大海的能量

海生

提及新能源，人們想到的一般是風能和太陽能，但實際上，人類早在100多年前就已經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。

溫差發電歷史久遠

越往海底深處溫度越低，甚至會寒冷刺骨，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電，甚至建成一座海洋熱能轉換廠呢?

早在1881年，法國生物物理學家德?阿松瓦爾就提出利用海洋溫差發電的設想。直到1930年，他的學生克洛德才在古巴的近海，建造了一座海水溫差發電站，首次利用海洋溫度差能量發電成功。20世紀80年代，聯合國已經確認海洋熱能轉換是所有海洋能轉換系統中最重要的一種。溫差能的優勢就在于它可以提供穩定的電力，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電裝置，利用海洋的溫度差來驅動熱力發電機發電：將溫暖的表層水抽進熱交換器當中，利用低沸點的物質——液氨作為工作流體，溫水泵把表層溫海水抽上送往蒸發器，液氨吸收了溫水的能量，沸騰并變為氨氣，氨氣經過汽輪機的葉片通道，膨脹做功，推動汽輪機旋轉。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氨，而經歷熱交換后溫度較高的海水再次被抽回海洋，如此，在閉合回路中反復進行蒸發、膨脹、冷凝。

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

2003年在印度南部的海域進行實驗，以證實海洋溫差發電的可行性。該系統在長70米、寬16米的設備船上安裝了日本佐賀大學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氨變為蒸汽，推動汽輪機轉動。上原春男等人還采取在液態氨中混入少量水，使用2個汽輪機的方法來提高發電效率。他們開發的這套系統據說能為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。

潮汐發電前景看好

在潮汐能產業化研究和實踐方面，日本、德國、法國、英國等國家走在前面。根據聯合國教科文組織數據，全世界潮汐能的理論蘊藏量約為30億千瓦，是目前全球發電能力的1.6倍。技術允許利用的約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50年代到70年代，先后建成約50座潮汐電站，但其中大多數已經不再使用。目前，中國有7個潮汐電站在正常運行發電，總裝機容量為7245千瓦，每年可發電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電機組，裝機容量為3900千瓦。

在潮汐能產業化過程中，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首家專門研制新型海洋潮汐發電機的合資公司。2011年，國電集團潮汐海洋能發電技術重點實驗室獲國家能源局授牌，正式成為“國家能源研發中心和國家能源重點實驗室”。有關專家表示，這一國內首個潮汐海洋能發電技術國家級重點實驗室的揭牌，預示著潮汐海洋能發電正逐步邁入新能源產業行列。

專家稱，在潮汐能產業化過程中，各國技術尚未形成壟斷性差距，我國潮汐能產業化前景仍然看好。但包括潮汐能在內的海洋能，要想大規模的產業化應用，尚需要一定時日。

成本技術工藝成難題

海洋能源不同于傳統能源，是一種“再生性能源”，也被稱為21世紀的綠色能源，在現今世界能源緊缺之際，海洋能源的開發與利用已經成為能源開發的新課題。

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

相對于傳統能源，海洋能源的環保優勢、經濟優勢及巨大開發潛力不斷推動未來海洋能源產業的發展，而海洋能源的開發也不可置疑地成為能源產業，甚至海洋經濟發展的新動力。

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、福建等省；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，我國目前的技術和開發情況卻不相匹配。目前，只有潮汐能的開發相對處于世界先列，而其他海洋能源的開發仍力不從心。

海洋能的前景雖然樂觀，但存在很大的挑戰和不確定性。管道材料的設計、生產難度首當其沖。第一個挑戰在于，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，預計其直徑要達到33英尺寬，在水下延伸1000米，這幾乎相當于紐約地鐵隧道寬，兩個半帝國大廈高。

另一個挑戰就是，管道必須在現場生產。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，也很難抬升到合適的角度，沉降到適當的深度。因此，需要先在海上建造平臺——要能夠抵御風暴、洋流等，然后現場制造管道。

在實際工程中，同樣會遇到很多工藝上的挑戰。工程師們設想用一種真空輔助樹脂傳遞成型的技術，波音公司曾用同樣的基礎工藝來制造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，這一技術可滿足管道所需要的靈活性和穩定性的要求。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，如此規模的設施，還必須考慮環保和生態影響。

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利用增加了難度。

海洋環境嚴酷，對使用材料及設備的防腐蝕、防污染、防生物附著要求高，尤其是風浪有巨大的沖擊破壞力，也是開發海洋能時必須考慮的。

鑒于海洋能源開發成本高、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仍處于試驗階段。如何更好地開發海洋能源，并把試驗性研究轉化為應用，成為擺在全球新能源開發面前的重大難題。