知识窗▏海洋能发电技术
海洋能通常是指海洋中蕴藏的可再生能源，主要包括波浪能、潮汐能、风能、海流能、温差能、盐差能等，还有人提出洋流、内波发电。据世界能源委员会统计，全世界仅沿海地带便于开发的波浪能就有20亿kW，沿岸和近海区的潮汐能17kW。海洋能具有取之不尽、用之不竭，开发利用不污染环境，不占用陆地等诸多特点。目前，海洋能的开发已受到不少海洋国家的高度重视，它们投入相当大的人力、物力、财力，研究海洋能开发利用技术，其中有些技术，如风能、潮汐能都已经有成熟的商业化装置，波浪能、温差能正处于试验阶段。下面就展开谈谈有关风能、潮汐能、波浪能及温差能等四种正在趋于成熟中的海洋能。
国内风能从刚开始起步时的补充能源，变成现在的替代能源，是中国发展最快的绿色能源。在我国陆地风电场建设快速发展的近些年，人们已经注意到陆地风能利用所受到的一些限制，将目光逐渐转向了风速大、风向较稳定的海上风能。根据国内外已经建成的海上风电场投资比例及一些研究成果，风机基础约占风电场总成本的20%～30%，是造成海上风电成本较高的原因之一。当然建设海上风电也有几大优点，主要是：
①海上吹程长，摩擦力小，风速大。大家知道能量和速度的二次方成正比，如果海上风速是陆地上的1.5倍，输出功率则是2倍多。
②采用海上运输能吊装更大的机组，因此海上可以安装更大型的装置。
③近海风场往往距离沿海人口密集地区较近，减少了电力运输的损耗。
④不会占用陆地的宝贵资源，尤其是西欧、东亚的沿海人口密集地区。
工程设计上，海上风电和陆上风场相差不大，仍然是座底式的为主，尤其是浅水的风机。上图是几款座底式风机的示意图，其概念其实都来源于海上石油平台几种浮体形式，将浮体水动力、锚泊系统力和上部风力荷载耦合起来。
当水深深于50m时，座底式的就不经济了，漂浮式风力发电机则成了主流。在浮式风机研究方面，日本和欧美是走在前列的。当然，从动力学角度，漂浮式风机支架存在一些技术上的问题尚需解决，主要为：①风电机和海浪引起的波动最小化；②设计过程中的额外复杂性，包括支架结构和风电机之间的连接设备的认识和建模；③电气设备设计和成本，尤其是挠性电缆；④建造、安装和维护程序。尽管如此，在未来几年内，大型海上风电场仍将向深海区域发展，漂浮式风力发电机将成为今后深海海上风电场建设的选择之一。
日前据外媒报道，全球首个海上漂浮风能发电站将在苏格兰海上建成，这座被称为Hywind试点公园的海上发电站将建设在距离苏格兰东北海岸25km左右的地方，如上图所示。该发电站将拥有5台风能涡轮机，每台发电量可达6兆瓦。这将成为全球首座海上漂浮风能发电站。预计从2017年开始运营，由其产生的电量则能足够2万户人家使用。
这座发电站将充分利用该地19节左右的强风，据悉，其占地面积大约有4平方千米、水深在95m～120m之间。由于漂浮风能涡轮机无需固定在海上落地式塔上，所以它可以被安装在离海岸更远、水更深的地方。一般情况下，海上落地式塔其最深水位不能超过80m。
离岸发电站有许多优势，比如减少海上视觉污染、获取更强、持续性更高的风能。此外，漂浮风能发电站还能减轻对渔业或海上运输活动的影响，另外这些涡轮机还能共享一套基础设施。据了解，Hywind漂浮风能涡轮机技术已经研发了6年时间，Hywind试点公园的涡轮机也将通过链状电缆固定在一个漂浮圆柱浮标上，不过它增加了60吨的承重力。
再看看下面二款漂浮式风机，以便增加一些感性认识，让大家知道风机还可以这样安装。
当然，所有风电都存在比如并网、成本高等问题，尽管如此，在政府行为的干预下，海洋风能仍然是海洋能里目前最具商业化前景的。
潮汐是一种蕴藏量极大、取之不尽、用之不竭、不需开采和运输、洁净无污染的可再生能源。建设潮汐电站，不需要移民，不淹没土地，没有环境污染问题，还可以结合潮汐发电发展围垦、水生养殖和海洋化工等综合利用项目。
潮汐发电与普通水利发电原理类似，通过出水库，在涨潮时将海水储存在水库内，以势能的形式保存，然后，在落潮时放出海水，利用高、低潮位之间的落差，推动水轮机旋转，带动发电机发电，如下图所示。差别在于海水与河水不同，蓄积的海水落差不大，但流量较大，并且呈间歇性，从而潮汐发电的水轮机结构要适合低水头、大流量的特点。
在全球范围内潮汐能是海洋能中技术最成熟和利用规模最大的一种，潮汐发电在国外发展很快。欧洲各国拥有浩瀚的海洋和漫长海岸线，因而有大量、稳定、廉价的潮汐资源，在开发利用潮汐方面一直走在世界前列，法、加、英等国在潮汐发电的研究与开发领域保持领先优势。利用潮汐发电必须具备两个物理条件：首先潮汐的幅度必须大，至少要有几米；第二海岸地形必须能储蓄大量海水，并可进行土建工程。
潮汐电站可以是单水库或双水库。单水库潮汐电站只筑一道堤坝和一个水库，双水库潮汐电站建有两个相邻的水库。用一个水库，但是涨潮与落潮汐发电的型式潮时均可发电，只是在水库内外水位相同的平潮时不能发电。这种电站称之为单水库双程式潮汐电站，它大大提高了潮汐能的利用率，如上图所示。广东省东莞市的镇口潮汐电站及浙江省温岭市江厦潮汐电站，就是这种型式的潮汐电站。
上图是法国朗斯潮汐电站，建成于1966年，总装机容量为240MW，单机功率为10MW，共24台水轮机，年发电5.4亿度，是当时世界上最大的海洋能发电工程。其技术创新是采用了与常规水电站不同的，具有正反向发电、泄水和抽水的灯泡式贯流水轮发电机组，不但提高了潮汐能的利用效率，同时降低了电站的造价。
顾名思义，波浪能发电是以波浪的能量为动力生产电能。海洋波浪蕴藏着巨大的能量，通过某种装置可将波浪的能量转换为机械的、气压的或液压的能量，然后通过传动机构、气轮机、水轮机或油压马达驱动发电机发电。
波浪能利用装置的种类繁多，关于波能转换装置的发明专利超过千项。这些装置主要基于以下几种基本机理：①利用物体在波浪作用下的振荡和摇摆运动；②利用波浪压力的变化；③利用波浪的沿岸爬升将波浪能转换成水的势能等。
根据波浪能发电装置的内在联系、外部特征、结构和用途等方面的不同，可将波浪能发电装置按不同的方式进行分类。按固定式分可分固定式与漂浮式两类，按能量传递方式分可分气动式、液压式及机械式三类，按能量转换方式分可分直接转换式和间接转换式两类，按结构形式分可分点头鸭式、振荡水柱式、推摆式、聚波蓄能式、振荡浮子式及阀式六类。振荡水柱式发电原理如上图所示。
经过20世纪70年代对多种波能装置进行的实验室研究和80年代进行的海况试验及应用示范研究，波浪发电技术己逐步接近实用化水平，研究的重点也集中于4种被认为是有商品化价值的装置，包括振荡水柱式装置、摆式装置、振荡浮子式波能转换装置和收缩波道式波能转换装置。上图是一款浮标式振荡水柱发电装置图，下图是一款浮力摆式发电装置。
再看一款筏式发电装置，它随波扭动，带动内部机械传动装置进行发电，见下图。波浪能的优点是可持续、不间断，缺点则是能量密度太低、输出不稳定。
海洋温差发电是利用热带及亚热带海洋表层和深层海水间存在的温差进行发电。在低纬度的海域，比如我国的南海和东海的一部分海域，海洋表层海水的温度可以高达25℃以上，而海面以下500米的海水温度却只有4℃～5℃，二者存在20℃以上的温差。
海洋温差发电的原理是利用蒸汽推动汽轮机旋转发电，就是利用温水泵把表层温度较高的海水抽上送往蒸发器，液氨吸收了表层温海水的能量，沸腾并变为氨气，氨气经过汽轮机（氨透平）的叶片通道，膨胀做功，推动汽轮机旋转。随后，氨气进入冷凝器，深层的冷海水重新将其冷凝为液态氨，再由氨泵将其送入蒸发器，而经历热交换后温度较高的海水会再次被抽回海洋，如此在闭合回路中反复进行蒸发、膨胀、冷凝。上图是海洋温差发电的原理图与构想图。
海洋温差电站可分为陆基电站和漂浮电站。离岸5km内水深达千米、温差达18℃的海岸，可建立陆基电站。但海洋温差电站深海冷水取水管是其关键工程问题，漂浮电站分为向陆上送电型和就地生产能量密集产品型，受电缆送电经济距离限制，供电型电站一般认为负荷中心离岸不得超过100km。离岸30km以上时，最好采用直流输电。
全球第一个利用海面与深海温差发电的试验已经在日本冲绳展开，坐落在冲绳本岛以西100公里处。在久米岛，海面的表层水与深海的深层水之间，存在着年均20度左右的温差，上图是它的结构示意图。
海洋温差发电的特点是功率变化小，设备利用率高。海洋温差能(也称海洋热能)十分稳定，无明显的昼夜变化，可开发量巨大，不需储能装置即可提供基本负荷所需电力。另外，海洋温差发电几乎不会排放二氧化碳，可以获得淡水，因而有可能成为解决全球变暖和缺水这些21世纪最大环境问题的有效手段。只是目前，海洋温差发电验证设备的发电功率极小，仅为50千瓦。在今后，针对海洋温差发电的商用化、大型化相关探讨也将展开。
海洋面积占地球总面积的71%，到达地球的各种来自宇宙的能量，大部分落在海洋上空和海水中，部分转化为各种形式的海洋能，海洋能的大部分来自于太阳的辐射和月球的引力。例如：太阳辐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，形成深部海水与表层海水之间的温差，因而形成由高温到低温的温差能；太阳能的不均匀分布导致地球上空气流运动，进而在海面产生波浪运动，形成波浪能；由地球之外其他星球(主要由月球)的引力导致的海面升高形成位能，称为潮汐能；由上述引力导致的海水流动的动能称为潮流能；非潮流的海流的成因有受风驱动或海水自身密度差驱动等，归根结蒂是由太阳能造成的，其动能称为海流能。
以上谈论了风能、潮汐能、波浪能及温差能等四种海洋能。当然还有盐差能、海流能、海洋热能，等等，这些海洋能目前商业化开发还不太成熟，限于篇幅就不作进一步说明了。海洋能是清洁的可再生能源，开发和利用海洋能对缓解能源危机和环境污染问题具有重要的意义，许多国家特别是海洋能资源丰富的国家，大力鼓励海洋能发电技术的发展。由于海洋能发电系统的运行环境恶劣，与其他可再生能源发电系统，如风电、光伏发电相比，发展相对滞后。
随着相关技术的发展，以及各国科技工作者的努力，近年来，海洋能发电技术取得了长足的进步，陆续有试验电站进入商业化运行。可以预见，不远的将来，随着海洋能发电技术日益成熟，将会有越来越多的海洋能发电系统接入电网运行。由于海洋蕴涵量巨大，海洋能必将成为能源供给的重要组成部分。
但是我们还应注意到，海洋能开发过程也存在一些潜在的环境问题。如潮汐电站不但会改变潮差和潮流，而且会改变海水温度和水质，这些变化又会影响到浮游生物及其他有机物的生长以及这一地区的鱼类生活等。与此同时，建造拦潮坝也可能会给河口带来某些环境问题，如影响到地下水和排水以及加剧海岸侵蚀等。这些是相关管理决策部门必须引起重视的，在规划阶段必须进行充分论证与说明。
■文章依据来自网络资料综合编写