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今后的5-10年內(nèi)，潮汐能將得到更大規(guī)模的應(yīng)用，波浪能和海流能將逐步產(chǎn)業(yè)化。作為戰(zhàn)略能源資源的溫差能將在2020年左右，在海洋開發(fā)中發(fā)揮重要作用。結(jié)合中國的具體情況，建議近期重點(diǎn)研究潮汐發(fā)電機(jī)組技術(shù)、百千瓦級(jí)波浪和海流示范裝置以及溫差能綜合利用試驗(yàn)裝置。 海洋能源的種類與資源 海洋能源通常指海洋中所蘊(yùn)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(fēng)能、海洋表面的太陽能以及海洋生物質(zhì)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(chǔ)存形式又可分為機(jī)械能、熱能和化學(xué)能。其中，潮汐能、海流和波浪為機(jī)械能，海水溫差為熱能，海水鹽差為化學(xué)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(fā)電相似。潮汐能的能量與潮量和潮差成正比�；蛘哒f，與潮差的平方和水庫的面積成正比。和水力發(fā)電相比，潮汐能的能量密度很低，相當(dāng)于微水頭發(fā)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(shí)際應(yīng)用價(jià)值。 全世界潮汐能的理論估算值為109kW量級(jí)，我國的潮汐能理論估算值雖為108kW量級(jí)，但實(shí)際可利用數(shù)遠(yuǎn)小于此數(shù)。根據(jù)中國海洋能資源區(qū)劃結(jié)果，沿海潮汐能可開發(fā)的潮汐電站壩址為424個(gè)，總裝機(jī)容量約為2.2Xl07kW。浙江和福建沿海為潮汐能較豐富地區(qū)。 波浪能 波浪能是指海洋表面波浪所具有的動(dòng)能和勢能。波浪的能量與波高的平方、波浪的運(yùn)動(dòng)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(wěn)定的一種能源。臺(tái)風(fēng)導(dǎo)致的巨浪，其功率密度可達(dá)每米迎波面數(shù)千kW，而波浪能豐富的歐洲北海地區(qū)，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(jí)。利用中國沿海海洋觀測臺(tái)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(tái)站的觀測地點(diǎn)處于內(nèi)灣或風(fēng)浪較小位置，故實(shí)際的沿海波浪功率要大于此值。其中浙江、福建、廣東和臺(tái)灣沿海為波能豐富的地區(qū)。 海流能 海流能是指海水流動(dòng)的動(dòng)能，主要是指海底水道和海峽中較為穩(wěn)定的流動(dòng)以及由于潮汐導(dǎo)致的有規(guī)律的海水流動(dòng)。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(wěn)且有規(guī)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(shí)際開發(fā)的價(jià)值。 全世界海流能的理論估算值約為IQ8kW量級(jí)。利用中國沿海130個(gè)水道、航門的各種觀測及分析資料，計(jì)算統(tǒng)計(jì)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(tái)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(fā)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(qū)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(fā)環(huán)境和條件很好。 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(zhuǎn)化成為熱水并儲(chǔ)存在海洋的上層。另一方面，接近冰點(diǎn)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(shí)現(xiàn)熱力循環(huán)并發(fā)電。 全世界海洋溫差能的理論估算值為10“kW量級(jí)。根據(jù)中國海洋水溫測量資料計(jì)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(qū)域。 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(xué)電位差能。主要存在于河海交接處。同時(shí)，淡水豐富地區(qū)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(xué)電位差有相當(dāng)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(shí)現(xiàn)。利用這一水位差就可以直接由水輪發(fā)電機(jī)發(fā)電。全世界海洋鹽差能的理論估算值為10kW量級(jí)，我國的鹽差能估計(jì)為1．1XI08kW，主要集中在各大江河的出海處。同時(shí)，我國青海省等地還有不少內(nèi)陸鹽湖可以利用。 海洋能利用的基本原理 海洋能是各種可再生能源中類型最多的一種，其基本轉(zhuǎn)換原理所涉及的學(xué)科較多，包括流體力學(xué)與流體機(jī)械，工程熱物理和電化學(xué)等。本節(jié)將分別介紹各種海洋能轉(zhuǎn)換的基本原理及研究的關(guān)鍵技術(shù)問題。 潮汐發(fā)電的原理與技術(shù) 潮汐能利用的主要方式是發(fā)電。通過貯水庫，在漲潮時(shí)將海水貯存在貯水庫內(nèi)，以勢能的形式保存，然后，在落潮時(shí)放出海水，利用高、低潮位之間的落差，推動(dòng)水輪機(jī)旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)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(fā)電時(shí)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(shí)，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(fā)電機(jī)組和電站系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要考慮變工況、低水頭、大流量以及防海水腐蝕等因素，遠(yuǎn)比常規(guī)的水電站復(fù)雜，效率也低于常規(guī)水電站。
單庫單向型 單庫單向型是在漲潮時(shí)將貯水庫閘門打開，向水庫充水，平潮時(shí)關(guān)閘；落潮后，待貯水庫與外海有一定水位差時(shí)開閘，驅(qū)動(dòng)水輪發(fā)電機(jī)組發(fā)電。單庫單向發(fā)電方式的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單，投資少；缺點(diǎn)是發(fā)電斷續(xù)，1天中約有65％以上的時(shí)間處于貯水和停機(jī)狀態(tài)。 單庫雙向型 單庫雙向型有兩種設(shè)計(jì)方案。第一種方案利用兩套單向閥門控制兩條向水輪機(jī)引水的管道。在漲潮和落潮時(shí)，海水分別從各自的引水管道進(jìn)入水輪機(jī)，使水輪機(jī)單向旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)。第二種方案是采用雙向水輪機(jī)組。 雙庫單向型 這個(gè)方案采用兩個(gè)水力相聯(lián)的水庫，可實(shí)現(xiàn)潮汐能連續(xù)發(fā)電。漲潮時(shí)，向高貯水庫充水；落潮時(shí)，由低貯水庫排水，利用兩水庫間的水位差，使水輪發(fā)電機(jī)組連續(xù)單向旋轉(zhuǎn)發(fā)電；其缺點(diǎn)是要建兩個(gè)水庫，投資大且工作水頭降低。 潮汐發(fā)電的關(guān)鍵技術(shù)主要包括低水頭、大流量、變工況水輪機(jī)組設(shè)計(jì)制造；電站的運(yùn)行控制；電站與海洋環(huán)境的相互作用，包括電站對環(huán)境的影響和海洋環(huán)境對電站的影響，特別是泥沙沖淤問題；電站的系統(tǒng)優(yōu)化，協(xié)調(diào)發(fā)電量、間斷發(fā)電以及設(shè)備造價(jià)和可靠性等之間的關(guān)系；電站設(shè)備在海水中的防腐等。 波浪能轉(zhuǎn)換的原理與技術(shù) 波浪發(fā)電是波浪能利用的主要方式，此外，波浪能還可以用于抽水、供熱、海水淡化以及制氫等。波浪能利用裝置的種類繁多，有關(guān)波能裝置的發(fā)明專利超過千項(xiàng)。因此，波能利用又被稱為發(fā)明家的樂園。但這些裝置大部源于幾種基本原理，即：利用物體在波浪作用下的振蕩和搖擺運(yùn)動(dòng)；利用波浪壓力的變化；利用波浪的沿岸爬升將波浪能轉(zhuǎn)換成水的勢能等。經(jīng)過70年代對多種波能裝置進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)室研究和80年代進(jìn)行的實(shí)海況試驗(yàn)及應(yīng)用示范研究，波浪發(fā)電技術(shù)已逐步接近實(shí)用化水平，研究的重點(diǎn)也集中于3種被認(rèn)為是有商品化價(jià)值的裝置，包括振蕩水柱式裝置、擺式裝置和聚波水庫式裝置。
振蕩水柱波能裝置 振蕩水柱波能裝置可分為漂浮式和固定式兩種。目前已建成的振蕩水柱波能裝置都利用空氣作為轉(zhuǎn)換的介質(zhì)。其一級(jí)能量轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)為氣室，二級(jí)能量轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)為空氣透平。氣室的下部開口在水下與海水連通，氣室的上部也開口（噴嘴），與大氣連通。在波浪力的作用下，氣室下部的水柱在氣室內(nèi)作強(qiáng)迫振動(dòng)，壓縮氣室的空氣往復(fù)通過噴嘴，將波浪能轉(zhuǎn)換成空氣的壓能和動(dòng)能。在噴嘴安裝一個(gè)空氣透平并將透平轉(zhuǎn)軸與發(fā)電機(jī)相連，則可利用壓縮氣流驅(qū)動(dòng)透平旋轉(zhuǎn)并帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。振蕩水柱波能裝置的優(yōu)點(diǎn)是轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)不與海水接觸，防腐性能好，安全可靠，維護(hù)方便。其缺點(diǎn)是二級(jí)能量轉(zhuǎn)換效率較低。 擺式波能裝置 擺式波能裝置也可分為漂浮式和固定式兩種。擺體是擺式裝置的一級(jí)能量轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)。在波浪的作用下，擺體作前后或上下擺動(dòng)，將波浪能轉(zhuǎn)換成擺軸的動(dòng)能。與擺軸相聯(lián)的通常是液壓裝置，它將擺的動(dòng)能轉(zhuǎn)換成液力泵的動(dòng)能，再帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。擺體的運(yùn)動(dòng)很適合波浪大推力和低頻的特性。因此，擺式裝置的轉(zhuǎn)換效率較高，但機(jī)械和液壓機(jī)構(gòu)的維護(hù)較為困難。擺式裝置的另一優(yōu)點(diǎn)是可以方便地與相位控制技術(shù)相結(jié)合。相位控制技術(shù)可以使波能裝置吸收到裝置迎波寬度以外的波浪能，從而大大提高裝置的效率。 聚波水庫波能裝置 聚波水庫裝置利用喇叭型的收縮波道，作為一級(jí)能量轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)。波道與海連通的一面開口寬，然后逐漸收縮通至貯水庫。波浪在逐漸變窄的波道中，波高不斷地被放大，直至波峰溢過邊墻，將波浪能轉(zhuǎn)換成勢能貯存在貯水庫中。收縮波道具有聚波器和轉(zhuǎn)能器的雙重作用。水庫與外海間的水頭落差可達(dá)3一8m，利用水輪發(fā)電機(jī)組可以發(fā)電。聚波水庫裝置的優(yōu)點(diǎn)是一級(jí)轉(zhuǎn)換沒有活動(dòng)部件，可靠性好，維護(hù)費(fèi)用低，系統(tǒng)出力穩(wěn)定。不足之處是電站建造對地形有要求，不易推廣。 波浪能利用中的關(guān)鍵技術(shù)主要包括：波浪的聚集與相位控制技術(shù)；波能裝置的波浪載荷及在海洋環(huán)境中的生存技術(shù)；波能裝置建造與施工中的海洋工程技術(shù)；不規(guī)則波浪中的波能裝置的設(shè)計(jì)與運(yùn)行優(yōu)化；往復(fù)流動(dòng)中的透平研究等。 海洋溫羌能的轉(zhuǎn)換原理與撿求 除了發(fā)電之外，海洋溫差能利用裝置還可以同時(shí)獲得淡水、深層海水、進(jìn)行空調(diào)并可以與深海采礦系統(tǒng)中的揚(yáng)礦系統(tǒng)相結(jié)合。因此，基于溫差能裝置可以建立海上獨(dú)立生存空間并作為海上發(fā)電廠、海水淡化廠或海洋采礦、海上城市或海洋牧場的支持系統(tǒng)�？傊�，溫差能的開發(fā)應(yīng)以綜合利用為主。 海洋溫差能轉(zhuǎn)換主要有開式循環(huán)和閉式循環(huán)兩種方式。 開式循環(huán)發(fā)電系統(tǒng) 開式循環(huán)系統(tǒng)主要包括真空泵、溫水泵、冷水泵、閃蒸器、冷凝器、透平一發(fā)電機(jī)組等部分。真空泵先將系統(tǒng)內(nèi)抽到一定的真空，接著起動(dòng)溫水泵把表層的溫水抽入閃蒸器，由于系統(tǒng)內(nèi)已保持有一定的真空度，所以溫海水就在閃蒸器內(nèi)沸騰蒸發(fā)，變?yōu)檎羝Ｕ羝?jīng)管道由噴嘴噴出推動(dòng)透平運(yùn)轉(zhuǎn)，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。從透平排出的低壓蒸汽進(jìn)入冷凝器，被由冷水泵從深層海水中抽上的冷海水所冷卻，重新凝結(jié)為水，并排入海中。在此系統(tǒng)中，作為工作介質(zhì)的海水，由泵吸入閃蒸器蒸發(fā)）推動(dòng)透平作功一經(jīng)冷凝器冷凝后直排人海中，故稱此工作方式的系統(tǒng)為開式循環(huán)系統(tǒng)。在開式循環(huán)系統(tǒng)中，用海水作工作流體和介質(zhì)，閃蒸器和冷凝器之間的壓差非常小。因此，必須充分注意管道等的壓力損耗、且使用的透平尺寸較大。開式循環(huán)的副產(chǎn)品是經(jīng)冷凝器排出的淡水，這是它的有利之處。 閉式循環(huán)發(fā)電系統(tǒng) 閉式循環(huán)系統(tǒng)不以海水而采用一些低涕點(diǎn)的物質(zhì)（如丙烷、氟利昂、氨等）作為工作介質(zhì)，在閉合回路內(nèi)反復(fù)進(jìn)行蒸發(fā)、膨脹、冷凝。因?yàn)橄到y(tǒng)使用低沸點(diǎn)的工作介質(zhì)，蒸汽的工作壓力得到提高。 閉式循環(huán)與開式循環(huán)的系統(tǒng)組件及工作方式均有所不同，開式系統(tǒng)中的閃蒸器改為蒸發(fā)器。當(dāng)溫水泵將表層海水抽上送往蒸發(fā)器時(shí)，海水自身并不蒸發(fā)；而是通過蒸發(fā)器內(nèi)的盤管把部分熱量傳遞給低沸點(diǎn)的工作流體，如氨水。溫水的溫度降低，氨水的溫度升育并開始沸騰變?yōu)榘睔�。氨氣�?jīng)過透平的葉片通道，膨脹作功，推動(dòng)零平旋轉(zhuǎn)。透平排出的氨氣進(jìn)入冷凝器、在冷凝器內(nèi)由冷水泵抽上的深層冷海水冷卻后重新變?yōu)橐簯B(tài)氨，再用氨泵（工質(zhì)泵）把冷凝器中的液態(tài)氨重新壓進(jìn)蒸發(fā)器，以供循環(huán)使用。 閉式循環(huán)系統(tǒng)由于使用低沸點(diǎn)工質(zhì)，可以大大減小裝置，特別是透平機(jī)組的尺寸。但使用低沸點(diǎn)工質(zhì)會(huì)對環(huán)境產(chǎn)生污染。 溫差能利用的最大困難是溫差大小，能量密度太低。溫差能轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵是強(qiáng)化傳熱傳質(zhì)技術(shù)。同時(shí)，溫差能系統(tǒng)的綜合利用，還是一個(gè)多學(xué)科交叉的系統(tǒng)工程問題。 海流能利用的關(guān)鍵技術(shù) 海流能的利用方式主要是發(fā)電，其原理和風(fēng)力發(fā)電相似，幾乎任何一個(gè)風(fēng)力發(fā)電裝置都可以改造成為海流發(fā)電裝置。但由于海水的密度約為空氣的1000倍，且裝置必須放于水下。故海流發(fā)電存在一系列的關(guān)鍵技術(shù)問題，包括安裝維護(hù)、電力輸送、防腐、海洋環(huán)境中的載荷與安全性能等。此外，海流發(fā)電裝置和風(fēng)力發(fā)電裝置的固定形式和透平設(shè)計(jì)也有很大的不同。海流裝置可以安裝固定于海底，也可以安裝于浮體的底部，而浮體通過錨鏈固定于海上。海流中的透平設(shè)計(jì)也是一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。
鹽差能的利用主要是發(fā)電。其基本方式是將不同鹽濃度的海水之間的化學(xué)電位差能轉(zhuǎn)換成水的勢能，再利用水輪機(jī)發(fā)電，具體主要有滲透壓式、蒸汽壓式和機(jī)協(xié)化學(xué)式等，其中滲透壓式方案最受重視： 將一層半透膜放在不同鹽度的兩種海水之間，通過這個(gè)膜會(huì)產(chǎn)生一個(gè)壓力梯度，迫使水從鹽度低的一側(cè)通過膜向鹽度高的一側(cè)滲透，從而稀釋高鹽度的水，直到膜兩側(cè)水的鹽度相等為止。此壓力稱為滲透壓，它與海水的鹽濃度及溫度有關(guān)。下面介紹兩種滲透壓式鹽差能轉(zhuǎn)換方法。 水壓塔滲透壓系統(tǒng) 壓塔滲透壓系統(tǒng)主要由水壓塔、半透膜、海水泵、水輪機(jī)一發(fā)電機(jī)組等組成。其中水壓塔與淡水問由半透膜隔開，而塔與海水之間通過水泵連通）系統(tǒng)的工作過程如下：先由海水泵向水壓塔內(nèi)充入海水。伺時(shí)，由于滲透壓的作用，淡水從半透膜向水壓垮內(nèi)滲透，使水壓塔內(nèi)水位上升。當(dāng)塔內(nèi)水位上升到一定高度后，便從塔頂?shù)乃垡绯觯瑳_擊水輪機(jī)旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。為了使水壓塔內(nèi)的海水保持一定的鹽度、必須用海水泵不斷向塔內(nèi)打入海水，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)連續(xù)工作，扣除海水泵等的動(dòng)力消耗，系統(tǒng)的總效率約為20％左右。 強(qiáng)力滲壓系統(tǒng) 強(qiáng)力系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換方法是在河水與海水之間建兩座水壩分別稱為前壩和后壩，并在兩水壩之間挖一低于海平面約200m的水庫。前壩內(nèi)安裝水輪發(fā)電機(jī)組，使河水與低水庫相連，而后壩底部則安裝半透膜滲流器，使低水庫與海水相通。系統(tǒng)的工作過程為：當(dāng)河水通過水輪機(jī)流入低水庫時(shí)，沖擊水輪機(jī)旋轉(zhuǎn)并帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。同時(shí)，低水庫的水通過半透膜流入海中，以保持低水庫與河水之間的水位差。理論上這一水位差可以達(dá)到240m。但實(shí)際上要在比此壓差小很多時(shí)，才能使淡水順利通過透水而不透鹽的半透膜直接排人海中。此外，薄膜必須用大量海水不斷地沖洗才能將滲透過薄膜的淡水帶走，以保持膜在海水側(cè)的水的鹽度，使發(fā)電過程可以連續(xù)。 滲透壓式鹽差能發(fā)電系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)是膜技術(shù)和膜與海水介面間的流體交換技術(shù)。 |
