书城科普读物认识海洋系列丛书:海洋中取之不尽的宝藏
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第23章 海洋——绿色能源宝藏(1)

缚住蛟龙

海洋中蕴藏着巨大无比的能量。据联合国教科文组织出版物估计,全世界海洋能总量为766亿千瓦。潮汐能使整个海平面抬高1米多,在有的海岸激起18米高的怒潮。波浪能掀翻大船,抛起巨石。巨大的海流流量是伊斯坦布尔海峡全球河流总流量的100倍。海面水温与海底水温之间的温度差和河口低盐度海水与大洋高盐度海水之间的盐度差也蕴藏着难以估计的能量。这些能量都是太阳热能或月球、太阳的引力产生的,是永远不会枯竭的能源。人类不可能伤其毫发,而且用掉了立即就会再生。利用这种能源还不会像燃烧化石燃料那样造成污染,引起酸雨、温室效应等灾害,所以是干净的绿色能源。

海洋能源是十分丰富的,可是也是非常分散的,得把密度很低的海洋能源集中起来才可供开发。美国科学家计算,全世界可以开发出来的海洋能只有64亿千瓦。人类总不能到距离海岸线几千千米的大洋里去利用海洋能啊!尽管这60多亿千瓦比总蕴藏量766亿千瓦小得多,但也是相当可观的发电量,长江三峡不过才能发1,000多万千瓦的电。海洋能只能在沿岸变成电能,或者在海边就地利用。

有些海洋能源只存在于某些海区。例如,可供利用的潮汐能只在潮差大的河口、海湾和海峡才有;温差能只能在热带海区才有,而且得在深度突然增加的陡峭的深海峭壁附近才好利用。

海洋能既可供开发,又有着很强的破坏性,严酷的海洋环境使开发海洋能的工作变得异常复杂和困难。试验的海洋能发电站往往寿命不长。由于工程量大,技术要求高,所以开发海洋能的成本相当高,很难达到实用程度。虽然如此,人类还是在锲而不舍地为解决这个异常复杂和困难的问题而努力工作着。

潮汐发电

潮汐能发电机潮汐主要是月亮对地球的引力产生的。潮汐能不但资源丰富,而且有许多自然条件很理想的河口、海湾,聚集了值得开发的资源,可以说潮汐能是海洋能中的“富矿”。

法国朗斯潮汐电站是世界最大的潮汐电站1966年,法国人在英吉利海峡边上的朗斯河口建成一座迄今为止世界上最大的潮汐发电站,总装机容量24万千瓦,每年能发出5.44亿千瓦时电。潮汐发电站实际上是利用潮差的低水头水力发电站。朗斯潮汐发电站在河口湾的出口修筑了一条160米长的堤坝,利用河口湾作为天然水库。坝上有闸门,涨潮时纳水。发电机房建在流道上,设计成涨落潮都能发电的双向工作状态。选用灯泡形贯流的特殊水轮机来适应5~8米的低水头。这座潮汐发电站至今运行正常,不但发出电供给电网,还积累了很多经验,如从运行中总结出双向发电不如单向发电合算,利用涨潮时进水,落潮时发电效果最好。这座潮汐发电站虽然建在海水中,可是用了电化学的方法,选了耐蚀的材料和涂料,使电机和闸门等设备都能在强腐蚀的环境下工作。

加拿大的安那波利斯潮汐发电站,建在世界上潮汐资源最丰富的芬地湾中的一条小河口上,是大规模开发芬地湾潮汐资源的一项试验工程,于1983年投入运行,有1台装机容量2万千瓦的发电机,年发电量5,000万千瓦时,利用的水头高1.4~6.8米,也是单水库单向发电工作状态,落潮时发电。水轮发电机是全贯流式的,比灯泡贯流式结构简单,效率高,4片叶片是用镍铬不锈钢制造的。因为加拿大的水力资源还远没有开发完,所以对潮汐发电的要求不迫切,虽然电站是成功的,芬地湾的开发却没有提到日程上来。

我国的江厦潮汐发电站名列世界第三,位于浙江温岭县的乐清湾内,是双向发电的潮汐发电站,共有5台机组,水轮机也是灯泡式贯流的,1980年第1台机组发电并网,1985年建成,总装机容量为3,200千瓦,年发电量1,000多万千瓦小时。水库由670米长的黏土心堆石坝形成,利用的潮差为0.8~5.5米。这座潮汐发电站也是成功的,除了正常发电以外,还创造了综合利用的条件,库区围垦了约2.7平方千米农田,水库里养了鲻鱼、对虾,1.2平方千米的滩涂养了牡蛎和蛏子。

世界上正在筹建的大潮汐发电站将建在英国西南部的塞汉河口。塞汉河口有点像我国的钱塘江口,有很高的潮位,估计能开发的潮汐能有450万千瓦。我国福建、浙江也在计划修建10万千瓦级的潮汐发电站,有几个站的站址已经勘测完毕,设计也已完成,只等开工了。

驯服波涛

摆式波浪发电装置利用波浪发电的尝试不像利用潮汐发电那样顺利。波浪不像潮汐那样“有信”。为了开发波浪能,科学家提出了几十种方法,把随机变化的波浪能变成容易控制的机械能,再用以发电。这些方法归纳起来大致是把波浪能变成上下振动的水柱、推动机械横摆和推动机械纵荡等三大类。几十年过去了,除了供给灯标发光的小功率发电装置外,都不能算是成功与实用的。

振动水柱式装置先使波浪进入储能区,利用谐振效应聚集起来,波浪的动能把海水压进垂直放置的粗管子里,管子里的水柱随着波浪起伏而振动。管子上端是封闭着的,水柱振动时,水柱上方的空气也被压缩、减压,跟着振动。利用振动的空气推动威尔斯空气涡轮机发电。

挪威、日本在岸边选择聚波的喇叭形峡湾,略加修整,预先使波浪聚能,再建造振动水柱塔,利用波浪发电,设计的发电能力为40~500千瓦的数量级。这些试验波浪发电站都能工作,但是不够可靠。挪威的波浪发电站在1988年的一次风暴中被狂浪打坏。

摆式波浪发电装置把小型的波浪发电装置装在灯标里,在0.4米的波浪条件下能发出12伏、6瓦的电,供给灯标里的蓄电池作充电用。这种波浪能灯标已经成为商品了。

挪威一座350千瓦波浪发电站的设计是另一种形式的。它利用渐缩的入口聚波,使波高放大,溢出波道,保存在储能水库里,再用与潮汐发电站一样的原理利用水库里比海面较高的水位在放水时发电。

日本的“海明”号是一条浮在海面上的船。它在山形县附近的日本海上抛锚,船上装有振动水柱式发电装置,发出的电通过电缆送到陆地上。

英国科学家发明一种纵荡式的波浪转换系统,做成凸轮的摆,能在波浪的作用下做纵向的振荡,像水面上的鸭子在点头,因此给它命名为“点头鸭”。为了充分利用波浪能,在海面布设了许多这样的转换装置,在波浪的作用下,这些“鸭子”上下摆动,使它们的轴旋转,把波浪能变成机械能。这个系统理论上效率很高,可是在海面上布设很复杂,不够可靠,向岸上输电也不方便,试验后就束之高阁了。

波浪日本还开发了一种横摇的摆式波浪发电站,在面向波浪的岸边建造槽形的水室,使波浪进入水室,再从水室后壁反射,在水室里共振,形成驻波,把能量聚集起来,推动安在驻波节点上的摆,使它横摇,再用液压系统收集它的能量。在建造防波堤时,把这种电站建在防波堤外面,吸收一部分波浪打在堤上的能量,可以起消波作用。

我国也建了岸边的振动水柱式和摆式波浪试验电站,功率不大,只能供应孤悬在海中的岛屿电源。

波浪发电离大规模应用还有一段距离。波浪能很不稳定,只能与其他能源互补,才能保证用户使用。

波浪能与海流发电

即使在晴朗无风的日子里,海面也是动荡不定的,波浪不停地拍打着海岸。波浪是由风吹海水而引起的。波浪能主要是由风的作用引起的海水沿水平方向周期性运动而产生的能量。波浪能是巨大的,一个巨浪就可以把13吨重的岩石抛出20米高。一个波高5米、波波浪发电示意图长100米的海浪,在一米长的波峰片上就具有3,120千瓦的能量,由此可以想象整个海洋的波浪所具有的能量该是多么惊人。波浪能发电是利用波浪的推动力,使波浪转化为推动空气流动的压力来推动空气涡轮机叶片旋转而带动发电机发电。波浪发电设计方案最多,但是因为波浪能源分散,本身破坏力大,开发技术到现在为止还不成熟。据计算,全球海洋的波浪能达700亿千瓦,可供开发利用的为20亿~30亿千瓦,每年发电量可达9万亿度。

我国对波浪能的研究始于20世纪70年代,在1975年曾研制成一台1千瓦的波力发电浮标。80年代以来该项研究获得较快发展,我国成功研制航标灯用波能发电装置,并根据不同航标灯的要求,开发了一系列产品,与日本合作研制的后弯管型浮标发电装置,已向国外出口,该技术属国际领先水平。1989年,我国第一座波力电站在南海大万山岛建成,装机容量3千瓦。2000年,我国首座岸式波力发电工业示范电站——广东汕尾100千瓦岸式波力发电站建成,标志着我国海洋波力发电技术已达到实用化水平和推广应用的条件。

我国波力发电虽起步较晚,但发展很快。微型波力发电技术已成熟,小型岸式波力发电技术进入世界先进行列,但我国波浪能开发的规模远小于挪威和英国。

大洋中的海水从来都不是静止不动的,它像陆地上的河流那样,长年累月沿着比较固定的路线流动着,这就是“海流”。不过,河流两岸是陆地,而海流两岸仍是海水,在一般情况下,用肉眼是很难看出来的。世界上最大的海流,有几百公里宽、上千公里长、数百米深。大洋中的海流规模非常大。由于海流遍布大洋,纵横交错,川流不息,所以它们蕴藏的能量也是可观的。例如世界上最大的暖流——墨西哥洋流,在流经北欧时为1厘米长的海岸线上提供的热量大约相当于燃烧600吨煤的热量。据估算世界上可利用的海流能约为0.5亿千瓦,而且利用海流发电并不复杂,受到许多国家的重视。

1973年,美国试验了一种名为“科里奥利斯”的巨型海流发电装置。该装置为管道式水轮发电机,机组长110米,管道口直径170米,安装在海面下30米处。在海流流速为2.3米/秒条件下,该装置获得8.3万千瓦的功率。日本、加拿大也在大力研究试验海流发电技术。我国的海流发电研究也有样机进入中间试验阶段。

20世纪90年代以来,我国开始计划建造海流能示范应用电站,在“八五”、“九五”科技攻关中均对海流能进行连续支持。目前,哈尔滨工程大学正在研建75千瓦的潮流电站。意大利与中国合作在舟山地区开展了联合海流能资源调查,计划开发140千瓦的示范电站。因此要海流做出贡献还是有利可图的事业,当然也是冒险的事业。

海洋风能发电

海上的风能发电站2007年10月,中国海洋石油总公司在渤海湾的风能发电站安装完毕,这也是中国第一个海上的风能发电站。这个风能发电站装机容量1,500千瓦,在渤海湾距离陆地60多千米的海上。风能是指风所负载的能量,风能的大小决定于风速和空气的密度,当风速达到3米/秒以上就能带动发电机运转,产生稳定的电能。风能是可再生能源中发展最快的清洁能源,也是最具有大规模开发和商业化发展前景的发电方式,从中国2,000多年前的帆船到荷兰风车,都是人类利用风能的开端,也是风电技术发展的前奏。我国早在20世纪80年代就大力倡导开发风能,并开始实现风能并网发电。