海洋能的开发和利用

[中南大学]21世纪的新能源——海洋能2022年4月26日新能源[认识与了解]新能源又称非常规能源。

是指传统能源之外的各种能源形式。

指刚开始开发利用或正在积极研究、有待推广的能源，如太阳能、地热能、风能、海洋能、生物质能和核聚变能等。

新能源一般是指在新技术基础上加以开发利用的可再生能源，包括太阳能、生物质能、水能、风能、地热能、波浪能、洋流能和潮汐能，以及海洋表面与深层之间的热循环等；此外，还有氢能、沼气、酒精、甲醇等，而已经广泛利用的煤炭、石油、天然气、水能、核电等能源，称为常规能源。

随着常规能源的有限性以及环境问题的日益突出，以环保和可再生为特祉的新能源越来越得到各国的重视。

一般地说，常规能源是指技术上比较成熟且已被大规模利用的能源，而新能源通常是指尚未大规模利用、正在积极研究开发的能源。

因此，煤、石油、天然气以及大中型水电都被看作常规能源，而把太阳能、风能、现代生物质能、地热能、海洋能以及核能、氢能等作为新能源。

随着技术的进步和可持续发展观念的树立，过去一直被视作垃圾的工业与生活有机废弃物被重新认识，作为一种能源资源化利用的物质而受到深入的研究和开发利用，因此，废弃物的资源化利用也可看作是新能源技术的一种形式。

新近才被人类开发利用、有待于进一步研究发展的能量资源称为新能源，相对于常规能源而言，在不同的历史时期和科技水平情况下，新能源有不同的内容。

当今社会，新能源通常指核能、太阳能、风能、地热能、氢气等。

按类别可分为：太阳能，风能，生物质能，核能，氢能，地热能，海洋能，小水电，化工能（如醚基燃料）等。

而我所要讲的是新能源中的一个小类：海洋能21世纪的新能源——海洋能【概念理解】海洋能(ocean energy)是海水运动过程中产生的可再生能，主要包括温差能、潮汐能、波浪能、潮流能、海流能、盐差能等。

潮汐能和潮流能源自月球、太阳和其他星球引力，其他海洋能均源自太阳辐射。

海水温差能是一种热能。

低纬度的海面水温较高，与深层水形成温度差，可产生热交换。

其能量与温差的大小和热交换水量成正比。

潮汐能、潮流能、海流能、波浪能都是机械能。

潮汐的能量与潮差大小和潮量成正比。

波浪的能量与波高的平方和波动水域面积成正比。

在河口水域还存在海水盐差能（又称海水化学能），入海径流的淡水与海洋盐水间有盐度差，若隔以半透膜,淡水向海水一侧渗透，可产生渗透压力，其能量与压力差和渗透能量成正比。

地球表面积约为5.1×10^8km^2，其中陆地表面积为 1.49×10^8km^2占29%；海洋面积达 3.61×10^8km^2，以海平面计，全部陆地的平均海拔约为840m，而海洋的平均深度却为380m，整个海水的容积多达1.37×10^9km^3。

一望无际的大海，不仅为人类提供航运、水源和丰富的矿藏，而且还蕴藏着巨大的能量，它将太阳能以及派生的风能等以热能、机械能等形式蓄在海水里，不像在陆地和空中那样容易散失【海洋能的特点】1.海洋能在海洋总水体中的蕴藏量巨大，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。

2、海洋能具有可再生性。

海洋能来源于太阳辐射能与天体间的万有引力，只要太阳、月球等天体与地球共存，这种能源就会再生，就会取之不尽，用之不竭。

3．海洋能有较稳定与不稳定能源之分。

较稳定的为温度差能、盐度差能和海流能。

不稳定能源分为变化有规律与变化无规律两种。

属于不稳定但变化有规律的有潮汐能与潮流能。

人们根据潮汐潮流变化规律，编制出各地逐日逐时的潮汐与潮流预报，预测未来各个时间的潮汐大小与潮流强弱。

潮汐电站与潮流电站可根据预报表安排发电运行。

既不稳定又无规律的是波浪能。

4．海洋能属于清洁能源，也就是海洋能一旦开发后，其本身对环境污染影响很小【主要能量形式】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，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。

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。

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。

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。

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。

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。

【发电方式】海洋热能发电有两种方式：第一种是将低沸点工质加热成蒸汽。

第二种是将温水直接送入真空室使之沸腾变成蒸汽。

蒸汽用来推动汽轮发电机发电，最后从600～1000米深处抽冷水使蒸汽冷凝。

第一种采取闭式循环。

第二种采取开式循环。

海水温差发电，1930年在法国首次试验成功，只是当时发出的电能不如耗去的电力多，因而未能付诸实施。

现在，许多国家都在进行海水温差发电研究。

实践证明，开式循环比闭式循环有更多的优点：①以温海水作工质，可避免氨或二氯二氟甲烷等有毒物质对海洋的污染；②开式循环系直接接触热交换器，价廉且效率高；③直接接触热交换器可采用塑料制造，在温海水中的抗腐蚀性高；④能产生副产品——蒸馏水。

开式循环也有缺点：产生的蒸汽密度低，汽轮机体积大；变成蒸汽的海水排回海洋后，会影响附近生物的生存环境。

【前景展望】全球海洋能的可再生量很大。

根据联合国教科文组织1981年出版物的估计数字，五种海洋能理论上可再生的总量为766亿千瓦。

其中温差能为400亿千瓦，盐差能为300亿千瓦，潮汐和波浪能各为30亿千瓦，海流能为6亿千瓦。

但如上所述是难以实现把上述全部能量取出，设想只能利用较强的海流、潮汐和波浪；利用大降雨量地域的盐度差，而温差利用则受热机卡诺效率的限制。

因此，估计技术上允许利用功率为64亿千瓦，其中盐差能30亿千瓦，温差能20亿千瓦，波浪能10亿千瓦，海流能3亿千瓦，潮汐能1亿千瓦（估计数字）。

海洋能的强度较常规能源为低。

海水温差小，海面与500～1000米深层水之间的较大温差仅为20℃左右；潮汐、波浪水位差小，较大潮差仅7—10米，较大波高仅3米；潮流、海流速度小，较大流速仅4～7节。

即使这样，在可再生能源中，海洋能仍具有可观的能流密度。

以波浪能为例，每米海岸线平均波功率在最丰富的海域是50千瓦，一般的有5～6千瓦；后者相当于太阳能流密度1千瓦/米2）。

又如潮流能，最高流速为3米/秒的舟山群岛潮流，在一个潮流周期的平均潮流功率达4.5千瓦/米2。

海洋能作为自然能源是随时变化着的。

但海洋是个庞大的蓄能库，将太阳能以及派生的风能等以热能、机械能等形式蓄在海水里，不象在陆地和空中那样容易散失。

海水温差、盐度差和海流都是较稳定的，24小时不间断，昼夜波动小，只稍有季节性的变化。

潮汐、潮流则作恒定的周期性变化，对大潮、小潮、涨潮、落潮、潮位、潮速、方向都可以准确预测。

海浪是海洋中最不稳定的，有季节性、周期性，而且相邻周期也是变化的。

但海浪是风浪和涌浪的总和，而涌浪源自辽阔海域持续时日的风能，不象当地太阳和风那样容易骤起骤止和受局部气象的影响。

海洋能的利用目前还很昂贵，以法国的朗斯潮汐电站为例，其单位千瓦装机投资合1500美元（1980年价格），高出常规火电站。

但在目前严重缺乏能源的沿海地区（包括岛屿），把海洋能作为一种补充能源加以利用还是可取的。

【我国的海洋能利用现状】发展过程我国海洋能开发已有近40年的历史，迄今建成的潮汐电站8座，80年代以来浙江、福建等地对若干个大中型潮汐电站，进行了考察、勘测和规化设计、可行性研究等大量的前期准备工作。

总之，我国的海洋发电技术已有较好的基础和丰富的经验，小型潮汐发电技术基本成熟，已具备开发中型潮汐电站的技术条件。

但是现有潮汐电站整体规模和单位容量还很小，单位千瓦造价高于常规水电站，水工建筑物的施工还比较落后，水轮发电机组尚未定型标准化。

这些均是我国潮汐能开发现存的问题。

其中关键问题是中型潮汐电站水轮发电机组技术问题没有完全解决，电站造价亟待降低。

我国波力发电技术研究始于70年代，80年代以来获得较快发展，航标灯浮用微型潮汐发电装置已趋商品化，现已生产数百台，在沿海海域航标和大型灯船上推广应用。

与日本合作研制的后弯管型浮标发电装置，已向国外出口，该技术属国际领先水平。

在珠江口大万山岛上研建的岸边固定式波力电站，第一台装机容量3kW的装置，1990年已试发电成功。