1、海洋工程前沿技术讲座报告我国海洋新能源的开发07011813李贝琦我国海洋新能源的开发一 概述1 海洋新能源海洋新能源主要包括海洋风能、波浪能、潮汐能、还有海洋生物能等，由于这些资源丰富、清洁干净、可再生性强，与生态环境和谐，被联合国环境组织视为目前最理想、最有前景的替代能源之一。我国有18000公里的海岸线、300多万平方公里的管辖海域，海洋能源十分丰富，利用价值极高。其中，近海域波浪的蕴藏量约为1.5亿千瓦，可开发利用量约3000万3500万千瓦，海洋风能约有7亿千瓦左右。同时，我国又是世界能源消费大国，大力发展海洋新能源符合国情，对于优化能源消费结构，减少污染，保护环境，支撑经济社会可持
2、续发展，意义十分重大。 目前，我国对于海洋新能源的利用才刚刚开始，尚未形成规模开发，海洋风电、潮汐等产业存在着科技创新水平相对落后，激励机制不够完善，尚未形成新能源持续发展的长效机制等方面的问题。特别是由于海洋新能源研发、生产投资成本高，短时间内难有明显经济效益，目前在沿海大多数地区海洋新能源开发仍受到冷落，没有引起有关方面足够的重视。这其中重要的原因是缺乏战略眼光，尚未意识到海洋新能源开发利用的广阔前景和市场潜力，尤其没有认识到发展海洋新能源对保护环境的积极作用。 调查数字显示，中国单位GDP能源消耗是世界平均水平的4倍，每年我国的GDP增长，有大约4%到6%被环境代价抵消。近年来，沿海地区
3、传统的高消耗、高排放、低效率的粗放型增长方式在给海洋经济带来高速增长的同时，也付出了高昂的环境代价。要想改变过去高消耗高污染的经济增长模式，办法之一就是大力发展包括海洋能源在内的各种可再生能源。2 海洋能源开发利用的重要性21 世纪将是海洋经济时代。浩瀚无垠的海洋是生命起源的摇篮， 资源和能源的宝库，也是人类实现可持续发展的重要基地。自古以来凡是重视海洋的国家都成了当时的发达国家。当今世界，人类正面临着“ 全球人口不断膨胀，陆地资源和能源日趋严峻”的危机，于是都把发展的希望寄托在占地球表面 积71% 的海洋，都在重新评价海洋，坚定不移地向海洋进军。尤其是海洋能源是地球上最大的能源，是不需要燃料
4、的理想能源，不污染环境的清洁能源，而且是可再生能源。利用海洋能发电既经济，又不占用土地，不受气候影响，也不污染环境，实为利用价值极高、潜力巨大的新能源，是未来能源中相当重要的部分。 现在，越来越多的国家都把合理有序地开发利用海洋资源和能源、保护海洋环境作为求生存、求发展的基本国策。 世界各国竞相研究如何利用蕴藏在深海中的多种资源和能源， 竞相研究如何运用海洋高科技开发技术。一个开发利用和保护海洋资源和能源、攻克现代尖端技术海洋高科技开发技术的世纪之潮已经兴起，从蓝色的海洋中索取应有尽有的资源和能源，使海洋资源和能源成为世界经济发展的新的增长点，正在成为时代的特征。海洋新能源对我国海洋事业的发展
5、还有着特别的意义：第一，海洋新能源的开发可以促进海洋产业的发展，扩大、提升海洋经济的规模和内涵，进而带动沿海地区经济的发展；第二，目前海洋经济结构要调整，增长方式要转变，发展海洋新能源就是海洋产业和技术发展的一个新的抓手和重点；第三，在海洋新能源领域，世界面临着很多共同的新技术创新问题，我国在建设海洋强国的过程中，有条件抓住机遇，在海洋新能源技术领域实现较快发展。海洋新能源是一项新兴的事业，发展空间和潜力很大。把握时机，促进海洋新能源技术的成熟和产业的发展，使海洋新能源在我国未来经济结构中发挥应有的作用，还有待沿海各地及海洋领域方方面面的共同努力。 二 海洋能源介绍绿色能源也称清洁能源，它可分
6、为狭义和广义两种概念狭义的绿色能源是指可再生能源，如水能、生物能、太阳能、风能、地热能和海洋能。这些能源消耗之后可以恢复补充，很少产生污染。广义的绿色能源则包括在能源的生产、及其消费过程中，选用对生态环境低污染或无污染的能源，如天然气、清洁煤（将煤通过化学反应转变成煤气或“煤”油，通过高新技术严密控制的燃烧转变成电力）和核能等等。浩瀚的大海，不仅蕴藏着丰富的矿产资源，更有真正意义上取之不尽，用之不竭的海洋能源。它既不同于海底所储存的煤、石油、天然气等海底能源资源，也不同于溶于水中的铀、镁、锂、重水等化学能源资源。它有自己独特的方式与形态，就是用潮汐、波浪、海流、温度差、盐度差等方式表达的动能、
7、势能、热能、物理化学能等能源。直接地说就是潮汐能、波浪能、海水温差能、海流能及盐度差能等。这是一种“再生性能源”永远不会枯竭，也不会造成任何污染。海洋是一个巨大的能源库。据粗略枯算, 各种海洋能储量的总和可以达到750亿千瓦。1 潮汐能就是潮汐运动时产生的能量，是人类利用最早的海洋动力资源也是海洋能利用中发展规模最大、技术较成熟的一种。潮汐是海水在月亮等天体的引力作用下发生的周期涨落。潮水涨落的水位差, 也就是潮差、在大洋中为几十厘米, 而在窄浅的港湾或喇叭形河口, 则可达几米或十几米。通过利用海水涨落潮差的势能, 控制水库落差, 推动水轮机驱动发电机来发电, 是现代利用海洋资源的一种有效方式
8、。中国在唐朝沿海地区就出现了利用潮汐来推磨的小作坊。后来，到了11-12世纪，法、英等国也出现了潮汐磨坊。到了二十世纪，潮汐能的魅力达到了高峰，人们开始懂得利用海水上涨下落的潮差能来发电。据估计，全世界的海洋潮汐能约有27亿千瓦，每年可发电12400万亿度。 甚至一些专家断言，未来无污染的廉价能源是永恒的潮汐。潮汐发电与水力发电的原理相似，它是利用潮水涨、落产生的水位差所具有势能来发电的，也就是把海水涨、落潮的能量变为机械能，再把机械能转变为电能（发电）的过程。且潮汐能量和海面的面积及潮差高度的平方成正比。潮汐发电必须选择有利的海岸地形，修建潮汐水库，涨潮时蓄水，落潮时利用其势能发电。由于涨潮
9、、落潮的不连续性，生成发电也不连续。具体地说，潮汐发电就是在海湾或有潮汐的河口建一拦水堤坝，将海湾或河口与海洋隔开构成水库，再在坝内或坝房安装水轮发电机组，然后利用潮汐涨落时海水位的升降，使海水通过轮机转动水轮发电机组发电。由于潮水的流动与河水的流动不同，它是不断变换方向的，因此就使得潮汐发电出现了不同的型式，例如：单库单向型，只能在落潮时发电。单库双向型：在涨、落潮时都能发电。双库双向型：可以连续发电，但经济上不合算，未见实际应用。2 海洋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。海洋波浪冲击海岸时激起大量的浪花, 冲击力可以摧毁坚固的建筑物。波浪中蕴藏着极大的能量,
10、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，波长100米的海浪，在一米长的波峰片上就具有3120千瓦的能量，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。据计算，全球海洋的波浪能达700亿千瓦，可供开发利用的为20-30亿千瓦。每年发电量可达9-万亿度。它每秒钟在1平方公里海面上产生的能量可以达到20万千瓦。现在, 许多国家都十分重视利用这种能源发电。3 海洋海流能在一些海域, 由于风的影响, 海洋表层的海水会沿着一定的路径流动。这种游动的海流会产生巨大的能量。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
11、1厘米长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。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。科学家估计,海洋中所有海流能的总储量高达50亿千瓦。北太平洋西部的“ 黑潮洋流” , 平均流速为每秒1米, 以宽30度公里、深度300米计算, 其平均输出功率为1000万千瓦。p 4 海洋温差能把温度的差异作为海洋能源又叫海洋热能。由于海水是一种热容量很大的物质，海洋的体积又如此之大，所以海水容纳的热量是巨大的。 这些热能主要来自太阳辐射，另外还有地球内部向海水放出的热量；海水中放射性物质的放热；海流摩擦产生的
12、热，以及其他天体的辐射能，但 99.99% 来自太阳辐射。因此，海水热能随着海域位置的不同而差别较大。海洋 热能是电能的来源之一，海水表面和深层温度可以相差 20 以上 , 这种差异蕴藏着巨大的能量。据估算span, 总蕴量可以达到 20 亿千瓦。目前 , 科学家正在积极着手进行温差能的开发利用 , 海洋温差发电已经进人实验阶级。美国、法国相继建造了小型实验室。 1990 年 , 日本在鹿儿岛正式建造的温差发电站 , 现已开始正常供电。此外 , 用海水温差发电还可以具有海水淡化功能。一座 10 万千瓦的温差发电站 , 每天可产淡水 378 立方米。通过海洋温差发电 , 还可以抽取深层海水中丰富
13、的营养物质，增进近海捕鱼量。 5 海洋盐度差能在江河入海口，淡水与海水之间还存在着鲜为人知的盐度差能。科学研究证明,两种含盐量不同的海水在同一容器中, 会由于盐离子的扩散而产生化学电位差能。同时, 利用一定的转换方式, 可以使这种化学电位差能转换为电能。近年来迅速发展的海洋盐差发电技术, 就是利用这种原理进行工作的。有人计算过, 海水的平均盐度为35%, 每条江河人海处的海水渗透压可以相当于240米高的水位落差口现在, 美国、日本等国的科学家都在开发海洋盐差发电系统。全世界可利用的盐度差能约26亿千瓦，其能量甚至比温差能还要大。盐差能发电原理实际上是利用浓溶液扩散到稀溶液中释放出的能量。 由此
14、可见，海洋中蕴藏着巨大的能量，只要海水不枯竭，其能量就生生不息。作为新能源，海洋能源已吸引了越来越多的人们的兴趣。三 开发利用海洋能源为人类造福我国东南沿海工业发达，能源紧张,岛屿众多，尤其是远离大陆的岛屿,缺乏甚至没有石化燃料，严重阻碍了经济的发展和国防的建设。 开发和利用海洋能源资源就更加重要。所谓的海洋能源资源包括海洋的潮汐、海流、海水温差、海水浓度差、海水压力差等能源以及波浪摇动能等等。 海洋能是海洋在太阳幅射、天体运动下产生的一种再生能,是取之不竭的能源1 据估计，世界海洋能的蕴藏量是750 多亿千瓦。 其中波浪能700 亿千瓦、潮汐能10 亿亿千瓦、温差能20 亿千瓦、海流能10
15、亿千瓦、盐度差能10 亿千瓦。我国的海洋能蕴藏量大约1014 亿千瓦。 其中潮汐能115 亿千瓦、盐度差能1 亿千瓦、波浪能约115 亿千瓦。余下的为其它能量开发和利用海洋能源，包括我国在内的世界各沿海国都进行了大量的实验和实践，取得了可喜的成果。从发展趋势上看，海洋能必将成为沿海国家的重要能源之一。海水受月亮和太阳引力的影响而产生潮汐，涨潮时，潮波由外海向沿海传播，由于水深变浅，地形变窄、能量聚集、振幅增大，在沿海河口区与河水相遇，从而使河流水位逐渐升高；潮退时，水位逐渐下降，使河床位出现升降差。这种现象沿江河可上溯至10 公里甚数百公里。 这些潮波影响的江河地区叫做感潮区。在这个区域内的港
16、湾和支流河段，涨潮时便成为天然蓄水库，可以安装机组用来发电，这就是潮汐水电站的基本原理。我国海岸线漫长，潮汐能源十分丰富， 而且取之不尽，用之不竭。利用海洋温差能可以开发深海矿产。在北纬20. 至南纬20. 之间的热带海域，海底蕴藏着丰富的锰结核矿。这里的海洋温差能是丰富的电力资源，利用其发电开发这里深海的锰结核矿藏有着良好的远景。 安装发电装置的浮动平台或岛架可以做为冶炼锰结核的基地，这种设备类似日本在波力发电船上安装回收海水中铀的吸咐装置一样，海洋温差发电产生的电能可以直接用于锰结核矿的加工和冶炼，这种综合利用不仅可以降低运输矿石、处理废料的费用，同时还可以改善海岛的经济结构。利用海水温差
17、还可以淡化海水。 朝鲜海峡的表层海水在27 以下，由于日本海海底洋流的作用，这一带海水在不太深的地方温度就会急剧下降，科研人员利用海水表层和深层的温差淡化海水。利用波浪摇动的能量可以制造波能船1 十八世界中叶，英国一艘捕鲸船在北冰洋遇到一头漂浮在海面上的死鲸，可是他们费尽九牛二虎之力,还是赶不上这头乘着波浪前进的死鲸，这是什么原因呢? 原来是死鲸的鳍起了动力机的作用，它能把海浪摇动的能量变成前进的动力。 人们从这里得到启示研制了波能船，就是在轮船的水下部分，每边各装10 个船鳍，这些鳍和船底有一定的角度，并可绕着转轴转动。当船受到波浪的影响而左右摇摆时，在水力的冲击下，船鳍就会产生一个升力，这
18、个力又可分解成起防摇扶正作用的横向力以及推动船泊前进的纵向力。 当船摇摆幅度达31 度时，即使船上的主机停车了，船仍能以11 节的速度前进，而当主机耗费的功率只有原来的一半时，船速可达14 节。利用同样原理还可制造波能潜艇。 这是海洋能源资源的又一应用。在石化燃料能源、水利能源资源日益枯竭的今天，开发利用海洋能源是一条解决和扩大开发利用，使之更好地造福人类，服务于社会。四 海洋能开发利用现状及发展目标1海洋能开发利用现状潮汐发电中国潮汐发电开始于1958 年前后, 经过30 多年的发展, 建成潮汐电站8 座, 总装机容量6120kW , 年发电量约10106kW h, 其中最大的浙江省江厦潮汐
19、试验电站, 总装机容量3200kW , 1980 年开始发电, 1985 年底5台机组全部并网发电。该电站技术较先进, 单机容量500kW 和700kW 的灯泡贯流式水轮发电机组, 全由中国自己研制。事实证明, 电站设备和厂房的设计、制造、安装和运行都是成功的。1989 年建成的福建省幸福洋潮汐电站, 6 台机组总装机容量1280kW。建成最早的浙江省沙山潮汐电站, 装机容量40kW , 迄今已近40 年, 仍在运行发电, 深受群众欢迎。80 年代以来浙江福建等地对若干个大中型潮汐电站站址, 进行了考察、勘测、规划设计和可行性研究等大量的前期准备工作。总之, 中国潮汐发电技术历史较长, 已有较
20、好的基础和丰富的经验, 小型潮汐发电技术基本成熟, 已具备开发中型(10MW 级 潮汐电站的技术条件。波浪发电中国波力发电研究始于70 年代末, 80年代获得较快发展, 航标灯浮用微型波力发电装置已商品化, 现已生产290 多台在沿岸海域航标和大型灯船上推广应用。与日本合作研制的后弯管型浮标发电装置, 近期可望向国外出口, 该技术属国际领先水平。在珠江口大万山岛上研建的岸边固定式波力电站,第一台3kW 的装置1990 年已试发电成功。装机容量20kW 的岸式波力实验电站1995年发电成功, 并可与柴油发电机组并网运行,向海岛供电。总之, 中国波力发电研究虽起步较晚, 但发展较快, 微型波力发电
21、技术已经成熟, 发电装置已商品化, 小型岸式波力发电技术也已进入世界先进行列。潮流发电中国潮流发电研究始于70 年代末, 首先在舟山海域进行了8kW 潮流发电机组原理性试验, 当流速3m s 时, 出力达5. 7kW。80年代一直进行立轴直叶水轮机潮流发电装置试验研究, 1989 年研制成1 台1kW 河流发电装置, 经在水库尾水渠试验证明是可行的,现正在采用此原理进行10kW 潮流试验电站的研建工作, 在舟山海域的站址已选定。温差发电和盐差发电中国80 年代开始进行温差发电和盐差发电的试验研究, 并取得一定进展。2 海洋能开发的战略目标(1 规模部署 2000 年前巩固小型潮汐、波浪、潮流发
22、电技术成就, 推广小型潮汐电站和微型波力发电装置, 推进小型波浪、潮流电站的实用化, 重点搞好中型潮汐电站研建, 并做好建设大型潮汐电站的准备工作。2010 年前潮汐发电向大、中、小并举过渡, 波浪、潮流发电以小型为主。(2 区域部署 2010 年前海洋能开发的重点是沿岸。潮汐能重点是东海沿岸, 潮流能重点是浙江省舟山海区, 波浪能重点是东海和南海沿岸, 温差能重点是南海西沙地区,小型潮汐、波浪发电重点是海岛。综上所述, 中国海沿岸特别是东、南海沿岸蕴藏着较丰富的海洋能资源, 并具有较大的开发价值。潮汐能开发已具备研建中型电站的技术条件, 波浪能发电技术已进入世界先进行列。中国已拥有一支初具规模训练有素的海洋能开发专业队伍。中国东南沿海各省市一方面人多地少、经济发达、能耗量大、常规能源严重短缺; 另一方面又经济发展快、潜力大、急需要解决能源供应, 这就为开发海洋能资源展现了美好的前景。中国海洋能开发定会获得更快发展, 定会为解决东南沿海地区的能源紧张和经济发展做出应有的贡献。
