海洋能

2024年2月20日发(作者：绿萝)

海洋能[新能源概论]

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摘要：海洋能的概况、分类以及发展状况、前景预测

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、海洋温差能、海洋盐差能和海流能等，更广义的海洋能源还包括海洋上空的风能、海洋表面的太阳能以及海洋生物质能等。潮汐能源自月球、太阳和其他星球引力，其他海洋能均源自太阳辐射。

地球表面积约为5.1X108km，其中陆地表面积为1.49X108km，占29％；海洋面积达3.61X1O8km，占71％。以海平面计，全部陆地的平均海拔约为840m，而海洋的平均深度却为380m，整个海水的容积多达1.37X109km3。一望无际的汪洋大海，不仅为人类提供航运、水产和丰富的矿藏，而且还蕴藏着巨大的能量。

全球海洋能的可再生量很大，上述五种海洋能理论上可再生的总量为766亿千瓦。虽然海洋能的强度较常规能源为低，但在可再生能源中，海洋能仍具有可观的能流密度。

海洋能开发利用的方式主要是发电，其中潮汐发电和小型波浪发电技术已经实用化。据估算，世界仅可利用的潮汐能一项就达30亿千瓦，其中可供发电约为260万亿度。科学家曾作过计算，沿岸各国尚未被利用的潮汐能要比目前世界全部的水力发电量大一倍。

海洋能的概况

海洋能源通常指海洋中所蕴藏的可再生的自然能源，主要为潮汐能、波浪能、海流能（潮流能）、海水温差能和海水盐差能。更广义的海洋能源还包括海洋上空的风能、海洋表面的太阳能以及海洋生物质能等。究其成因，潮汐能和潮流能来源于太阳和月亮对地球的引力变化，其他均源于

太阳辐射。海洋能源按储存形式又可分为机械能、热能和化学能。其中，潮汐能、海流能和波浪能为机械能，海水温差能为热能，海水盐差能为化学能。

近20多年来，受化石燃料能源危机和环境变化压力的驱动，作为主要可再生能源之一的海洋能事业取得了很大发展，在相关高技术后援的支持下，海洋能应用技术日趋成熟，为人类在下个世纪充分利用海洋能展示了美好的前景。

我国有大陆海岸线长达18000多公里，有大小岛屿6960多个，海岛总面积6700平方公里，有人居住的岛屿有430多个，总人口450多万人。沿海和海岛既是外向型经济的基地，又是海洋运输和开发海洋的前哨，并且在巩固国防，维护祖国权益上占有重要地位。改革开放以来，随着沿海经济的发展，海岛开发迫在眉睫，能源短缺严重地制约着经济的发展和人民生活水平的提高。外商和华侨因海岛能源缺乏，不愿投资；驻岛部队用电困难，不利于国防建设；特别是西沙、南沙等远离大陆的岛屿，依靠大陆供应能源，因供应线过长，诸多不便，非常艰苦。为了保证沿海与海岛经济持久快速地发展及人民生活水平的不断提高，寻求解决能源供应紧张的途径已刻不容缓。

我国海洋能开发已有近40年的历史，迄今建成的潮汐电站8座，80年代以来浙江、福建等地对若干个大中型潮汐电站，进行了考察、勘测和规化设计、可行性研究等大量的前期准备工作。总之，我国的海洋发电技术已有较好的基础和丰富的经验，小型潮汐发电技术基本成熟，已具备开发中型潮汐电站的技术条件。但是现有潮汐电站整体规模和单位容量还很小，单位千瓦造价高于常规水电站，水工建筑物的施工还比较落后，水轮发电机组尚未定型标准化。这些均是我国潮汐能开发现存的问题。其中关键问题是中型潮汐电站水轮发电机组技术问题没有完全解决，电站造价急待降低。

我国波力发电技术研究始于70年代，80年代以来获得较快发展，航标灯浮用微型潮汐发电装置已趋商品化，现已生产数百台，在沿海海域航标和大型灯船上推广应用。与日本合作研制的后弯管型浮标发电装置，已向国外出口，该技术属国际领先水平。在珠江口大万山岛上研建的岸边固定式波力电站，第一台装机容量3kW的装置，1990年已试发电成功。“八五”科技攻关项目总装机容量20kW的岸式波力试验电站和8kW摆式波力试验电站，均已试建成功。总之，我国波力发电虽起步较晚，但发展很快。微型波力发电技术已经成熟，小型岸式波力发电技术已进入世界先进行列。但我国波浪能开发的规模远小于挪威和英国，小型波浪发电距实用化尚有一定的距离。

潮流发电研究国际上开始于70年代中期，主要有美国、日本和英国等进行潮流发电试验研究，至今尚未见有关发电实体装置的报导。我国潮流发电研究始于70年代末，首先在舟山海域进行了8kW潮流发电机组原理性试验。80年代一直进行立轴自调直叶水轮机潮流发电装置试验研究，目前正在采用此原理进行70kW潮流试验电站的研究工作。在舟山海域的站址已经选定。我国已经开始研建实体电站，在国际上居领先地位，但尚有一系列技术问题有待解决。

海洋能的分类

在我国大陆沿岸和海岛附近蕴藏着较丰富的海洋能资源，至今却尚未得到应有的开发。据调查统计，我国沿岸和海岛附近的可开发潮汐能资源理论装机容量达2179万kW，理论年发电量约624亿kWH，波浪能理论平均功率约1285万kW，潮流能理论平均功率1394万kW，这些资源的90以上分布

在常规能源严重缺乏的华东沪浙闽沿岸。特别浙闽沿岸在距电力负荷中心较近就有不少具有较好的自然环境条件和较大开发价值的大中型潮汐电站站址，不少已经做过大量的前期工作，已具备近期开发的条件。

一、潮汐能

潮汐能是指海水潮涨和潮落形成的水的势能，其利用原理和水力发电相似。潮汐能的能量与潮量和潮差成正比。或者说，与潮差的平方和水库的面积成正比。和水力发电相比，潮汐能的能量密度很低，相当于微水头发电的水平。世界上潮差的较大值约为13—15m，我国的最大值（杭州湾澉浦）为8.9m。一般说来，平均潮差在3m以上就有实际应用价值。

潮汐能利用的主要方式是发电。通过贮水库，在涨潮时将海水贮存在贮水库内，以势能的形式保存，然后，在落潮时放出海水，利用高、低潮位之间的落差，推动水轮机旋转，带动发电机发电。潮汐电站的功率和落差及水的流量成正比。但由于潮汐电站在发电时贮水库的水位和海洋的水位都是变化的（海水由贮水库流出，水位下降，同时，海洋水位也因潮汐的作用而变化）。因此，潮汐电站是在变功况下工作的，水轮发电机组和电站系统的设计要考虑变功况，低水头、大流量以及防海水腐蚀等因素，远比常规的水电站复杂，效率也低于常规水电站。潮汐电站按照运行方式和对设备要求的不同，可以分成单库单向型、单库双向型和双库单向型三种。

二、波浪能

波浪能是指海洋表面波浪所具有的动能和势能。波浪的能量与波高的平方、波浪的运动周期以及迎波面的宽度成正比。波浪能是海洋能源中能量最不稳定的一种能源。台风导致的巨浪，其功率密度可达每米迎波面数千千瓦，而波浪能丰富的欧洲北海地区，其年平均波浪功率也仅为20-40kW/m。中国海岸大部分的年平均波浪功率密度为2-7kW/m2。

波浪发电是波浪能利用的主要方式。此外，波浪能还可以用于抽水、供热、海水淡化以及制氢等。波浪能利用装置大都源于几种基本原理，即：利用物体在波浪作用下的振荡和摇

摆运动；利用波浪压力的变化；利用波浪的沿岸爬升将波浪能转换成水的势能等。经过70年代对多种波能装置进行的实验室研究和80年代进行的实海况试验及应用示范研究，波浪发电技术已逐步接近实用化水平，研究的重点也集中于3种被认为是有商品化价值的装置，包括振荡水柱式装置、摆式装置和聚波水库式装置。

三、海流能

海流能是指海水流动的动能，主要是指海底水道和海峡中较为稳定的流动以及由于潮汐导致的有规律的海水流动。海流能的能量与流速的平方和流量成正比。相对波浪而言，海流能的变化要平稳且有规律得多。潮流能随潮汐的涨落每天2次改变大小和方向。一般说来，最大流速在2m/s以上的水道，其海流能均有实际开发的价值。

海流能的利用方式主要是发电，其原理和风力发电相似，几乎任何一个风力发电装置都可以改造成为海流发电装置。但由于海水的密度约为空气的1000倍，且装置必须放于水下。故海流发电存在一系列的关键技术问题，包括安装维护、电力输送、防腐、海洋环境中的载荷与安全性能等。此外，海流发电装置和风力发电装置的固定形式和透平设计也有很大的不同。海流装置可以安装固定于海底，也可以安装于浮体的底部，而浮体通过锚链固定于海上。海流中的透平设计也是一项关键技术。

四、温差能

温差能是指海洋表层海水和深层海水之间水温之差的热能。海洋的表面把太阳的辐射能的大部分转化成为热水并储存在海洋的上层。另一方面，接近冰点的海水大面积地在不到1000m的深度从极地缓慢地流向赤道。这样，就在许多热带或亚热带海域终年形成20℃以上的垂直海水温差。利用这一温差可以实现热力循环并发电。

除了发电之外，海洋温差能利用装置还可以同时获得淡水、深层海水、进行空调并可以与深海采矿系统中的扬矿系统相结合。因此，基于温差能装置可以建立海上独立生存空间并作为海上发电厂、海水淡化厂或海洋采矿、海上城市或海洋牧场的支持系统。总之，温差能的开发应以综合利用为主。

海洋温差能转换主要有开式循环和闭式循环两种方式。开式循环系统主要包括真空泵、温水泵、冷水泵、闪蒸器、冷凝器、透平—发电机组等部分。开式循环的副产品是经冷凝器排出的淡水，这是它的有利之处。

闭式循环系统不以海水而采用一些低沸点的物质（如丙烷、氟利昂、氨等）作为工作介质，在闭合回路内反复进行蒸发、膨胀、冷凝。因为系统使用低沸点的工作介质，蒸汽的工作压力得到提高。闭式循环系统由于使用低沸点工质，可以大大减小装置，特别是透平机组的尺寸。但使用低沸点工质会对环境产生污染。

温差能利用的最大困难是温差太小，能量密度太低。温差能转换的关键是强化传热传质技术。同时，温差能系统的综合利用，还是一个多学科交叉的系统工程问题。

五、盐差能

盐差能是指海水和淡水之间或两种含盐浓度不同的海水之间的化学电位差能。主要存在于河海交接处。同时，淡水丰富地区的盐湖和地下盐矿也可以利用盐差能。盐差能是海洋能中能量密度最大的一种可再生能源。通常，海水（35‰盐度）和河水之间的化学电位差有相当于240m水头差的能量密度。这种位差可以利用半渗透膜（水能通过，盐不能通过）在盐水和淡水交接处实现。利用这一水位差就可以直接由水轮发电机发电。

盐差能的利用主要是发电。其基本方式是将不同盐浓度的海水之间的化学电位差能转换成水的势能，再利用水轮机发电，具体主要有渗透压式、蒸汽压式和机械—化学式等，其中渗透压式方案最受重视。

海洋能的发展现状

一、世界海洋能发展现状

在陆地矿物燃料日趋枯竭和污染已趋严重，世界上一些主要的海洋国家纷纷把目光转向海洋，加大投入，促进和加快了人类开发利用海洋的步伐，摸清资源状况，制定发展计划，组织科技项目到实用技术的试验，均投入了大量的人力物力。

二、中国海洋能发展现状

1．潮汐能发电技术进展及项目

潮汐发电是海洋能中技术最成熟和利用规模最大的一种。全世界潮汐电站的总装机容量为265MW，中国为5.64MW，如下表所列。

表5-1中国主要潮汐电站

中国是世界上建造潮汐电站最多的国家，在50年代至70年代先后建造了近50座潮汐电站，但据80年代初的统计，只有8个电站仍正常运行发电。江厦电站是中国最大的潮汐电站，目前已正常运行近20年。

江厦电站研建是国家“六五”重点科技攻关项目，总投资为1130万人民币，1974年开始研建，1980年首台500kW机组开始发电，至1985年完成。电站共安装500kW机组一台，600kW机组一台和700kW机组3台，总容量3.2MW。电站为单库双作用式，水库面积为1.58×106m2，设计年发电量为10.7×106kWh。1996年全年的净发电为5.02×106kWh，约为设计值的一半。其原因主要是机组运行的设计状态与实际状态有差别。同时，机组的保证率、运行控制方式等也都需要提高。但江厦电站总体说是成功的，为中国潮汐电站的建造提供了较全面的技术，同时，也为潮汐电站的运行、管理和多种经营等积累了丰富的经验。

潮汐发电的关键技术包括潮汐发电机组、水工建筑、电站运行和海洋环境等。中国60年代和70年代初建的潮汐电站技术水平相对较低，但江厦电站属技术上较成熟的电站。

“八五”期间，在原国家科委重点攻关项目的支持下，还开展了相关技术设备的研究开发，如全贯流机组的开发和灯泡贯流机组的改进。总的说来潮汐发电机组的技术已基本成熟。

2．波浪能利用的研究进展与主要项目

中国是世界上主要的波能研究开发国家之一。从80年代初开始主要对固定式和漂浮式振荡水柱波能装置以及摆式波能装置等进行研究。1985年中科院广州能源研究所开发成功利用对称翼透平的航标灯用波浪发电装置。经过十多年的发展，已有60W至450W的多种型号产品并多次改进，目前已累计生产600多台在中国沿海使用，并出口到日本等国家。“七五”期间，由该所牵头，在珠海市大万山岛研建了一座波浪电站并于1990年试发电成功。电站装机容量3kW，对称翼透平直径0.8m。“八五”期间，在原国家科委的支持下，由中科院广州能源研究所和国家海洋局天津海洋技术所分别研建了20kW岸式电站、5kW后弯管漂浮式波力发电装置和8kW摆式波浪电站，均试发电成功。

“九五”期间，在科技部科技攻关计划支持下，广州能源研究所正在广东汕尾市遮浪研建100kW岸式振荡水柱电站，计划2000年建成发电。同时，由天津国家海洋局海洋技术所研建的100kW摆式波力电站，已在今年9月在青岛即墨大官岛试运行成功。

3．海洋温差能利用技术的进展与主要项目

1980年台湾电力公司曾计划将第3和第4号核电厂余热和海洋温差发电并用。经过3年的调查研究，认为台湾东岸及南部沿海有开发海洋热能的自然条件，并初步选择在花莲县的和平溪口、石梯坪及台东县的樟原等三地做厂址，并与美国进行联合研究。

1985年中国科学院广州能源研究所开始对温差利用中的一种“雾滴提升循环”方法进行研究。这种方法的原理是利用表层和深层海水之间的温差所产生的焓降来提高海水的位能。据计算，温度从20℃降到7℃时，海水所释放的热能可将海水提升到125m的高度，然后再利用水轮机发电。该方法可以大大减小系统的尺寸，并提高温差能量密度。1989年，该所在实验室实现了将雾滴提升到21m的高度记录。同时，该所还对开式循环过程进行了实验

室研究，建造了两座容量分别为10W和60W的试验台。

4．海流能的研究进展

世界上从事海流能开发的主要有美国、英国、加拿大、日本、意大利和中国等。70年代末，中国舟山的何世钧先生曾进行过海流能开发研究，建造了一个试验装置并得到了6.3kW的电力输出。80年代初，哈尔滨工程大学开始研究一种直叶片的新型海流透平，获得较高的效率并于1984年完成60W模型的实验室研究，之后开发出千瓦级装置在河流中进行试验。

90年代以来，中国开始计划建造海流能示范应用电站，在“八五”、“九五”科技攻关中均对海流能进行连续支持。目前，哈尔滨工程大学正在研建75kW的潮流电站。意大利与中国合作在舟山地区开展了联合海流能资源调查，计划开发140kW的示范电站。

5．盐差能的研究进展

中国西安冶金建筑学院于1985年对水压塔系统进行了试验研究。上水箱高出渗透器约10m，用30公斤干盐可以工作8—14小时，发电功率为0.9—1.2W。

盐差能开发的技术关键是膜技术。除非半透膜的渗透流量能在目前水平的基础再提高一个数量级，并且海水可以不经预处理。否则，盐差能利用难以实现商业化。

三、各国较为先进的研究成果

随着陆地矿物燃料日趋枯竭，环境污染日趋严重，世界上一些主要的海洋国家纷纷把目光转向海洋，加大投人，促进和加快了人类开发利用海洋的步伐，从摸清资源状况，制定发展计划，组织科技项目到实用技术的试验，均投入了大量的人力物力。

1、英国从7O年代以来，制定了强调能源多元化的能源政策，鼓励发展包括海洋能在内的多种可再生能源。1992年联合国环发大会后，为实现对资源和环境的保护，又进一步加强了对海洋能源的开发利用，把波浪发电研究放在新能源开发的首位，曾因投资多，技术领先而著称。已决定在苏格兰西海岸兴建一座装机容量2万千瓦的固定式波力电站。在潮汐能开发利用方面也进行了大规模的可行性研究和前期开发研究，并计划1997年在塞汝河口建造一座装机容量为8．64兆瓦，年发电量约为170亿千瓦时的潮汐电站。英国已具有建造各种规模的潮汐电站的技术力量，并认为是极有潜力的世界市场。日本在海洋能开发利用方面十分活跃，成立了海洋能转移委员会，仅从事波浪能技术研究的科技单位就有日本海洋科学技术中心等1O多个，还成立了海洋温差发电研究所，并在海洋热能发电系统和换热器技术上领先于美国，取得了举世瞩目的成就。

2、美国佛罗里达州的研究人员正在试验水下涡轮发电，以期利用海水流动发电。这种发电的成本是低廉的，将可能取代部分对气候变暖有影响的燃油和燃煤电厂。

佛罗里达州大西洋大学海洋能技术中心的负责人RickDriscoll说：把发电机等设施放入海洋深处有很多困难。我们的目的是利用水涨水落带动深水区所产生的能量，他的团队正在两个岛之间进行测试，在水下九米处测试水力涡轮机的发电能力。

这一研究的关键技术负责人Bedgood预计：到2008年末及至2009年早期，我们将拥有一些水力涡轮机组，并把它们组合起来进行运营。再过一年之后，将可能有数百个这样的发电机组。

海洋能的发展预测

海洋被认为是地球上最后的资源宝库，也被称作为能量之海。21世纪海洋将在为人类提供生存空间、食品、矿物、能源及水资源等方面发挥重要作用，而海洋能源也将扮演重要角色。从技术及经济上的可行性，可持续发展的能源资源以及地球环境的生态平衡等方面分

析，海洋能的潮汐能作为成熟的技术将得到更大规模的利用；波浪能将逐步发展成为行业。近期主要是固定式，但大规模利用要发展漂浮式；可作为战略能源的海洋温差能将得到更进一步的发展，并将与海洋开发综合实施，建立海上独立生存空间和工业基地；潮流能也将在局部地区得到规模化应用。

潮汐能的大规模利用涉及大型的基础建设工程，在融资和环境评估方面都需要相当长的时间。大型潮汐电站的研建往往需要几代人的努力。因此，应重视对可行性分析的研究。目前，还应重视对机组技术的研究。在投资政策方面，可以考虑中央、地方及企业联合投资，也可参照风力发电的经验，在引进技术的同时，由国外贷款。

波浪能在经历了十多年的示范应用过程后，正稳步向商业化应用发展，且在降低成本和提高利用效率方面仍有很大技术潜力。依靠波浪技术、海工技术以及透平机组技术的发展，波浪能利用的成本可望在5—10年左右的时间内，在目前的基础上下降2—4倍，达到成本低于每千瓦装机容量1万元人民币的水平。

中国在波能技术方面与国外先进水平差距不大。考虑到世界上波能丰富地区的资源是中国的5-10倍，以及中国在制造成本上的优势，因此发展外向型的波能利用行业大有可为，并且已在小型航标灯用波浪发电装置方面有良好的开端。因此，当前应加强百千瓦级机组的商业化工作，经小批量推广后，再根据欧洲的波能资源，设计制造出口型的装置。由于资源上的差别，中国的百千瓦级装置，经过改造，在欧洲则可达到兆瓦级的水平，单位千瓦的造价可望下降2—3倍。

从21世纪的观点和需求看，温差能利用应放到相当重要的位置，与能源利用、海洋高技术和国防科技综合考虑。海洋温差能的利用可以提供可持续发展的能源、淡水、生存空间并可以和海洋采矿与海洋养殖业共同发展，解决人类生存和发展的资源问题。需要安排开展的研究课题为：基础方面，重点研究低温差热力循环过程，解决高效强化传热及低压热力机组以及相应的热动力循环和海洋环境中的载荷问题。建立千瓦级的实验室模拟循环装置并开展相应的数值分析研究，提供设计技术；在技术项目方面，应尽早安排百千瓦级以上的综合利用实验装置，并可以考虑与南海的海洋开发和国土防卫工程相结合，作为海上独立环境的能源、淡水以人工环境（空调）和海上养殖场的综合设备。

中国是世界上海流能量资源密度最高的国家之一，发展海流能有良好的资源优势。海流能也应先建设百千瓦级的示范装置，解决机组的水下安装、维护和海洋环境中的生存问题。海流能和风能一样，可以发展“机群”，以一定的单机容量发展标准化设备，从而达到工业化生产以降低成本的目的。

综上所述，中国的海洋能利用，近期应重点发展百千瓦级的波浪、海流能机组及设备的产业化；结合工程项目发展万千瓦级潮汐电站；加强对温差能综合利用的技术研究，中、长期可以考虑的是，万千瓦级温差能综合海上生存空间系统，中大型海洋生物牧场。必须强调的是，海洋能的利用是和能源、海洋、国防和国土开发都紧密相关的领域，应当以发展和全局的观点来考虑。这一点尚未有得到应有的重视。

参考文献：《中国新能源与可再生能源1999白皮书》

余志.《蔚蓝澎湃的海洋能.能源科学》，1998.

《新能源技术》，翟秀静，化学工业出版社，2005年。