海生

提及新能源，人們想到的一般是風(fēng)能和太陽能，但實際上，人類早在100多年前就已經(jīng)將尋找可替代石化能源的 目光投向了海洋，開始了海洋能的研究。

海洋能指依附在海水中的可再生能源，海洋通過各種物理過程接收、儲存和散發(fā)能量，這些能量以潮汐、波浪、溫度差、鹽度梯度、海流等形式存在于海洋之中。

溫差發(fā)電歷史久遠

越往海底深處溫度越低，甚至?xí)浯坦?，海面則比較溫和。這還只是人類可以直接體驗的范圍，如果再深至海底500甚至1000米，溫度將會相差更大。那么，這個溫差能不能被利用起來發(fā)電，甚至建成一座海洋熱能轉(zhuǎn)換廠呢?

早在1881年，法國生物物理學(xué)家德?阿松瓦爾就提出利用海洋溫差發(fā)電的設(shè)想。直到1930年，他的學(xué)生克洛德才在古巴的近海，建造了一座海水溫差發(fā)電站，首次利用海洋溫度差能量發(fā)電成功。20世紀(jì)80年代，聯(lián)合國已經(jīng)確認海洋熱能轉(zhuǎn)換是所有海洋能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中最重要的一種。溫差能的優(yōu)勢就在于它可以提供穩(wěn)定的電力，如果不考慮維修，這種電站可無限期地工作。同時，海洋溫差能在發(fā)電富余的情況下，還可以制氫并送回陸地。

美國一家航空航天公司洛克希德?馬丁公司看中了海洋這座巨大的能量庫，1979年在夏威夷建成世界上第一座海洋溫差發(fā)電裝置，利用海洋的溫度差來驅(qū)動熱力發(fā)電機發(fā)電：將溫暖的表層水抽進熱交換器當(dāng)中，利用低沸點的物質(zhì)——液氨作為工作流體，溫水泵把表層溫海水抽上送往蒸發(fā)器，液氨吸收了溫水的能量，沸騰并變?yōu)榘睔?，氨氣?jīng)過汽輪機的葉片通道，膨脹做功，推動汽輪機旋轉(zhuǎn)。然后，氨氣進入冷凝器，深層的冷海水再重新將其冷凝為液態(tài)氨，而經(jīng)歷熱交換后溫度較高的海水再次被抽回海洋，如此，在閉合回路中反復(fù)進行蒸發(fā)、膨脹、冷凝。

日本在海洋能開發(fā)利用方面也十分活躍，專門成立了海洋溫差發(fā)電研究所，并在海洋熱能發(fā)電系統(tǒng)和熱交換器技術(shù)領(lǐng)域領(lǐng)先美國。1999年，日本和印度聯(lián)合進行的1000千瓦海洋溫差發(fā)電實驗成功，推動了該技術(shù)的實用化。

2003年在印度南部的海域進行實驗，以證實海洋溫差發(fā)電的可行性。該系統(tǒng)在長70米、寬16米的設(shè)備船上安裝了日本佐賀大學(xué)校長上原春男研制的熱交換器。印度近海約30攝氏度的溫海水會使液態(tài)氨變?yōu)檎羝?，推動汽輪機轉(zhuǎn)動。上原春男等人還采取在液態(tài)氨中混入少量水，使用2個汽輪機的方法來提高發(fā)電效率。他們開發(fā)的這套系統(tǒng)據(jù)說能為2000人提供日常用電。

我國南海諸島水深大于800米的海域約140萬～150萬平方公里，位于北回歸線以南，太陽輻射強烈，表層和淺層水溫均在 25℃以上，500～800米以下的深層水溫在5℃以下，表深層水溫差在20℃～24℃。 因此，我國南海諸島溫差能利用最具潛力。

潮汐發(fā)電前景看好

在潮汐能產(chǎn)業(yè)化研究和實踐方面，日本、德國、法國、英國等國家走在前面。根據(jù)聯(lián)合國教科文組織數(shù)據(jù)，全世界潮汐能的理論蘊藏量約為30億千瓦，是目前全球發(fā)電能力的1.6倍。技術(shù)允許利用的約1億千瓦。我國潮汐能蘊藏量約為2.9億千瓦，年發(fā)電量可達2750億度。

中國是世界上建造潮汐能電站最多的國家之一，上個世紀(jì)50年代到70年代，先后建成約50座潮汐電站，但其中大多數(shù)已經(jīng)不再使用。目前，中國有7個潮汐電站在正常運行發(fā)電，總裝機容量為7245千瓦，每年可發(fā)電1000多萬千瓦時。由國電集團旗下龍源電力運營的江廈潮汐試驗電站是我國最大的潮汐海洋能電站，共安裝6臺雙向燈泡貫流式水輪發(fā)電機組，裝機容量為3900千瓦。

在潮汐能產(chǎn)業(yè)化過程中，我國通過與其他國家合作等方式加快了步伐。2010年，廣東省東莞市百川新能源公司與美國綠色電力公司在東莞組建國內(nèi)首家專門研制新型海洋潮汐發(fā)電機的合資公司。2011年，國電集團潮汐海洋能發(fā)電技術(shù)重點實驗室獲國家能源局授牌，正式成為“國家能源研發(fā)中心和國家能源重點實驗室”。有關(guān)專家表示，這一國內(nèi)首個潮汐海洋能發(fā)電技術(shù)國家級重點實驗室的揭牌，預(yù)示著潮汐海洋能發(fā)電正逐步邁入新能源產(chǎn)業(yè)行列。

專家稱，在潮汐能產(chǎn)業(yè)化過程中，各國技術(shù)尚未形成壟斷性差距，我國潮汐能產(chǎn)業(yè)化前景仍然看好。但包括潮汐能在內(nèi)的海洋能，要想大規(guī)模的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，尚需要一定時日。

成本技術(shù)工藝成難題

海洋能源不同于傳統(tǒng)能源，是一種“再生性能源”，也被稱為21世紀(jì)的綠色能源，在現(xiàn)今世界能源緊缺之際，海洋能源的開發(fā)與利用已經(jīng)成為能源開發(fā)的新課題。

目前，我國海洋能技術(shù)進入快速發(fā)展時期。2008年，中國海洋大學(xué)與機械科學(xué)研究總院研制成功5kW固定式柔性葉片水輪機潮流能發(fā)電裝置。2011年初，“成山頭海域建設(shè)波浪能、潮流能海上試驗與測試場的論證及工程設(shè)計”和“新型永磁直驅(qū)式潮流發(fā)電裝置研究與試驗”兩個國家首批海洋可再生能源項目落戶青島。

相對于傳統(tǒng)能源，海洋能源的環(huán)保優(yōu)勢、經(jīng)濟優(yōu)勢及巨大開發(fā)潛力不斷推動未來海洋能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，而海洋能源的開發(fā)也不可置疑地成為能源產(chǎn)業(yè)，甚至海洋經(jīng)濟發(fā)展的新動力。

我國大陸海岸線長達18000多千米，擁有6500多個大小島嶼，海島的岸線總長約14000多千米，海域面積達470多萬平方千米，海洋能源十分豐富，達5億多千瓦。

而在這5億多千瓦的海洋能源中，潮汐能資源約為1.1億千瓦，大部分分布在浙江、福建兩省，約為全國總量的81%；沿岸波浪能的總功率為0.7億千瓦，主要分布在廣東、福建、浙江、海南和臺灣的附近海域；海流能的蘊藏量為0.5億千瓦，主要分布在浙江、福建等??；海洋溫差能約為1.5億千瓦，主要分布在海南省。

然而，面對巨大的海洋能源，我國目前的技術(shù)和開發(fā)情況卻不相匹配。目前，只有潮汐能的開發(fā)相對處于世界先列，而其他海洋能源的開發(fā)仍力不從心。

海洋能的前景雖然樂觀，但存在很大的挑戰(zhàn)和不確定性。管道材料的設(shè)計、生產(chǎn)難度首當(dāng)其沖。第一個挑戰(zhàn)在于，管道要在深海承受巨大的大氣壓力、不斷搖擺的洋流壓力以及頻繁變化的水溫。一個10兆瓦的此類電站，預(yù)計需要一根直徑13英尺的大管道。而要用于100兆瓦或更高容量的電站，預(yù)計其直徑要達到33英尺寬，在水下延伸1000米，這幾乎相當(dāng)于紐約地鐵隧道寬，兩個半帝國大廈高。

另一個挑戰(zhàn)就是，管道必須在現(xiàn)場生產(chǎn)。一根3200英尺長、33英尺寬的管道，如果在工廠制成，再用鐵路或船運輸拖入海洋，沉入水中，不但有運輸方面的挑戰(zhàn)，也很難抬升到合適的角度，沉降到適當(dāng)?shù)纳疃?。因此，需要先在海上建造平臺——要能夠抵御風(fēng)暴、洋流等，然后現(xiàn)場制造管道。

在實際工程中，同樣會遇到很多工藝上的挑戰(zhàn)。工程師們設(shè)想用一種真空輔助樹脂傳遞成型的技術(shù)，波音公司曾用同樣的基礎(chǔ)工藝來制造787夢想飛機。他們將纖維和樹脂倒入模具，讓其像混凝土那樣凝固，而且可以保持垂直，就地留下完全形成的管道，這一技術(shù)可滿足管道所需要的靈活性和穩(wěn)定性的要求。至于管道要建造多長，則取決于冷水的深度，冷水可能潛伏在約1000米的深度，也有可能會淺一些。另外，如此規(guī)模的設(shè)施，還必須考慮環(huán)保和生態(tài)影響。

海洋能雖然儲量巨大，但其能源是分散的，能源密度很低。例如潮汐能可利用的水頭只有數(shù)米，波浪的年平均能量只有300～500MWh/m。海洋能大部分蘊藏在遠離用電中心的大洋海域，難以利用。海洋能的能量變化大，穩(wěn)定性差，如潮汐的周期變化、波浪能量和方向的隨機變化等給開發(fā)利用增加了難度。

海洋環(huán)境嚴(yán)酷，對使用材料及設(shè)備的防腐蝕、防污染、防生物附著要求高，尤其是風(fēng)浪有巨大的沖擊破壞力，也是開發(fā)海洋能時必須考慮的。

鑒于海洋能源開發(fā)成本高、受自然因素影響大等的原因，目前中國乃至全世界的能源開發(fā)仍處于試驗階段。如何更好地開發(fā)海洋能源，并把試驗性研究轉(zhuǎn)化為應(yīng)用，成為擺在全球新能源開發(fā)面前的重大難題。