求海洋可再生能源發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)？

1、海洋可再生能源的研究背景

　　隨著世界經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人口的增加，社會(huì)生活水平的不斷提高，各國(guó)對(duì)能源的需求迅速增長(zhǎng)，可以說(shuō)沒(méi)有能源就沒(méi)有人類的文明。在當(dāng)前的世界能源結(jié)構(gòu)中，人類所利用的能源主要是石油、天然氣、煤炭等化石燃料，這些燃料是不可再生的。正是化石能源的大量利用使其日漸枯竭，也帶來(lái)了嚴(yán)重的環(huán)境問(wèn)題，已引起世界各國(guó)的高度重視[1]。隨著全球范圍內(nèi)能源危機(jī)的沖擊和環(huán)境保護(hù)及經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展的要求，從能源長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展戰(zhàn)略來(lái)看，人類必須尋求一條發(fā)展?jié)崈裟茉吹牡缆?。開發(fā)利用新能源和可再生能源成為大多發(fā)達(dá)國(guó)家和部分發(fā)展中國(guó)家21世紀(jì)能源發(fā)展戰(zhàn)略的基本選擇。

　　我國(guó)能源更是倚重化石燃料，尤其是煤炭資源，因而引起的環(huán)境污染更為嚴(yán)重。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，能源供需緊張狀況日益嚴(yán)重，并已持續(xù)多年。21世紀(jì)，我國(guó)在能源開發(fā)利用方面面臨資源和環(huán)境兩大壓力，因此，必須改變我國(guó)當(dāng)前能源的開發(fā)、利用方式，著重開發(fā)新能源和可再生能源，走適合我國(guó)國(guó)情，有利于社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展之路[2]。

　　包括太陽(yáng)能、海洋能、生物質(zhì)能、地?zé)崮堋L(fēng)能和氫能在內(nèi)的新能源和可再生能源被人們普遍認(rèn)為是無(wú)污染的能源資源[3]。因此，大力開發(fā)和利用新能源和可再生能源成為減少污染，減排溫室氣體，保護(hù)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的一條重要途徑。

　　海洋占地球表面的71%，作為資源的寶庫(kù)，是地球上尚未充分開發(fā)利用的最大領(lǐng)域，同時(shí)又是一種有利于環(huán)保清潔可再生的新能源。由于海洋處于十分重要的地位，因此各國(guó)都在加強(qiáng)發(fā)展海洋科學(xué)技術(shù)，這有利于正在開拓中的海洋可再生能源在不久的未來(lái)形成具備一定規(guī)模的海洋產(chǎn)業(yè)。

　　充分利用海洋潮汐發(fā)電，已成為人類理想的新能源之一。海洋能的利用雖然問(wèn)題很多，難度很大，但是，隨著現(xiàn)代高新技術(shù)的不斷發(fā)展，人類開發(fā)利用海洋能的前景越來(lái)越廣闊。有關(guān)專家預(yù)言：隨著世界科技的飛速發(fā)展，本世紀(jì)將是人類進(jìn)入海洋能源開發(fā)利用的新時(shí)代。

　　2、 海洋能的主要內(nèi)容

　　海洋能通常是指海洋本身所蘊(yùn)藏的能量，它包括潮汐能、波浪能、溫差能、鹽差能、海流能和化學(xué)能，不包括海底或海底下儲(chǔ)存的煤、石油、天然氣等化石能源和“可燃冰”，也不含溶解于海水中的鈾、鋰等化學(xué)能源[4]。

　　海洋是一個(gè)巨大的能源轉(zhuǎn)換場(chǎng)，據(jù)研究，海洋中再生能源可供利用的能量約為70多億kW，是目前全世界發(fā)電能力的十幾倍。據(jù)初步統(tǒng)計(jì)，各類海洋能全球總儲(chǔ)量和我國(guó)可開發(fā)的能量如下表1所示。

　　表1 各類海洋能全球總儲(chǔ)量及我國(guó)可開發(fā)的能量

　　類別 全球儲(chǔ)量（億kW） 我國(guó)可開發(fā)能量（億kW）

　　潮汐能 17 1.1

　　波浪能 20 0.23

　　溫差能 100 1.5

　　鹽差能 20 1.1

　　海流能 0.3

　　化學(xué)能 0.18

　　海洋能有如下特點(diǎn)： (1)可再生性，由于海水潮汐、海流和波浪等運(yùn)動(dòng)周而復(fù)始，永不休止，所以，海洋能是可再生能源； (2)屬于一種潔凈能源； (3)能量多變，具有不穩(wěn)定性，運(yùn)用起來(lái)比較困難； (4)總量巨大，但分布分散、不均，能流密度低，利用效率不高，經(jīng)濟(jì)性差。

　　海洋能的用途除發(fā)電外，還可以用于軍事或民用。如鄭成功收復(fù)被荷蘭侵略軍占領(lǐng)的祖國(guó)寶鳥——臺(tái)灣，其艦隊(duì)1661年4月30日從北海道登岸，就利用了潮汐漲落的規(guī)律。潮汐能用作動(dòng)力的例子很多，如900多年以前，宋代修建福建泉州的洛陽(yáng)橋就利用潮汐作“起重機(jī)”來(lái)搬運(yùn)石塊。12世紀(jì)，法國(guó)、英格蘭和蘇格蘭在海邊建潮汐磨坊磨麥子。

　　3、研究現(xiàn)狀

　　目前，只有潮汐能發(fā)電技術(shù)比較成熟，其他形式海洋能的應(yīng)用大都還停留在探索階段。

　　3.1 潮汐能

　　潮汐能是海水受到月球、太陽(yáng)等天體引力作用而產(chǎn)生的一種周期性海水自然漲落現(xiàn)象，是人類認(rèn)識(shí)和利用最早的一種海洋能。潮汐能發(fā)電與水力發(fā)電的原理、組成基本上是一樣的，也是利用水的能量使水輪發(fā)電機(jī)發(fā)電。問(wèn)題是如何利用海潮所形成的水頭和潮流量，去推動(dòng)水輪發(fā)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。海水的垂直漲落運(yùn)動(dòng)稱為潮汐，海水水平運(yùn)動(dòng)叫潮流。人們通常把潮汐和潮流中所包含的機(jī)械能統(tǒng)稱為潮汐能。潮汐能利用一般分兩種形式：一是利用潮汐的動(dòng)能，直接利用潮流前進(jìn)的力量來(lái)推動(dòng)水車、水泵或水輪發(fā)電機(jī)；一是利用潮汐的位能，在電站上下游有落差時(shí)引水發(fā)電。由于利用潮汐的動(dòng)能比較困難，效率又低，所以潮汐發(fā)電多采用后一種形式，潮汐電站就是利用海洋潮位漲、落與庫(kù)水位形成落差進(jìn)行漲落潮發(fā)電。利用潮汐能發(fā)電可以采用單庫(kù)單向、單庫(kù)雙向或雙庫(kù)單向等三種形式[5,6]。

　　國(guó)外利用潮汐發(fā)電始于歐洲，20世紀(jì)初德國(guó)和法國(guó)已開始研究潮汐發(fā)電。世界上最早利用潮汐發(fā)電的是德國(guó)1912年建成的布蘇姆潮汐電站，而法國(guó)則于1966年在希列塔尼米島建成一座最大落差為13.5m、壩長(zhǎng)750m、總裝機(jī)容量24萬(wàn)kW的朗斯河口潮汐電站，年均發(fā)電量為5.44億kW?h，它使潮汐電站進(jìn)入了實(shí)用階段。之后，美、英、加拿大、前蘇聯(lián)、瑞典、丹麥、挪威、印度等國(guó)都陸續(xù)研究開發(fā)潮汐發(fā)電技術(shù)，興建各具特色的潮汐電站，并已取得巨大成功。

　　我國(guó)大陸海岸線長(zhǎng)1.8萬(wàn)km，曲折的海岸線，眾多的潮汐河流，蘊(yùn)藏著豐富的潮汐能源。潮汐能利用的近代發(fā)展，起始于20世紀(jì)50年代后期。從1958年起，我國(guó)陸續(xù)在廣東順德、東灣、山東乳山、上海崇明等地建立了幾十座潮汐能發(fā)電站，其中浙江省溫嶺市西南角樂(lè)清灣江廈潮汐試驗(yàn)電站裝機(jī)容量最大，功率為3 200kW，僅次于法國(guó)的郎斯潮汐發(fā)電站和加拿大安納波利斯潮汐發(fā)電站，是亞洲最大的潮汐電站。目前，國(guó)內(nèi)外已建的主要潮汐電站如表2所示

　　表2 國(guó)內(nèi)外已建主要潮汐電站

　　站名 所在地 裝機(jī)容量（MW） 運(yùn)行方式 建成時(shí)間

　　朗斯 法國(guó) 24×10 單庫(kù)雙向 1967年

　　安納波利斯 加拿大 1×20 單庫(kù)單向 1984年

　　基斯洛灣 前蘇聯(lián) 2×0.4 單庫(kù)雙向 1968年

　　江廈 中國(guó)浙江 1×0.5 1×0.6 3×0.7 單庫(kù)雙向 1985年

　　海山 中國(guó)浙江 2×0.075 雙庫(kù)連程 1975年

　　白沙口 中國(guó)山東 0.96 單庫(kù)單向 1978年

　　瀏河 中國(guó)江蘇 2×0.075 單庫(kù)雙向 1976年

　　鎮(zhèn)口 中國(guó)廣東 6×0.026 單庫(kù)雙向 1972年

　　果子山 中國(guó)廣西 0.04 單庫(kù)單向 1977年

　　潮汐能發(fā)電是一項(xiàng)潛力巨大的事業(yè)，經(jīng)過(guò)多年來(lái)的實(shí)踐，在工作原理和總體構(gòu)造上基本成型，可以進(jìn)入大規(guī)模開發(fā)利用階段，隨著科技的不斷進(jìn)步和能源資源的日趨緊缺，潮汐能發(fā)電在不遠(yuǎn)的將來(lái)將有飛速的發(fā)展，潮汐能發(fā)電的前景是廣闊的。

　　3.2 波浪能

　　波浪能發(fā)電是繼潮汐發(fā)電之后發(fā)展最快的一種海洋能源利用措施。波浪能是由大氣層和海洋在相互影響的過(guò)程中，由于在風(fēng)和海水重力作用下形成永不停息、周期性上下波動(dòng)的波浪，這種波浪具有一定的動(dòng)能和勢(shì)能。波浪能的大小與波高的平方和波動(dòng)水域面積成正比。目前，日本、英國(guó)、美國(guó)、德國(guó)、加拿大、中國(guó)等都在研究波浪能發(fā)電，以日本、英國(guó)、挪威等國(guó)開發(fā)利用的水平較高。

　　解決波浪能發(fā)電的關(guān)鍵是波浪能轉(zhuǎn)換裝置。目前，人們運(yùn)用最多的幾種方式有氣動(dòng)式波浪能發(fā)電、液動(dòng)式波浪能發(fā)電、蓄水波浪能發(fā)電等。氣動(dòng)式波浪能發(fā)電是利用波浪的起伏力量，均勻地把波浪能轉(zhuǎn)換成氣流能，以推動(dòng)空氣渦輪機(jī)發(fā)電。世界上第一臺(tái)小型氣動(dòng)式波浪能發(fā)電裝置是日本人益田在1964年發(fā)明的。液動(dòng)式波浪能發(fā)電裝置是把波浪能轉(zhuǎn)換成液壓能，再通過(guò)液壓電機(jī)發(fā)電。比較典型的是英國(guó)人索爾特博士發(fā)明的“點(diǎn)頭鴨”式波浪發(fā)電裝置，“鴨體”吸收波浪能效率可達(dá)80%～90%。1985年，英國(guó)在蘇格蘭的艾萊島建造了一座75kW的振蕩水柱波力電站，1995年又建成一座輸出功率為2MW的波浪能發(fā)電站，可滿足2000戶家庭用電。蓄水波浪能發(fā)電是利用氣泵原理，使海浪“聚集”，并提高波浪的高度，以涌進(jìn)岸邊高處的蓄水池，再用高水頭來(lái)沖擊水輪電機(jī)發(fā)電。

　　我國(guó)波浪能資源豐富，估計(jì)約有5億kW以上。但我國(guó)波浪能發(fā)電的研究起步較晚，1990年才在大萬(wàn)山島建成第一座20kW級(jí)的試驗(yàn)性波浪發(fā)電站。

　　3.3 溫差能

　　溫差能是由于深部海水與表面海水溫度差而產(chǎn)生的能量。溫差能發(fā)電與地?zé)崮馨l(fā)電相似，其方式有三種：第一種是開放循環(huán)式，即將海水直接在低壓下蒸發(fā)，產(chǎn)生蒸汽，去推動(dòng)渦輪發(fā)電機(jī)發(fā)電。最早提出開放循環(huán)式溫差發(fā)電的是法國(guó)的阿松瓦爾，他的學(xué)生克勞德在1926年試驗(yàn)成功海水溫差發(fā)電，并于1930年在古巴海濱建成世界上第一座海水溫差發(fā)電站，功率為10kW。1948年，法國(guó)在非洲象牙海岸建造了一座7000kW的海水溫差發(fā)電站。開放循環(huán)式發(fā)電除得到電能外，還可以得到大量的淡水和副產(chǎn)品。第二種是封閉循環(huán)式，即利用海水上下溫度差來(lái)使低沸點(diǎn)物質(zhì)(如氟里昂、氨等)產(chǎn)生蒸汽，再用蒸汽推動(dòng)渦輪發(fā)電機(jī)發(fā)電。閉路循環(huán)式是美國(guó)安德森父子1964年提出來(lái)的，1979年美國(guó)在夏威夷正式建成閉路循環(huán)式發(fā)電站，發(fā)電能力為50kW。閉路循環(huán)式發(fā)電可大大提高進(jìn)排氣之間的壓力差和渦輪機(jī)的工作效率。第三種是混合循環(huán)式，它具有以上兩種發(fā)電方式的特點(diǎn)，且效率更高。

　　目前，全世界已建有8座溫差能發(fā)電站。預(yù)計(jì)到2010年全球?qū)⒂?030座海洋溫差能發(fā)電站問(wèn)世。美、日等國(guó)是研究溫差能發(fā)電的先進(jìn)國(guó)家。美國(guó)在夏威夷建有一座閉路循環(huán)溫差發(fā)電站，輸出功率50kW，還將建一座發(fā)電能力達(dá)16萬(wàn)kW的溫差能發(fā)電站。日本于20世紀(jì)80年代分別在南太平洋的瑙魯島和鹿兒島建成100kW和MW級(jí)兩座溫差能電站。我國(guó)海域遼闊，東海、黃海、南海的平均水溫都比較高，特別是南海夏季平均可達(dá)36℃以上，且大部分地區(qū)水深在1000m以上，自表層向下500～1000m即可得到5℃的冷水，具有利用海水溫差發(fā)電的有利條件和廣闊前景。中國(guó)科學(xué)院廣州能源研究所于20世紀(jì)80年代中期曾在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行過(guò)開放式溫差能裝置的模擬研究。

　　3.4 鹽差能

　　海水屬于咸水，它含有大量的礦物鹽，河水屬于淡水。因此，當(dāng)陸地河水流入大海的交界區(qū)域，咸淡水相混時(shí)就會(huì)形成鹽度差和較高的滲透壓力，淡水會(huì)向咸水方向滲透，直至兩者鹽度平衡，在兩種水體的接觸面上新生一種物理化學(xué)能，利用這種能量發(fā)電就是海洋鹽差能發(fā)電。

　　鹽差能發(fā)電是美國(guó)人在1939年首先提出來(lái)的。目前，世界上只有以色列建了一座150kW的鹽差能發(fā)電的實(shí)驗(yàn)裝置，實(shí)用性鹽差能發(fā)電站還未問(wèn)世，看來(lái)人類要大規(guī)模地利用鹽差能發(fā)電還有一個(gè)相當(dāng)長(zhǎng)的過(guò)程。

　　3.5 海流能

　　海流亦稱洋流，是海洋中的海水朝一個(gè)方向不斷流動(dòng)，尤如河流具有固定流動(dòng)路線一樣，會(huì)產(chǎn)生一種不易覺(jué)察的海流動(dòng)力。海流主要分布在大西洋的西部邊界，那里有強(qiáng)大的黑潮海流、墨西哥海流，此外，世界上還有日本海流、北太平洋海流、南極環(huán)海流等。

　　海流能的主要用途是發(fā)電。它的發(fā)電原理就是利用海流的沖擊力使水輪機(jī)高速旋轉(zhuǎn)，再帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。美國(guó)設(shè)計(jì)了一個(gè)最宏偉的海流能利用裝置，就放在佛羅里達(dá)半島外側(cè)的墨西哥海流上，還將一艘海流發(fā)電船長(zhǎng)年停泊在強(qiáng)勁的海流上發(fā)電。我國(guó)海流能發(fā)電起步較晚，1994年才在浙江省岱山縣官山島建成第一座海流能發(fā)電站。目前，世界海流能發(fā)電技術(shù)仍處于試驗(yàn)研究階段。

　　4、我國(guó)海洋能發(fā)展存在的問(wèn)題

　　近50年來(lái)，我國(guó)海洋可再生能源研究取得了長(zhǎng)足進(jìn)步，但是，與世界先進(jìn)水平相比，還存在不小差距，主要原因如下：

　?。?）我國(guó)海洋能源總量巨大，但分布分散、不均，能流密度低，能量變化大，利用效率不高；

　?。?）海洋能利用技術(shù)是海洋、蓄能、土工、水利、機(jī)械、材料、發(fā)電、輸電、可靠性等技術(shù)的集成，目前尚不成熟，致使一次性投資大，與常規(guī)能源利用相比，經(jīng)濟(jì)性不好，影響海洋能利用的推廣；

　?。?）開發(fā)政策不明確，類似江廈潮汐電站的試驗(yàn)性電站較少，科技創(chuàng)新投資力度??；

　?。?）科研人員的人才結(jié)構(gòu)不合理，科技隊(duì)伍高齡化，學(xué)科帶頭人少。

　　5、發(fā)展趨勢(shì)

　　海洋能的發(fā)展趨勢(shì)是大型化，這有利于提高經(jīng)濟(jì)效益；另外一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)是多種經(jīng)營(yíng)、綜合利用[7]。

　　建設(shè)潮汐電站除了利用潮汐能發(fā)電以外，還可以廣泛開展包括圍墾、水產(chǎn)養(yǎng)殖、旅游及其他產(chǎn)業(yè)在內(nèi)的綜合利用，獲取巨大的經(jīng)濟(jì)效益。潮汐電站一般都要截取港灣作為水庫(kù)，建壩之后的庫(kù)水位比建壩前的海水位要低，因此沿庫(kù)區(qū)周圍就可以開墾出大片田地，這與河川電站水庫(kù)蓄水后將淹沒(méi)大量耕地正好相反。潮汐電站水庫(kù)的水面水位變幅小，用于養(yǎng)殖業(yè)有著特別的優(yōu)越性，養(yǎng)殖效益高，據(jù)統(tǒng)計(jì)，位于浙江省溫嶺市的江廈潮汐試驗(yàn)電站圍墾與養(yǎng)殖的效益已遠(yuǎn)高于發(fā)電的收入。

　　對(duì)于溫差能發(fā)電，不管是抽上來(lái)的熱水還是冷水，在用于發(fā)電目的以后所排出來(lái)的剩余海水都可用于多目的綜合利用，如水產(chǎn)養(yǎng)殖、動(dòng)物飼養(yǎng)、植物培育、冷房冷庫(kù)等。由于深層海水具有營(yíng)養(yǎng)、清凈、低溫等性能，其綜合利用前景更為廣闊。

　　6、 發(fā)展戰(zhàn)略

　　海洋能源發(fā)電在世界各國(guó)宏觀政策的支持、外部環(huán)境的推動(dòng)及資金的扶持下，經(jīng)過(guò)多年的科研與試驗(yàn)、開發(fā)與利用，已具備了一定的技術(shù)水平和生產(chǎn)基礎(chǔ)，但仍存在著投資大、規(guī)模小，獲益能力低等問(wèn)題，還不具備市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力。根據(jù)海洋能源的發(fā)展現(xiàn)狀，為促進(jìn)海洋能的產(chǎn)業(yè)化開發(fā)，未來(lái)應(yīng)著重從以下幾個(gè)方面發(fā)展：

　?。?）海洋能作為可再生能源具有持續(xù)開發(fā)價(jià)值，需進(jìn)行世界各類海洋能資源儲(chǔ)量、分布的調(diào)查和評(píng)價(jià)；（2）對(duì)于在技術(shù)上已經(jīng)成熟的潮汐發(fā)電站，要考慮建潮汐大壩的環(huán)境問(wèn)題和它的經(jīng)濟(jì)性，特別要考慮發(fā)電與圍墾、養(yǎng)殖與交通的綜合利用；（3）對(duì)于技術(shù)上還不成熟的波浪電站、潮流電站和海水溫差電站，進(jìn)行新能源綜合開發(fā)利用技術(shù)、多能互補(bǔ)聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行與控制技術(shù)的研究等；（4）對(duì)已建的實(shí)驗(yàn)潮汐電站開展優(yōu)化運(yùn)行研究，提高其經(jīng)濟(jì)效益，以促進(jìn)潮汐電站的大規(guī)模發(fā)展。