大海的能量

海生

提及新能源，人们想到的一般是风能和太阳能，但实际上，人类早在100多年前就已经将寻找可替代石化能源的 目光投向了海洋，开始了海洋能的研究。

海洋能指依附在海水中的可再生能源，海洋通过各种物理过程接收、储存和散发能量，这些能量以潮汐、波浪、温度差、盐度梯度、海流等形式存在于海洋之中。

温差发电历史久远

越往海底深处温度越低，甚至会寒冷刺骨，海面则比较温和。这还只是人类可以直接体验的范围，如果再深至海底500甚至1000米，温度将会相差更大。那么，这个温差能不能被利用起来发电，甚至建成一座海洋热能转换厂呢?

早在1881年，法国生物物理学家德?阿松瓦尔就提出利用海洋温差发电的设想。直到1930年，他的学生克洛德才在古巴的近海，建造了一座海水温差发电站，首次利用海洋温度差能量发电成功。20世纪80年代，联合国已经确认海洋热能转换是所有海洋能转换系统中最重要的一种。温差能的优势就在于它可以提供稳定的电力，如果不考虑维修，这种电站可无限期地工作。同时，海洋温差能在发电富余的情况下，还可以制氢并送回陆地。

美国一家航空航天公司洛克希德?马丁公司看中了海洋这座巨大的能量库，1979年在夏威夷建成世界上第一座海洋温差发电装置，利用海洋的温度差来驱动热力发电机发电：将温暖的表层水抽进热交换器当中，利用低沸点的物质——液氨作为工作流体，温水泵把表层温海水抽上送往蒸发器，液氨吸收了温水的能量，沸腾并变为氨气，氨气经过汽轮机的叶片通道，膨胀做功，推动汽轮机旋转。然后，氨气进入冷凝器，深层的冷海水再重新将其冷凝为液态氨，而经历热交换后温度较高的海水再次被抽回海洋，如此，在闭合回路中反复进行蒸发、膨胀、冷凝。

日本在海洋能开发利用方面也十分活跃，专门成立了海洋温差发电研究所，并在海洋热能发电系统和热交换器技术领域领先美国。1999年，日本和印度联合进行的1000千瓦海洋温差发电实验成功，推动了该技术的实用化。

2003年在印度南部的海域进行实验，以证实海洋温差发电的可行性。该系统在长70米、宽16米的设备船上安装了日本佐贺大学校长上原春男研制的热交换器。印度近海约30摄氏度的温海水会使液态氨变为蒸汽，推动汽轮机转动。上原春男等人还采取在液态氨中混入少量水，使用2个汽轮机的方法来提高发电效率。他们开发的这套系统据说能为2000人提供日常用电。

我国南海诸岛水深大于800米的海域约140万～150万平方公里，位于北回归线以南，太阳辐射强烈，表层和浅层水温均在 25℃以上，500～800米以下的深层水温在5℃以下，表深层水温差在20℃～24℃。 因此，我国南海诸岛温差能利用最具潜力。

潮汐发电前景看好

在潮汐能产业化研究和实践方面，日本、德国、法国、英国等国家走在前面。根据联合国教科文组织数据，全世界潮汐能的理论蕴藏量约为30亿千瓦，是目前全球发电能力的1.6倍。技术允许利用的约1亿千瓦。我国潮汐能蕴藏量约为2.9亿千瓦，年发电量可达2750亿度。

中国是世界上建造潮汐能电站最多的国家之一，上个世纪50年代到70年代，先后建成约50座潮汐电站，但其中大多数已经不再使用。目前，中国有7个潮汐电站在正常运行发电，总装机容量为7245千瓦，每年可发电1000多万千瓦时。由国电集团旗下龙源电力运营的江厦潮汐试验电站是我国最大的潮汐海洋能电站，共安装6台双向灯泡贯流式水轮发电机组，装机容量为3900千瓦。

在潮汐能产业化过程中，我国通过与其他国家合作等方式加快了步伐。2010年，广东省东莞市百川新能源公司与美国绿色电力公司在东莞组建国内首家专门研制新型海洋潮汐发电机的合资公司。2011年，国电集团潮汐海洋能发电技术重点实验室获国家能源局授牌，正式成为“国家能源研发中心和国家能源重点实验室”。有关专家表示，这一国内首个潮汐海洋能发电技术国家级重点实验室的揭牌，预示着潮汐海洋能发电正逐步迈入新能源产业行列。

专家称，在潮汐能产业化过程中，各国技术尚未形成垄断性差距，我国潮汐能产业化前景仍然看好。但包括潮汐能在内的海洋能，要想大规模的产业化应用，尚需要一定时日。

成本技术工艺成难题

海洋能源不同于传统能源，是一种“再生性能源”，也被称为21世纪的绿色能源，在现今世界能源紧缺之际，海洋能源的开发与利用已经成为能源开发的新课题。

目前，我国海洋能技术进入快速发展时期。2008年，中国海洋大学与机械科学研究总院研制成功5kW固定式柔性叶片水轮机潮流能发电装置。2011年初，“成山头海域建设波浪能、潮流能海上试验与测试场的论证及工程设计”和“新型永磁直驱式潮流发电装置研究与试验”两个国家首批海洋可再生能源项目落户青岛。

相对于传统能源，海洋能源的环保优势、经济优势及巨大开发潜力不断推动未来海洋能源产业的发展，而海洋能源的开发也不可置疑地成为能源产业，甚至海洋经济发展的新动力。

我国大陆海岸线长达18000多千米，拥有6500多个大小岛屿，海岛的岸线总长约14000多千米，海域面积达470多万平方千米，海洋能源十分丰富，达5亿多千瓦。

而在这5亿多千瓦的海洋能源中，潮汐能资源约为1.1亿千瓦，大部分分布在浙江、福建两省，约为全国总量的81%；沿岸波浪能的总功率为0.7亿千瓦，主要分布在广东、福建、浙江、海南和台湾的附近海域；海流能的蕴藏量为0.5亿千瓦，主要分布在浙江、福建等省；海洋温差能约为1.5亿千瓦，主要分布在海南省。

然而，面对巨大的海洋能源，我国目前的技术和开发情况却不相匹配。目前，只有潮汐能的开发相对处于世界先列，而其他海洋能源的开发仍力不从心。

海洋能的前景虽然乐观，但存在很大的挑战和不确定性。管道材料的设计、生产难度首当其冲。第一个挑战在于，管道要在深海承受巨大的大气压力、不断摇摆的洋流压力以及频繁变化的水温。一个10兆瓦的此类电站，预计需要一根直径13英尺的大管道。而要用于100兆瓦或更高容量的电站，预计其直径要达到33英尺宽，在水下延伸1000米，这几乎相当于纽约地铁隧道宽，两个半帝国大厦高。

另一个挑战就是，管道必须在现场生产。一根3200英尺长、33英尺宽的管道，如果在工厂制成，再用铁路或船运输拖入海洋，沉入水中，不但有运输方面的挑战，也很难抬升到合适的角度，沉降到适当的深度。因此，需要先在海上建造平台——要能够抵御风暴、洋流等，然后现场制造管道。

在实际工程中，同样会遇到很多工艺上的挑战。工程师们设想用一种真空辅助树脂传递成型的技术，波音公司曾用同样的基础工艺来制造787梦想飞机。他们将纤维和树脂倒入模具，让其像混凝土那样凝固，而且可以保持垂直，就地留下完全形成的管道，这一技术可满足管道所需要的灵活性和稳定性的要求。至于管道要建造多长，则取决于冷水的深度，冷水可能潜伏在约1000米的深度，也有可能会浅一些。另外，如此规模的设施，还必须考虑环保和生态影响。

海洋能虽然储量巨大，但其能源是分散的，能源密度很低。例如潮汐能可利用的水头只有数米，波浪的年平均能量只有300～500MWh/m。海洋能大部分蕴藏在远离用电中心的大洋海域，难以利用。海洋能的能量变化大，稳定性差，如潮汐的周期变化、波浪能量和方向的随机变化等给开发利用增加了难度。

海洋环境严酷，对使用材料及设备的防腐蚀、防污染、防生物附着要求高，尤其是风浪有巨大的冲击破坏力，也是开发海洋能时必须考虑的。

鉴于海洋能源开发成本高、受自然因素影响大等的原因，目前中国乃至全世界的能源开发仍处于试验阶段。如何更好地开发海洋能源，并把试验性研究转化为应用，成为摆在全球新能源开发面前的重大难题。