1、海洋可再生能源的研究背景
随着世界经济的发展，人口的增加，社会生活水平的不断提高，各国对能源的需求迅速增长，可以说没有能源就没有人类的文明。在当前的世界能源结构中，人类所利用的能源主要是石油、天然气、煤炭等化石燃料，这些燃料是不可再生的。正是化石能源的大量利用使其日渐枯竭，也带来了严重的环境问题，已引起世界各国的高度重视[1]。随着全球范围内能源危机的冲击和环境保护及经济持续发展的要求，从能源长远发展战略来看，人类必须寻求一条发展洁净能源的道路。开发利用新能源和可再生能源成为大多发达国家和部分发展中国家21世纪能源发展战略的基本选择。
我国能源更是倚重化石燃料，尤其是煤炭资源，因而引起的环境污染更为严重。随着我国经济快速发展，能源供需紧张状况日益严重，并已持续多年。21世纪，我国在能源开发利用方面面临资源和环境两大压力，因此，必须改变我国当前能源的开发、利用方式，着重开发新能源和可再生能源，走适合我国国情，有利于社会、经济、环境的可持续发展之路[2]。
包括太阳能、海洋能、生物质能、地热能、风能和氢能在内的新能源和可再生能源被人们普遍认为是无污染的能源资源[3]。因此，大力开发和利用新能源和可再生能源成为减少污染，减排温室气体，保护环境，实现可持续发展的一条重要途径。
海洋占地球表面的71%，作为资源的宝库，是地球上尚未充分开发利用的最大领域，同时又是一种有利于环保清洁可再生的新能源。由于海洋处于十分重要的地位，因此各国都在加强发展海洋科学技术，这有利于正在开拓中的海洋可再生能源在不久的未来形成具备一定规模的海洋产业。
充分利用海洋潮汐发电，已成为人类理想的新能源之一。海洋能的利用虽然问题很多，难度很大，但是，随着现代高新技术的不断发展，人类开发利用海洋能的前景越来越广阔。有关专家预言：随着世界科技的飞速发展，本世纪将是人类进入海洋能源开发利用的新时代。
2、 海洋能的主要内容
海洋能通常是指海洋本身所蕴藏的能量，它包括潮汐能、波浪能、温差能、盐差能、海流能和化学能，不包括海底或海底下储存的煤、石油、天然气等化石能源和“可燃冰”，也不含溶解于海水中的铀、锂等化学能源[4]。
海洋是一个巨大的能源转换场，据研究，海洋中再生能源可供利用的能量约为70多亿kW，是目前全世界发电能力的十几倍。据初步统计，各类海洋能全球总储量和我国可开发的能量如下表1所示。
表1 各类海洋能全球总储量及我国可开发的能量
类别 全球储量（亿kW） 我国可开发能量（亿kW）
潮汐能 17 1.1
波浪能 20 0.23
温差能 100 1.5
盐差能 20 1.1
海流能 0.3
化学能 0.18
海洋能有如下特点： (1)可再生性，由于海水潮汐、海流和波浪等运动周而复始，永不休止，所以，海洋能是可再生能源； (2)属于一种洁净能源； (3)能量多变，具有不稳定性，运用起来比较困难； (4)总量巨大，但分布分散、不均，能流密度低，利用效率不高，经济性差。
海洋能的用途除发电外，还可以用于军事或民用。如郑成功收复被荷兰侵略军占领的祖国宝鸟——台湾，其舰队1661年4月30日从北海道登岸，就利用了潮汐涨落的规律。潮汐能用作动力的例子很多，如900多年以前，宋代修建福建泉州的洛阳桥就利用潮汐作“起重机”来搬运石块。12世纪，法国、英格兰和苏格兰在海边建潮汐磨坊磨麦子。
3、研究现状
目前，只有潮汐能发电技术比较成熟，其他形式海洋能的应用大都还停留在探索阶段。
3.1 潮汐能
潮汐能是海水受到月球、太阳等天体引力作用而产生的一种周期性海水自然涨落现象，是人类认识和利用最早的一种海洋能。潮汐能发电与水力发电的原理、组成基本上是一样的，也是利用水的能量使水轮发电机发电。问题是如何利用海潮所形成的水头和潮流量，去推动水轮发电机运转。海水的垂直涨落运动称为潮汐，海水水平运动叫潮流。人们通常把潮汐和潮流中所包含的机械能统称为潮汐能。潮汐能利用一般分两种形式：一是利用潮汐的动能，直接利用潮流前进的力量来推动水车、水泵或水轮发电机；一是利用潮汐的位能，在电站上下游有落差时引水发电。由于利用潮汐的动能比较困难，效率又低，所以潮汐发电多采用后一种形式，潮汐电站就是利用海洋潮位涨、落与库水位形成落差进行涨落潮发电。利用潮汐能发电可以采用单库单向、单库双向或双库单向等三种形式[5,6]。
国外利用潮汐发电始于欧洲，20世纪初德国和法国已开始研究潮汐发电。世界上最早利用潮汐发电的是德国1912年建成的布苏姆潮汐电站，而法国则于1966年在希列塔尼米岛建成一座最大落差为13.5m、坝长750m、总装机容量24万kW的朗斯河口潮汐电站，年均发电量为5.44亿kW?h，它使潮汐电站进入了实用阶段。之后，美、英、加拿大、前苏联、瑞典、丹麦、挪威、印度等国都陆续研究开发潮汐发电技术，兴建各具特色的潮汐电站，并已取得巨大成功。
我国大陆海岸线长1.8万km，曲折的海岸线，众多的潮汐河流，蕴藏着丰富的潮汐能源。潮汐能利用的近代发展，起始于20世纪50年代后期。从1958年起，我国陆续在广东顺德、东湾、山东乳山、上海崇明等地建立了几十座潮汐能发电站，其中浙江省温岭市西南角乐清湾江厦潮汐试验电站装机容量最大，功率为3 200kW，仅次于法国的郎斯潮汐发电站和加拿大安纳波利斯潮汐发电站，是亚洲最大的潮汐电站。目前，国内外已建的主要潮汐电站如表2所示
表2 国内外已建主要潮汐电站
站名 所在地 装机容量（MW） 运行方式 建成时间
朗斯 法国 24×10 单库双向 1967年
安纳波利斯 加拿大 1×20 单库单向 1984年
基斯洛湾 前苏联 2×0.4 单库双向 1968年
江厦 中国浙江 1×0.5 1×0.6 3×0.7 单库双向 1985年
海山 中国浙江 2×0.075 双库连程 1975年
白沙口 中国山东 0.96 单库单向 1978年
浏河 中国江苏 2×0.075 单库双向 1976年
镇口 中国广东 6×0.026 单库双向 1972年
果子山 中国广西 0.04 单库单向 1977年
潮汐能发电是一项潜力巨大的事业，经过多年来的实践，在工作原理和总体构造上基本成型，可以进入大规模开发利用阶段，随着科技的不断进步和能源资源的日趋紧缺，潮汐能发电在不远的将来将有飞速的发展，潮汐能发电的前景是广阔的。
3.2 波浪能
波浪能发电是继潮汐发电之后发展最快的一种海洋能源利用措施。波浪能是由大气层和海洋在相互影响的过程中，由于在风和海水重力作用下形成永不停息、周期性上下波动的波浪，这种波浪具有一定的动能和势能。波浪能的大小与波高的平方和波动水域面积成正比。目前，日本、英国、美国、德国、加拿大、中国等都在研究波浪能发电，以日本、英国、挪威等国开发利用的水平较高。
解决波浪能发电的关键是波浪能转换装置。目前，人们运用最多的几种方式有气动式波浪能发电、液动式波浪能发电、蓄水波浪能发电等。气动式波浪能发电是利用波浪的起伏力量，均匀地把波浪能转换成气流能，以推动空气涡轮机发电。世界上第一台小型气动式波浪能发电装置是日本人益田在1964年发明的。液动式波浪能发电装置是把波浪能转换成液压能，再通过液压电机发电。比较典型的是英国人索尔特博士发明的“点头鸭”式波浪发电装置，“鸭体”吸收波浪能效率可达80%～90%。1985年，英国在苏格兰的艾莱岛建造了一座75kW的振荡水柱波力电站，1995年又建成一座输出功率为2MW的波浪能发电站，可满足2000户家庭用电。蓄水波浪能发电是利用气泵原理，使海浪“聚集”，并提高波浪的高度，以涌进岸边高处的蓄水池，再用高水头来冲击水轮电机发电。
我国波浪能资源丰富，估计约有5亿kW以上。但我国波浪能发电的研究起步较晚，1990年才在大万山岛建成第一座20kW级的试验性波浪发电站。
3.3 温差能
温差能是由于深部海水与表面海水温度差而产生的能量。温差能发电与地热能发电相似，其方式有三种：第一种是开放循环式，即将海水直接在低压下蒸发，产生蒸汽，去推动涡轮发电机发电。最早提出开放循环式温差发电的是法国的阿松瓦尔，他的学生克劳德在1926年试验成功海水温差发电，并于1930年在古巴海滨建成世界上第一座海水温差发电站，功率为10kW。1948年，法国在非洲象牙海岸建造了一座7000kW的海水温差发电站。开放循环式发电除得到电能外，还可以得到大量的淡水和副产品。第二种是封闭循环式，即利用海水上下温度差来使低沸点物质(如氟里昂、氨等)产生蒸汽，再用蒸汽推动涡轮发电机发电。闭路循环式是美国安德森父子1964年提出来的，1979年美国在夏威夷正式建成闭路循环式发电站，发电能力为50kW。闭路循环式发电可大大提高进排气之间的压力差和涡轮机的工作效率。第三种是混合循环式，它具有以上两种发电方式的特点，且效率更高。
目前，全世界已建有8座温差能发电站。预计到2010年全球将有1030座海洋温差能发电站问世。美、日等国是研究温差能发电的先进国家。美国在夏威夷建有一座闭路循环温差发电站，输出功率50kW，还将建一座发电能力达16万kW的温差能发电站。日本于20世纪80年代分别在南太平洋的瑙鲁岛和鹿儿岛建成100kW和MW级两座温差能电站。我国海域辽阔，东海、黄海、南海的平均水温都比较高，特别是南海夏季平均可达36℃以上，且大部分地区水深在1000m以上，自表层向下500～1000m即可得到5℃的冷水，具有利用海水温差发电的有利条件和广阔前景。中国科学院广州能源研究所于20世纪80年代中期曾在实验室进行过开放式温差能装置的模拟研究。
3.4 盐差能
海水属于咸水，它含有大量的矿物盐，河水属于淡水。因此，当陆地河水流入大海的交界区域，咸淡水相混时就会形成盐度差和较高的渗透压力，淡水会向咸水方向渗透，直至两者盐度平衡，在两种水体的接触面上新生一种物理化学能，利用这种能量发电就是海洋盐差能发电。
盐差能发电是美国人在1939年首先提出来的。目前，世界上只有以色列建了一座150kW的盐差能发电的实验装置，实用性盐差能发电站还未问世，看来人类要大规模地利用盐差能发电还有一个相当长的过程。
3.5 海流能
海流亦称洋流，是海洋中的海水朝一个方向不断流动，尤如河流具有固定流动路线一样，会产生一种不易觉察的海流动力。海流主要分布在大西洋的西部边界，那里有强大的黑潮海流、墨西哥海流，此外，世界上还有日本海流、北太平洋海流、南极环海流等。
海流能的主要用途是发电。它的发电原理就是利用海流的冲击力使水轮机高速旋转，再带动发电机发电。美国设计了一个最宏伟的海流能利用装置，就放在佛罗里达半岛外侧的墨西哥海流上，还将一艘海流发电船长年停泊在强劲的海流上发电。我国海流能发电起步较晚，1994年才在浙江省岱山县官山岛建成第一座海流能发电站。目前，世界海流能发电技术仍处于试验研究阶段。
4、我国海洋能发展存在的问题
近50年来，我国海洋可再生能源研究取得了长足进步，但是，与世界先进水平相比，还存在不小差距，主要原因如下：
（1）我国海洋能源总量巨大，但分布分散、不均，能流密度低，能量变化大，利用效率不高；
（2）海洋能利用技术是海洋、蓄能、土工、水利、机械、材料、发电、输电、可靠性等技术的集成，目前尚不成熟，致使一次性投资大，与常规能源利用相比，经济性不好，影响海洋能利用的推广；
（3）开发政策不明确，类似江厦潮汐电站的试验性电站较少，科技创新投资力度小；
（4）科研人员的人才结构不合理，科技队伍高龄化，学科带头人少。
5、发展趋势
海洋能的发展趋势是大型化，这有利于提高经济效益；另外一个发展趋势是多种经营、综合利用[7]。
建设潮汐电站除了利用潮汐能发电以外，还可以广泛开展包括围垦、水产养殖、旅游及其他产业在内的综合利用，获取巨大的经济效益。潮汐电站一般都要截取港湾作为水库，建坝之后的库水位比建坝前的海水位要低，因此沿库区周围就可以开垦出大片田地，这与河川电站水库蓄水后将淹没大量耕地正好相反。潮汐电站水库的水面水位变幅小，用于养殖业有着特别的优越性，养殖效益高，据统计，位于浙江省温岭市的江厦潮汐试验电站围垦与养殖的效益已远高于发电的收入。
对于温差能发电，不管是抽上来的热水还是冷水，在用于发电目的以后所排出来的剩余海水都可用于多目的综合利用，如水产养殖、动物饲养、植物培育、冷房冷库等。由于深层海水具有营养、清净、低温等性能，其综合利用前景更为广阔。
6、 发展战略
海洋能源发电在世界各国宏观政策的支持、外部环境的推动及资金的扶持下，经过多年的科研与试验、开发与利用，已具备了一定的技术水平和生产基础，但仍存在着投资大、规模小，获益能力低等问题，还不具备市场竞争能力。根据海洋能源的发展现状，为促进海洋能的产业化开发，未来应着重从以下几个方面发展：
（1）海洋能作为可再生能源具有持续开发价值，需进行世界各类海洋能资源储量、分布的调查和评价；（2）对于在技术上已经成熟的潮汐发电站，要考虑建潮汐大坝的环境问题和它的经济性，特别要考虑发电与围垦、养殖与交通的综合利用；（3）对于技术上还不成熟的波浪电站、潮流电站和海水温差电站，进行新能源综合开发利用技术、多能互补联网运行与控制技术的研究等；（4）对已建的实验潮汐电站开展优化运行研究，提高其经济效益，以促进潮汐电站的大规模发展。
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