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海洋能的类型

      海洋能的表现形式多种多样,通常包括:潮汐能、波浪能、海洋温差能、海洋盐差能和海流能等。

  1.潮汐能 

  潮汐能是以位能形态出现的海洋能,是指海水潮涨和潮落形成的水的势能。海水涨落的潮汐现象是由地球和天体运动以及它们之间的相互作用而引起的。在海洋中,月球的引力使地球的向月面和背月面的水位升高。由于地球的旋转,这种水位的上升以周期为12h25min和振幅小于1m的深海波浪形式由东向西传播。太阳引力的作用与此相似,但是作用力小些,其周期为12h。当太阳、月球和地球在一条直线上时,就产生大潮;当它们成直角时,就产生小潮。除了半日周期潮和月周期潮的变化外,地球和月球的旋转运动还产生许多其他的周期性循环,其周期可以从几天到数年。同时地表的海水又受到地球运动离心力的作用,月球引力和离心力的合力正是引起海水涨落的引潮力。除月球、太阳外,其他天体对地球同样会产生引潮力。虽然太阳的质量比月球大得多,但太阳离地球的距离也比月球与地球gesep.com之间的距离大得多,所以其引潮力还不到月球引潮力的一半。其他天体或因远离地球,或因质量太小所产生的引潮力微不足道。如果用万有引力计算,月球所产生的最大引潮力可使海水面升高0.563m,太阳引潮力的作用为O.246m,但实际的潮差却比上述计算值大得多。如我国杭州湾的最大潮差达8.93m,北美加拿大芬地湾最大潮差更达19.6m。这种实际与计算的差别目前尚无确切的解释www.gesep.com环保。一般认为当海洋潮汐波冲击大陆架和海岸线时,通过上升、收聚和共振等运动,使潮差增大。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,但一般说来,平均潮差在3m以上就有实际应用价值。 

  潮汐是因地而异的,不同的地区常有不同的潮汐系统,它们都是从深海潮波获取能量,但具有各自独特的特征。尽管潮汐很复杂,但对任何地方的潮汐都可以进行准确预报。海洋潮汐从地球的旋转中获得能量,并在吸收能量过程中使地球旋转减慢。但是这种地球旋转的减慢在人的一生中是几乎觉察不出来的,而且也并不会由于潮汐能的开发利用而加快。这种能量通过浅海区和海岸区的磨擦,以1.7TW的速率消散。只有出现大潮,能量集中时,并且在地理条件适于建造潮汐电站的地方,从潮汐中提取能量才有可能。虽然这样的场所并不是到处都有,但世界各国已选定了相当数量的适宜开发潮汐能的站址。据最新的估算,有开发潜力的潮汐能量每年约200TW·h。 

  全世界潮汐能的理论蕴藏量约为3X109kw。我国海岸线曲折,全长约1.8X104km,沿海还有6O00多个大小岛屿,组成1.4X104km的海岸线,漫长的海岸蕴藏着十分丰富的潮汐能资源。我国潮汐能的理论蕴藏量达1.1X108kw,其中浙江、福建两省蕴藏量最大,约占全国的80.9%,但这都是理论估算值,实际可利用的远小于上述数字。

  2.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。波浪能是由风把能量传递给海洋而产生的,它实质上是吸收了风能而形成的。能量传递速率和风速有关,也和风与水相互作用的距离(即风区)有关。水团相对于海平面发生位移时,使波浪具有势能,而水质点的运动,则使波浪具有动能。贮存的能量通过摩擦和湍动而消散,其消散速度的大小取决于波浪特征和水深。深水海区大浪的能量消散速度很慢,从而导致了波浪系统的复杂性,使它常常伴有局地风和几天前在远处产生的风暴的影响。 波浪可以用波高、波长(相邻的两个波峰间的距离)和波周期 (相邻的两个波峰间的时间)等特征来描述。 

  波浪能的大小可以用海水起伏势能的变化来进行估算,即 P=0.5TH2(P为单位波前宽度上的波浪功率,单位kw/m;T为波浪周期,单位s;H为波高,单位m,实际上波浪功率的大小还与风速、风向、连续吹风的时间、流速等诸多因素有关。)。因此波浪能的能级一般以kw/m表示,代表能量通过一条平行于波前的1m长的线的速率。 

  南半球和北半球4O°~60°纬度间的风力最强。信风区(赤道两侧30°之内)的低速风也会产生很有吸引力的波候,因为这里的低速风比较有规律。在盛风区和长风区的沿海,波浪能的密度一般都很高。例如,英国沿海、美国西部沿海和新西兰南部沿海等都是风区,有着特别好的波候。而我国的浙江、福建、广东和台湾沿海为波能丰富的地区。 

  虽然大洋中的波浪能是难以提取的,因此可供利用的波浪能资源仅局限于靠近海岸线的地方。但即使是这样,在条件比较好的沿海区的波浪能资源贮量大概也超过2TW。据估计全世界可开发利用的波浪能达2.5TW。我国沿海有效波高约为2~3m、周期为9s的波列,波浪功率可达17~39kw/m,渤海湾更高达42kw/m。

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  3.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。海洋是地球上一个巨大的太阳能集热和蓄热器。由太阳投射到地球表面的太阳能大部分被海水吸收,使海洋表层水温升高。赤道附近太阳直射多,其海域的表层温度可达25~28℃,波斯湾和红海由于被炎热的陆地包围,其海面水温可达35℃。而在海洋深处50O~1000m处海水温度却只有3~6℃。这个垂直的温差就是一个可供利用的巨大能源。在大部分热带和亚热带海区,表层水温和1000m深处的水温相差20℃以上,这是热能转换所需的最小温差。据估计,如果利用这一温差发电,其功率可达2TW。 

  世界上蕴藏海洋热能资源的海域面积达6000万m2,发电能力可达几万亿瓦。由于海洋热能资源丰富的海区都很遥远,而且根据热动力学定律,海洋热能提取技术的效率很低,因此可资利用的能源量是非常小的。但是即使这样,海洋热能的潜力仍相当可观。另外,许多具有最大温度梯度的海区都位于发展中国家的海域,可为这些国家就地提供能源。而在中国,根据中国海洋水温测量资料计算得到的中国海域的温差能约为1.5X108kW,其中99%在南中国海。南海的表层水温年均在26℃以上,深层水温(800m深处)常年保持在5℃,温差为21℃,属于温差能丰富区域。

  4.盐差能 

  盐差能是以化学能形态出现的海洋能。 

  地球上的水分为两大类:淡水和咸水。全世界水的总储量为1.4X109km3,其中97.2%为分布在大洋和浅海中的咸水。在陆地水中,2.15%为位于两极的冰盖和高山的冰川中的储水,余下的0.65%才是可供人类直接利用的淡水。海洋的咸水中含有各种矿物和大量的食盐,1km3的海水里即含有3600万t食盐。 

  在淡水与海水之间有着很大的渗透压力差(相当于240m的水头)。从理论上讲,如果这个压力差能利用起来,从河流流入海中的每立方英尺的淡水可发0.65kw·h的电。一条流量为1m3/s的河流的发电输出功率可达2340kw。从原理上来说,可通过让淡水流经一个半渗透膜后再进入一 个盐水水池的方法来开发这种理论上的水头。如果在这一过程中盐度不降低的话,产生的渗透压力足可以将水池水面提高240m,然后再把水池水泄放,让它流经水轮机,从而提取能量。从理论上来说,如果用很有效的装置来提取世界上所有河流的这种能量,那么可以获得约2.6TW的电力。更引人注目的是盐矿藏的潜力。在死海,淡水与咸水间的渗透压力相当于5000m的水头,而大洋海水只有240m的水头。盐穹中的大量干盐拥有更密集的能量。 

  利用大海与陆地河口交界水域的盐度差所潜藏的巨大能量一直是科www.gesep.com节能学家的理想。在本世纪70年代,各国开展了许多调查研究,以寻求提取盐差能的方法。实际上开发利用盐度差能资源的难度很大,上面引用的简单例子中的淡水是会冲淡盐水的,因此,为了保持盐度梯度,还需要不断地向水池中加入盐水。如果这个过程连续不断地进行,水池的水面会高出海平面240m。对于这样的水头,就需要很大的功率来泵取咸海水。目前已研究出来的最好的盐差能实用开发系统非常昂贵。这种系统利用反电解工艺(事实上是盐电池)来从咸水中提取能量。根据1978年的一篇报告测算,投资成本约为50000美元/kw。也可利用反渗透方法使水位升高,然后让水流经涡轮机,这种方法的发电成本可高达10~14美元/kw·h。 还有一种技术可行的方法是根据淡水和咸水具有不同蒸气压力的原理研究出来的:使水蒸发并在盐水中冷凝,利用蒸气气流使涡轮机转动。这种过程会使涡轮机的工作状态类似于开式海洋热能转换电站。这种方法所 需要的机械装置的成本也与开式海洋热能转换电站几乎相等。但是,这种方法在战略上不可取,因为它消耗淡水,而海洋热能转换电站却生产淡水。盐差能的研究结果表明,其他形式的海洋能比盐差能更值得研究开发。 

  据估计世界各河口区的盐差能达30TW,可能利用的有2.6TW。我国的盐差能估计为1.1X108kW,主要集中在各大江河的出海处。同时,我国青海省等地还有不少内陆盐湖可以利用。

  5.海流能 

   海流能是另一种以动能形态出现的海洋能。所谓海流主要是指海底水道和海峡中较为稳定的流动以及由于www.gesep.com节能环保潮汐导致的有规律的海水流动。其中一种是海水环流,是指大量的海水从一个海域长距离地流向另一个海域。这种海水环流通常由两种因素引起:首先海面上常年吹着方向不变的风,如赤道南侧常年吹着不变的东南风,而其北侧则是不变的东北风。风吹动海水,使水表面运动起来,而水的动性又将这种运动传到海水深处。随着深度增加,海水流动速度降低;有时流动方向也会随着深度增加而逐渐改变,甚至出现下层海水流动方向与表层海水流动方向相反的情况。在太平洋和大西洋的南北两半部以及印度洋的南半部,占主导地位的风系造成了一个广阔的,也是按反时钟方向旋转的海水环流。在低纬度和中纬度海域,风是形成海流的主要动力。其次不同海域的海水其温度和含盐度常常不同,它们会影响海水的密度。海水温度越高,含盐量越低,海水密度就越小。这种两个邻近海域海水密度不同也会造成海水环流。海水流动会产生巨大能量。据估计全球海流能高达5TW。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。一般来说,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。 

  全世界海流能的理论估算值约为108kW量级。利用中国沿海130个水道、航门的各种观测及分析资料, 计算统计获得中国沿海海流能的年平均功率理论值约为1.4X107kW。其中辽宁、山东、浙江、福建和台湾沿 海的海流能较为丰富,不少水道的能量密度为15~30kW/m2,具有良好的开发值。值得指出的是,中国的海流能属于世界上功率密度最大的地区之一,特别是浙江的舟山群岛的金塘、龟山和西候门水道,平均功率密度在20kW/m2以上,开发环境和条件很好。