海洋能的開發(fā)和利用

［中南大學(xué)］21世紀的新能源一一海洋能：［ ］學(xué)號： 班 級:［ii級地學(xué)試驗班］: ］2022年4月26日新能源［認識與了解］新能源又稱非常規(guī)能源。是指傳統(tǒng)能源之外的各種能源形式。指剛開始開發(fā)利用或正在積極研究、有待推廣的能源，如太陽能、地?zé)崮?、風(fēng)能、海洋能、生物質(zhì)能和核聚變能等。新能源一般是指在新技術(shù)基礎(chǔ)上加以開發(fā)利用的可再生能源，包括太陽能、生物質(zhì)能、水能、風(fēng)能、地?zé)崮?、波浪能、洋流能和潮汐能，以及海洋表面與深層之間的熱循環(huán)等；此外，還有氫能、沼氣、酒精、甲醇等，而已經(jīng)廣泛利用的煤炭、石油、天然氣、水能、核電等能源，稱為常規(guī)能源。隨著常規(guī)能源的有限性以及環(huán)境問題的日益突出，以環(huán)保和可再生為特祉的新能源越來越得到各國的重視。一般地說，常規(guī)能源是指技術(shù)上比較成熟且已被大規(guī)模利用的能源，而新能源通常是指尚未大規(guī)模利用、正在積極研究開發(fā)的能源。因此，煤、石油、天然氣以及大中型水電都被看作常規(guī)能源，而把太陽能、風(fēng)能、現(xiàn)代生物質(zhì)能、地?zé)崮堋⒑Ｑ竽芤约昂四?、氫能等作為新能源。隨著技術(shù)的進步和可持續(xù)發(fā)展觀念的樹立，過去一直被視作垃圾的工業(yè)與生活有機廢棄物被重新認識，作為一種能源資源化利用的物質(zhì)而受到深入的研究和開發(fā)利用，因此，廢棄物的資源化利用也可看作是新能源技術(shù)的一種形式。新近才被人類開發(fā)利用、有待于進一步研究發(fā)展的能量資源稱為新能源，相對于常規(guī)能源而言，在不同的歷史時期和科技水平情況下，新能源有不同的內(nèi)容。當今社會，新能源通常指核能、太陽能、風(fēng)能、地?zé)崮?、氫氣等。按類別可分為：太陽能，風(fēng)能，生物質(zhì)能，核能，氫能，地?zé)崮?，海洋能，小水電，化工能（如醚基燃料）等。而我所要講的是新能源中的一個小類：海洋能21世紀的新能源一一海洋能【概念理解】海洋能（oceanenergy）是海水運動過程中產(chǎn)生的可再生能，主要包括溫差能、潮汐能、波浪能、潮流能、海流能、鹽差能等。潮汐能和潮流能源自月球、太陽和其他星球引力，其他海洋能均源自太陽輻射。海水溫差能是一種熱能。低緯度的海面水溫較高，與深層水形成溫度差，可產(chǎn)生熱交換。其能量與溫差的大小和熱交換水量成正比。潮汐能、潮流能、海流能、波浪能都是機械能。潮汐的能量與潮差大小和潮量成正比。波浪的能量與波高的平方和波動水域面積成正比。在河口水域還存在海水鹽差能（又稱海水化學(xué)能），入海徑流的淡水與海洋鹽水間有鹽度差，若隔以半透膜，淡水向海水一側(cè)滲透，可產(chǎn)生滲透壓力，其能量與壓力差和滲透能量成正比。地球表面積約為5.1X10"8km"2,其中陸地表面積為1.49X10"8km"2占29%；海洋面積達3.61X10洛km"2，以海平面計，全部陸地的平均海拔約為840m，而海洋的平均深度卻為380m，整個海水的容積多達1.37X10"9km"3。一望無際的大海，不僅為人類提供航運、水源和豐富的礦藏，而且還蘊藏著巨大的能量，它將太陽能以及派生的風(fēng)能等以熱能、機械能等形式蓄在海水里，不像在陸地和空中那樣容易散失【海洋能的特點】海洋能在海洋總水體中的蘊藏量巨大，而單位體積、單位面積、單位長度所擁有的能量較小。這就是說，要想得到大能量，就得從大量的海水中獲得。2、 海洋能具有可再生性。海洋能來源于太陽輻射能與天體間的萬有引力，只要太陽、月球等天體與地球共存，這種能源就會再生，就會取之不盡，用之不竭。海洋能有較穩(wěn)定與不穩(wěn)定能源之分。較穩(wěn)定的為溫度差能、鹽度差能和海流能。不穩(wěn)定能源分為變化有規(guī)律與變化無規(guī)律兩種。屬于不穩(wěn)定但變化有規(guī)律的有潮汐能與潮流能。人們根據(jù)潮汐潮流變化規(guī)律，編制出各地逐日逐時的潮汐與潮流預(yù)報，預(yù)測未來各個時間的潮汐大小與潮流強弱。潮汐電站與潮流電站可根據(jù)預(yù)報表安排發(fā)電運行。既不穩(wěn)定又無規(guī)律的是波浪能。海洋能屬于清潔能源，也就是海洋能一旦開發(fā)后，其本身對環(huán)境污染影響很小【主要能量形式】1、 潮汐能因月球引力的變化引起潮汐現(xiàn)象，潮汐導(dǎo)致海水平面周期性地升降，因海水漲落及潮水流動所產(chǎn)生的能量成為潮汐能。潮汐與潮流能來源于月球、太陽引力，其它海洋能均來源于太陽輻射，海洋面積占地球總面積的71%，太陽到達地球的能量，大部分落在海洋上空和海水中，部分轉(zhuǎn)化成各種形式的海洋能。潮汐能的主要利用方式為發(fā)電，目前世界上最大的潮汐電站是法國的朗斯潮汐電站，我國的江夏潮汐實驗電站為國內(nèi)最大。2、 波浪能波浪能是指海洋表面波浪所具有的動能和勢能，是一種在風(fēng)的作用下產(chǎn)生的，并以位能和動能的形式由短周期波儲存的機械能。波浪的能量波高的平方、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(wěn)定的一種能源。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。3、 海水溫差能海水溫差能是指涵養(yǎng)表層海水和深層海水之間水溫差的熱能，是海洋能的一種重要形式。低緯度的海面水溫較高，與深層冷水存在溫度差，而儲存著溫差熱能，其能量與溫差的大小和水量成正比。溫差能的主要利用方式為發(fā)電，首次提出利用海水溫差發(fā)電設(shè)想的是法國物理學(xué)家阿松瓦爾，1926年，阿松瓦爾的學(xué)生克勞德試驗成功海水溫差發(fā)電。1930年，克勞德在古巴海濱建造了世界上第一座海水溫差發(fā)電站，獲得了10kW的功率。溫差能利用的最大困難是溫差大小，能量密度低，其效率僅有3%左右，而且換熱面積大，建設(shè)費用高，目前各國仍在積極探索中。4、 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，是以化學(xué)能形態(tài)出現(xiàn)的海洋能。主要存在與河海交接處。同時，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。據(jù)估計，世界各河口區(qū)的鹽差能達30TW，可能利用的有2.6TW。我國的鹽差能估計為1.1X10"8kw，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(nèi)陸鹽湖可以利用。鹽差能的研究以美國、以色列的研究為先，中國、瑞典和日本等也開展了一些研究。但總體上，對鹽差能這種新能源的研究還處于實驗室實驗水平，離示范應(yīng)用還有較長的距離。5、 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(wěn)定的流動以及由于潮汐導(dǎo)致的有規(guī)律的海水流動所產(chǎn)生的能量，是另一種以動能形態(tài)出現(xiàn)的海洋能。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。全世界海流能的理論估算值約為10洛kW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(tǒng)計獲得中國沿海海流能的年平均功率理論值約為1.4X10言kW。屬于世界上功率密度最大的地區(qū)之一，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?30kW/m^2,具有良好的開發(fā)值。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。【發(fā)電方式】海洋熱能發(fā)電有兩種方式：第一種是將低沸點工質(zhì)加熱成蒸汽。第二種是將溫水直接送入真空室使之沸騰變成蒸汽。蒸汽用來推動汽輪發(fā)電機發(fā)電，最后從600?1000米深處抽冷水使蒸汽冷凝。第一種采取閉式循環(huán)。第二種采取開式循環(huán)。海水溫差發(fā)電，1930年在法國首次試驗成功，只是當時發(fā)出的電能不如耗去的電力多，因而未能付諸實施?，F(xiàn)在，許多國家都在進行海水溫差發(fā)電研究。實踐證明，開式循環(huán)比閉式循環(huán)有更多的優(yōu)點：①以溫海水作工質(zhì)，可避免氨或二氯二氟甲烷等有毒物質(zhì)對海洋的污染;②開式循環(huán)系直接接觸熱交換器，價廉且效率高；③直接接觸熱交換器可采用塑料制造，在溫海水中的抗腐蝕性高；④能產(chǎn)生副產(chǎn)品一一蒸餾水。開式循環(huán)也有缺點:產(chǎn)生的蒸汽密度低，汽輪機體積大；變成蒸汽的海水排回海洋后，會影響附近生物的生存環(huán)境?！厩熬罢雇咳蚝Ｑ竽艿目稍偕亢艽?。根據(jù)聯(lián)合國教科文組織1981年出版物的估計數(shù)字，五種海洋能理論上可再生的總量為766億千瓦。其中溫差能為400億千瓦，鹽差能為300億千瓦，潮汐和波浪能各為30億千瓦，海流能為6億千瓦。但如上所述是難以實現(xiàn)把上述全部能量取出，設(shè)想只能利用較強的海流、潮汐和波浪；利用大降雨量地域的鹽度差，而溫差利用則受熱機卡諾效率的限制。因此，估計技術(shù)上允許利用功率為64億千瓦，其中鹽差能30億千瓦，溫差能20億千瓦，波浪能10億千瓦，海流能3億千瓦，潮汐能1億千瓦（估計數(shù)字）。海洋能的強度較常規(guī)能源為低。海水溫差小，海面與500?1000米深層水之間的較大溫差僅為20笆左右；潮汐、波浪水位差小，較大潮差僅7一10米，較大波高僅3米；潮流、海流速度小，較大流速僅4?7節(jié)。即使這樣，在可再生能源中，海洋能仍具有可觀的能流密度。以波浪能為例，每米海岸線平均波功率在最豐富的海域是50千瓦，一般的有5?6千瓦；后者相當于太陽能流密度1千瓦/米2）。又如潮流能，最高流速為3米/秒的舟山群島潮流，在一個潮流周期的平均潮流功率達4.5千瓦/米2。海洋能作為自然能源是隨時變化著的。但海洋是個龐大的蓄能庫，將太陽能以及派生的風(fēng)能等以熱能、機械能等形式蓄在海水里，不象在陸地和空中那樣容易散失。海水溫差、鹽度差和海流都是較穩(wěn)定的，24小時不間斷，晝夜波動小，只稍有季節(jié)性的變化。潮汐、潮流則作恒定的周期性變化，對大潮、小潮、漲潮、落潮、潮位、潮速、方向都可以準確預(yù)測。海浪是海洋中最不穩(wěn)定的，有季節(jié)性、周期性，而且相鄰周期也是變化的。但海浪是風(fēng)浪和涌浪的總和，而涌浪源自遼闊海域持續(xù)時日的風(fēng)能，不象當?shù)靥柡惋L(fēng)那樣容易驟起驟止和受局部氣象的影響。海洋能的利用目前還很昂貴，以法國的朗斯潮汐電站為例，其單位千瓦裝機投資合1500美元（1980年價格），高出常規(guī)火電站。但在目前嚴重缺乏能源的沿海地區(qū)（包括島嶼），把海洋能作為一種補充能源加以利用還是可取的。【我國的海洋能利用現(xiàn)狀】發(fā)展過程我國海洋能開發(fā)已有近40年的歷史，迄今建成的潮汐電站8座，80年代以來浙江、福建等地對若干個大中型潮汐電站，進行了考察、勘測和規(guī)化設(shè)計、可行性研究等大量的前期準備工作?？傊覈暮Ｑ蟀l(fā)電技術(shù)已有較好的基礎(chǔ)和豐富的經(jīng)驗，小型潮汐發(fā)電技術(shù)基本成熟，已具備開發(fā)中型潮汐電站的技術(shù)條件。但是現(xiàn)有潮汐電站整體規(guī)模和單位容量還很小，單位千瓦造價高于常規(guī)水電站，水工建筑物的施工還比較落后，水輪發(fā)電機組尚未定型標準化。這些均是我國潮汐能開發(fā)現(xiàn)存的問題。其中關(guān)鍵問題是中型潮汐電站水輪發(fā)電機組技術(shù)問題沒有完全解決，電站造價亟待降低。我國波力發(fā)電技術(shù)研究始于70年代，80年代以來獲得較快發(fā)展，航標燈浮用微型潮汐發(fā)電裝置已趨商品化，現(xiàn)已生產(chǎn)數(shù)百臺，在沿海海域航標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發(fā)電裝置，已向國外出口，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，第一臺裝機容量3kW的裝置，1990年已試發(fā)電成功“八五”科技攻關(guān)項目總裝機容量20kW的岸式波力試驗電站和8kW擺式波力試驗電站，均已試建成功?？傊?，我國波力發(fā)電雖起步較晚，但發(fā)展很快。微型波力發(fā)電技術(shù)已經(jīng)成熟，小型岸式波力發(fā)電技術(shù)已進入世界先進行列。但我國波浪能開發(fā)的規(guī)模遠小于挪威和英國，小型波浪發(fā)電距實用化尚有一定的距離。潮流發(fā)電研究國際上開始于70年代中期，主要有美國、日本和英國等進行潮流發(fā)電試驗研究，至今尚未見有關(guān)發(fā)電實體裝置的報導(dǎo)。我國潮流發(fā)電研究始于70年代末，首先在舟山海域進行了8kW潮流發(fā)電機組原理性試驗。80年代一直進行立軸自調(diào)直葉水輪機潮流發(fā)電裝置試驗研究，目前正在采用此原理進行70kW潮流試驗電站的研究工作。在舟山海域的站址已經(jīng)選定。我國已經(jīng)開始研建實體電站，在國際上居領(lǐng)先地位，但尚有一系列技術(shù)問題有待解決。近20多年來，受化石燃料能源危機和環(huán)境變化壓力的驅(qū)動，作為主要可再生能源之一的海洋能事業(yè)取得了很大發(fā)展，在相關(guān)高技術(shù)后援的支持下，海洋能應(yīng)用技術(shù)日趨成熟，為人類在下個世紀充分利用海洋能展示了美好的前景。我國有大陸海岸線長達18000多公里，有大小島嶼6960多個，海島總面積6700平方公里，有人居住的島嶼有430多個，總?cè)丝?50多萬人。沿海和海島既是外向型經(jīng)濟的基地，又是海洋運輸和開發(fā)海洋的前哨，并且在鞏固國防，維護祖國權(quán)益上占有重要地位。改革開放以來，隨著沿海經(jīng)濟的發(fā)展，海島開發(fā)迫在眉睫，能源短缺嚴重地制約著經(jīng)濟的發(fā)展和人民生活水平的提高。外商和華僑因海島能源缺乏，不愿投資；駐島部隊用電困難，不利于國防建設(shè)；特別是西沙、南沙等遠離大陸的島嶼，依靠大陸供應(yīng)能源，因供應(yīng)線過長，諸多不便，非常艱苦。為了保證沿海與海島經(jīng)濟持久快速地發(fā)展及人民生活水平的不斷提高，尋求解決能源供應(yīng)緊張的途徑已刻不容緩。技術(shù)現(xiàn)狀資料顯示，我國從20世紀80年代開始，在沿海各地區(qū)陸續(xù)興建了一批中小型潮汐發(fā)電站并投入運行發(fā)電。其中最大的潮汐電站是1980年5月建成的浙江省溫嶺市江廈潮汐試驗電站，它也是世界已建成的較大雙向潮汐電站之一?？値烊?90萬立方米，發(fā)電有效庫容270萬立方米。這里的最大潮差8.39米，平均潮差5.08米；電站功率3200千瓦。據(jù)了解，江廈電站每晝夜可發(fā)電