书城自然科学巧夺天工:海洋工程与海港
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第8章 海洋中的矿物能源开发(3)

用半透膜把海水和淡水隔开,只允许淡水向海水渗透,形成盐差压高达24.8标准大气压,产生高达250米水柱的位能,这显示了盐差能是可利用的能源。但是要实际利用它时,在技术上还有一定的困难。因为其流量小,不容易得到很大的输出功率。

盐差能还可以利用浓淡电池的原理以化学方法转换为电能,在由多孔质隔膜隔开的两室分别注入海水和淡水,并插入电极,就在两极间产生0.1伏的电压。这种方法由于淡水内阻大也不容易得到大的功率输出。为了获得大容量的能,必须采用大面积的膜,设备相应也要大,这样就提高了成本。

总之,要使得海洋盐差发电实用化,尚须研究的问题还很多。

未来的海洋生物发电

科学家曾做过这样一个实验:把酵母和葡萄糖的混合液放在装有半透膜壁的容器里,将这个容器浸在另一个较大的容器中,较大的容器中盛有纯葡萄糖溶液,其中有溶解的氧气。在两个容器中都插入铂电极,连接两个电极便得到了电流,这说明在微生物分解有机化合物的时候,就有电能随之释放出来。

根据这个原理制造出来的电池叫生物电池。生物电池比电化学电池有许多优点:生物电池工作时不发热,不损坏电极,不但可以节约大量金属,而且寿命比电化学电池长得多。

目前,生物电池作为电源,已试用于信号灯、航标和无线电设备,其中有的虽然经过长期使用,效果仍然像刚开始那样。有一种用细菌、海水和有机质制造的生物电池,用做无线电发报机的电源,它的工作距离已达到10千米,用生物电池做动力的模型船也已在海上游弋。

从生物电池的工作原理,科学家们想到了海洋,一望无际的海洋就是一个巨大的天然生物电池。

海洋是生命的摇篮。在海洋的表层,阳光透入浅海,生长着许许多多的单细胞藻类:绿藻、褐藻、红藻等等,它们从海水中吸取了二氧化碳和盐类,在阳光下进行着光合作用,形成有营养的碳水化合物,同时放出氧,在海水中形成过多的带负电的氢氧离子。

海洋的底层是海洋动植物残骸的集聚地,也是河流从陆地带来丰富有机质的沉积场所。在黑暗缺氧的环境下,细菌分解着这些海底沉积物中的动植物残体和有机质,形成了多余的带正电的氢离子,于是海洋表层和底层的电位差产生了。实际上这是一个天然的巨大的生物电池。为此,科学家提出了在海洋上建立天然生物电站的设想,充分利用海洋表层水和海洋底层水的电位差产生电流。可以预料,随着科学技术的发展,未来人们将会在海洋上建起大型的天然生物电站,以便从海洋中取得大量电能。

尝试中的洋流发电

由于受稳定的盛行风的吹刮以及海水密度的不同等作用,海洋中形成了一股股流向、流速比较稳定,终年奔腾不息的海中之河——洋流。

洋流遍布世界各大洋。世界上最大的洋流有几百千米宽,上万千米长,几百米深,有的地段简直像一个海洋大瀑布。例如,有一股洋流自太平洋赤道出发,向北经菲律宾、我国台湾省,流向日本。这就是使我国沿海和日本等地冬季气候变暖的“黑潮暖流”。它宽约180千米,厚400千米,平均日流速60~150千米。其流量之大,相当于世界河流总量的20倍。使西欧变暖的墨西哥湾洋流也是世界上最大的洋流之一,平均流速为每秒1.7~2.3米。仅其中的一部分——佛罗里达海流就蕴藏着2500万~5000万千瓦的能量。

洋流不仅流量大,而且流速稳定。利用它的冲击力,可以使水轮机的叶轮高速旋转,从而带动发电机发电。利用洋流来发电就叫做“洋流发电”。

自20世纪80年代中期开始,洋流发电已引起人们的重视。例如,有一种小型的花环式洋流发电站可供灯塔、灯船用电,也可为潜艇的蓄电池充电。目前,各种大规模利用洋流发电的方案正在酝酿设计之中。

诚然,利用洋流发电确非易事。谁都知道,河流可以修筑大坝建造水力发电站,而茫茫大海,连个着落的地方都没有,怎么利用洋流的能量来进行发电呢?

尽管困难很大,人们还是想出了办法。截至20世纪90年代初,在美国、英国、法国和日本取得了洋流发电装置的专利就有数百种之多。下面给大家介绍几种典型的发电装置。

1. 螺旋桨系留式

洋流虽然动能很大,但是,能量密度却较低。并且,设置在自由水流中的水轮机效率,即使在理论上,其最大值也只不过59%左右,而实际值比它还要低得多。所以,要利用洋流发电,就必须使用大直径的水轮机。

根据美国麻省理工学院对佛罗里达洋流的研究,设计了一种系留在半潜水支架上的立式四段六桨叶螺旋桨水轮机,它的输出效率为25%。为了在流速2.1米/秒时水轮机的输出功率达到2万千瓦,使用了4台直径为73米的螺旋桨。

日本也设计了一种犹如美国那样的螺旋桨式洋流发电装置。该装置的输出功率为27.5%,水轮机最后设计直径为53米,当流速为1.5米/秒时,水轮机功率为2500千瓦。由于是将此种水轮机两台并列设计,所以,发电机总输出功率达到5000千瓦。

2. 螺旋桨固定式

这种型式是由法国电力公司率先推出的,它类似于三叶片风力发电装置。这种装置的水轮机直径为 10.5米,在流速为3米/秒的水流中,每分钟转27圈,发电机输出功率达到500千瓦。

3. 半潜水型测流磁性传感转轮式

为了使该装置在流速为2.1米/秒的水流中达到输出功率为14050千瓦的设计要求,科学家们制成了一种转轴垂直的水轮机,它包括10个测流磁性传感器。上流机的流道配有罩子,上流机布置在与中心线成45°的位置上。试验表明,当每个转轮的效率提高时,也能使所有的转轮在水流方向上保持较大的稳定性。

4. 潜水型测流磁性传感转轮式

这是一种使流体增速的发电方式,用于流速较慢的水流。动力水轮机与发电水轮机分开安装,利用大型动力水轮机驱动泵加压海水,将高水位的水流引入发电水轮机中进行发电。在流速为2米/秒的水流中,为了使发电机的输出功率达到4500千瓦,科学家们将发电机设计成两台测流磁性传感型三翼叶片转轮水轮机。该装置长为80米,直径40米。将两台水轮机布置在同一轴的左右两侧上。作为动力水轮机的一台管形透平水轮机布置在同一中心线上,同时还附设有稳定翼,构成水中风筝形。这种潜水系留方式的优点是,不受洋面风暴的影响,可以稳定发电。

5. 降落伞集流发电装置

这一装置是由美国的默尔顿教授发明的。它主要是利用降落伞原理,整套设备由许多条高强度绳索拉紧固定。洋流进入集流装置后,冲向水轮机。洋流的动能转换成水轮机的转动力矩后做功,水轮机获得洋流的能量后,通过增速装置带动密封装置内的发电机转动而发电。尔后由海底电缆将电力输送到陆地上。

洋流经水轮发电机做功以后由扩散管排出。整套设备由浮筒悬浮在海中,由锚系固定。设在陆地上的控制中心可以遥控控制装置。当控制装置拉紧或放松流量调节装置时,能调节水轮发电机组的输出功率。

占有该项发明专利权的美国水利工程公司,为开发佛罗里达洋流资源,专家们设计了这一集流发电装置。该装置的进口直径为120米,水轮机转轮直径为50米。整套装置悬浮在离海面30米以下,既不妨碍船只航行,也不受风暴影响。

6. 电磁式

这种方式与前面所介绍的几种洋流发电方式不同,是在磁场内利用与磁场方向成直角流过的洋流来获得电流,所以是一种利用洋流能直接变换成电流的方式。电磁式发电方式的特征之一是运转部分完全没有机械装置。这种方式的基本原理虽然与磁流体发电原理大致相同,但是,以高温等离子气体为工作介质的磁流体发电与以海水为工作介质的电磁式发电系统的最大不同点在于:前者利用高温燃烧化石燃料,产生高温等离子气体的高速流进行发电的;而后者是利用洋流中的离子和动能进行发电的。

电磁式发电系统的主要结构包括发电装置、超导电磁铁和冷冻机三部分。

随着科学技术的发展,理想将变成现实。洋流的动力宝库一定会向人类敞开大门,为人类作出应有的贡献。