求海洋可再生能源發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢？

1、海洋可再生能源的研究背景

　　隨著世界經(jīng)濟的發(fā)展，人口的增加，社會生活水平的不斷提高，各國對能源的需求迅速增長，可以說沒有能源就沒有人類的文明。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，也帶來了嚴(yán)重的環(huán)境問題，已引起世界各國的高度重視[1]。隨著全球范圍內(nèi)能源危機的沖擊和環(huán)境保護及經(jīng)濟持續(xù)發(fā)展的要求，從能源長遠發(fā)展戰(zhàn)略來看，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)達國家和部分發(fā)展中國家21世紀(jì)能源發(fā)展戰(zhàn)略的基本選擇。

　　我國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。隨著我國經(jīng)濟快速發(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，走適合我國國情，有利于社會、經(jīng)濟、環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展之路[2]。

　　包括太陽能、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，保護環(huán)境，實現(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，是地球上尚未充分開發(fā)利用的最大領(lǐng)域，同時又是一種有利于環(huán)保清潔可再生的新能源。由于海洋處于十分重要的地位，因此各國都在加強發(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)將是人類進入海洋能源開發(fā)利用的新時代。

　　2、 海洋能的主要內(nèi)容

　　海洋能通常是指海洋本身所蘊藏的能量，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]。

　　海洋是一個巨大的能源轉(zhuǎn)換場，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，各類海洋能全球總儲量和我國可開發(fā)的能量如下表1所示。

　　表1 各類海洋能全球總儲量及我國可開發(fā)的能量

　　類別 全球儲量（億kW） 我國可開發(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： (1)可再生性，由于海水潮汐、海流和波浪等運動周而復(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，運用起來比較困難； (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)的祖國寶鳥——臺灣，其艦隊1661年4月30日從北海道登岸，就利用了潮汐漲落的規(guī)律。潮汐能用作動力的例子很多，如900多年以前，宋代修建福建泉州的洛陽橋就利用潮汐作“起重機”來搬運石塊。12世紀(jì)，法國、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)電機發(fā)電。問題是如何利用海潮所形成的水頭和潮流量，去推動水輪發(fā)電機運轉(zhuǎn)。海水的垂直漲落運動稱為潮汐，海水水平運動叫潮流。人們通常把潮汐和潮流中所包含的機械能統(tǒng)稱為潮汐能。潮汐能利用一般分兩種形式：一是利用潮汐的動能，直接利用潮流前進的力量來推動水車、水泵或水輪發(fā)電機；一是利用潮汐的位能，在電站上下游有落差時引水發(fā)電。由于利用潮汐的動能比較困難，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、落與庫水位形成落差進行漲落潮發(fā)電。利用潮汐能發(fā)電可以采用單庫單向、單庫雙向或雙庫單向等三種形式[5,6]。

　　國外利用潮汐發(fā)電始于歐洲，20世紀(jì)初德國和法國已開始研究潮汐發(fā)電。世界上最早利用潮汐發(fā)電的是德國1912年建成的布蘇姆潮汐電站，而法國則于1966年在希列塔尼米島建成一座最大落差為13.5m、壩長750m、總裝機容量24萬kW的朗斯河口潮汐電站，年均發(fā)電量為5.44億kW?h，它使潮汐電站進入了實用階段。之后，美、英、加拿大、前蘇聯(lián)、瑞典、丹麥、挪威、印度等國都陸續(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。

　　我國大陸海岸線長1.8萬km，曲折的海岸線，眾多的潮汐河流，蘊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清灣江廈潮汐試驗電站裝機容量最大，功率為3 200kW，僅次于法國的郎斯潮汐發(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，國內(nèi)外已建的主要潮汐電站如表2所示

　　表2 國內(nèi)外已建主要潮汐電站

　　站名 所在地 裝機容量（MW） 運行方式 建成時間

　　朗斯 法國 24×10 單庫雙向 1967年

　　安納波利斯 加拿大 1×20 單庫單向 1984年

　　基斯洛灣 前蘇聯(lián) 2×0.4 單庫雙向 1968年

　　江廈 中國浙江 1×0.5 1×0.6 3×0.7 單庫雙向 1985年

　　海山 中國浙江 2×0.075 雙庫連程 1975年

　　白沙口 中國山東 0.96 單庫單向 1978年

　　瀏河 中國江蘇 2×0.075 單庫雙向 1976年

　　鎮(zhèn)口 中國廣東 6×0.026 單庫雙向 1972年

　　果子山 中國廣西 0.04 單庫單向 1977年

　　潮汐能發(fā)電是一項潛力巨大的事業(yè)，經(jīng)過多年來的實踐，在工作原理和總體構(gòu)造上基本成型，可以進入大規(guī)模開發(fā)利用階段，隨著科技的不斷進步和能源資源的日趨緊缺，潮汐能發(fā)電在不遠的將來將有飛速的發(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、周期性上下波動的波浪，這種波浪具有一定的動能和勢能。波浪能的大小與波高的平方和波動水域面積成正比。目前，日本、英國、美國、德國、加拿大、中國等都在研究波浪能發(fā)電，以日本、英國、挪威等國開發(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，人們運用最多的幾種方式有氣動式波浪能發(fā)電、液動式波浪能發(fā)電、蓄水波浪能發(fā)電等。氣動式波浪能發(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，以推動空氣渦輪機發(fā)電。世界上第一臺小型氣動式波浪能發(fā)電裝置是日本人益田在1964年發(fā)明的。液動式波浪能發(fā)電裝置是把波浪能轉(zhuǎn)換成液壓能，再通過液壓電機發(fā)電。比較典型的是英國人索爾特博士發(fā)明的“點頭鴨”式波浪發(fā)電裝置，“鴨體”吸收波浪能效率可達80%～90%。1985年，英國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，以涌進岸邊高處的蓄水池，再用高水頭來沖擊水輪電機發(fā)電。

　　我國波浪能資源豐富，估計約有5億kW以上。但我國波浪能發(fā)電的研究起步較晚，1990年才在大萬山島建成第一座20kW級的試驗性波浪發(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，去推動渦輪發(fā)電機發(fā)電。最早提出開放循環(huán)式溫差發(fā)電的是法國的阿松瓦爾，他的學(xué)生克勞德在1926年試驗成功海水溫差發(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使低沸點物質(zhì)(如氟里昂、氨等)產(chǎn)生蒸汽，再用蒸汽推動渦輪發(fā)電機發(fā)電。閉路循環(huán)式是美國安德森父子1964年提出來的，1979年美國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)電可大大提高進排氣之間的壓力差和渦輪機的工作效率。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，且效率更高。

　　目前，全世界已建有8座溫差能發(fā)電站。預(yù)計到2010年全球?qū)⒂?030座海洋溫差能發(fā)電站問世。美、日等國是研究溫差能發(fā)電的先進國家。美國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16萬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級兩座溫差能電站。我國海域遼闊，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。中國科學(xué)院廣州能源研究所于20世紀(jì)80年代中期曾在實驗室進行過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，咸淡水相混時就會形成鹽度差和較高的滲透壓力，淡水會向咸水方向滲透，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)電是美國人在1939年首先提出來的。目前，世界上只有以色列建了一座150kW的鹽差能發(fā)電的實驗裝置，實用性鹽差能發(fā)電站還未問世，看來人類要大規(guī)模地利用鹽差能發(fā)電還有一個相當(dāng)長的過程。

　　3.5 海流能

　　海流亦稱洋流，是海洋中的海水朝一個方向不斷流動，尤如河流具有固定流動路線一樣，會產(chǎn)生一種不易覺察的海流動力。海流主要分布在大西洋的西部邊界，那里有強大的黑潮海流、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高速旋轉(zhuǎn)，再帶動發(fā)電機發(fā)電。美國設(shè)計了一個最宏偉的海流能利用裝置，就放在佛羅里達半島外側(cè)的墨西哥海流上，還將一艘海流發(fā)電船長年停泊在強勁的海流上發(fā)電。我國海流能發(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)仍處于試驗研究階段。

　　4、我國海洋能發(fā)展存在的問題

　　近50年來，我國海洋可再生能源研究取得了長足進步，但是，與世界先進水平相比，還存在不小差距，主要原因如下：

　?。?）我國海洋能源總量巨大，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性電站較少，科技創(chuàng)新投資力度?。?/p>

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

　　5、發(fā)展趨勢

　　海洋能的發(fā)展趨勢是大型化，這有利于提高經(jīng)濟效益；另外一個發(fā)展趨勢是多種經(jīng)營、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)濟效益。潮汐電站一般都要截取港灣作為水庫，建壩之后的庫水位比建壩前的海水位要低，因此沿庫區(qū)周圍就可以開墾出大片田地，這與河川電站水庫蓄水后將淹沒大量耕地正好相反。潮汐電站水庫的水面水位變幅小，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，位于浙江省溫嶺市的江廈潮汐試驗電站圍墾與養(yǎng)殖的效益已遠高于發(fā)電的收入。

　　對于溫差能發(fā)電，不管是抽上來的熱水還是冷水，在用于發(fā)電目的以后所排出來的剩余海水都可用于多目的綜合利用，如水產(chǎn)養(yǎng)殖、動物飼養(yǎng)、植物培育、冷房冷庫等。由于深層海水具有營養(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)電在世界各國宏觀政策的支持、外部環(huán)境的推動及資金的扶持下，經(jīng)過多年的科研與試驗、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，獲益能力低等問題，還不具備市場競爭能力。根據(jù)海洋能源的發(fā)展現(xiàn)狀，為促進海洋能的產(chǎn)業(yè)化開發(fā)，未來應(yīng)著重從以下幾個方面發(fā)展：

　?。?）海洋能作為可再生能源具有持續(xù)開發(fā)價值，需進行世界各類海洋能資源儲量、分布的調(diào)查和評價；（2）對于在技術(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)境問題和它的經(jīng)濟性，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，進行新能源綜合開發(fā)利用技術(shù)、多能互補聯(lián)網(wǎng)運行與控制技術(shù)的研究等；（4）對已建的實驗潮汐電站開展優(yōu)化運行研究，提高其經(jīng)濟效益，以促進潮汐電站的大規(guī)模發(fā)展。