海洋能开发新思维(附：世界海洋发电状况探析\海洋能源发电原理)::昕龙春

海洋能开发新思维(附：世界海洋发电状况探析\海洋能源发电原理)

编者按：因大气层中的二氧化碳浓度大量增加，而发生着的全球变暖的世界环境恶化现实，已经越来越不容忽视；世界各国在太阳能、核能、风能、地热、生物质能（含沼气）、空气能、温差能或电位差能等清洁能源利用的研究与实施步伐不断加快。其中，我国的促进环保能源政策的力度也在不断地加大，也同样为世界所瞩目。

可是，如果加速新能源的开发与应用技术研究、实施的投入，是否更有利于避免对产生二氧化碳的矿物质能源的利用的依赖呢？

以下专利涉及的海洋能利用的方法，也同样是一个有助于加速新能源利用的可参考方案。如何将纸上谈兵的设想，转化为实际的可实行的现实，则需克服事先无法预料的多方面困难的众多人士的齐心协力... ...。

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海洋能开发新思维
www.xlc.cn 昕龙春作者祁国英来源科学时报 2008.10.05 010-60134324

关键词海洋能波浪发电自然绿色清洁能源

    波浪能，是风的作用引起的海水水平方向周期运动而产生的能量。波浪能是巨大的，一个波高5米、波长100米的海浪，在一米波峰片上就具有3120kW的能量，由此可以想象整个海洋的波浪所具有的能量是多么惊人。据计算，全球可供开发利用的波浪能为20亿～30亿kW。发电能力是随波浪的大小成几何级数增长，如：当浪高1米时可产生38kW的能量，浪高3米时功率增大到200kW，而浪高5米可产生1000kW的能量。

    海洋波浪具有如此巨大的能量，然而海洋波浪能却很难开发利用，其最大的障碍在于波浪的不稳定性、无序性，尤其表现在波浪能采集、转换这些环节。我们很难一次性将无序的波浪能转换为有效的机械能，这导致了效率低下、难以实现单机大容量生产。难以开发利用的另一个原因，是现有技术不能适应海上的恶劣环境。我们利用的是波浪能，然而越是波浪丰富的海域越是环境恶劣，离海岸越远，这给发电装置技术水平及电力输送都增加了难度。

    针对这些问题以及现有技术的不足，我们主张，第一选择波浪丰富的海域建立海上工厂，就地利用波浪能，从而免去发电并网传输的问题。第二，海上结构体结构要合理从而减少维护。

     具体方案如右图所示，海上结构体浮体（1）它是海上工厂的总体，同时也是波浪采集、转换装置的主体。浮体（1）是一薄壳体，其内可发电，和生产设备共同组成海上工厂。活塞体（5）置于浮体（1）的活塞室内，同时活塞筒（4）与此非刚性连接。其特征：浮体（1）调节其本身比重可使其悬浮在任何深度的海域中，增压管（2）和活塞体（5）有多极阻力障板（6）以增加活塞体（5）上下运动的阻力，类似潜水艇，也称为人造海底，其功能相对于浮体（1）是静止的固定支点，从而在波浪能转换时起到增压的作用。空中水库（3）设有单向阀（8）并与活塞室有活动间隙，可以自由运动。

    工作过程受波浪作用浮体（1）上浮，活塞体（5）在阻力障板的作用下不发生上下运动。使活塞室（h）增大单向阀，单向阀（8）处于负压开启状态。当波浪消失，浮体（1）受地心引力作用向下运动，而活塞体（5）在阻力障板的作用下不发生运动，此时单向阀（8）关闭活塞室，水压增高打开单向阀（7）把水压入空中水库（3）储能备用，由于空中水库的高度是固定的，所以处于高位的水的位能是稳定的。在工作中注意用水量少于水库的储水量，即可维持连续稳定的工作，从而达到波浪能转换和应用的目的。

    本技术方案具有以下特点：①结构简单合理，无传动部件，免维护。 ②圆形结构对方向无选择性，可全方位采集波浪能。③竖直式的结构，如同鱼漂抗风浪，适合海上任何恶劣的环境。④采集、转换效率高可实现大规模发电，给波浪发电实现商业化提供了技术保障。

世界海洋发电状况探析

武全萍，王桂娟
（中国科学技术大学热科学和能源工程系，安徽合肥230026）

关键词：海洋；能源；发电　　

覆盖地球表面71％的海洋是世界上最大的太阳能采集器。太阳辐射到地球表面的能量换算为电功率约为80万亿kW，其中海洋每年吸收的太阳能相当于37万亿kW·h，每km2大洋表面水层含有的能量相当于3800桶石油燃烧发出的热量［1］，因此海洋又被称为“蓝色油田”。近20多年来，作为主要可再生能源之一的清洁的海洋能事业取得了很大发展。海洋能发电和海洋能的综合利用为人类生存的发展开拓了更广阔的空间。

1世界海洋能资源
海洋能主要有3种形式：波浪能、潮汐能和海洋热能转换（OTEC）。
1．1波浪发电
　　波浪发电的原理主要是将波力转换为压缩空气来驱动空气透平发电机发电。当波浪上升时将空气室中的空气顶上去，被压空气穿过正压水阀室进入正压气缸并驱动发电机轴伸端上的空气透平使发电机发电，当波浪落下时，空气室内形成负压，使大气中的空气被吸入气缸并驱动发电机另一轴伸端上的空气透平使发电机发电，其旋转方向不变。
　　20世纪80年代初，英国已成为世界波浪能研究中心，英国波力发电的开发目标是容量为2 GW的设备，并使它与陆地电网并网，这个研究项目已
经完成。目前英国的波浪发电技术仍居世界领先地位，并实现了商业化。日本的波浪能研究与开发也十分活跃，日本四季的平均波能约为13 kW／km（近海）和6 kW／km（沿岸）。日本的波能可满足国内能源总需求量的1／3。日本当前容量最大的设备是1996年9月投运的由日本东北电力公司在原町火电站南部防波堤上装设的130 kW波力发电设备［2］。据报道世界上第一台商业化的波力发电站位于以色列的岛屿上，其装机容量为500 kW，现仍在营运。近期在澳大利亚悉尼南部的坎贝拉正安装波力发电机，装机容量为500 kW，计划于2002年中期投入营运，所产生的电力将全部由地方电力公司Integral Energy买断。
　　据不完全统计，目前已有28个国家（地区）研究波浪能的开发，建设大小波力电站（装置、机组或船体）上千座（台），总装机容量超过80万kW，其建站数和发电功率分别以每年2．5％或10％的速度上升［3］。
1．2潮汐发电
　　涨潮和落潮都可以发电。用于潮汐发电的潮差通常选在5 m以上。潮汐电站可建在三角洲、河口、海滩或其它的受潮汐影响的海水伸展地带。潮汐发电与水力发电的原理基本相似，它是利用潮水涨、落产生的水位所具有势能来发电。潮水的流动与河水的流动不同，它是不断变换方向的，潮汐发电有以下3种形式：
　　（1）单池单向发电，即落潮发电。涨潮时坝门打开，海水充满蓄水池；落潮时坝门关闭，潮水驱动水轮机发电。
　　（2）单池双向发电，即落潮和涨潮都发电，且与扬水并用。为了保持落差，并非落潮一开始就发电，而是向蓄水池泵水，然后停机待机，直到潮水落到潮差的一半时才开始放水发电。反之亦然，涨潮一开始也不立即发电，而是将蓄水池剩余的水抽向大海，再停机待机一段时间，直到潮水涨到一半潮差时再开始发电。尽管如此，用于发电的时间远超过泵水和待机的时间和。
　　（3）双池双向发电，此时备有上、下两个蓄水池，发电机组则布置在两池之间，落潮时不是利用蓄水池与海面之间的水位差来发电，这就与不断变化的海面水位无关。涨潮时上池被充满，落潮时将下池放水，从而形成两池之间的水位差。利用该水位差可使机组连续运转。但这种发电型式在经济上不合算，实际应用很少［2］。
　　潮汐能的现代开发始于20世纪50年代。加拿大、法国、俄国和中国都建有潮汐发电站。目前世界上计划或拟议中建立的大型潮汐电站有20多座，其中装机容量百万k W级的就有9座，预计到2030年世界潮汐电站的年发电总量将达600亿kW·h［4］，由于潮汐能不受洪水、枯水期等水文因素影响，随着潮汐能发电技术的成熟，潮汐电站的建设将出现新的发展势头。
1．3海洋热能转换（OTEC）
　　由于太阳光的照射，海洋表层水温可达25～30℃，而水下400～700 m深层冷水则为5～10℃，两者温差约为20～24℃，可用来发电10 TW［2］。海洋温差发电根据所用工质及流程的不同，一般可分为开式循环系统、闭式循环系统和混合循环系统。图1、2、3为这3种循环系统图，图中可以看出，除发电外还能将排出的海水进行综合利用，图1、3中可以产生淡水。
1．3．1开式循环系统
　　开式循环系统以表层的温海水作为工作介质。
真空泵将系统内抽到一定真空，温水泵把温海水抽入蒸发器，由于系统内已保持有一定的真空度，所以温海水就在蒸发器内沸腾蒸发，变为蒸汽，蒸汽经管
道喷出推动蒸汽轮机运转，带动发电机发电。蒸汽通过汽轮机后，又被冷水泵抽上来的深海冷水所冷却而凝结成淡化水。由于只有不到0．5％的温海水变为蒸汽，因此必须泵送大量的温海水，以便产生出足够的蒸汽来推动巨大的低压汽轮机，这就使得开式循环系统的净发电能力受到了限制［1］。

附件：海洋能源发电

　发布： 2005-06-11

海洋能源之蕴藏可观，诸如海洋溫差、波浪、海流、潮汐等海洋資源，若能將其開發應用，除可降低消費能源之部份外，更可兼顧日益受重視之環境保護觀念，並可藉發展海洋能源發電應用之研究，來建立國內海洋科技基礎，進一步為未來開發整體性海洋資源奠基。茲將我國在海洋能源發電應用研究之情況分析如下:

一、海洋溫差發電

海洋溫差發電之工作原理與目前使用之火力、核能發電原理相類似，首先利用表層海水蒸發低蒸發溫度之工作流體如氨、丙烷或氟利昂，使其汽化推動渦輪發電機發電，然後利用深層冷海水冷卻工作流體成液態，再予反覆使用。

台灣東部海域海底地形陡峻，離岸不遠處，水深即深達八百公尺，水溫約5°C。同時海面適有黑潮流通過，表層水溫達25°C。由於地形及水溫條件俱佳，開發溫差發電的潛力雄厚，理論蘊藏量在12海浬領海內達3,000萬千瓦，若以200 海浬經濟海域估算更可高達25,000萬千瓦，該區域領海範圍內若以適度開發10%估計，其技術蘊藏量可達300萬千瓦，每年約可發電460億度。

根據一系列已完成研究之結果顯示，就技術可行性言，興建一座溫差電廠之最大挑戰包括大管徑冷水管的設計、製造與敷設，大型海上平台的設計與建造，以及高效率海底電力輸送電纜等三項關鍵技術，全世界尚無成功案例可循。而就經濟可行性言，即使將水產養殖副產品經濟價值考量在內，溫差發電之成本尚難與燃煤、燃油及核能等傳統發電方式競爭。以我國目前海洋工程之實力(經費與技術方面)，無法獨立發展海洋溫差發電技術。未來將積極參與國外先進國家(如美國、日本)相關技術之研發，俾有效利用海洋溫差之天然資源。

二、波浪發電

波浪發電即是以波浪發電裝置將海浪動能轉換成電能。波浪發電裝置為了有效地吸收波能，其咿D型式完全依據波浪之上下振動特性而設計，利用穩定邉訖C制擷取波浪動能，然後再加以利用來發電。台灣係屬海島地形，全島共擁有長達1,448公里的海岸線，沿海地區由於受到強大季風的吹襲，在廣闊的海面上經常存在著洶湧的波濤，波浪能源蘊藏可說極為豐富，是一項可觀的海洋能源。根據台灣四周沿海及各主要離島所進行的初步波能評估研究結果顯示，北部海域及離島地區較具潛力，每公尺約有 13千瓦之波能，東部及西北沿海居次，每公尺約有7千反之波能，西南及南部沿海較差，每公尺約只有3千瓦之波能，依初步估計台灣地區波能蘊藏量約為],000萬千瓦，可開採量約為]0萬千瓦。如何有效利用海浪所攜帶的能量來發電是海洋工程研究人員所追求的目標。雖然波浪發電具有無污染以及不必耗費燃料之優點，然而其波浪之不穩定性及發電設備需固定於海床上，承受海水之腐蝕、浪潮侵襲破壞，以及效率不夠顯著、施工及維修成本相對過高等問題，限制了目前波浪發電之發展，致使波能發電系統研究開發成長趨緩。

三、潮汐發電
海水水位因引力作用產生高低落差現象稱之為潮汐，而潮汐發電便是利用此一位能轉換而獲得電能之方法。通常在海灣或河口地區圍築蓄水池，在圍堤適當地點另築可供海水流通之可控制閘門，並於閘門處設置水輪發電機，漲潮時海水經由閘門流進蓄水池並推動水輪機發電，退潮時海水亦經閘門流出並推動水輪機發電，如此雙向流發電裝置是目前潮汐發電之主要應用方式。開發潮差發電若以目前低水頭水輪機應用技術而言，基本上只要有.一米的潮差及可供圍築潮池的地形即可應用發展。台灣沿海之潮汐，最大潮差發生在金門、馬祖外島，約可達5公尺潮差，其次為新竹南寮以南、彰化王功以北一帶的西部海岸，平均潮差約3.5公尺，其他各地一般潮差均在2公尺以下，與經濟性理想潮差6-8公尺仍有相當差距。由於台灣西部海岸大都為平直沙岸，缺乏可供圍築潮池的優良地形，雖不具發展潮差發電之優良條件，但乃可進一步考慮利用現有的港灣地形開發應用。另對金門及馬祖兩個離島來說，其潮差條件雖非極優越，但因該兩離島之供電成本較昂貴，若以邊際能源之效益而言，發展潮差發電即具經濟誘因，尤其金門地區更可利用現有濱海水庫，如慈湖水庫即可成為一個極適宜開發潮差發電的理想潮汐池，故台灣地區的潮差發電發展方向可以金門、馬祖兩離島為先導廠址，其可供開發之潛力約有一萬千瓦以上。

四、海流發電
海流發電係利用海洋中海流的流動動力推動水輪機發電，一般乃於海流流經處設置截流涵洞之沉箱，並於其內設萱一座水輪發電機，此可視為一個機組(package)的發電系統，並可視發電需要增加多個機組，惟於年組間需預留適當之間隔，以避免紊流互相干擾。台灣地區可供開發海流發電應用之海流，以黑潮最具開發潛力。根據以往對黑潮所進行之調查研究瞭解，黑潮流經台灣東側海岸最近處，以北緯23度附近為最貼近，平均流心距台灣僅60-66公里，流心流速在1.6-0.3公尺/秒、平均流速0.9 公尺/秒，依據所測得之流速及斷面推估其流量約為每秒 1,700-2,000萬立方公尺。黑潮發電構想係利用水深約在200公尺左右之中層海流，預計於海中鋪設直徑40公尺、長度為200公尺的沉箱，並於其內設置一座水輪發電機，成為一個模組式海流發電系統，出力約為1.5-2萬千瓦，未來更可視發電需要增加多個機組，且年組之問的間隔需維持於200-250公尺間，以避免紊流的干擾。利用黑潮發電理論上是可行的，惟目前開發應用的水輪發電機種類甚多，且針對深海用的水輪發電機，則尚屬研究開發階段。另黑潮發電是一種低能量密度和特定區域環境的特性，未來開發黑潮發電的規模大小及經濟性誘因，實值進一步評估探討。