海洋能源利用技術進展與展望

　　本文介紹了海洋能源中潮汐能、波浪能、溫差能、海流能和鹽差能的資源、轉換原理和技術研究進展。重 點介紹了近20年來世界各國開發研究的各種海洋能源轉換設備和裝置，通過對海洋能關鍵技術及其進展的 分析，對海洋能利用的現狀進行了評估。根據技術及商業可行性、資源可持續發展和環境保護等要素，預測在 今后的5-10年內，潮汐能將得到更大規模的應用，波浪能和海流能將逐步產業化。作為戰略能源資源的溫 差能將在2020年左右，在海洋開發中發揮重要作用。結合中國的具體情況，建議近期重點研究潮汐發電機組 技術、百千瓦級波浪和海流示范裝置以及溫差能綜合利用試驗裝置。

　　1 海洋能源的種類與資源

　　海洋能源通常指海洋中所蘊藏的可再生的自然能源，主要為潮汐能、波浪能、海流能（潮流能）、海水溫差 能和海水鹽差能。更廣義的海洋能源還包括海洋上空的風能、海洋表面的太陽能以及海洋生物質能等。究其 成因，潮汐能和潮流能來源于太陽和月亮對地球的引力變化，其他均源于太陽輻射。

　　海洋能源按儲存形式又可分為機械能、熱能和化學能。其中，潮汐能、海流和波浪為機械能，海水溫差為 熱能，海水鹽差為化學能。

　　1．1潮汐能

　　潮汐能是指海水潮漲和潮落形成的水的勢能，其利用原理和水力發電相似。潮汐能的能量與潮量和潮差 成正比。或者說，與潮差的平方和水庫的面積成正比。和水力發電相比，潮汐能的能量密度很低，相當于微水 頭發電的水平。世界上潮差的較大值約為13一15m，我國的最大值（杭州灣澈浦）為8.9m。一般說來，平均潮 差在3m以上就有實際應用價值。

　　全世界潮汐能的理論估算值為109kW量級，我國的潮汐能理論估算值雖為108kW量級，但實際可利用 數遠小于此數。根據中國海洋能資源區劃結果，沿海潮汐能可開發的潮汐電站壩址為424個，總裝機容量約 為2.2Xl07kW。浙江和福建沿海為潮汐能較豐富地區。

　　1．2波浪能

　　波浪能是指海洋表面波浪所具有的動能和勢能。波浪的能量與波高的平方、波浪的運動周期以及迎波面 的寬度成正比。波浪能是海洋能源中能量最不穩定的一種能源。臺風導致的巨浪，其功率密度可達每米迎波 面數千kW，而波浪能豐富的歐洲北海地區，其年平均波浪功率也僅為20-40kW／m中國海岸大部分的年平 均波浪功率密度為2-7kW／m。

　　全世界波浪能的理論估算值也為109kW量級。利用中國沿海海洋觀測臺站資料估算得到，中國沿海理 論波浪年平均功率約為1．3X107kW。但由于不少海洋臺站的觀測地點處于內灣或風浪較小位置，故實際的 沿海波浪功率要大于此值。其中浙江、福建、廣東和臺灣沿海為波能豐富的地區。

　　1．3海流能

　　海流能是指海水流動的動能，主要是指海底水道和海峽中較為穩定的流動以及由于潮汐導致的有規律 的海水流動。海流能的能量與流速的平方和流量成正比。相對波浪而言，海流能的變化要平穩且有規律得多。 潮流能隨潮汐的漲落每天2次改變大小和方向。一般來說，最大流速在2m／s以上的水道，其海流能均有實 際開發的價值。

　　全世界海流能的理論估算值約為IQ8kW量級。利用中國沿海130個水道、航門的各種觀測及分析資料， 計算統計獲得中國沿海海流能的年平均功率理論值約為1.4X107kW。其中遼寧、山東、浙江、福建和臺灣沿 海的海流能較為豐富，不少水道的能量密度為15一30kW／m2，具有良好的開發值。值得指出的是，中國的海 流能屬于世界上功率密度最大的地區之一，特別是浙江的舟山群島的金塘、龜山和西候門水道，平均功率密 度在20kW／m2以上，開發環境和條件很好。

　　1．4溫差能

　　溫差能是指海洋表層海水和深層海水之間水溫之差的熱能。海洋的表面把太陽的輻射能的大部分轉化 成為熱水并儲存在海洋的上層。另一方面，接近冰點的海水大面積地在不到1000m的深度從極地緩慢地流 向赤道。這樣，就在許多熱帶或亞熱帶海域終年形成20C以上的垂直海水溫差。利用這一溫差可以實現熱力 循環并發電。

　　全世界海洋溫差能的理論估算值為10“kW量級。根據中國海洋水溫測量資料計算得到的中國海域的 溫差能約為1． 5X108kW，其中99％在甫中國海。南海的表層水溫年均在26℃以上，深層水溫（800m深處）常 年保持在5℃，溫差為2＝℃，屬于溫差能豐富區域。

　　1．5鹽差能

　　鹽差能是指海水和淡水之間或兩種含鹽濃度不同的海水之間的化學電位差能。主要存在于河海交接處。 同時，淡水豐富地區的鹽湖和地下鹽礦也可以利用鹽差能。鹽差能是海洋能中能量密度最大的一種可再生能 源。通常，海水（3.5%鹽度）和河水之間的化學電位差有相當于240m水頭差的能量密度，這種位差可以利用 半滲透膜（水能通過，鹽不能通過）在鹽水和淡水交接處實現。利用這一水位差就可以直接由水輪發電機發電。全世界海洋鹽差能的理論估算值為10kW量級，我國的鹽差能估計為1．1XI08kW，主要集中在各大 江河的出海處。同時，我國青海省等地還有不少內陸鹽湖可以利用。

　　2 海洋能利用的基本原理與關鍵技術

　　海洋能是各種可再生能源中類型最多的一種，其基本轉換原理所涉及的學科較多，包括流體力學與流體 機械，工程熱物理和電化學等。本節將分別介紹各種海洋能轉換的基本原理及研究的關鍵技術問題。

　　2．1潮汐發電的原理與技術

　　潮汐能利用的主要方式是發電。通過貯水庫，在漲潮時將海水貯存在貯水庫內，以勢能的形式保存，然 后，在落潮時放出海水，利用高、低潮位之間的落差，推動水輪機旋轉，帶動發電機發電。潮汐電站的功率和落 差及水的流量成正比。但由于潮汐電站在發電時貯水庫的水位和海洋的水位都是變化的（海水由貯水庫流 出，水位下降，同時，海洋水位也因潮汐的作用而變化），因此，潮汐電站是在變工況下工作的，水輪發電機組 和電站系統的設計要考慮變工況、低水頭、大流量以及防海水腐蝕等因素，遠比常規的水電站復雜，效率也低 于常規水電站。

　　潮汐電站按照運行方式和對設備要求的不同，可以分成單庫單向型、單庫雙向型和雙庫單向型三種。

　　2．1．1單庫單向型

　　單庫單向型是在漲潮時將貯水庫閘門打開，向水庫充水，平潮時關閘；落潮后，待貯水庫與外海有一定水 位差時開閘，驅動水輪發電機組發電。單庫單向發電方式的優點是設備結構簡單，投資少；缺點是發電斷續， 1天中約有65％以上的時間處于貯水和停機狀態。
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