海洋能概述

海洋能概述OceanUniversityofChina第1章海洋能概述海洋能可再生能源开发潜力巨大，我国储量丰富，潮流能、波浪能、潮汐能和海上风能等都居世界前列。目前，海洋可再生能源在国际社会上得到广泛关注，纷纷将其开发利用作为未来能源的出路。我国制定了多部法律法规明确了加大海洋可再生能源的开发利用力度……《中华人民共和国国民经济和社会发展第十一个五年规划纲要》明确提出了积极开发利用海洋能的能源政策。《国家“十一五”海洋科技规划纲要》明确将海洋能可再生能源开发利用技术作为一项重要任务：开发潮汐能、潮流能、波浪能和温差能利用技术，研建小型实用波浪能发电站、温差电站的实验样机以及万千瓦级潮汐能电站等。《全国科技兴海规划纲要》明确了海洋可再生能源开发利用技术产业化的重要任务：强化海洋可再生能源技术的实用化，开展潮汐能、波浪能、海流能、海洋风能区划及发电技术集成创新和转化应用。重点发展百千瓦级的波浪、海流能机组及其相关设备的产业化。2010年财政部与海洋局联合设立了“海洋可再生能源专项资金”，每年投入2个亿，充分发挥了中央财政资金的引导带动作用。海洋能发展史上具有里程碑意义。2013年2月，国家发改委发布了《战略性新兴产业重点产品和服务指导目录》，“海洋能相关系统与装备”被列入七大战略新兴产业之一的“高端装备制造产业”中。2013年4月，国家发改委、国土资源部、国家海洋局联合印发的《国家海洋事业发展“十二五”规划》提出：加快海洋可再生能源勘查与评估，编制发展规划，利用国家海洋可再生能源专项资金加强海洋能开发应用；开展万千瓦级潮汐水轮发电、兆瓦级潮流发电、百千瓦级新型波浪能项目示范。探索开展温差能和海洋生物质能利用。2013年12月27日国家海洋局印发了《海洋可再生能源发展纲要（2013年~2016年）》，这是我国第一个系统部署海洋能工作的规划性文件。是今后一段时期我国海洋能发展指导性文件。到2016年我国将建成具有公共试验测试泊位的波浪能、潮流能示范电站以及国家级海上试验场，为我国海洋能产业化发展奠定坚实的技术基础和支撑保障。海洋能是海洋中所蕴藏的可再生的自然能源，主要为潮汐能、海流能（包括潮流能）、波浪能、海水温差能和海水盐能差。成因潮汐能和潮流能来源于月球和太阳对地球的万有引力变化，其他各种能都是太阳辐射产生的。在太阳系存在的年代中，是可再生的，取之不尽，用之不竭。海洋能源非常丰富普遍存在于浩瀚的海洋水体中。据1981年联合国教科文组织出版的《海洋能开发》估计，全球海洋的理论可再生的功率为7.66×108KW，蕴藏在海岸线附近、技术上允许利用的海洋能有64×108KW，是当时世界电站总装机容量的两倍。我国有4.4×108KW。海洋能源的特点海洋能源是清洁能源，用它发电不必消耗燃料，也不产生废物、废液、废气，无须运输，被誉为绿色能源。但海洋能源开发也有它的弱点和局限性。海洋能源虽然总量及其丰富，但它分散存在于全球大洋的水体中，单位面积或单位长度、单位体积内的能源储量（密度）不大，能量又是随海域、时间变化的，这都给海洋能的开发利用带来困难。开发海洋能源的设备必须建在海洋中，面临深海的高压，汹涌的波浪、湍急的海流、海水的强腐蚀力和海洋生物对结构的污损，不可避免地提高了海洋能源开发设备的成本。海洋能源的特点目前世界主要能源是石油、天然气和煤炭，被称为化石燃料，少部分是水力和核能。化石燃料是不可再生的。按现在的消费水平，煤还够开采220年，石油只能提供40年，天然气只够60年之用，这些化石燃料还是宝贵的原料，可以生产化学产品。为了建设节约型社会，保证社会的可持续发展，有必要把能源建立在更稳定的基础上，调整能源结构，寻找替代的可再生能源，节省化石燃料。我国海洋能相当丰富，蕴藏在需要大量能源的东南沿海，是有巨大开发潜力的可再生能源。实行可持续发展战略需要开发海洋能源。开发海洋能源是可持续发展的需要开发海洋能源是环境保护的需要燃料化石燃料发电的同时排出大量的温室气体二氧化碳，造成酸雨的二氧化硫和烟尘（可吸入颗粒物），污染环境大气和水，大气中二氧化碳含量升高会加剧温室效应，使大气温度升高，两极冰盖融化，滨海低地和海洋中的珊瑚岛礁难免灭顶之灾。1992年世界各国在巴西的里约热内卢召开了联合国环境与发展大会，1997年又在日本京都召开了气候变化会议，签订了京都议定书。开发海洋能源不需燃料，不排放三废，基本上不会破坏生态环境。增强海洋资源开发能力的需要目前陆地上资源日益枯竭，世界各国正逐渐将目光转向资源蕴藏量丰富的海洋，并逐步向深远海发展，但在远离大陆的的海洋里，海洋能是所有能源中获取较为方便和成本相对低廉的能源。发展海洋能技术，可以大大减低海洋开发的成本。所以，发展海洋能技术是提高利用海洋资源能力和降低海洋资源开发成本的重要条件。目前我国正在加大南海的开发力度，也迫切需要海洋能利用的支撑和保障。推动海洋能学科发展的需求海洋可再生能源开发利用涉及海洋工程、流体力学、机械设计、电力控制等多学科交叉融合，将在海洋可再生能源动力机制和规律的深入研究、获能装置同动力源之间耦合作用机理、各种获能装置性能预测的数值模拟方法、结构优化设计方法和标准等基础研究方面有所创新，将突破获能装置设计制作、海上安装施工、运行和维护等关键技术问题及海洋环境下密封、防腐蚀、防风浪等海洋工程共性关键技术问题，对于海洋可再生能源学科自身乃至整个海洋工程学科发展都具有巨大的推动作用。总之，海洋能是数量巨大、清洁、可再生的能源。开发海洋能有利于人类社会可持续发展，缓解化石能源的不足，优化能源结构，保证能源可持续利用，保障我国能源安全，缓解经济发展中的能源与环境压力，增强海洋资源开发能力，促进沿海、海岛经济的发展。对于贯彻落实科学发展观，实现建设资源节约型和环境友好型社会的目标，及开发海岛，巩固国防，均具有十分深远的意义。综合开发利用海洋能源的前景开发利用海洋能源的同时，还可能创造新的经济、社会、环境效益，综合利用可以使总的效益大大提高。开发海洋能源的技术目前还不成熟，加上海洋能源本身又有能源密度低、所处环境恶劣等弱点，往往开发海洋能源设施的成本比常规能源高，限制了开发海洋能源科学技术及产业的发展，考虑海洋能源开发是否可行应当以综合利用的整体成本和产出。开发海洋资源是高风险、高投入、高回收的高技术。开发技术方面与国际水平的差距比较小，没有进口国外的技术或设备，所以更应当重视开展独创性研究，促进海洋能源开发。第2章海洋能源的资源量2.1潮汐能2.2潮流能2.3海流能2.4波浪能2.5温差能2.6盐能差2.1潮汐能潮汐潮汐是海水在天体（主要是月球和太阳）的引爆力作用下所产生的周期性运动，海面垂直方向的涨落称为潮汐，海水在水平方向的流动称为潮流，海面垂直方向涨落引起势能的变化，潮流蕴藏着动能。潮汐的分布我国海域的潮汐类型及潮差分布见下图，（a）表示潮汐类型。渤海中，只有秦皇岛和黄河口附近为正规全日潮；黄海和东海、台湾海峡大部分海域均为正规半日潮；南海大部分海域为不正规全日潮；广东近海、越南近岸为不正规半日潮；台湾以东太平洋为不正规半日潮。我国海域的潮汐类型与潮差分布图中（b）绘出了我国海域的最大可能潮差。渤海潮差大部分为2～3m；秦皇岛沿岸最小，不到2m；湾顶潮差大，辽东湾顶达5.4m，渤海湾顶5.1m；黄海海区中部小而近岸大，东岸又比西岸大；朝鲜半岛西侧一般为4～8m，最大在仁川附近，可达11m，是世界著名的大潮差区；中国沿岸潮差一般为2～4m，成山头不到2m，长江口比较大，可有6.7～8.4m；东海潮汐西岸大（4～5m以上）、东岸小（2m左右），杭州湾钱塘江口海宁可达8.9m，每年农历八月十八的涌潮闻名世界；南海大部分海域均在2m以上，最大潮差在北部湾顶，北海可达7m，粤西可达4m；以东海长江口、浙江、福建沿海最大。世界上开阔海域低纬度为半日潮，高纬度为全日潮。北大西洋加拿大、美国、英国和法国沿岸为正规半日潮；墨西哥湾、东南亚沿岸为正规全日潮；美国太平洋沿岸为混合潮；红海是窄长海域的代表；加拿大的芬迪湾是窄长半封闭海湾的典型；欧洲的北海则属于半封闭宽海域，潮波由大西洋进入，其右岸，即英国潮差大，东岸各国潮差小。开阔大洋中潮差接近平衡潮理论计算出的潮差，不足1m。潮差高的海域为一些浅的边缘海、喇叭形渐缩河口与海湾，有5~15m。潮差据世界前列的有加拿大东北部的昂加瓦湾、东南部的芬迪湾，英国布里斯托尔的塞汶河口，都有15m左右。俄国巴伦支海和白海、鄂霍次克海品仁湾和图古尔、阿拉斯加、英法两国的英吉利-拉芒什海峡、英国北海沿岸、韩国西岸、澳大利亚西北、印度库奇湾和坎贝湾、孟加拉湾、阿根廷巴塔哥尼亚、巴西东北部也是潮差大的海域，潮差在8~14m。如芬迪湾顶部观察到世界上最高的潮差16.2m，塞汶河口14.5m，法国格朗维尔14.7m，俄罗斯美津湾10m。潮汐的能量我国长江口、浙江、福建东海沿海的潮差较大，潮汐能蕴藏量可观，其余海域潮差较小，仅在海湾顶部潮差达到可开发利用规模。85-89年国务院责成国家海洋局及水利部开展调查研究，给出了我国潮汐能的资源量。省份装机容量/MW年发电量×106/MW坝址数/个辽宁594.031635.4651河北10.2320.4520山东124.24375.3824江苏1.105.462上海70422801浙江8913.9426691.0273福建10332.8528413.4488台湾56.19154.5317广东1573.811519.7449广西393.131111.172海南89.57229.4127全国21793.062435.99424上表只估算小规模的可开发的潮汐站址的蕴藏量，不包括一些大规模的站址。因此总蕴藏量偏小。另据估计，我国沿海蕴藏的潮汐能量为1.1×108kW。其中便于开发利用的有2100×104kW，每年可发电580×108kWh。2.2潮流能潮流潮汐的周期性波动引起水位的变化和水体的流动，由于陆地的存在，在陆地间的海峡和岛屿间的水道中形成较强的潮流。潮流是往复运动，周期与潮汐相同。潮流携带的动能是一种周期性变化的可再生资源。动能与势能互相转化。潮流的分布我国的舟山群岛各岛之间的水道是我国潮流最大的海域，潮流可达4.0m/s，其余海域只有0.5—1.5m/s。潮流能的分布世界上众多的海峡及岛屿间的水道潮流速度为4.0~5.0m/s，如英国、挪威、日本、朝鲜半岛、加拿大、美国等。我国的舟山群岛各岛之间的水道是我国潮流最大的海域，如西堠门、册子水道、金塘水道、秀山水道、龟山水道等，可达4.0m/s；自江苏斗龙港向南，经长江口、浙江、福建沿海潮汐居全国最大，潮流也有1.5~3.0m/s；渤海海峡北侧老铁山水道达3.0m/s；琼州海峡2.0~2.5m/s；黄海沿岸的斋堂岛水道2.0m/s。根据1985—1989年我国国家海洋局、水电部调查统计结果，我国潮流能的资源量见下表。省份平均功率（NW）水道数/个辽宁1130.475山东1177.917上海304.884浙江7090.2837福建1280.4919台湾2282.5035广东376.5616广西23.084海南282.353全国13948.52130中国沿海可开发的潮流能资源潮流的能量潮流能是一种动能，与流速的平方成正比：E=1/2mV2式中m——潮流中海水的质量；V——潮流中海水的流速。单位时间通过单位面积的潮流能量，即功率（能流密度）为：P=1/2ρV3式中ρ——海水的密度。如过流面积为F，则潮流断面的总功率为：P=1/2ρFV3海洋潮流能之所以具有极大的开发价值和应用前景是因为潮流能相比于其他形式能源的诸多优越性：（1）相对太阳能和风能，其能量更加集中，能量密度约为风能的4倍，太阳能的30倍，如图所示；（2）可预测性强，未来一年甚至几年的日输出能量可以被预测；（3）载荷稳定，波动性约为波浪能的五百分之一；（4）储量丰富，