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海洋能

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辽阔浩瀚的海洋,不仅使人心旷神怡,而且使人迷恋和陶醉。然而,大海最诱人的地方,还在于它蕴藏着极为丰富的自然资源和巨大的可再生能源。那波涛汹涌的海浪;一涨一落的潮汐;循环不息的海流;不同深度的水温;河海水交汇处的盐度差……,都具有可以利用的巨大能量。另外,从占地球表面积约70%的海水中,还可以取得丰富的热核燃料和氢。

海洋能主要来源于太阳能。它的分布地域广阔,能量比较稳定,而且变化有一定规律,可以准确预测。例如,海水温差和海流随季节而变化,而潮汐的变化则具有一定的周期性。

目前,世界各国有关海洋能源的研究和利用还处于初始阶段,因而海洋能属于有待开发利用的新能源。其中,对于潮汐能的开发技术比较成熟,已进入技术经济评价和工程规划阶段;波浪能的利用处于试验研究阶段;海洋热能的利用正在进行工程性研究;海流和盐度差能的利用,仅处于原理研究阶段。

我国海洋能资源非常丰富,而且开发利用的前景十分广阔。全国大陆海岸线长达一万八千多公里,还有五千多个岛屿,其海岸线长约一万四千多公里,整个海域达490万平方公里。如果将我国的海洋能资源转换为有用的动力值,至少可达1.5亿千瓦,相当于目前我国电力总装机容量的两倍多。在海洋能的开发利用方面,当前我国还仅仅处于起步阶段,一些沿海地区先后研制成了各种试验性的发电装置,并建成了试验性的潮汐电站,为今后进一步开发利用海洋能源打下了初步的基础。

全世界海洋能的总储量,约为全球每年耗能量的几百倍甚至几千倍。这种海洋能是取之不尽、用之不竭的新能源。在不远的将来,海洋能在造福于人类方面,将发挥巨大而重要的作用。

海洋潮汐发电

你听说过吗?大海也会进行呼吸。

那一望无际、水天相连的海面上,万顷波涛汹涌,巨浪此起彼伏。奔腾不息的海水,时而拍打海岸,激起雪白的浪花;时而又远离海岸,露出大片的海滩。海水这种按一定时间作有规律的涨落活动,就好像海洋在有节奏地进行“呼吸”,这就是人们常说的潮汐现象。

海洋的潮汐,是由于月亮、太阳对地球上海水的吸引力和地球的自转而引起海水周期性、有节奏的垂直涨落现象。通常,将海水白天涨落叫“潮”,晚上涨落叫“汐”,合称为“潮汐”。由于月亮离地球较近,它对海水的吸引力约为太阳的2.7倍,因此月亮对海水的吸引力是产生潮汐的主要原因。潮汐天天发生,循环不已,永不停息。

海洋的潮汐中蕴藏着巨大的能量。在涨潮的过程中,汹涌而来的海水具有很大的动能,随着海水水位的升高,就把大量海水的动能转化为势能;在落潮过程中,海水又奔腾而去,水位逐渐降低,大量的势能又转化为动能。海水在涨落潮运动中所蕴含的大量动能和势能,称为潮汐能。

相邻高潮潮位与低潮潮位的高度差,称为潮位差或潮差。通常,海洋中的潮差比较小,一般仅有几十厘米,多的也只有一米左右。而喇叭状海岸或河口的地区,潮差就比较大。例如,加拿大的芬地湾、法国的塞纳河口、我国的钱塘江口、英国的泰晤士河口、巴西的亚马逊河口、印度和孟加拉国的恒河口等,都是世界上潮差较大的地区。其中,芬地湾的最高潮差达18米,是世界上潮差最大的地方。

海水潮汐能的大小随潮差而变,潮差越大,潮汐能也越大。潮汐的能量是非常巨大的,据初步计算,全世界海洋储藏的潮汐能约有27亿千瓦,每年的发电量可达33,480万亿度。所以,人们把潮汐能称为“蓝色的煤海”。

随着科学技术的发展,人们已不满足于利用潮汐的力量来推动水车和水磨了,而是要用潮汐能来发电。目前,世界上法国、英国、美国、加拿大、独联体和阿根廷等许多国家都建造了潮汐发电站,其中以法国的朗斯潮汐电站最大,它的总装机容量为24万千瓦。

潮汐发电的原理与一般的水力发电相似,是在海湾或有潮汐的河口上建筑一座拦水堤坝,将入海河口和海湾隔开,建造一个天然水库,并在堤坝中或堤旁安装水轮发电机组,利用潮汐涨落时海水水位的升降,使海水通过水轮机推动水轮发电机组发电。

总的来看,潮汐发电具有如下优点:

(1)潮汐发电的水库都是利用河口或海湾建成的,不占用耕地,也不像河川水电站或火电站那样要淹没或占用大面积土地。

(2)潮汐发电站不像河川水电站那样受洪水和枯水的影响,也不像火电站那样污染环境,是一种不受气候条件影响的、干净的发电站。

(3)潮汐电站的堤坝较低,容易建造,投资也较少。

海浪发电

如果说潮汐象征着海洋在不停地进就行“呼吸”,那么海浪就是海洋不断跳动着的脉搏。大海从来是不平静的,无风时它微波荡漾,有风时则巨浪翻滚。那奔腾咆哮的海浪猛烈地拍击着海边的岩石,发出雷鸣般的轰响声,激溅起高高的浪花。这是海浪在显示它那无穷的力量。

海浪的高度一般不超过20米,可是它冲击海岸时却能激起六、七十米高的浪花。这浪花曾将斯里兰卡海岸上一个六米高处的灯塔击碎;拍打海岸的激浪曾把法国契波格海港三吨半的重物抛过60米的高墙;在苏格兰,巨大的海浪把1350吨的庞然大物移动了10米;在荷兰的阿姆斯特丹,一个20吨重的海中混凝土块被海浪举起七米多高,又抛到距海面1.5米的防波堤上;1952年,一艘美国轮船在意大利西部海面上被浪头劈成两半,一半抛上了海岸,另一半冲到很远的海洋里。

由此可见,海浪蕴藏着巨大的能量。据测试,海浪对海岸的冲击力每平方米达20~30吨,最大甚至可达60吨。因此,人们早在几十年前就开始研究海浪能的利用,以便使它更好地为人类服务。

我国的黄海、东海的年平均波高1.5米,南海的平均波高一米,年平均波周期为六秒,据此可以估算出,我国沿海的海浪能约为每米20~40千瓦,总能量达1.7亿千瓦。全世界所具有的海浪能高达25亿千瓦,与潮汐能相近。

1964年,日本研制成了世界上第一个海浪发电装置——航标灯。虽然这台发电机发电的能力仅有60瓦,只够一盏灯使用,然而它却开创了人类利用海浪发电的新纪元。

利用海浪发电,既不消耗任何燃料和资源,又不产生任何污染,因而是一种干净的发电技术。这种不占用任何土地,只要有海浪就能发电的方法,特别适合于那些无法架设电线的海岛使用。

70年代末期,日本研制成了一种大型海浪能发电船,并进行了海上试验。它能发出100~150千瓦的电能,而且具有远离海岸的电力传输装置。这艘发电船通常停泊在离岸三千米的海上,船长80米,宽12米,总重500吨,停泊海域的水深42米,在船的内室里,安装了几台海浪发电装置。

英国90年代初期在苏格兰建成了一座发电能力为75千瓦的海浪发电站。英国是继挪威、日本之后利用海浪发电的第三个国家。英国的爱丁堡大学正在研制五万千瓦的海浪发电装置,而且还将在海岸以外的海面上建造海浪能发电站。挪威的科学家大胆提出用人力制造大的波浪来进行发电;这将使海浪发电的研究试验工作进入一个新阶段。

目前,世界上已有几百台海浪发电装置投入运行,但它们的发电功率都比较小,需要进一步改进完善。海浪能是人们从海洋中可以获得的重要能源,也是一种急待开发利用的现代新型能源。

海水盐差发电

海水里面由于溶解了不少矿物盐而有一种苦咸味,这给在海上生活的人用水带来一定困难,所以人们要将海水淡化,制取生活用水。然而,这种苦咸的海水大有用处,可用来发电,是一种能量巨大的海洋资源。

在大江大河的入海口,即江河水与海水相交融的地方,江河水是淡水,海水是咸水,淡水和咸水就会自发地扩散、混合,直到两者含盐浓度相等为止。在混合过程中,还将放出相当多的能量。这就是说,海水和淡水混合时,含盐浓度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,不过渗透压力小。这种渗透压力差所产生的能量,称为海水盐浓度差能,或者叫做海水盐差能。

海水盐差能是由于太阳辐射热使海水蒸发后浓度增加而产生的。被蒸发出来的大量水蒸汽在水循环过程中,又变成云和雨,重新回到海洋,同时放出能量。

由于海水盐差能的蕴藏量十分巨大,世界上许多国家如美国、日本、瑞典等,都在积极开展这方面的研究和开发利用工作。我国也很重视海水盐差能的开发利用,据估计,我国在河口地区的盐差能约有1.6亿千瓦。

海流能

顾名思义,海流就是海洋中的河流。浩瀚的海洋中除了有潮水的涨落和波浪的上下起伏之外,有一部分海水经常是朝着一定方向流动的。它犹如人体中流动着的血液,又好比是陆地上奔腾着的大河小溪,在海洋中常年默默奔流着。海流和陆地上的河流一样,也有一定的长度、宽度、深度和流速。一般情况下,海流长达几千公里,比长江、黄河还要长;而其宽度却比一般河流要大得多,可以是长江宽度的几十倍甚至上百倍;海流的速度通常为每小时1~2海里,有些可达到4~5海里。海流的速度一般在海洋表面比较大,而随着深度的增加则很快减小。

风力的大小和海水密度不同是产生海流的主要原因。由定向风持续地吹拂海面所引起的海流称为风海流;而由于海水密度不同所产生的海流称为密度流。归根结底,这两种海流的能量都来源于太阳的辐射能。海流和河流一样,也蕴藏着巨大的动能,它在流动中有很大的冲击力和潜能,因而也可以用来发电。据估计,世界大洋中所有海流的总功率达50亿千瓦左右,是海洋能中蕴藏量最大的一种。

我国海域辽阔,既有风海流,又有密度流;有沿岸海流,也有深海海流。这些海流的流速多在每小时0.5海里,流量变化不大,而且流向比较稳定。若以平均流量每秒100立方米计算,我国近海和沿岸海流的能量就可达到一亿千瓦以上,其中以台湾海峡和南海的海流能量最为丰富,它们将为发展我国沿海地区工业提供充足而廉价的电力。

利用海流发电比陆地上的河流优越得多,它既不受洪水的威胁,又不受枯水季节的影响,几乎以常年不变的水量和一定的流速流动,完全可成为人类可靠的能源

海流发电是依靠海流的冲击力使水轮机旋转,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。例如,一种叫“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。整个电站迎着海流的方向漂浮在海面上,就像献给客人的花环一样。这种发电站之所以用一串螺旋桨组成,主要是因为海流的流速小,单位体积内所具有能量小的缘故。它的发电能力通常是比较小的,一般只能为灯塔和灯船提供电力,至多不过为潜水艇上的蓄电池充电而已。

美国曾设计过一种驳船式海流发电站,其发电能力比花环式发电站要大得多。这种发电站实际上就是一艘船,因此叫发电船似乎更合适些。在船舷两侧装着巨大的水轮,它们在海流推动下不断地转动,进而带动发电机发电。所发出的电力通过海底电缆送到岸上。这种驳船式发电站的发电能力约为五万千瓦,而且由于发电站是建在船上,所以当有狂风巨浪袭击时,它可以驶到附近港口躲避,以保证发电设备的安全。

70年代末期,国外研制了一种设计新颖的伞式海流发电站,这种电站也是建在船上的。它是将50个降落伞串在一根很长的绳子上来聚集海流能量的,绳子的两端相连,形成一个环形。然后,将绳子套在锚泊于海流的船尾的两个轮子上。置于海流中的降落伞由强大海流推动着,而处于逆流的伞就像大风把伞吸胀撑开一样,顺着海流方向运动。于是拴着降落伞的绳子又带动船上两个轮子,连接着轮子的发电机也就跟着转动而发出电来,它所发出的电力通过电缆输送到岸上。

海水温差能

辽阔的海洋,是一个巨大的“储热库”,它能大量地吸收辐射的太阳能,所得到的能量达60万亿千瓦左右;它又是一个巨大的“调温机”,调节着海洋表面和深层的水温。

海水的温度随着海洋深度的增加而降低。这是因为太阳辐射无法透射到400米以下的海水,海洋表层的海水与500米深处的海水温度差可达20℃以上。通常,将深度每增加100米的海水温度之差,称为温度递减率。一般来说,在100~200米的深度范围内,海水温度递减率最大;深度超过200米后,温度递减率显著减小;深度在1000米以上时,温度递减率则变得很微小。

海洋中上下层水温度的差异,蕴藏着一定的能量,叫做海水温差能,或称海洋热能。利用海水温差能可以发电,这种发电方式叫海水温差发电。

现在新型的海水温差发电装置,是把海水引入太阳能加温池,把海水加热到45~60℃,有时可高达90℃,然后再把温水引进保持真空的汽锅蒸发进行发电。

用海水温差发电,还可以得到副产品——淡水,所以说它还具有海水淡化功能。一座10万千瓦的海水温差发电站,每天可产生378立方米的淡水,可以用来解决工业用水和饮用水的需要。另外,由于电站抽取的深层冷海水中含有丰富的营养盐类,因而发电站周围就会成为浮游生物和鱼类群集的场所,可以增加近海捕鱼量。

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