1、浅谈海洋能利用 海洋能，主要是指依附于海水中的可再生能源，它包括潮汐能、海浪能、海 流能、海水温差能、海水盐差能等，一般不包括海底石油和天然气等化石能源在 内。从目前技术发展来看，潮汐能发电技术最为成熟，波浪能和潮流能在各国相 继处于研发和应用阶段，是研究的热点; 温差能还处于研究初期，在进行技术探 索。 海洋占地球表面积的71，它接受来自太阳的辐射能比陆地上要大得多，因 此全球海洋能的可再生量非常之大，其开发利用的潜力很大。根据联合国教科文 组织提供的资料，全世界海洋能的可再生量，从理论上说近800亿千瓦。 一 潮汐能 海洋潮汐是由于月球和太阳引力的作用而引起的海水周期性涨落现象。 人通 常
2、把海水在白天的涨落叫做“潮”，把海水在夜间的涨落叫做“汐”，合起来称 为“潮汐”。潮汐天天发生，永不停息。月球虽然比太阳小得多，但它离地球比 太阳近得多，月球对地球上海水的引潮力大约是太阳的2.17倍。 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，而随着海水水位的升高，就把海水的巨大动能转化为势能。在落潮的 过程中，海水奔腾而去，水位逐渐降低，大量的势能大都转化为动能。海水在潮 涨潮落运动中所包含的大量动能和势能，称为潮汐能。 潮汐涨落所形成的水位差，即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，通常只有几十厘米至1米左右。而
3、在喇 叭状海岸或河口的地区，潮差就比较大。海水潮汐能的大小随潮差而变，潮差越 大则潮汐能也越大。 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造一 座拦水堤坝，将入海河口或海湾同海洋隔开，形成一个天然水库，并在堤坝中或 坝旁安装水轮发电机组，利用潮汐涨落时海水水位的升降，以此来推动水轮发电 机组进行发电。 潮汐能取之不尽用之不竭，是一种开发潜力极大的天然能源。潮汐发电的主 要优点是：潮汐电站的水库都是利用河口或海湾来建造的，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量的良田； 它既不像河川水电站那 样受洪水和枯水季节的影响，也不像火电站那样污染环境，是一种既不
4、受气候条 件影响而又非常“干净”的发电站；潮汐电站的堤坝较低，容易建造，其投资 也相对较少。 我国的海岸线长达2万千米，潮汐能的蕴藏量至少在2亿千瓦以上，约占世界 潮汐能总蕴藏的8。其中，渤海3000万千瓦，黄河5500万千瓦，东海7400万千 瓦，南海4000万千瓦；而钱塘江的潮汐能大约是7 0 0万千瓦。随着科学技术的 发展， 人们已不满足于利用潮汐能来推动水车和水磨了， 而是要利用潮汐来发电。 建国以后。在我国的广东、上海、福建、浙江、山东和江苏等地，先后建造了数 十座小型潮汐发电站。19 8 0年我国建成的浙江温岭县江厦潮汐电站，其装机总 容量为3000千瓦，有几台500700千瓦的机
5、组已相继正式并网发电。这座潮汐电 站的规模仅次于法国的朗斯潮汐电站，居世界第二位。 法国、英国、美国、加拿大、阿根廷和独联体各国都很重视潮汐电站的发展，其中法国一马当先。 二 海浪能 据测试，海浪对海岸的冲击力可达每平方米2030吨，在个别情况下甚至达 到60吨。所以，科学家们早在几十年之前就开始了对海浪能的研究，以便让海洋 更多地造福于人类。 我国的黄海和东海的年平均波高为1.5米，南海的年平均波高为1米左右，而 它们的年平均波周期大约是6秒。据估算，我国领海的海浪能总量达1.7亿千瓦； 全世界的海浪能总量高达25亿千瓦，这个数目与潮汐能旗鼓相当。 1964年，日本造出了世界上第一个海浪发电
6、装置航标灯。虽然这台发电 机的发电能力只有60瓦，只够一盏航标灯使用，然而它却开创了人类利用海浪来 进行发电的新纪元。 该装置发电的原理就像一个倒置的打气筒, 如图1 所示, 放 置在海面上的浮标1 由于波浪的作用而上下浮动, 中央管道2 中水位不变,空气 活塞3 随浮标上下浮动而上下运动, 带动活塞中的空气反复经历压缩和膨胀的 过程, 于是驱动空气涡轮机4 和发电机5 运转发电。 利用海浪进行发电，既不消耗任何燃料和资源，又不生产任何的污染。是一 种极其“干净”的发电技术。并且它无需占用任何土地，只要是有海浪的地方就 能发电。对于那些无法架设电线的沿海小岛，海浪发电是最适用不过的。 海浪能转
7、换的原理与技术 海浪发电是海浪能利用的主要方式，此外，海浪能还可以用于抽水、供热、 海水淡化以及制氢等。海浪能利用装置的种类繁多，有关波能装置的发明专利超 过千项。因此，波能利用又被称为发明家的乐园。但这些装置大部源于几种基本 原理，即：利用物体在波浪作用下的振荡和摇摆运动；利用波浪压力的变化；利 用波浪的沿岸爬升将波浪能转换成水的势能等。经过70年代对多种波能装置进 行的实验室研究和80年代进行的实海况试验及应用示范研究，海浪发电技术已 逐步接近实用化水平，研究的重点也集中于3种被认为是有商品化价值的装置， 包括振荡水柱式装置、摆式装置和聚波水库式装置。 海浪发电装置大都可看作为一个包括三级
8、能量转换的系统。一般说来，一级 能量转换机构直接与海浪相互作用，将波浪能转换成装置的动能、或水的位能或 中间介质（如空气）的动能与压能等；二级能量转换机构将一级能量转换所得到的能量转换成旋转机械的动能，如水力透平、空气透平、液压马达等；三级能量 转换将旋转机械的动能通过发电机转换成电能。 以下分别介绍上述三种最有前途 的装置能量转换原理及过程。 振荡水柱波能装置 振荡水柱波能装置可分为漂浮式和固定式两种。目前已建成的振荡水柱波能 装置都利用空气作为转换的介质。其一级能量转换机构为气室，二级能量转换机 构为空气透平。气室的下部开口在水下与海水连通，气室的上部也开口（喷嘴）， 与大气连通。在波浪力
9、的作用下，气室下部的水柱在气室内作强迫振动，压缩气 室的空气往复通过喷嘴，将波浪能转换成空气的压能和动能。在喷嘴安装一个空 气透平并将透平转轴与发电机相连， 则可利用压缩气流驱动透平旋转并带动发电 机发电。振荡水柱波能装置的优点是转动机构不与海水接触，防腐性能好，安全 可靠，维护方便。其缺点是二级能量转换效率较低。 图 2（a）波动水柱波浪能发电装置 图 2（b）波动水柱波浪能发电装置工作原理 摆式波能装置 摆式波能装置也可分为漂浮式和固定式两种。摆体是摆式装置的一级能量转 换机构。 在波浪的作用下， 摆体作前后或上下摆动， 将波浪能转换成摆轴的动能。 与摆轴相联的通常是液压装置，它将摆的动能
10、转换成 液力泵的动能，再带动发 电机发电。摆体的运动很适合波浪大推力和低频的特性。因此，摆式装置的转换效率较高，但机械和液压机构的维护较为困难。摆式装置的另一优点是可以方便 地与相位控制技术相结合。 相位控制技术可以使波能装置吸收到装置迎波宽度以 外的波浪能，从而大大提高装置的效率。 聚波水库波能装置 聚波水库装置利用喇叭型的收缩波道，作为一级能量转换机构。波道与海连 通的一面开口宽，然后逐渐收缩通至贮水库。波浪在逐渐变窄的波道中，波高不 断地被放大，直至波峰溢过边墙，将波浪能转换成势能贮存在贮水库中。收缩波 道具有聚波器和转能器的双重作用。水库与外海间的水头落差可达3-8m，利用 水轮发电机
11、组可以发电。聚波水库装置的优点是一级转换没有活动部件，可靠性 好， 维护费用低， 系统出力稳定。 不足之处是电站建造对地形有要求， 不易推广。 波浪能利用中的关键技术主要包括：波浪的聚集与相位控制技术；波能装置 的波浪载荷及在海洋环境中的生存技术；波能装置建造与施工中的海洋工程技 术；不规则波浪中的波能装置的设计与运行优化；往复流动中的透平研究等。 目前利用海浪发电的方法主要有三种： 利用海浪的上下运动所产生的空气 流或水流，使气(水)轮机转动，以带动发电机进行发电（如图3所示）；利用 海浪装置的前后摆动或转动以产生空气流和水流，使气(水)轮机转动，带动发电 机进行发电；将低压大波浪变为小体积
12、的高压水，然后再把高压水引入某一高 位水池积蓄起来，使其产生高压水头，以冲动水轮发电机组进行发电。图3 波浪发电原理示意图 所谓浮标式波浪发电装置， 就是利用海浪的上下运动所产生的空气流来进行 发电的装置。这种发电装置有一根空气管，管内的水面(相当于一个活塞)是相对 静止的，而管外的水面可以上下运动。海浪的起伏波动，使得浮标做上下运动， 于是浮标体内的空气活塞室里的空气就被水面这个“活塞”所压缩和扩张，使空 气从空气活塞室里冲了出来，以推动气轮发电机组进行发电。 关于海浪能的计算 海浪能的大小可以用海水起伏势能的变化来进行估算，根据波浪理论，波 浪能量与波高的平方成比例。波浪功率，即能量产生或
13、消耗的速率，既与波浪 中的能量有关，也与波浪到达某一给定位置的速度有关。按照Kinsman(1965年) 的公式，一个严格简单正弦波单位波峰宽度的波浪功率 W P 为： 2 2 32 HT g P w 式中：H为波高，T为波周期，为海水密度，g为重力加速度。如有一周期为10s， 波高为2m的涌浪涌向波浪发电装置，波列的10m波峰L的功率为： 32 ) 10 )( 10 ( ) 10 2 ( ) / 980 )( / 2 . 1 ( 3 2 2 2 2 3 cm s cm s cm cm g P WL ) 10 / 1 ( / 10 4 7 12 W s erg s erg P WL =400k
14、W。 它表明每10m波峰宽度的波浪功率等效为400kW。 日本还研制成了一种锥形浮体式海浪发电装置，它也是属于浮标式发电装 置， 但它不像上面所介绍的浮标式发电装置那样是利用海浪的上下运动所产生的 空气流来发电，而是利用共振原理来发电。这种发电装置的浮体，其固有频率与 海浪上下运动的频率相等，因而出现共振，并且利用这种共振来进行发电。浮体 的下端是锥体，锥体的顶端有一个能作正向和逆向转动的螺旋浆。当浮体与海水 作相对运动时，便驱使螺旋浆转动，并带动发电机组进行发电。 此外还有一种固定式海浪发电装置，其构造及工作原理类似于浮标式，所不 同的是将空气活塞固定于海岸上， 通过中央管道内水面的上下升降
15、来代替浮标的 上下运动， 以实现空气活塞室内空气的压缩和扩张， 推动气轮发电机组进行发电。 另外值得一提的是，在日本，上世纪70年代末造出了一艘海浪发电兼消波的 “海明”号大型海浪发电船，它能发出100150千瓦的电能，并具有远离海岸的 电力传输装置。 这艘海浪发电船长80米， 宽12米， 总重500吨， 船内安装了几台(空) 气轮机式海浪发电装置。它经常锚泊在距离海岸3000米的海上，其锚泊海域的水 深为40米左右。 英国于上世纪90年代初在苏格兰的艾莱岛上建造了一座发电能力为75千瓦 的海浪发电站，它是继挪威、日本之后利用海浪进行发电的第三个国家。此外英 国爱丁堡大学目前正在研制发电能力为
16、5万千瓦的海浪发电装置，并且英国人还 计划在海岸以外的海面上建造新的海浪发电站。 挪威科学家提出了一个大胆的设 想：要人为地制造大的波浪来进行海浪发电。这一大胆的设想，将使海浪发电的 研究试验工作进入一个新的阶段。 总的说来，海浪能是人类开发利用海洋能的一个重要方面，是一种开发利用 前景非常诱人的新型能源。目前全世界已有几百台海浪发电装置投入运行，但它 们的发电功率一般都还比较小，有待进一步开发利用。 三 海流能 在浩瀚的海洋中，除了存在潮水的涨落和波浪的上下起伏之外，还有一部 分海水经常是朝着一定的方向而不停地运动着的。它犹如人体内流动着的血液， 又类似于陆地上奔流不息的河川，长年累月地在海
17、洋中奔流着。人们把海洋中这 种神秘的河流叫做“海流”。 海流和陆上的河流差不多，它也有一定的长度、宽度、深度和流速。在一般 情况下，海流可长达几千千米，比我国的长江、黄河还要长；而海流的宽度也比一般河流宽得多，它相当于长江宽度的几十倍甚至上百倍；海流的速度通常为每 小时12海里(1海里=1.852千米)，有的可达每小时45海里。通常是在海洋表 面上的海流速度较大，随着深度的增加，海流的速度逐渐减小。 海风的吹袭和海水密度的不同，是产生海流的两个主要原因。由定向风持续 地吹袭海面所引起的海流，称为“风海流”；而由于海水密度的不同所产生的海 流，则叫做“密海流”。归根到底，这两种海流的能量都是来源
18、于太阳的辐射能。 海流也同河流那样蕴藏着巨大的动能，它在流动中具有很大的冲击力和潜 能，可以利用它来进行发电。据专家估算，世界各大洋中海流能的总量达50亿千 瓦，是海洋能源中蕴藏量最大的一种。 利用海流进行发电，比利用陆地上的河流进行发电要优越得多。海流不受洪 水的威胁，也不受枯水季节的影响，它几乎以常年不变的流量不停地运动， 完全可以成为一种稳定可靠的能源。 海流发电是依靠海流的冲击力来使水轮机旋转，再通过变速装置变换成高 速，然后带动发电机进行发电。目前的海流发电多是浮在海面上进行的。例如有 一种花环式海流发电站，它是由一串螺旋桨组成的，其两端固定于浮筒上，发电 机装在浮筒里。整个电站迎着
19、海流的方向而漂浮在海面上，看上去就像是一个花 环。这种发电站之所以用一串螺旋桨组成，主要是由于海流速度小的缘故。这种 海流发电站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，充其 量也不过为潜艇上的蓄电池充一充电而已。 美国设计了一种驳船式海流发电站，其发电能力比花环式海流发电站大得 多。这种发电站实质上就是一艘船，所以还不如称之为发电船更来得确切。其船 舷两侧装着巨大的水轮，水轮在海流的推动下不断地旋转，进而带动发电机进行 发电。它所发出的电力可通过海底电缆输送到岸上。这种驳船式海流发电站的发 电能力可达5万千瓦左右。这种建造在船上的海流发电站，一旦遭到狂风巨浪的 袭击，便迅速撤离
20、现场，躲进港湾，以确保安全。 在上世纪70年代末，国外出现了一种设计新颖的伞式海流发电站。这种海 流发电站也是建造在船上的。它是将50把降落伞串在一根长150余米的绳子上， 绳子的两头相连，形成环状，用它来聚集海流的能量。然后，将绳子套在锚泊于 海流里的船艉的两个轮子上。降落伞的直径约0.6米。置于海流之中而串连起来 的50把降落伞由强大的海流推动着，而处于逆流的伞就像大风把伞吹胀撑开一 样，并且顺着海流的方向运动起来。于是，拴着降落伞的绳子带动船上的两个轮 子旋转，而连接着轮子的发电机也跟着转动起来，进行发电。它所发出的电力同 样是通过海底电缆输送至岸上。 有人做过这样的计算：如果把伞式海流
21、发电站置于流速为3节(1节=1海 里小时，1海里=1.852千米)的海流中，那么只要用40把直径0.9米的降落伞拴 在500米长的绳子上，其发电能力就可达3.57万千瓦。美国能源部据此做过估 计：如果在佛罗里达海湾的海流中设置海流发电站，那么其发电能力可望达到 1000万千瓦的水平。 英国物理学家和化学家法拉第(17911867年)曾发现电磁感应现象并总结 出电磁感应定律，当时他对如何利用海流来服务于人类也有过一些初步的设想。 他认为，利用地磁可以进行海流发电。不过当时由于技术条件所限，无法产生足 够强大的磁场，因而法拉第的设想在当时无法成为现实。 1911年，人们首次发现了超导现象，随后又发
22、现了超导体。随着超导技术的 发展， 如今超导磁体的应用越来越广泛， 通过人工来形成强大磁场已不再是梦想。有的专家设想：只要用一个3.1万高斯的超导磁体放入黑潮海流中，那么海流在 通过强磁场时将造成对磁力线的切割， 从而可以发电， 其发电能力可达1500千瓦。 所谓黑潮，它是从我国的台湾省附近向北流去的一股暖海流。由于这股海流的盐 分重，水色深蓝，从高处俯视，很像是漂在蔚蓝色大海中的一条黑色绸带，因此 科学家们称之为“黑潮”。 我国海域辽阔，既有风海流，也有密海流；既有沿岸海流，也有深海海流。 这些海流的流速多在0.5海里小时左右，流量变化不大，流向也较为稳定。若 以平均流量100立方米秒计算，
23、 那么我国近海和沿岸海流的能量可达1亿千瓦以 上，其中以台湾海峡和南海的海流能量最为丰富，它们必将为发展我国沿海地区 的工农业生产提供充足而廉价的电力。 四 海水温差能 辽阔的海洋是一个硕大无比的“储热库”，它大量地吸收太阳能；同时它又 是一台巨大无比的“调温机”，随时都在调节着海洋的表面和深层的水温。海水 的温度，随着深度的增加而降低。这是因为太阳光无法透射到400米以米以下的 深海。表层海水与深500米处海水的温度，相差可达20以上。人们通常把深度 每增加100米海水温度之差称为“温度递减率”。通常是在100200米的深度范 围内海水的温度递减率最大；深度超过200米以后其温度递减率显著减
24、小；深度 达到1000米以上时其温度递减率已经变得相当微小。 海洋中上下层水温的差异，蕴藏着一定的能量，专家们称之为“海水温差 能”，也叫“海洋热能”。而这种海水温差能可以用来进行发电，人们把这种发 电方式叫做“海水温差发电”。 早在上世纪20年代，科学家们就开始着手研究试验海水温差发电的方法。 1926年，法国物理学家G克劳德进行了海水温差发电的小型试验，他在实验装置 的一个烧瓶（甲）里，加入28的温水(这相当于海水表层的水温)；在另一个烧 瓶（乙）里放入冰块，并保持0(以代替海洋深层的水温)。用真空泵将烧瓶内 的空气抽出(抽到压力低于0.038c m2)。由于液体的沸点是随着加在液面上压
25、力的减小而降低的，所以在此低压下，足以使得烧瓶（甲）中的水沸腾起来。要 是能够使烧瓶内的真空度进一步提高，也就是使烧瓶内的压力变得更低，那么烧 瓶（甲）中的温水就会提前沸腾而迅速蒸发。这样，相对于烧瓶（乙）中0的 冰块，就产生了以蒸汽压差为主的压力差。于是，烧瓶（甲）中蒸发的水蒸气通 过一个喷嘴喷出，推动涡轮发电机组进行发电。 克劳德试验成功以后， 于1929年在古巴建造了一套专门进行海水温差发电的 实验装置。他用一根直径为2米的铜管，在距离海岸2000米处，从650米的深海中 汲取冷海水。当温海水的温度为27.5而冷海水的温度为13时，其发电功率为 22千瓦。然而，他用水泵抽取冷海水时所消耗
26、的功率却达80千瓦。这岂不是“得 不偿失”吗?实际上不然，克劳德的这套实验装置的发电潜力并没有得到充分发 挥，按计算其发电功率可达220千瓦。但不管怎样，克劳德的实验表明：利用海 水的温差来进行发电在技术上是可行的。 海洋温差能的转换原理与技术 除了发电之外，海洋温差能利用装置还可以同时获得淡水、深层海水、进行 空调并可以与深海采矿系统中的扬矿系统相结合。因此，基于温差能装置可以建立海上独立生存空间并作为海上发电厂、海水淡化厂或海洋采矿、海上城市或海 洋牧场的支持系统。总之，温差能的开发应以综合利用为主。 海洋温差能转换 主要有开式循环和闭式循环两种方式。 现在的新型海水温差发电装置，是首先把
27、海水引入太阳能加温池，将海水加 温到4560(有时可高达90)，然后再将温海水引进保持真空的空间，使其蒸 发，由蒸汽推动汽轮发电机组进行发电。 不过通常的做法是，采用氨作为工作物质，用氨来吸收海水表层的热量 而蒸发成氨蒸气，以推动汽轮发电机组进行发电。做完工的氨被送进冷凝(由深 层的冷海水进行冷凝)，再通过泵把液态氨重新泵入蒸发器，利用表层海水使氨 再次蒸发，继续发电。 按循环方式分为闭式循环（图3a）、开式循环(图3b)、混合式循环。闭式 循环是以低沸点氯、 氟利昂等为工质， 在装置内循环； 开式循环是以海水为工质， 把海水的热能转移到工质上，使其蒸发、做功、冷凝进行循环。因为开式循环的 工
28、质是海水，蒸发做功被冷凝后会获得海水。 闭式循环发电系统 闭式循环系统不以海水而采用一些低涕点的物质（如丙烷、氟利昂、氨等） 作为工作介质，在闭合回路内反复进行蒸发、膨胀、冷凝。因为系统使用低沸点 的工作介质， 蒸汽的工作压力得到提高闭式循环与开式循环的系统组件及工作方 式均有所不同，开式系统中的闪蒸器改为蒸发器。当温水泵将表层海水抽上送往 蒸发器时，海水自身并不蒸发；而是通过蒸发器内的盘管把部分热量传递给低沸 点的工作流体， 如氨水。 温水的温度降低， 氨水的温度升育并开始沸腾变为氨气。 氨气经过透平的叶片通道，膨胀作功，推动零平旋转。透平排出的氨气进入冷凝 器、 在冷凝器内由冷水泵抽上的深
29、层冷海水冷却后重新变为液态氨， 再用氨泵 （工 质泵）把冷凝器中的液态氨重新压进蒸发器，以供循环使用。 闭式循环系统由于使用低沸点工质，可以大大减小装置，特别是透平机组 的尺寸。但使用低沸点工质会对环境产生污染。 图3 温差发电装置示意图(a) 开式循环发电系统 开式循环系统主要包括真空泵、温水泵、冷水泵、闪蒸器、冷凝器、透平 一发电机组等部分。真空泵先将系统内抽到一定的真空，接着起动温水泵把表层 的温水抽入闪蒸器，由于系统内已保持有一定的真空度，所以温海水就在闪蒸器 内沸腾蒸发， 变为蒸汽。 蒸汽经管道由喷嘴喷出推动透平运转， 带动发电机发电。 从透平排出的低压蒸汽进入冷凝器， 被由冷水泵从
30、深层海水中抽上的冷海水所冷 却，重新凝结为水，并排入海中。在此系统中，作为工作介质的海水，由泵吸入 闪蒸器蒸发，推动透平作功一经冷凝器冷凝后直排人海中，故称此工作方式的系 统为开式循环系统。在开式循环系统中，用海水作工作流体和介质，闪蒸器和冷 凝器之间的压差非常小。因此，必须充分注意管道等的压力损耗、且使用的透平 尺寸较大。开式循环的副产品是经冷凝器排出的淡水，这是它的有利之处。 图3 温差发电装置示意图(b) 利用海水的温差来进行发电，以得到一种副产品淡水，所以说海水温差 发电还具有海水淡化的功能。一座发电能力为10万千瓦的海水温差发电站，每天 可分馏出378立方米(约合10万加仑)的淡水，
31、以解决工业用水及饮用之需。另外， 由于电站抽取的深层冷海水中富含营养盐类，因而在海水温差发电站的周围，正 是浮游生物和鱼类栖息的理想场所，这将有利于提高鱼类的近海捕捞量。 利用海水温差进行发电，通常要选择海水温差在20以上的海域。古巴、巴 西、安哥拉、印度尼西亚以及我国南部沿海等低纬海域，是进行海水温差发电的 理想场所。据专家们估计，仅北纬20度至南纬20度之间的海域，海水温差的能量 就可以发电26亿千瓦。 温差能利用的最大困难是温差大小，能量密度太低。温差能转换的关键是 强化传热传质技术。同时，温差能系统的综合利用，还是一个多学科交叉的系统 工程问题。 五 海水盐差能 在大江大河的入海口，也
32、就是在江河水与海水相交融的地方，江河的淡水与 海里的咸水相互扩散，直到两者的含盐浓度相等为止。在海水与淡水相混合的过程中，同时释放出许多能量。含盐浓度高的海水以较大的渗透压力向淡水扩散， 同时淡水以较小的渗透压力向海水扩散。 这种渗透压力差所产生的能量， 称为 “海 水盐浓度差能”，也叫“海水盐能差”。 实验表明，在许多江河入海口处的海水渗透压力差，大致相当于240米高的 水位落差。目前世界上水坝高于240米的大水电站可以说是寥寥无几。可是，有 的江河入海口处海水的渗透压力却比这要大得多。例如，在约旦河流入死海的汇 合处，海水盐差的能量就大得惊人。由于死海的盐差浓度几乎达到了饱和状态， 其渗透
33、压力达到50500千帕(约合500个大气压)，相当于5000米高的水位落差。可 见其所含能量之巨大! 海水盐差的能量， 是由于太阳辐射热使海水蒸发后而导致海水浓度增大的结 果。在水循环过程中，被蒸发出来的大量水蒸气又变成云彩和雨滴而重新返回到 海洋中，同时释放出许多的能量，据估算，全世界的海洋一年的全世界海洋蕴藏 的海水温差能量大约有600亿千瓦。在我国的海域内，可供利用的海水温差能量 约为1.2亿千瓦。蒸发量相当于其水位降低1.3米，即每秒蒸发1.2107立方米的 水量。如果以2124帕(约合21个大气压)的海水盐差进行计算，那么全世界海洋盐 差的能量资源高达30亿千瓦。 如何有效地利用如此
34、丰富的海水盐差能量呢?科学家们想到了利用“浓差电 池”的化学原理，就是通过电化学的方法把盐差能转换成电能。海水浓差电池的 工作原理，就是在由多孔质隔膜(离子交换膜)隔开的两个容器中，分别地装入海 水和淡水，并分别插入电极，便可在两极之间产生0.1伏左右的电压。只要接通 电路，便会产生电流。 根据这种试验装置的原理，只要有大量的淡水与海水相混合，就能够释放出 巨大的能量来。试验表明，江河入海口是利用海水盐差能量最理想的场所。这是 因为，在江河入海口处，含盐极少的江河水总是源源不断地涌入大海，而海水本 身含有较多的盐分，因而海水与江河水之间就形成盐浓度差，我们只要将两个电 极分别地插进海水和江河水
35、里，并且把两个电极用导线连接起来，那么电流就会 源源不断。 但是，这种发电方法从技术上说还存在不少问题，因此它目前还只是处 于试验探索的阶段。 总的说来，海水盐差能的蕴藏量是极其巨大的，目前世界上的许多国家，包 括美国、瑞典和我国在内，都在加紧开展对海水盐差能的研究和开发利用。 结束语 海洋能应用在发电技术中主要具有如下特点: 1.能量蕴藏量大, 并且可以再生, 无污染据统计, 全球可用于发电的海洋 能蕴藏量约为1500 亿kW, 可能开发利用约100 亿左右, 数量十分可观。 2.能量密度低海水温差能是低热头的, 较大的温差也不过2025; 潮汐 能是低水头的, 较大潮差为710m;潮流能和
36、海流能是低速度头的, 最大流速约 2m/s;而波浪的密度通常也比常规燃煤电厂热交换器单位时间、单位面积的能量 低一个数量级。 3.稳定性比其他自然能源好海水温差能和海流能比较稳定, 潮汐能与潮流 能的变化也有规律可循。 4.技术难度大由于人类对于海洋世界的了解远不如对陆地的掌握, 开发利 用海洋能发电的技术难度大, 仍然有许多问题正在探索和研究中。 基于海洋能发电的上述特点, 当前海洋能发电开发的技术发展总的趋势为: 首先, 要提高电站的发电能力, 即呈现出电站的大规模发展趋势; 其次, 由于常规能源的有限性, 使海洋能的开发利用成为许多沿海国家开 发新能源的目标, 形成了海洋能发电技术及产品
37、的潜在市场, 即呈现出海洋发 电技术及产品的商品化; 第三, 目前海洋能发电的成本还较高, 为提高竞争力, 必须改进发电技术, 降低发电成本, 并且要走综合利用海洋能之路。 再次，还有很多技术问题急需解决;比如，海水对装备材料的腐蚀性。 海水是一种含有多种盐类的电解质溶液，并溶有一定量的氧，这就决定了海 水具有强烈的腐蚀性。海洋能发电装置安装运行后，受海水侵蚀、波浪冲击、日 照、海风、季节温度变化以及海生物侵蚀等多种因素的影响，加速了腐蚀，使材 料的性能降低，造成结构损坏，从而导致发电装置不能正常工作，不仅造成巨大 的经济损失，也严重制约了海洋能发电装置技术的发展。海洋能发电装置的防腐 蚀研究
38、是我国海洋能开发利用过程中急需解决的关键技术之一。 海洋中的材料和环境之间发生化学或电化学相互作用就会引起材料的破坏 或变质，发生腐蚀现象。腐蚀具有普遍性、隐蔽性、渐进性和突发性的特点。海 洋能发电装置主体结构多为金属材料，较易发生腐蚀。 总之，当前利用海洋能源的优势在于取材范围广、能量可再生、运行费用低 及无污染, 而劣势则在于一次性投资大、 技术上还有诸多问题有待解决, 并且虽 然海洋能源并不造成污染, 环境保护主义者们仍然存在担忧, 担心一旦广泛建 造各种发电设施后对海洋生态会产生无法预计的影响, 如对海洋水温、水流、盐 度分层以及水浸到海滨的影响,而这些变化, 又会影响到浮游生物、鱼类
39、及其他 有机物的生长。此外电站的建造对海岸线景观和航运、以及渔业都会产生不同程 度的影响。 尽管如此, 人类开发利用海洋这个庞大的能源宝库的脚步是不会停止 的, 我们要做的是如何更合理, 可持续地利用海洋资源, 使人与海洋和谐共处。 参考文献： 1王 洪,郝 梅.蓝色的煤海海洋能.科普在线 2谢红灿.海洋能发电, 湘电培训与教学,2008年第2期 3王维俊,王永健,郭军华,毛龙波,杨静,米红菊,叶盛.海洋能发电实验系统建 设研究与实践, 实验室研究与探索, 第30卷第7期 4王传昆，海洋能发电原理，科普苑海洋知识讲座（3） 5魏徵,海洋能利用的基本原理与关键技术 6李扬眉， 杨立， 杨东菊， 王海峰.海洋能发电装置的防腐技术概述, 海洋技术, 2011年9月,第30卷第3期 7高峰，利用海洋能的新模式, 科技之窗 8施伟勇，王传崑,沈家法.中国的海洋能资源及其开发前景展望，太阳能学报， 2011年6月,第32卷第6期
