来自海洋的可再生能源馈赠

来源：《知识就是力量》2015年3月号 总第508期

撰文／中国可再生能源学会 王传崑

地球表面积的71%被海洋占据，海洋是一个充满活力的、永不平静的巨大水体。海洋能，是一种海洋中所特有的、依附于海水的自然能源，又称海洋可再生能源。据科学家估算，全世界海洋能的总储量约766亿千瓦，技术上可利用的储量约为64亿千瓦，大约与当前全世界发电装机总功率相当，可见海洋能储量是多么巨大。

海洋能包括潮汐能（潮差能和潮流能）、波浪能、海流能、海水温差能和海水盐差能。这些能源都是怎么来的呢？

潮差能——潮起潮落带来的能量

住在海边的人都知道，有时海水汹涌奔腾而来，卷起层层浪花；有时海水又远远流去，露出一片沙滩。海水的这种涨落现象叫作潮汐。这种涨落潮现象是月亮和太阳对地球上海水的引力产生的。因为月亮绕地球旋转，月亮和地球又一起绕太阳旋转，都是十分有规律、有固定周期的，所以海边的潮汐涨落也是按照固定周期，严守规律的变化。

在沿岸某些喇叭口形的海湾、海峡和河口地区，由于地形等因素的影响，潮汐往往十分发达，潮差（涨潮的最高海面与相邻的落潮的最低海面之差）可达7~8米甚至十几米。我国著名的钱塘江大潮的杭州湾沿岸，最大潮差达8.9米，加拿大东海岸的蒙克顿港，最大潮差达19米。在这些地方，每逢涨潮，潮峰前面壁立如山，潮水以万马奔腾之势，溯流上涌，呼啸声闻数十里，形成“滔天浊浪排空来，翻江倒海山为摧”的壮观景象，所以潮汐涨落运动蕴藏着巨大的能量——潮汐能（包括潮差能和潮流能）。

据科学家估算，全世界海洋的潮汐能总储量约30亿千瓦，技术上可利用的储量约为1亿千瓦。潮差能是最早被人类开发利用的海洋能资源。早在1000多年的唐朝，我国沿海居民就利用潮力碾磨五谷，欧洲也有类似的利用。世界上科学发达的国家，从上世纪初已经开始了现代利用潮差能发电的研究。

潮差能发电，俗称潮汐发电的原理，是利用潮差能建设潮汐电站，一般是在口小肚子大的海湾口或河口建筑一座拦海大坝，将海湾或河口上游与外海隔开，并在大坝的一侧建水闸和发电厂房，厂房内安装有水轮机和发电机等设备，厂房内的水轮机流道通过渠道分别与水库和外海连通。涨潮时，水库外因海水不断涌来，库外水位高于库内水位，落潮时，水库外因海水不断落去，库内水位高于库外水位，电站就是利用这个水位差—势能推动水轮机旋转，并带动发电机发电。潮汐电站国内外在20世纪60年代已经实现实用化生产，是迄今唯一实现商业化发电的海洋能。

潮流能——海潮的另外一种用法

潮流发电的原理与风力发电类似。如有一种叫“水下风车”的潮流发电装置，利用潮流推动叶轮，进而带动发电机发电。叶轮有水平轴螺旋桨式，也有垂直轴转轮式。但是，潮流发电装置的叶片比风力发电机的叶片小很多，因为海水密度比空气密度大很多。国内外从20世纪80年代开始进行潮流发电的研究，90年代中期出现研究热潮。当前研究潮流发电的国家有很多，以英国最先进，我国也属先进行列。现在，国内外潮流发电装置的研究已进入发电装置示范试验阶段，就目前的情况来看，投入实用已经指日可待。

波浪能——大海给予的双刃剑

到过海边的人都会对大海惊心动魄的波涛留下深刻的印象，大风一起，滚滚巨浪就像不驯服的野马，在海面上跳跃奔腾。海浪是许多海难的肇事者，但也是一种宝贵的能源。据科学家估算，全世界海洋的波浪能总储量约30亿千瓦，技术上可利用的储量约为10亿千瓦。波浪能利用的形式很多，上下运动、摇摆、压力等都可利用，其中比较简单常用的一种是利用垂直运动的倒打气筒式。利用波浪的上下垂直运动，推动装在漂浮装置中的活塞，好像一个倒过来的打气筒，活塞与装置的相对运动产生的压缩空气推动涡轮机转动，带动发电机发电。这种最简单的发电装置早已在为航标和灯塔供电。

当前研究波浪发电的国家很多，以英国最先进，我国也进入先进行列。不过现在国内外对波浪发电装置的研究，还处于发电装置示范试验阶段，达到商业化实用尚需时日。

海水盐差能——太咸也不是缺点

据测量，各大洋海水的平均含盐浓度为35‰（称海水盐度35）。这样在江河的入海口区，在河水与海水交汇的地方，河水与海水之间便存在着含盐浓度的不同，也就是含盐浓度差。由含盐浓度差而储存的能量，便是海洋盐差能，也叫浓度差能。据科学家估算，全世界海洋的盐差能总储量约300亿千瓦，技术上可利用的储量约为3 0亿千瓦，其能量密度超过其他形式的海洋能。

盐差能的表现形式很多，当前最受关注的开发利用方法是渗透压法。当我们在一个水池中间隔一片半透膜（只允许溶剂通过），两侧分别加入同量海水和淡水，开始两侧的水位相同。过一段时间我们会发现：因为淡水通过半透膜渐渐向海水一侧渗透，淡水一侧的水位会渐渐下降，海水一侧水位会渐渐升高。当盐度为35的海水与淡水分别放入水池两侧时，通过半透膜形成的渗透压，可产生248米水位差，相当24个大气压。

我们可以利用这个水位差——势能推动水轮机旋转，带动发电机发电。只要继续向海水一侧加入高盐浓度海水，使海水一侧保持高含盐浓度，淡水就会继续向海水一侧渗透，两侧就会继续保持水位差，发电就会继续进行。但由于盐差能对于技术的要求比较高，难度较大，费用很高，多数科学家认为近期较难解决，所以目前在世界范围内对盐差能的研究也较少。据国外报道，近几年，挪威、美国和荷兰等开展了盐差能发电的研究。

海水温差能——海水间的热量传递

在世界大洋赤道两侧的热带海域，表层和深层海水的温度差为20~24摄氏度，储藏着巨大的温差能资源。据科学家估算，全世界海洋的温差能总储量约400亿千瓦，技术上可利用的储量约为20亿千瓦。

海水的这种温差可以帮助人们发电，其基本原理是：利用能量转换系统中的工作介质吸收海洋中的热能产生蒸汽，推动涡轮机带动发电机发电。经过100年的研究，美国科学家终于在1979年在夏威夷岛海域建成了一个温差电发电试验电站，这是世界上第一次从海洋温差能获得有实用意义电能的温差电站。在此之前，科学家在试验研究中，获得的电力还少于为抽取深层冷水和表层温水付出的电力。

海流能——海水的迁徙运动

在世界大洋中，有一股大规模的海水流动，所形成的“海中之河”叫海流。海流是由海面上风的作用，或海水温度、盐度不同产生的密度分布不均而引起的。海流沿着各自不同的路线不停地流动，方向和流速相对稳定。它们的长短不一，或数百千米，或数千乃至上万千米，其宽度、厚度也不同。海流的流速一般是0.5~1.0米/秒，高的可达2.0米/秒。据科学家估算，全世界海洋的海洋能总储量约6亿千瓦，技术上可利用的储量约为3亿千瓦。因为海流能和潮流能都是流速动能，所以海流发电与潮流发电的原理基本相同。但由于一般海流都在距离大陆较远的大洋中，开发利用难度较大，研究的国家较少。

海洋带给人类无尽的宝藏，人类对海洋的探索也从未停止。海洋能的种类虽多，不过目前能够带来的实用价值还很有限。人类的科技在不断发展进步，相信在不远的未来，我们一定能够把更多的海洋馈赠变成人类社会前进的力量。