我國海洋新能源開發(fā)(精)

6/6我國海洋新能源開發(fā)(精)海洋工程前沿技術(shù)講座報(bào)告

我國海洋新能源的開發(fā)

07011813李貝琦

我國海洋新能源的開發(fā)

一概述

1海洋新能源

海洋新能源主要包括海洋風(fēng)能、波浪能、潮汐能、還有海洋生物能等，由于這些資源豐富、清潔干凈、可再生性強(qiáng)，與生態(tài)環(huán)境和諧，被聯(lián)合國環(huán)境組織視為目前最理想、最有前景的替代能源之一。我國有18000公里的海岸線、300多萬平方公里的管轄海域，海洋能源十分豐富，利用價(jià)值極高。其中，近海域波浪的蘊(yùn)藏量約為1.5億千瓦，可開發(fā)利用量約3000萬～3500萬千瓦，海洋風(fēng)能約有7億千瓦左右。同時(shí)，我國又是世界能源消費(fèi)大國，大力發(fā)展海洋新能源符合國情，對(duì)于優(yōu)化能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)，減少污染，保護(hù)環(huán)境，支撐經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展，意義十分重大。

目前，我國對(duì)于海洋新能源的利用才剛剛開始，尚未形成規(guī)模開發(fā)，海洋風(fēng)電、潮汐等產(chǎn)業(yè)存在著科技創(chuàng)新水平相對(duì)落后，激勵(lì)機(jī)制不夠完善，尚未形成新能源持續(xù)發(fā)展的長效機(jī)制等方面的問題。特別是由于海洋新能源研發(fā)、生產(chǎn)投資成本高，短時(shí)間內(nèi)難有明顯經(jīng)濟(jì)效益，目前在沿海大多數(shù)地區(qū)海洋新能源開發(fā)仍受到冷落，沒有引起有關(guān)方面足夠的重視。這其中重要的原因是缺乏戰(zhàn)略眼光，尚未意識(shí)

到海洋新能源開發(fā)利用的廣闊前景和市場潛力，尤其沒有認(rèn)識(shí)到發(fā)展海洋新能源對(duì)保護(hù)環(huán)境的積極作用。

調(diào)查數(shù)字顯示，中國單位GDP能源消耗是世界平均水平的4倍，每年我國的GDP增長，有大約4%到6%被環(huán)境代價(jià)抵消。近年來，沿海地區(qū)傳統(tǒng)的高消耗、高排放、低效率的粗放型增長方式在給海洋經(jīng)濟(jì)帶來高速增長的同時(shí)，也付出了高昂的環(huán)境代價(jià)。要想改變過去高消耗高污染的經(jīng)濟(jì)增長模式，辦法之一就是大力發(fā)展包括海洋能源在內(nèi)的各種可再生能源。

2海洋能源開發(fā)利用的重要性

21世紀(jì)將是海洋經(jīng)濟(jì)時(shí)代。浩瀚無垠的海洋是生命起源的搖籃，資源和能源的寶庫，也是人類實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的重要基地。自古以來凡是重視海洋的國家都成了當(dāng)時(shí)的發(fā)達(dá)國家。當(dāng)今世界，人類正面臨著“全球人口不斷膨脹，陸地資源和能源日趨嚴(yán)峻”的危機(jī)，于是都把發(fā)展的希望寄托在占地球表面積71%的海洋，都在重新評(píng)價(jià)海洋，堅(jiān)定不移地向海洋進(jìn)軍。尤其是海洋能源是地球上最大的能源，是不需要燃料的理想能源，不污染環(huán)境的清潔能源，而且是可再生能源。利用海洋能發(fā)電既經(jīng)濟(jì)，又不占用土地，不受氣候影響，也不污染環(huán)境，實(shí)為利用價(jià)值極高、潛力巨大的新能源，是未來能源中相當(dāng)重要的部分。現(xiàn)在，越來越多的國家都把合理有序地開發(fā)利用海洋資源和能源、保護(hù)海洋環(huán)境作為求生存、求發(fā)展的基本國策。世界各國競相研究如何利用蘊(yùn)藏在深海中的多種資源和能源，競相研究如何運(yùn)用海洋高科技開發(fā)技術(shù)。一個(gè)開發(fā)利用和保護(hù)海洋資源和能源、攻克現(xiàn)代尖端技術(shù)——海洋高科技開發(fā)技術(shù)的世紀(jì)之潮已經(jīng)興起，從藍(lán)色的海洋中索取應(yīng)有盡有的資源和能源，使海洋資源和能源成為世界經(jīng)濟(jì)發(fā)展的新的增長點(diǎn)，正在成為時(shí)代的特征。

海洋新能源對(duì)我國海洋事業(yè)的發(fā)展還有著特別的意義：第一，海洋新能源的開發(fā)可以促進(jìn)海洋產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，擴(kuò)大、提升海洋經(jīng)濟(jì)的規(guī)模和內(nèi)涵，進(jìn)而帶動(dòng)沿海地區(qū)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展；第二，目前海洋經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)要調(diào)整，增長方式要轉(zhuǎn)變，發(fā)展海洋新能源就是海洋產(chǎn)業(yè)和技術(shù)發(fā)展的一個(gè)新的抓手和重點(diǎn)；第三，在海洋新能源領(lǐng)域，世界面臨著很多共同的新技術(shù)創(chuàng)新問題，我國在建設(shè)海洋強(qiáng)國的過程中，有條件抓住機(jī)遇，在海洋新能源技術(shù)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)較快發(fā)展。

海洋新能源是一項(xiàng)新興的事業(yè)，發(fā)展空間和潛力很大。把握時(shí)機(jī)，促進(jìn)海洋新能源技術(shù)的成熟和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，使海洋新能源在我國未來經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)中發(fā)揮應(yīng)有的作用，還有待沿海各地及海洋領(lǐng)域方方面面的共同努力。

二海洋能源介紹

綠色能源也稱清潔能源，它可分為狹義和廣義兩種概念

狹義的綠色能源是指可再生能源，如水能、生物能、太陽能、風(fēng)能、地?zé)崮芎秃Ｑ竽堋＿@些能源消耗之后可以恢復(fù)補(bǔ)充，很少產(chǎn)生污染。廣義的綠色能源則包括

在能源的生產(chǎn)、及其消費(fèi)過程中，選用對(duì)生態(tài)環(huán)境低污染或無污染的能源，如天

然氣、清潔煤（將煤通過化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)變成煤氣或“煤”油，通過高新技術(shù)嚴(yán)密控

制的燃燒轉(zhuǎn)變成電力）和核能等等。

浩瀚的大海，不僅蘊(yùn)藏著豐富的礦產(chǎn)資源，更有真正意義上取之不盡，用之不竭的海洋能源。它既不同于海底所儲(chǔ)存的煤、石油、天然氣等海底能源資源，也不同于溶于水中的鈾、鎂、鋰、重水等化學(xué)能源資源。它有自己獨(dú)特的方式與形態(tài)，就是用潮汐、波浪、海流、溫度差、鹽度差等方式表達(dá)的動(dòng)能、勢能、熱能、物理化學(xué)能等能源。直接地說就是潮汐能、波浪能、海水溫差能、海流能及鹽度差能等。這是一種“再生性能源”永遠(yuǎn)不會(huì)枯竭，也不會(huì)造成任何污染。海洋是一個(gè)巨大的能源庫。據(jù)粗略枯算,各種海洋能儲(chǔ)量的總和可以達(dá)到750億千瓦。

1潮汐能就是潮汐運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的能量，是人類利用最早的海洋動(dòng)力資源也是

海洋能利用中發(fā)展規(guī)模最大、技術(shù)較成熟的一種。潮汐是海水在月亮等天體的引力作用下發(fā)生的周期漲落。潮水漲落的水位差,也就是潮差、在大洋中為幾十厘米,而在窄淺的港灣或喇叭形河口,則可達(dá)幾米或十幾米。通過利用海水漲落潮差的勢能,控制水庫落差,推動(dòng)水輪機(jī)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)來發(fā)電,是現(xiàn)代利用海洋資源的一種有效方式。中國在唐朝沿海地區(qū)就出現(xiàn)了利用潮汐來推磨的小作坊。后來，到了11-12世紀(jì)，法、英等國也出現(xiàn)了潮汐磨坊。到了二十世紀(jì)，潮汐能的魅力達(dá)到了高峰，人們開始懂得利用海水上漲下落的潮差能來發(fā)電。據(jù)估計(jì)，全世界的海洋潮汐能約有27億千瓦，每年可發(fā)電12400萬億度。甚至一些專家斷言，未來無污染的廉價(jià)能源是永恒的潮汐。

潮汐發(fā)電與水力發(fā)電的原理相似，它是利用潮水漲、落產(chǎn)生的水位差所具有勢能來發(fā)電的，也就是把海水漲、落潮的能量變?yōu)闄C(jī)械能，再把機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽òl(fā)電）的過程。且潮汐能量和海面的面積及潮差高度的平方成正比。潮汐發(fā)電必須選擇有利的海岸地形，修建潮汐水庫，漲潮時(shí)蓄水，落潮時(shí)利用其勢能發(fā)電。由于漲潮、落潮的不連續(xù)性，生成發(fā)電也不連續(xù)。具體地說，潮汐發(fā)電就是在海灣或有潮汐的河口建一攔水堤壩，將海灣或河口與海洋隔開構(gòu)成水庫，再在壩內(nèi)或壩房安裝水輪發(fā)電機(jī)組，然后利用潮汐漲落時(shí)海水位的升降，使海水通過輪機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)水輪發(fā)電機(jī)組發(fā)電。由于潮水的流動(dòng)與河水的流動(dòng)不同，它是不斷變換方向的，因此就使得潮汐發(fā)電出現(xiàn)了不同的型式，例如：①單庫單向型，只能在落潮時(shí)發(fā)電。②單庫雙向型：在漲、落潮時(shí)都能發(fā)電。③雙庫雙向型：可以連續(xù)發(fā)電，但經(jīng)濟(jì)上不合算，未見實(shí)際應(yīng)用。

2海洋波浪能主要是由風(fēng)的作用引起的海水沿水平方向周期性運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的能量。海洋波浪沖擊海岸時(shí)激起大量的浪花,沖擊力可以摧毀堅(jiān)固的建筑物。波浪中蘊(yùn)藏著極大的能量,一個(gè)巨浪就可以把13噸重的巖石拋出20米高，一個(gè)波高5米，波長100米的海浪，在一米長的波峰片上就具有3120千瓦的能量，由此可以想象整個(gè)海洋的波浪所具有的能量該是多么驚人。據(jù)計(jì)算，全球海洋的波浪能達(dá)

700億千瓦，可供開發(fā)利用的為20-30億千瓦。每年發(fā)電量可達(dá)9-萬億度。它每秒鐘在1平方公里海面上產(chǎn)生的能量可以達(dá)到20萬千瓦?，F(xiàn)在,許多國家都十分重視利用這種能源發(fā)電。

3海洋海流能在一些海域,由于風(fēng)的影響,海洋表層的海水會(huì)沿著一定的路徑流動(dòng)。這種游動(dòng)的海流會(huì)產(chǎn)生巨大的能量。由于海流遍布大洋，縱橫交錯(cuò)，川流不息，所以它們蘊(yùn)藏的能量也是可觀的。例如世界上最大的暖流——墨西哥洋流，在流經(jīng)北歐時(shí)為1厘米長海岸線上提供的熱量大約相當(dāng)于燃燒600噸煤的熱量。據(jù)估算世界上可利用的海流能約為0.5億千瓦。而且利用海流發(fā)電并不復(fù)雜。因此要海流做出貢獻(xiàn)還是有利可圖的事業(yè)，當(dāng)然也是冒險(xiǎn)的事業(yè)?？茖W(xué)家估計(jì),海洋中所有海流能的總儲(chǔ)量高達(dá)50億千瓦。北太平洋西部的“黑潮洋流”,平均流速為每秒1米,以寬30度公里、深度300米計(jì)算,其平均輸出功率為1000萬千瓦。

p4海洋溫差能把溫度的差異作為海洋能源又叫海洋熱能。由于海水是一種熱容量很大的物質(zhì)，海洋的體積又如此之大，所以海水容納的熱量是巨大的。這些熱能主要來自太陽輻射，另外還有地球內(nèi)部向海水放出的熱量；海水中放射性物質(zhì)的放熱；海流摩擦產(chǎn)生的熱，以及其他天體的輻射能，但99.99%來自太陽輻射。因此，海水熱能隨著海域位置的不同而差別較大。海洋熱能是電能的來源之一，海水表面和深層溫度可以相差20℃以上,這種差異蘊(yùn)藏著巨大的能量。據(jù)估算span,總蘊(yùn)量可以達(dá)到20億千瓦。目前,科學(xué)家正在積極著手進(jìn)行溫差能的開發(fā)利用,海洋溫差發(fā)電已經(jīng)進(jìn)人實(shí)驗(yàn)階級(jí)。美國、法國相繼建造了小型實(shí)驗(yàn)室。1990年,日本在鹿兒島正式建造的溫差發(fā)電站,現(xiàn)已開始正常供電。此外,用海水溫差發(fā)電還可以具有海水淡化功能。一座10萬千瓦的溫差發(fā)電站,每天可產(chǎn)淡水378立方米。通過海洋溫差發(fā)電,還可以抽取深層海水中豐富的營養(yǎng)物質(zhì)，增進(jìn)近海捕魚量。

5海洋鹽度差能在江河入?？?，淡水與海水之間還存在著鮮為人知的鹽度差能。科學(xué)研究證明,兩種含鹽量不同的海水在同一容器中,會(huì)由于鹽離子的擴(kuò)散而產(chǎn)生化學(xué)電位差能。同時(shí),利用一定的轉(zhuǎn)換方式,可以使這種化學(xué)電位差能轉(zhuǎn)換為電能。近年來迅速發(fā)展的海洋鹽差發(fā)電技術(shù),就是利用這種原理進(jìn)行工作的。有人計(jì)算過,海水的平均鹽度為35%,每條江河人海處的海水滲透壓可以相當(dāng)于240米高的水位落差口現(xiàn)在,美國、日本等國的科學(xué)家都在開發(fā)海洋鹽差發(fā)電系統(tǒng)。全世界可利用的鹽度差能約26億千瓦，其能量甚至比溫差能還要大。鹽差能發(fā)電原理實(shí)際上是利用濃溶液擴(kuò)散到稀溶液中釋放出的能量。

由此可見，海洋中蘊(yùn)藏著巨大的能量，只要海水不枯竭，其能量就生生不息。作為新能源，海洋能源已吸引了越來越多的人們的興趣。

三開發(fā)利用海洋能源為人類造福

我國東南沿海工業(yè)發(fā)達(dá)，能源緊張,島嶼眾多，尤其是遠(yuǎn)離大陸的島嶼,缺乏甚至沒有石化燃料，嚴(yán)重阻礙了經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和國防的建設(shè)。開發(fā)和利用海洋能源資源就更加重要。所謂的海洋能源資源包括海洋的潮汐、海流、海水溫差、海水濃度差、海水壓力差等能源以及波浪搖動(dòng)能等等。海洋能是海洋在太陽幅射、天體運(yùn)動(dòng)下產(chǎn)生的一種再生能,是取之不竭的能源1據(jù)估計(jì)，世界海洋能的蘊(yùn)藏量是750多億千瓦。其中波浪能700億千瓦、潮汐能10億億千瓦、溫差能20億千瓦、海流能10億千瓦、鹽度差能10億千瓦。我國的海洋能蘊(yùn)藏量大約1014億千瓦。其中潮汐能115億千瓦、鹽度差能1億千瓦、波浪能約115億千瓦。余下的為其它能量開發(fā)和利用海洋能源，包括我國在內(nèi)的世界各沿海國都進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐，取得了可喜的成果。從發(fā)展趨勢上看，海洋能必將成為沿海國家的重要能源之一。

海水受月亮和太陽引力的影響而產(chǎn)生潮汐，漲潮時(shí)，潮波由外海向沿海傳播，由于水深變淺，地形變窄、能量聚集、振幅增大，在沿海河口區(qū)與河水相遇，從而使河流水位逐漸升高；潮退時(shí)，水位逐漸下降，使河床位出現(xiàn)升降差。這種現(xiàn)象沿江河可上溯至10公里甚數(shù)百公里。這些潮波影響的江河地區(qū)叫做感潮區(qū)。在這個(gè)區(qū)域內(nèi)的港灣和支流河段，漲潮時(shí)便成為天然蓄水庫，可以安裝機(jī)組用來發(fā)電，這就是潮汐水電站的基本原理。

我國海岸線漫長，潮汐能源十分豐富，而且取之不盡，用之不竭。

利用海洋溫差能可以開發(fā)深海礦產(chǎn)。在北緯20.至南緯20.之間的熱帶海域，海底蘊(yùn)藏著豐富的錳結(jié)核礦。這里的海洋溫差能是豐富的電力資源，利用其發(fā)電開發(fā)這里深海的錳結(jié)核礦藏有著良好的遠(yuǎn)景。安裝發(fā)電裝置的浮動(dòng)平臺(tái)或島架可以做為冶煉錳結(jié)核的基地，這種設(shè)備類似日本在波力發(fā)電船上安裝回收海水中鈾的吸咐裝置一樣，海洋溫差發(fā)電產(chǎn)生的電能可以直接用于錳結(jié)核礦的加工和冶煉，這種綜合利用不僅可以降低運(yùn)輸?shù)V石、處理廢料的費(fèi)用，同時(shí)還可以改善海島的經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)。

利用海水溫差還可以淡化海水。朝鮮海峽的表層海水在27℃以下，由于日本海海底洋流的作用，這一帶海水在不太深的地方溫度就會(huì)急劇下降，科研人員利用海水表層和深層的溫差淡化海水。

利用波浪搖動(dòng)的能量可以制造波能船1十八世界中葉，英國一艘捕鯨船在北冰洋遇到一頭漂浮在海面上的死鯨，可是他們費(fèi)盡九牛二虎之力,還是趕不上這頭乘著波浪前進(jìn)的死鯨，這是什么原因呢?原來是死鯨的鰭起了動(dòng)力機(jī)的作用，它能把海浪搖動(dòng)的能量變成前進(jìn)的動(dòng)力。人們從這里得到啟示研制了波能船，就是在輪船的水下部分，每邊各裝10個(gè)船鰭，這些鰭和船底有一定的角度，并可繞著轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)船受到波浪的影響而左右搖擺時(shí)，在水力的沖擊下，船鰭就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)升力，這個(gè)力又可分解成起防搖扶正作用的橫向力以及推動(dòng)船泊前進(jìn)的縱向力。當(dāng)船搖擺幅度達(dá)31度時(shí)，即使船上的主機(jī)停車了，船仍能以11節(jié)的速度前進(jìn)，而當(dāng)主機(jī)耗費(fèi)的功率只有原來的一半時(shí)，船速可達(dá)14節(jié)。利用同樣原理還可制造波能潛艇。這是海洋能源資源的又一應(yīng)用。

在石化燃料能源、水利能源資源日益枯竭的今天，開發(fā)利用海洋能源是一條解決和擴(kuò)大開發(fā)利用，使之更好地造福人類，服務(wù)于社會(huì)。

四海洋能開發(fā)利用現(xiàn)狀及發(fā)展目標(biāo)

1海洋能開發(fā)利用現(xiàn)狀

潮汐發(fā)電

中國潮汐發(fā)電開始于1958年前后,經(jīng)過30多年的發(fā)展,建成潮汐電站8座,總裝機(jī)容量6120kW,年發(fā)電量約10×106kWh,其中最大的浙江省江廈潮汐試驗(yàn)電站,總裝機(jī)容量3200kW,1980年開始發(fā)電,1985年底5臺(tái)機(jī)組全部并網(wǎng)發(fā)電。該電站技術(shù)較先進(jìn),單機(jī)容量500kW和700kW的燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)組,全由中國自己研制。事實(shí)證明,電站設(shè)備和廠房的設(shè)計(jì)、制造、安裝和運(yùn)行都是成功的。1989年建成的福建省幸福洋潮汐電站,6臺(tái)機(jī)組總裝機(jī)容量1280kW。建成最早的浙江省沙山潮汐電站,裝機(jī)容量40kW,迄今已近40年,仍在運(yùn)行發(fā)電,深受群眾歡迎。80年代以來浙江福建等地對(duì)若干個(gè)大中型潮汐電站站址,進(jìn)行了考察、勘測、規(guī)劃設(shè)計(jì)和可行性研究等大量的前期準(zhǔn)備工作。

總之,中國潮汐發(fā)電技術(shù)歷史較長,已有較好的基礎(chǔ)和豐富的經(jīng)驗(yàn),小型潮汐發(fā)電技術(shù)基本成熟,已具備開發(fā)中型(10MW級(jí)潮汐電站的技術(shù)條件。

波浪發(fā)電

中國波力發(fā)電研究始于70年代末,80年代獲得較快發(fā)展,航標(biāo)燈浮用微型波力發(fā)電裝置已商品化,現(xiàn)已生產(chǎn)290多臺(tái)在沿岸海域航標(biāo)和大型燈船上推廣應(yīng)用。與日本合作研制的后彎管型浮標(biāo)發(fā)電裝置,近期可望向國外出口,該技術(shù)屬國際領(lǐng)先水平。在珠江口大萬山島上研建的岸邊固定式波力電站,第一臺(tái)3kW的裝置1990年已試發(fā)電成功。裝機(jī)容量20kW的岸式波力實(shí)驗(yàn)電站1995年發(fā)電成功,并可與柴油發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)運(yùn)行,向海島供電。

總之,中國波力發(fā)電研究雖起步較晚,但發(fā)展較快,微型波力發(fā)電技術(shù)已經(jīng)成熟,發(fā)電裝置已商品化,小型岸式波力發(fā)電技術(shù)也已進(jìn)入世界先進(jìn)行列。

潮流發(fā)電

中國潮流發(fā)電研究始于70年代末,首先在舟山海域進(jìn)行了8kW潮流發(fā)