海洋能

2024年2月20日發(作者：綠蘿)

海洋能[新能源概論]

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摘要：海洋能的概況、分類以及發展狀況、前景預測

海洋能是指依附在海水中的可再生能源，包括：潮汐能、波浪能、海洋溫差能、海洋鹽差能和海流能等，更廣義的海洋能源還包括海洋上空的風能、海洋表面的太陽能以及海洋生物質能等。潮汐能源自月球、太陽和其他星球引力，其他海洋能均源自太陽輻射。

地球表面積約為5.1X108km，其中陸地表面積為1.49X108km，占29％；海洋面積達3.61X1O8km，占71％。以海平面計，全部陸地的平均海拔約為840m，而海洋的平均深度卻為380m，整個海水的容積多達1.37X109km3。一望無際的汪洋大海，不僅為人類提供航運、水產和豐富的礦藏，而且還蘊藏著巨大的能量。

全球海洋能的可再生量很大，上述五種海洋能理論上可再生的總量為766億千瓦。雖然海洋能的強度較常規能源為低，但在可再生能源中，海洋能仍具有可觀的能流密度。

海洋能開發利用的方式主要是發電，其中潮汐發電和小型波浪發電技術已經實用化。據估算，世界僅可利用的潮汐能一項就達30億千瓦，其中可供發電約為260萬億度。科學家曾作過計算，沿岸各國尚未被利用的潮汐能要比目前世界全部的水力發電量大一倍。

海洋能的概況

海洋能源通常指海洋中所蘊藏的可再生的自然能源，主要為潮汐能、波浪能、海流能（潮流能）、海水溫差能和海水鹽差能。更廣義的海洋能源還包括海洋上空的風能、海洋表面的太陽能以及海洋生物質能等。究其成因，潮汐能和潮流能來源于太陽和月亮對地球的引力變化，其他均源于

太陽輻射。海洋能源按儲存形式又可分為機械能、熱能和化學能。其中，潮汐能、海流能和波浪能為機械能，海水溫差能為熱能，海水鹽差能為化學能。

近20多年來，受化石燃料能源危機和環境變化壓力的驅動，作為主要可再生能源之一的海洋能事業取得了很大發展，在相關高技術后援的支持下，海洋能應用技術日趨成熟，為人類在下個世紀充分利用海洋能展示了美好的前景。

我國有大陸海岸線長達18000多公里，有大小島嶼6960多個，海島總面積6700平方公里，有人居住的島嶼有430多個，總人口450多萬人。沿海和海島既是外向型經濟的基地，又是海洋運輸和開發海洋的前哨，并且在鞏固國防，維護祖國權益上占有重要地位。改革開放以來，隨著沿海經濟的發展，海島開發迫在眉睫，能源短缺嚴重地制約著經濟的發展和人民生活水平的提高。外商和華僑因海島能源缺乏，不愿投資；駐島部隊用電困難，不利于國防建設；特別是西沙、南沙等遠離大陸的島嶼，依靠大陸供應能源，因供應線過長，諸多不便，非常艱苦。為了保證沿海與海島經濟持久快速地發展及人民生活水平的不斷提高，尋求解決能源供應緊張的途徑已刻不容緩。

我國海洋能開發已有近40年的歷史，迄今建成的潮汐電站8座，80年代以來浙江、福建等地對若干個大中型潮汐電站，進行了考察、勘測和規化設計、可行性研究等大量的前期準備工作。總之，我國的海洋發電技術已有較好的基礎和豐富的經驗，小型潮汐發電技術基本成熟，已具備開發中型潮汐電站的技術條件。但是現有潮汐電站整體規模和單位容量還很小，單位千瓦造價高于常規水電站，水工建筑物的施工還比較落后，水輪發電機組尚未定型標準化。這些均是我國潮汐能開發現存的問題。其中關鍵問題是中型潮汐電站水輪發電機組技術問題沒有完全解決，電站造價急待降低。

我國波力發電技術研究始于70年代，80年代以來獲得較快發展，航標燈浮用微型潮汐發電裝置已趨商品化，現已生產數百臺，在沿海海域航標和大型燈船上推廣應用。與日本合作研制的后彎管型浮標發電裝置，已向國外出口，該技術屬國際領先水平。在珠江口大萬山島上研建的岸邊固定式波力電站，第一臺裝機容量3kW的裝置，1990年已試發電成功。“八五”科技攻關項目總裝機容量20kW的岸式波力試驗電站和8kW擺式波力試驗電站，均已試建成功。總之，我國波力發電雖起步較晚，但發展很快。微型波力發電技術已經成熟，小型岸式波力發電技術已進入世界先進行列。但我國波浪能開發的規模遠小于挪威和英國，小型波浪發電距實用化尚有一定的距離。

潮流發電研究國際上開始于70年代中期，主要有美國、日本和英國等進行潮流發電試驗研究，至今尚未見有關發電實體裝置的報導。我國潮流發電研究始于70年代末，首先在舟山海域進行了8kW潮流發電機組原理性試驗。80年代一直進行立軸自調直葉水輪機潮流發電裝置試驗研究，目前正在采用此原理進行70kW潮流試驗電站的研究工作。在舟山海域的站址已經選定。我國已經開始研建實體電站，在國際上居領先地位，但尚有一系列技術問題有待解決。

海洋能的分類

在我國大陸沿岸和海島附近蘊藏著較豐富的海洋能資源，至今卻尚未得到應有的開發。據調查統計，我國沿岸和海島附近的可開發潮汐能資源理論裝機容量達2179萬kW，理論年發電量約624億kWH，波浪能理論平均功率約1285萬kW，潮流能理論平均功率1394萬kW，這些資源的90以上分布

在常規能源嚴重缺乏的華東滬浙閩沿岸。特別浙閩沿岸在距電力負荷中心較近就有不少具有較好的自然環境條件和較大開發價值的大中型潮汐電站站址，不少已經做過大量的前期工作，已具備近期開發的條件。

一、潮汐能

潮汐能是指海水潮漲和潮落形成的水的勢能，其利用原理和水力發電相似。潮汐能的能量與潮量和潮差成正比。或者說，與潮差的平方和水庫的面積成正比。和水力發電相比，潮汐能的能量密度很低，相當于微水頭發電的水平。世界上潮差的較大值約為13—15m，我國的最大值（杭州灣澉浦）為8.9m。一般說來，平均潮差在3m以上就有實際應用價值。

潮汐能利用的主要方式是發電。通過貯水庫，在漲潮時將海水貯存在貯水庫內，以勢能的形式保存，然后，在落潮時放出海水，利用高、低潮位之間的落差，推動水輪機旋轉，帶動發電機發電。潮汐電站的功率和落差及水的流量成正比。但由于潮汐電站在發電時貯水庫的水位和海洋的水位都是變化的（海水由貯水庫流出，水位下降，同時，海洋水位也因潮汐的作用而變化）。因此，潮汐電站是在變功況下工作的，水輪發電機組和電站系統的設計要考慮變功況，低水頭、大流量以及防海水腐蝕等因素，遠比常規的水電站復雜，效率也低于常規水電站。潮汐電站按照運行方式和對設備要求的不同，可以分成單庫單向型、單庫雙向型和雙庫單向型三種。

二、波浪能

波浪能是指海洋表面波浪所具有的動能和勢能。波浪的能量與波高的平方、波浪的運動周期以及迎波面的寬度成正比。波浪能是海洋能源中能量最不穩定的一種能源。臺風導致的巨浪，其功率密度可達每米迎波面數千千瓦，而波浪能豐富的歐洲北海地區，其年平均波浪功率也僅為20-40kW/m。中國海岸大部分的年平均波浪功率密度為2-7kW/m2。

波浪發電是波浪能利用的主要方式。此外，波浪能還可以用于抽水、供熱、海水淡化以及制氫等。波浪能利用裝置大都源于幾種基本原理，即：利用物體在波浪作用下的振蕩和搖

擺運動；利用波浪壓力的變化；利用波浪的沿岸爬升將波浪能轉換成水的勢能等。經過70年代對多種波能裝置進行的實驗室研究和80年代進行的實海況試驗及應用示范研究，波浪發電技術已逐步接近實用化水平，研究的重點也集中于3種被認為是有商品化價值的裝置，包括振蕩水柱式裝置、擺式裝置和聚波水庫式裝置。

三、海流能

海流能是指海水流動的動能，主要是指海底水道和海峽中較為穩定的流動以及由于潮汐導致的有規律的海水流動。海流能的能量與流速的平方和流量成正比。相對波浪而言，海流能的變化要平穩且有規律得多。潮流能隨潮汐的漲落每天2次改變大小和方向。一般說來，最大流速在2m/s以上的水道，其海流能均有實際開發的價值。

海流能的利用方式主要是發電，其原理和風力發電相似，幾乎任何一個風力發電裝置都可以改造成為海流發電裝置。但由于海水的密度約為空氣的1000倍，且裝置必須放于水下。故海流發電存在一系列的關鍵技術問題，包括安裝維護、電力輸送、防腐、海洋環境中的載荷與安全性能等。此外，海流發電裝置和風力發電裝置的固定形式和透平設計也有很大的不同。海流裝置可以安裝固定于海底，也可以安裝于浮體的底部，而浮體通過錨鏈固定于海上。海流中的透平設計也是一項關鍵技術。

四、溫差能

溫差能是指海洋表層海水和深層海水之間水溫之差的熱能。海洋的表面把太陽的輻射能的大部分轉化成為熱水并儲存在海洋的上層。另一方面，接近冰點的海水大面積地在不到1000m的深度從極地緩慢地流向赤道。這樣，就在許多熱帶或亞熱帶海域終年形成20℃以上的垂直海水溫差。利用這一溫差可以實現熱力循環并發電。

除了發電之外，海洋溫差能利用裝置還可以同時獲得淡水、深層海水、進行空調并可以與深海采礦系統中的揚礦系統相結合。因此，基于溫差能裝置可以建立海上獨立生存空間并作為海上發電廠、海水淡化廠或海洋采礦、海上城市或海洋牧場的支持系統。總之，溫差能的開發應以綜合利用為主。

海洋溫差能轉換主要有開式循環和閉式循環兩種方式。開式循環系統主要包括真空泵、溫水泵、冷水泵、閃蒸器、冷凝器、透平—發電機組等部分。開式循環的副產品是經冷凝器排出的淡水，這是它的有利之處。

閉式循環系統不以海水而采用一些低沸點的物質（如丙烷、氟利昂、氨等）作為工作介質，在閉合回路內反復進行蒸發、膨脹、冷凝。因為系統使用低沸點的工作介質，蒸汽的工作壓力得到提高。閉式循環系統由于使用低沸點工質，可以大大減小裝置，特別是透平機組的尺寸。但使用低沸點工質會對環境產生污染。

溫差能利用的最大困難是溫差太小，能量密度太低。溫差能轉換的關鍵是強化傳熱傳質技術。同時，溫差能系統的綜合利用，還是一個多學科交叉的系統工程問題。

五、鹽差能

鹽差能是指海水和淡水之間或兩種含鹽濃度不同的海水之間的化學電位差能。主要存在于河海交接處。同時，淡水豐富地區的鹽湖和地下鹽礦也可以利用鹽差能。鹽差能是海洋能中能量密度最大的一種可再生能源。通常，海水（35‰鹽度）和河水之間的化學電位差有相當于240m水頭差的能量密度。這種位差可以利用半滲透膜（水能通過，鹽不能通過）在鹽水和淡水交接處實現。利用這一水位差就可以直接由水輪發電機發電。

鹽差能的利用主要是發電。其基本方式是將不同鹽濃度的海水之間的化學電位差能轉換成水的勢能，再利用水輪機發電，具體主要有滲透壓式、蒸汽壓式和機械—化學式等，其中滲透壓式方案最受重視。

海洋能的發展現狀

一、世界海洋能發展現狀

在陸地礦物燃料日趨枯竭和污染已趨嚴重，世界上一些主要的海洋國家紛紛把目光轉向海洋，加大投入，促進和加快了人類開發利用海洋的步伐，摸清資源狀況，制定發展計劃，組織科技項目到實用技術的試驗，均投入了大量的人力物力。

二、中國海洋能發展現狀

1．潮汐能發電技術進展及項目

潮汐發電是海洋能中技術最成熟和利用規模最大的一種。全世界潮汐電站的總裝機容量為265MW，中國為5.64MW，如下表所列。

表5-1中國主要潮汐電站

中國是世界上建造潮汐電站最多的國家，在50年代至70年代先后建造了近50座潮汐電站，但據80年代初的統計，只有8個電站仍正常運行發電。江廈電站是中國最大的潮汐電站，目前已正常運行近20年。

江廈電站研建是國家“六五”重點科技攻關項目，總投資為1130萬人民幣，1974年開始研建，1980年首臺500kW機組開始發電，至1985年完成。電站共安裝500kW機組一臺，600kW機組一臺和700kW機組3臺，總容量3.2MW。電站為單庫雙作用式，水庫面積為1.58×106m2，設計年發電量為10.7×106kWh。1996年全年的凈發電為5.02×106kWh，約為設計值的一半。其原因主要是機組運行的設計狀態與實際狀態有差別。同時，機組的保證率、運行控制方式等也都需要提高。但江廈電站總體說是成功的，為中國潮汐電站的建造提供了較全面的技術，同時，也為潮汐電站的運行、管理和多種經營等積累了豐富的經驗。

潮汐發電的關鍵技術包括潮汐發電機組、水工建筑、電站運行和海洋環境等。中國60年代和70年代初建的潮汐電站技術水平相對較低，但江廈電站屬技術上較成熟的電站。

“八五”期間，在原國家科委重點攻關項目的支持下，還開展了相關技術設備的研究開發，如全貫流機組的開發和燈泡貫流機組的改進。總的說來潮汐發電機組的技術已基本成熟。

2．波浪能利用的研究進展與主要項目

中國是世界上主要的波能研究開發國家之一。從80年代初開始主要對固定式和漂浮式振蕩水柱波能裝置以及擺式波能裝置等進行研究。1985年中科院廣州能源研究所開發成功利用對稱翼透平的航標燈用波浪發電裝置。經過十多年的發展，已有60W至450W的多種型號產品并多次改進，目前已累計生產600多臺在中國沿海使用，并出口到日本等國家。“七五”期間，由該所牽頭，在珠海市大萬山島研建了一座波浪電站并于1990年試發電成功。電站裝機容量3kW，對稱翼透平直徑0.8m。“八五”期間，在原國家科委的支持下，由中科院廣州能源研究所和國家海洋局天津海洋技術所分別研建了20kW岸式電站、5kW后彎管漂浮式波力發電裝置和8kW擺式波浪電站，均試發電成功。

“九五”期間，在科技部科技攻關計劃支持下，廣州能源研究所正在廣東汕尾市遮浪研建100kW岸式振蕩水柱電站，計劃2000年建成發電。同時，由天津國家海洋局海洋技術所研建的100kW擺式波力電站，已在今年9月在青島即墨大官島試運行成功。

3．海洋溫差能利用技術的進展與主要項目

1980年臺灣電力公司曾計劃將第3和第4號核電廠余熱和海洋溫差發電并用。經過3年的調查研究，認為臺灣東岸及南部沿海有開發海洋熱能的自然條件，并初步選擇在花蓮縣的和平溪口、石梯坪及臺東縣的樟原等三地做廠址，并與美國進行聯合研究。

1985年中國科學院廣州能源研究所開始對溫差利用中的一種“霧滴提升循環”方法進行研究。這種方法的原理是利用表層和深層海水之間的溫差所產生的焓降來提高海水的位能。據計算，溫度從20℃降到7℃時，海水所釋放的熱能可將海水提升到125m的高度，然后再利用水輪機發電。該方法可以大大減小系統的尺寸，并提高溫差能量密度。1989年，該所在實驗室實現了將霧滴提升到21m的高度記錄。同時，該所還對開式循環過程進行了實驗

室研究，建造了兩座容量分別為10W和60W的試驗臺。

4．海流能的研究進展

世界上從事海流能開發的主要有美國、英國、加拿大、日本、意大利和中國等。70年代末，中國舟山的何世鈞先生曾進行過海流能開發研究，建造了一個試驗裝置并得到了6.3kW的電力輸出。80年代初，哈爾濱工程大學開始研究一種直葉片的新型海流透平，獲得較高的效率并于1984年完成60W模型的實驗室研究，之后開發出千瓦級裝置在河流中進行試驗。

90年代以來，中國開始計劃建造海流能示范應用電站，在“八五”、“九五”科技攻關中均對海流能進行連續支持。目前，哈爾濱工程大學正在研建75kW的潮流電站。意大利與中國合作在舟山地區開展了聯合海流能資源調查，計劃開發140kW的示范電站。

5．鹽差能的研究進展

中國西安冶金建筑學院于1985年對水壓塔系統進行了試驗研究。上水箱高出滲透器約10m，用30公斤干鹽可以工作8—14小時，發電功率為0.9—1.2W。

鹽差能開發的技術關鍵是膜技術。除非半透膜的滲透流量能在目前水平的基礎再提高一個數量級，并且海水可以不經預處理。否則，鹽差能利用難以實現商業化。

三、各國較為先進的研究成果

隨著陸地礦物燃料日趨枯竭，環境污染日趨嚴重，世界上一些主要的海洋國家紛紛把目光轉向海洋，加大投人，促進和加快了人類開發利用海洋的步伐，從摸清資源狀況，制定發展計劃，組織科技項目到實用技術的試驗，均投入了大量的人力物力。

1、英國從7O年代以來，制定了強調能源多元化的能源政策，鼓勵發展包括海洋能在內的多種可再生能源。1992年聯合國環發大會后，為實現對資源和環境的保護，又進一步加強了對海洋能源的開發利用，把波浪發電研究放在新能源開發的首位，曾因投資多，技術領先而著稱。已決定在蘇格蘭西海岸興建一座裝機容量2萬千瓦的固定式波力電站。在潮汐能開發利用方面也進行了大規模的可行性研究和前期開發研究，并計劃1997年在塞汝河口建造一座裝機容量為8．64兆瓦，年發電量約為170億千瓦時的潮汐電站。英國已具有建造各種規模的潮汐電站的技術力量，并認為是極有潛力的世界市場。日本在海洋能開發利用方面十分活躍，成立了海洋能轉移委員會，僅從事波浪能技術研究的科技單位就有日本海洋科學技術中心等1O多個，還成立了海洋溫差發電研究所，并在海洋熱能發電系統和換熱器技術上領先于美國，取得了舉世矚目的成就。

2、美國佛羅里達州的研究人員正在試驗水下渦輪發電，以期利用海水流動發電。這種發電的成本是低廉的，將可能取代部分對氣候變暖有影響的燃油和燃煤電廠。

佛羅里達州大西洋大學海洋能技術中心的負責人RickDriscoll說：把發電機等設施放入海洋深處有很多困難。我們的目的是利用水漲水落帶動深水區所產生的能量，他的團隊正在兩個島之間進行測試，在水下九米處測試水力渦輪機的發電能力。

這一研究的關鍵技術負責人Bedgood預計：到2008年末及至2009年早期，我們將擁有一些水力渦輪機組，并把它們組合起來進行運營。再過一年之后，將可能有數百個這樣的發電機組。

海洋能的發展預測

海洋被認為是地球上最后的資源寶庫，也被稱作為能量之海。21世紀海洋將在為人類提供生存空間、食品、礦物、能源及水資源等方面發揮重要作用，而海洋能源也將扮演重要角色。從技術及經濟上的可行性，可持續發展的能源資源以及地球環境的生態平衡等方面分

析，海洋能的潮汐能作為成熟的技術將得到更大規模的利用；波浪能將逐步發展成為行業。近期主要是固定式，但大規模利用要發展漂浮式；可作為戰略能源的海洋溫差能將得到更進一步的發展，并將與海洋開發綜合實施，建立海上獨立生存空間和工業基地；潮流能也將在局部地區得到規模化應用。

潮汐能的大規模利用涉及大型的基礎建設工程，在融資和環境評估方面都需要相當長的時間。大型潮汐電站的研建往往需要幾代人的努力。因此，應重視對可行性分析的研究。目前，還應重視對機組技術的研究。在投資政策方面，可以考慮中央、地方及企業聯合投資，也可參照風力發電的經驗，在引進技術的同時，由國外貸款。

波浪能在經歷了十多年的示范應用過程后，正穩步向商業化應用發展，且在降低成本和提高利用效率方面仍有很大技術潛力。依靠波浪技術、海工技術以及透平機組技術的發展，波浪能利用的成本可望在5—10年左右的時間內，在目前的基礎上下降2—4倍，達到成本低于每千瓦裝機容量1萬元人民幣的水平。

中國在波能技術方面與國外先進水平差距不大。考慮到世界上波能豐富地區的資源是中國的5-10倍，以及中國在制造成本上的優勢，因此發展外向型的波能利用行業大有可為，并且已在小型航標燈用波浪發電裝置方面有良好的開端。因此，當前應加強百千瓦級機組的商業化工作，經小批量推廣后，再根據歐洲的波能資源，設計制造出口型的裝置。由于資源上的差別，中國的百千瓦級裝置，經過改造，在歐洲則可達到兆瓦級的水平，單位千瓦的造價可望下降2—3倍。

從21世紀的觀點和需求看，溫差能利用應放到相當重要的位置，與能源利用、海洋高技術和國防科技綜合考慮。海洋溫差能的利用可以提供可持續發展的能源、淡水、生存空間并可以和海洋采礦與海洋養殖業共同發展，解決人類生存和發展的資源問題。需要安排開展的研究課題為：基礎方面，重點研究低溫差熱力循環過程，解決高效強化傳熱及低壓熱力機組以及相應的熱動力循環和海洋環境中的載荷問題。建立千瓦級的實驗室模擬循環裝置并開展相應的數值分析研究，提供設計技術；在技術項目方面，應盡早安排百千瓦級以上的綜合利用實驗裝置，并可以考慮與南海的海洋開發和國土防衛工程相結合，作為海上獨立環境的能源、淡水以人工環境（空調）和海上養殖場的綜合設備。

中國是世界上海流能量資源密度最高的國家之一，發展海流能有良好的資源優勢。海流能也應先建設百千瓦級的示范裝置，解決機組的水下安裝、維護和海洋環境中的生存問題。海流能和風能一樣，可以發展“機群”，以一定的單機容量發展標準化設備，從而達到工業化生產以降低成本的目的。

綜上所述，中國的海洋能利用，近期應重點發展百千瓦級的波浪、海流能機組及設備的產業化；結合工程項目發展萬千瓦級潮汐電站；加強對溫差能綜合利用的技術研究，中、長期可以考慮的是，萬千瓦級溫差能綜合海上生存空間系統，中大型海洋生物牧場。必須強調的是，海洋能的利用是和能源、海洋、國防和國土開發都緊密相關的領域，應當以發展和全局的觀點來考慮。這一點尚未有得到應有的重視。

參考文獻：《中國新能源與可再生能源1999白皮書》

余志.《蔚藍澎湃的海洋能.能源科學》，1998.

《新能源技術》，翟秀靜，化學工業出版社，2005年。