颖的伞式海流发电站,这种电站也建在船上。将50个降落伞串在一根绳子上来积聚海流能量,转动的伞带动船上的轮子,连接着轮子的发电机就跟着转动而发出电。对于这种装置,美国能源部作了一个估计,如在佛罗里达海湾的海流中放置这种电站,其发电能力可达1000万千瓦。日本的一个研究小组还在研究使海流通过磁场而发电的新技术,研究人员设想把一种超导磁体放入黑潮海流中来获得电力。
盐差能是以化学能形态出现的一种海洋能。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应是海水盐差能。
据估计,世界各河口区的盐差能约有3000亿千瓦,可能利用的大约有26亿千瓦。
如何利用如此丰富的海水盐差能呢?人们设想了利用化学中浓差电池的原理,以电化学的方法把盐差能转换成电能。另外,还有一种方法是利用海水和淡水之间的盐度差产生的渗透压力直接推动水轮发电机发电。不过这些方法还处于实验研究阶段,没有一个国家取得成熟的技术。
总之。从宏观上看,海洋能是一种富饶而诱人的新型能源,在现代高技术的不断进步推动下,海洋能的开发利用必将出现一个崭新的局面。为了创造一个美好的未来,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,使海洋作出更大的贡献,造福于人类的子孙后代。
地热能
地球内部蕴藏着巨大的能量。人们把来自地球内部的热能叫做地热能。
地球通过火山爆发和温泉等途径,将它内部的内能源源不断地输送到地面。
目前,除温泉外,人们对地热能的大规模开发利用还处于初始阶段,所以说地热还属于一种新能源。
从地表向地球内部深入,温度逐渐上升。地壳的平均温升为20~30℃/千米,大陆地壳底部的温度为500~1000℃,地球中心的温度约6000℃。据估算,在10千米的地壳外层内的储热量为12.6×1026焦耳,相当于世界上煤炭的经济可开采储量所含热量的7万多倍。可见,地热能是相当巨大的。
根据地下热能储存的不同形式,地热能可分为水热资源(包括地热蒸气和地热水)、地压资源、干热岩和熔岩四类。地热水指以水为主的对流水热系统,包括热水和湿蒸气,这类地热能世界上分布较广。蒸气型地热能指以过热蒸气为主的对流水热系统,含有少量气体或水。地压资源指在高压下由深层提取可溶性甲烷。干热岩指地下广泛存在的没有水或含有少量蒸气的热岩石。熔岩型地热能就是岩浆,其温度高达650~1200℃。开采时需要在火山地区打几千米深的钻孔,目前尚没有利用。
地热发电的原理与火力发电大致相同。由于地热发电不消耗燃料,因而不需要庞大的燃料运输、存储设备,设备系统远比火力发电简单;地热发电后排出的热水只是降低一些温度,仍然可以用于取暖、洗浴、医疗、化工等;地热电站不会排出污染环境的烟气和灰土。这些是地热发电的突出优点。然而,地热电站的分布、规模和发电成本受地质条件的影响很大,为了广泛地利用地热资源,地热发电正从蒸气型向热水型发展。此外,利用干热岩发电也已进入实际应用阶段。
对于地热能的开发利用,如果从1904年意大利建成世界上第一座地热发电站算起,已90多年的历史了。但是,只有近二三十年来地热能的开发利用才逐渐引起世界各国的普遍注意和重视。
据统计,目前世界上已有120多个国家和地区发现和打出地热泉与地热井7600多处。地热能的利用,当前主要有采暖、发电、育种、温室、栽培、洗浴等方面。上世纪70年代初,估计全世界可作为发电用的地热能约有6000万千瓦,主要分布在意大利、美国、新西兰、墨西哥、冰岛和前苏联等国家。由于钻井技术的不断进步,深层地热的开发将成为现实,地热发电容量将远超过此数。目前,许多国家都建成了不同规模的地热电站,总计约有150座左右,装机总容量超过600万千瓦。
我国具有丰富的地热资源,已发现的地热点有2500多处,天然地面热泉就有2000处以上。地热利用在我国具有广阔的前景。地热发电装机总容量已约有1万千瓦。目前最大的是西藏的羊八井湿蒸气地热电站,地热井口温度平均为140℃,第一期工程装机容量1000千瓦于1979年9月建成投产,以后又有4台3000千瓦机组陆续投入运行。我国地热能的开发利用还处于初级阶段,估计到本世纪初,地热的利用将相当于6000万吨标准煤,地热发电机组容量将发展到万千瓦级的水平。干热岩和地压地热资源的基础研究工作即将列入科技规划。
风能