蓝色的能源——海洋能

海洋是巨大的能源宝库，海洋能被誉为“蓝色的能源”。

太阳赐给地球的热能，大部分被海洋吸收而贮存在海水之中，人类可利用海水的温差来发电。在太阳和月亮的引潮力作用下，大海总在永不停息地“呼吸”着，这就是潮汐。利用潮汐也可以发电。奔腾不息的海浪，拥藏着巨大的动能，也可被人类驾驭，开辟波力发电。

海洋温差发电

海洋贮存了 140 亿亿吨海水，太阳辐射来的热能给它加温，地球内部散发的热也在对它烘烤，真可谓“天地为炉兮造化为工”。

在大海中，真正最有力量的，并不是那些看起来气势汹汹的波涛，而是默默无声地蕴藏在海水中的热能。

同样面积的海洋要比陆地多吸收 10％～20％的热量，海水的热容量比土层大两倍，比花岗岩大五倍，比空气大 3100 多倍，因此海洋成了地球上吸收太阳能的最大热库。

经过科学家们的多年研究，1926 年 11 月 15 日，在实验室里首次研究成功海洋的温差发电。海洋温差发电的基本原理是利用太阳辐射的热量进入海面以下 1 米处，就有 60％～68％被海水吸收掉了，而几米以下的热量已所剩无几了，即使海面上有波浪搅动，水温有所调节，但水深 200 米处，几乎没有热量传到。海洋温差发电就是将海洋表面的温水引进真空锅炉，这时因压力突然大幅度下降，温度不高的温水也立即变成蒸汽。例如，在压力为 0.031 兆帕时，24℃的水也会沸腾。利用这种温度不高的蒸汽可以推动汽轮发电机发电，然后用深层的冷海水冷凝乏气，继续使用。

从理论上说，冷、热水的温差在 16.6℃即可发电，但实际应用中一般都在 20℃以上。凡南北纬度在 20 度以内的热带海洋都适合温差发电。例如， 我国西沙群岛海域，在 5 月份测得水深 30 米以内的水温为 30℃，而 1000 米深处便只有 5℃，完全适合温差发电。

大海里蕴藏着巨大的热能，据估计只要把南北纬 20 度以内的热带海洋充分利用起来发电，水温降低 1℃放出的热量就有 600 亿千瓦发电容量，全世界人口按 60 亿计算，每人也能分得 10 千瓦，前景是十分诱人的。

早在 19 世纪就有人提出过海水温差发电的设想，但世界上第一座试验性

海水温差发电厂直到 1979 年 8 月才在美国夏威夷问世。这座电厂的发电能力为 50 千瓦，它设在一艘驳船上。同年 8～12 月作了试发电。这次发电成功表明，海水温差发电将很快具备商业价值。

海洋是全世界最大的太阳能收集器，6000 万平方公里的热带海洋一天吸收的太阳辐射能，相当于 2500 亿桶石油的热能。如果将这些储热的 1％转化成电力，也将相当于有 140 亿千瓦装机容量，为美国现今发电能力的 20 倍以上。

海洋热能发电有两种方式：第一种是将低沸点工质加热成蒸气；第二种是将温水直接送入真空室使之沸腾变成蒸汽。蒸汽用来推动汽轮发电机发电，最后从 600～1000 米深处抽冷水使蒸汽冷凝。第一种采取闭式循环，第二种采取开式循环。

海水温差发电，1930 年在法国首次试验成功，只是当时发出的电能不如耗去的电力多，因而未能付诸实施。现在，许多国家都在进行海水温差发电

研究。

实践证明，开式循环比闭式循环有更多的优点：①以温海水作工质，可避免氨或二氯二氟甲烷等有毒物质对海洋的污染；②开式循环系直接接触热交换器，价廉且效率高；③直接接触热交换器可采用塑料制造，在温海水中的抗腐蚀性高；④能产生副产品——蒸馏水。

开式循环也有缺点：产生的蒸汽密度低，汽轮机体积大；变成蒸汽的海水排回海洋后，会影响附近生物的生存环境。

日本的月光计划拟在 2000 年前后，使利用海洋温差发电达到实用化和向

国内提供大型电源，并以占地很少的海上安装为目标。这项计划是从 1974 年开始实施的。

日本一些民间电力公司，为了验证海岛电源在陆地安装的可能性，1981 年在赤道线上的瑙鲁岛研制 100 千瓦级的闭式循环试验工厂，实际发电功率

达到了 10 千瓦；1982 年又在德文岛开发了 50 千瓦级混合式试验工厂，实际

发电功率也达到 10 千瓦。

1979 年美国在夏威夷岛上，研制成功 50 千瓦级电站，实际发电功率达

10 千瓦，1980 年到 1981 年又进行了相当 1000 千瓦的热环试验，同时还研究

了 40000 千瓦的总体设计。

法国准备在塔希底岛进行 5000 千瓦级的开发研究。

海洋温差发电，是以非共沸介质（氟里昂-22 与氟里昂-12 的混合体）为媒质，输出功率是以前的 1.1～1.2 倍。一座 75 千瓦试验工厂的试运行证明， 由于热交换器采用平板装置，所需抽水量很小，传动功率的消耗很少，其他配件费用也低，再加上用计算机控制，净电输出功率可达额定功率的 70％。一座 3000 千瓦级的电站，每千瓦小时的发电成本只有 50 日元以下，比柴油发电价格还低。人们预计，利用海洋温差发电，如果能在一个世纪内实现， 可成为新能源开发的新的出发点。

年迈的安德森工程师几十年来一直在完善他的“海洋热能转换厂”的设计。他计划中的海洋热能发电厂将利用热带海洋的热能，使一种低沸点的液体蒸发，利用产生的蒸气驱动涡轮发电机发电。为了降低建造费用，安德森缩小了发电“船只”的外壳，其换热设备的大部分，甚至连涡轮机，都是吊在“船”体外面，悬浮在海面上的。

该项设计要求把海面的 26.67℃的热水输送到安装在水下 60 米处的锅炉里去。在那里，热水使丙烯蒸发，其沸点只有 21.1℃。当热丙烯蒸气通过管道上升时，驱动 12 台涡轮发电机。这些涡轮发电机悬挂在锅炉上方 10 米的

水中。这些气体从涡轮机通过一个热交换器，交换器的水侧是装满了从 900 米深处抽上来的 4.4℃海水。这些冷水又把丙烯蒸气冷凝成液体，这些液体又回到锅炉里去。这种方法的海水温差发电试验，早在 60 年前已做过。而现在，由于经济条件好，可使之实用化。

安德森已创办了一家取名为“海上太阳能公司”的小公司，其唯一目的是研究必要的技术。

安德森认为，在印度尼西亚的温暖海面上，建造这种电厂条件特别优越。印度尼西亚政府首先支持了安德森的设计。据估计，这种电厂的发电成本为

6.5 美分/千瓦时，而现在第三世界许多岛国的平均电费为 15 美分/千瓦时。第一座利用海水温差的 10 万千瓦海水温差发电厂的造价可能为 2.5 亿美元。

在今后几年里，安德森式发电厂不仅具有经济意义，而且由于温室效应

造成的全球气温上升，预料将迫使人们限制化石燃料的消耗，而一种有效的无污染的能源显然是具有吸引力的。

潮汐发电

汹涌澎湃的大海，在太阳和月亮的引潮力作用下，时而潮高百丈，时而悄然退去，留下一片沙滩。海洋这样起伏运动，日以继夜，年复一年，是那样有规律，那样有节奏，好像人在呼吸。海水的这种有规律的涨落现象就是潮汐。

潮汐发电就是利用潮汐能的一种重要方式。据初步估计，全世界潮汐能约有 10 亿多千瓦，每年可发电 2～3 万亿千瓦时。我国的海岸线长度达 18000

千米，据 1958 年普查结果估计，至少有 2800 万千瓦潮汐电力资源，年发电

量最低不下 700 亿千瓦时。

世界著名的大潮区是英吉利海峡，那里最高潮差为 14.6 米，大西洋沿岸的潮差也达 4～7.4 米。我国的杭州湾的“钱塘潮”的潮差达 9 米。

据估计，我国仅长江口北支就能建 80 万千瓦潮汐电站，年发电量为 23

亿千瓦时，接近新安江和富春江水电站的发电总量；钱塘江口可建 500 万千

瓦潮汐电站，年发电量约 180 多亿千瓦时，约相当于 10 个新安江水电站的发电能力。

早在 12 世纪，人类就开始利用潮汐能。法国沿海布列塔尼省就建起了“潮磨”，利用潮汐能代替人力推磨。随着科学技术的进步，人们开始筑坝拦水， 建起潮汐电站。

法国在布列塔尼省建成了世界上第一座大型潮汐发电站，电站规模宏大，大坝全长 750 米，坝顶是公路。平均潮差 8.5 米，最大潮差 13.5 米。每

年发电量为 5.44 亿千瓦时。

我国解放后在沿海建过一些小型潮汐电站。例如，广东省顺德县大良潮汐电站（144 千瓦）、福建厦门的华美太古潮汐电站（220 千瓦）、浙江温岭的沙山潮汐电站（40 千瓦）及象山高塘潮汐电站（450 千瓦）。

江厦潮汐电站

1980 年 5 月 4 日，浙江省温岭的江厦潮汐电站第一台机组并网发电，揭

开了我国较大规模建设潮汐电站的序幕。该电站装有 6 台 500 千瓦水轮发电

机组，总装机容量为 3000 千瓦，拦潮坝全长 670 米，水库有效库容 270 万立方米，是一座规模不小的现代潮汐电站。它不但为解决浙江的能源短缺作出应有的贡献，而且在经济上亦有竞争能力。江厦潮汐电站的单位造价为每千瓦 2500 元，与小水电站的造价相当。浙江沙山的 40 千瓦小型潮汐电站，从

1959 年建成至今运行状况良好，投资 4 万元，收入已超过 35 万元。海山潮

汐电站装机 150 千瓦，年发电量 29 万千瓦时，收入 2 万元，并养殖蚶子、鱼

虾及制砖，年收入 20 万元。

潮汐发电有三种形式：一种是单库单向发电。它是在海湾（或河口）筑起堤坝、厂房和水闸，将海湾（或河口）与外海隔开，涨潮时开启水闸，潮水充满水库，落潮时利用库内与库外的水位差，形成强有力的水龙头冲击水轮发电机组发电。这种方式只能在落潮时发电，所以叫单库单向发电。第二种是单库双向发电，它同样只建一个水库，采取巧妙的水工设计或采用双向水轮发电机组，使电站在涨、落潮时都能发电。但这两种发电方式在平潮时都不能发电。第三种是双库双向发电。它是在有利条件的海湾建起两个水库，

涨潮和落潮的过程中，两库水位始终保持一定的落差，水轮发电机安装在两水库之间，可以连续不断地发电。

潮汐发电有许多优点。例如，潮水来去有规律，不受洪水或枯水的影响； 以河口或海湾为天然水库，不会淹没大量土地；不污染环境；不消耗燃料等。但潮汐电站也有工程艰巨、造价高、海水对水下设备有腐蚀作用等缺点。但综合经济比较结果，潮汐发电成本低于火电。

在加拿大新斯科舍省和美国缅因州之间的芬地湾，有巨大的潮汐能资源。该处蒙克顿港附近有世界最大的潮差，高约 19 米。自 1910 年以来，美、加两国多次考虑在此建潮汐电站，因投资太大、经济性不佳而未能动工。70 年代后期以来，建立潮汐电站，显示出经济上的优越性。1980 年加拿大新斯科舍电力公司开始兴建试验潮汐电站。该电站位于加新斯科舍省安纳波利斯河芬地湾入海口外，该处最大潮差 8.8 米，平均潮差 6.4 米，安装一台 2 万

千瓦新型全贯流式潮汐发电机组，并于 1984 年 5 月建成发电。电站造价约

5500 万美元。该机组是由瑞士埃雪维斯公司设计，由瑞士苏尔寿公司与加拿大的多米宁和通用电气公司合作制造。这种全贯流式机组，发电机转子设在水轮机叶片的外缘，采用瑞士埃雪维斯公司取得专利的新型密封技术，效率较高。

1968 年，法国建成装机容量为 24 万千瓦的朗斯潮汐电站，安装 24 台单

机容量 1 万千瓦的双向可逆型灯泡式机组。1970 年前苏联建成 2 台各 400 千

瓦的潮汐试验电站。加拿大安纳波利斯的 2 万千瓦全贯流式机组是目前世界上单机容量最大的潮汐发电机组，也是最大的全贯流式机组。这种机组的造价比法国灯泡式机组低 15％，维修方便，可有效地冷却发电机组。

加拿大调查了 37 处可建大型潮汐电站的地址。在芬地湾中，科比魁德湾

的米纳斯内湾是兴建大型潮汐电站的理想地址。该处平均潮差 12 米，最大潮

差 16 米。加拿大认为，如果安纳波利斯试验潮汐电站运行成功，可望 1995

年在米纳斯建成特大型潮汐电站，采用单机容量 3.8 万千瓦，总装机容量可达 480～500 万千瓦，年发电量约 140 亿千瓦时，可减轻该地区用煤或油发电的负担。

目前世界上已投入运行的潮汐电站中，以法国朗斯潮汐电站为最大，装机 24 万千瓦，年发电量 5.44 亿千瓦时，1966 年底第一台机组发电，1968

年初全部竣工。其次就是加拿大 1984 年 5 月建成的安纳波利斯潮汐试验电

站，装机 2 万千瓦。我国的江厦潮汐试验电站装机 3100 千瓦，居第三位。江厦潮汐电站最后两台机组的技术，达到了法国朗斯潮汐电站的水平，

它的优点是涨潮时能发电，落潮时也能发电。既可以发电，又可以在需要时由电网输入电力，把发电机变成电动机，同时水轮机又起着水泵抽水的功能。在不需要发电和抽水时，还可以当作泄水管路用来排水。这种一机多用的潮汐发电机组，不仅使水工建筑物大大简化，而且可以提高电能质量，充分发挥机组的作用。这种机组的研制成功，为加快开发潮汐能创造了条件。

世界上已建的较大型潮汐电站和研究中的大型潮汐电站见表 2－8。

表 2 － 8 世界已建的较大潮汐电站及研究中大型潮汐电站

1979～1983 年我国对沿海潮汐能资源进行了第二次普查。我国潮汐能理论蕴藏量为 1.1 亿千瓦，年发电量为 2750 亿千瓦时；可开发的潮汐能装机容

量为 2157 万千瓦，年发电量 619 亿千瓦时。可开发装机和发电量分别占理论蕴藏量的 20％和 22.5％。

我国可开发潮汐能资源主要在福建和浙江两省，占全国的 88.6％，各省分布情况见表 2－9。

这次普查中，根据调查研究的深度分为四类：一类指已建、在建和具有初步设计深度的潮汐电站；二类指已进行了一定地质勘探和规划设计工作的潮汐电站；三类指已进行过现场查勘和初步规划的站点；四类指未达到一至三类资源或开发条件较差的站点。一到四类资源按装机容量计算，比重分别为 0.18％、2.85％、29.59％和 67.54％；按年发电量计算，其比重分别为0.21％、4.2％、31.15％和 64.63％。上述统计数字表明，已做过一定工作的一至三类资源不足三分之一。

在潮汐能利用上，我国与世界各国一样，尚处在试验阶段。虽然我国从1958 年开始利用潮汐建设一些小发电站，但因当时技术条件所限，质量较差，大部分已报废拆除。我国已建成的最大的潮汐电站是浙江乐清县的江厦潮汐电站，装机容量 3100 千瓦，年发电量 1070 万千瓦时，已全部投产发电；

其次为山东乳山县白沙口潮汐电站，设计装机容量 960 千瓦，年发电量 191

万千瓦时，已有 2 台机组共 160 千瓦并网发电。

表 2-9 我国可开发潮汐电站一览表

注：1.表中所列数字系以装机容量 500 千瓦为起点，小于 500 千瓦的未统计在内。

1. 本次普查未包括台湾省资源，故表中未列。

2. 河北省数字包括天津市；江苏省数字中包括上海市。

我国潮汐能资源理论蕴藏量占世界各国的 3.7％，而可开发潮汐能资源按年发电量计算占世界各国的 34％～44％。可见我国潮汐能资源的可开发程度很高，开发条件比较好。

展望未来，潮汐发电具有诱人的前景。相信不久的将来咆哮的海潮将会被人类充分利用，从而得到电力和别的好处。

波力发电 “无风三尺浪”是奔腾不息的大海的真实写照。海浪有惊人的力量，5

米高的海浪，每平方米压力就有 10 吨。大浪能把 13 吨重的岩石抛至 20 米高

处，能翻转 1700 吨重的岩石，甚至能把上万吨的巨轮推上岸去。

海浪蕴藏的总能量是大得惊人的。据估计地球上海浪中蕴藏着的能量相当于 90 万亿千瓦时的电能。

科学技术的发展，提高了人类驾驭海浪的本领。本世纪 60 年代初，人们开始研究利用波浪的力量来发电，这便是别具一格的波力发电。

近些年来，世界上一些国家相继进行了波力发电的研究，而且开始了实际应用的探索。

四面环海的日本具有丰富的波浪资源，为了能有效地开发这些资源，日本海洋科学技术中心，从 1974 年开始进行波力发电装置的研制，并建造了大

型波力发电船“海明”，船体长 80 米，宽 12 米，总重 788 吨。“海明”的第一次海上试验于 1978～1979 年在山形县鹤冈市由良海域进行，取得了初步成果，为目前世界最大的波力发电出力，年发电量可达 19 万千瓦时。存在问题是：阀的破损率约为 10％，阀箱大，空气出力不足，发电出力变化大，发电成本高达 340 日元每千瓦时等。

为了解决上述问题，于 1985 年 9 月 3 日至 1986 年 3 月 31 日，在山形县

鹤冈市由良海上 3 公里处进行了第二期海上试验。第二期试验以完成经济的空气透平为目标，在“海明”船上进行无阀串联式威尔斯透平试验，以确认其实用化。另外，以发电成本为 50 日元/千瓦时为目标，进行最佳船形、空

气流相位控制、出力集约化等各种实用化研究。

日本在千叶县九十九里町片贝海岸建成一种新式波浪发电装置，总投资

1.46 亿日元，输出功率为 30 千瓦。新式波浪发电装置由波能吸收器、送气管、定压化罐和压缩空气发电机等构成。其最大特点是，定压化罐将压缩空气进行定压化处理后送入压缩空气发电机，容易得到稳定的优质电能，并克服了波浪发电成本较高的缺陷。

实验表明，如果把定压化罐和高效大容量空气压缩发电机联用，则发电效率更高。

挪威石油能源部计划建设发电 10 兆瓦的新波力发电站。该电站 1990 年开始运行。这个波力电站计划由 Kvaerner 公司建设，以现在正运行的“振动水柱方式”（OWC）波力发电为基础。OWC 是将进入高 20 米钢管的波变为水柱，利用活塞的作用，使内部空气运动，驱动 500 千瓦威尔斯透平旋转的装置。

新的 10 兆瓦波力发电站预定建于卑尔根附近，用这种方式发电，在过大的波冲击时，会发生空气透平失速问题，Kvaerner 公司考虑安装圆形控制阀控制，皇后大学的研究小组考虑采用两个威尔斯透平同轴组合方式，即使前段失速，后段仍可产生动力。新的 10 兆瓦机组发电成本预计低于 2.5 便士/ 千瓦时。

瑞典制造了一种漂浮的三角状装置，它们用铝制成，有许多灵巧的叶轮紧紧“咬住”浪峰，像曲轴那样转动。这种海浪发电站的发电成本为每千瓦时 12 芬尼，比其他发电站便宜得多。

70 年代初爆发的石油危机，第一次大力推动波浪发电技术的研究。那时美国洛克希德公司开始进行了波浪发电实验。

英国拨出 100 万英镑发展海洋动力技术。发明气垫船的克里斯托弗·科克莱尔设计一种活动减摇装置，将它们放在波浪上，各种活动关节都能转动起来。

特赫姆大学科学家的测算表明，仅 2500 公里长的挪威岩石窄湾线上，一

年就有 6 亿兆瓦潜在的电力。

在各类海浪发电技术中，“振动杆”更有前途。这座试验电站很像排管， 安装在卑尔根以西的岩坑中，按水力活塞原理工作。但现在这种装置运转时也有麻烦。最初实验时，螺旋桨一转动就发出极其悲惨的吼叫声。参观过发电站的专家们说：“噪声很像空袭警报汽笛，而且很远就能听到。”1989 年初大风暴期间，16 米高塔经受不住而倒入大海。

该计划领导人打算使涡轮机在改进结构的新型混凝土基础上重新投产。与挪威人的笨重设施完全不同，瑞典人的转子结构特别轻巧。它几乎不

用铝，便于运输，而且没有沉重的机械零件，瑞典人寄希望于小岛国的订货。英国试制了一台波力发电装置，并装在一艘浮动式驳船上做试验。它在

3 米高的浪头时，发电能力为 110 千瓦；在 5 米浪头时，最大发电能力为 220 千瓦。这种装置的发电原理是，将空气轮机驱动的发电机装在一个摇摆式的水塔上，随着波浪的升降，水塔上方气室内的空气压力就有所增减。单向调节阀控制着气流朝一个方向流动，这时空气轮机就驱动发电机旋转发电。

我国也在积极开发波力发电技术，中国科学院广州能源研究所研制成功的 BD102 型波力发电装置，于 1986 年 1 月在香港举办的广东省经济贸易展览会上，受到外商的好评。香港中华船舶公司提出代理该产品的出口，并为此

签订了有关意向书。5 月份，在 1986 年春季广州出口商品交易会上展出，有些外国公司要求订货。这是我国第一台波力自动发电装置的对外展出，将使这一科研新成果打入国标市场。

BD102 型波力自动发电装置是一种以可再生的海洋能为能源的新型波力发电装置。它是在 1985 年 3 月通过鉴定的 BD101 型的改进型。将其安装在带中心管的浮标上，利用浮标的上下升降运动，使中心管气室吸入和排出空气， 将波浪能转换成空气动能，从而驱动透平带动发电机发电。所发电能既可作海洋航标灯用电源，亦可作海洋水文、气象自动遥测浮标的长效电源。

该产品外型尺寸仅为 342×500 毫米，重量 16.5 公斤。尺寸小，重量轻， 材质耐腐蚀。

其发电量为航标灯所耗电量的 5～7 倍，灯光射程达五海里以上，和我国目前航标使用的电池相比，可节省费用 57％，航标的大修期可延长一年。

同时，在发电机功率，电特性和结构上优于当时世界上较先进的日本商品化产品 TG103 型波力发电装置，而价格比其便宜四分之三。