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海洋水能资源

2020-04-09 21:01

海洋中所蕴藏的可再生的天然能源,主要为潮汐能、波浪能、海流能(潮流能)、海水温差能和海水盐差能。海洋水能资源的成因,潮汐能和潮流能来源于太阳和月亮对地球的引力变化,其他基本上源于太阳辐射。海洋能源按储存形式又可分为机械能、热能和化学能。其中,潮汐能、海流能和波浪能为机械能,海水温差能为热能,海水盐差能为化学能。

潮汐能 由潮水流量和潮差形成的一种海洋水能资源,即沿海潮汐中蕴藏的水能。潮汐是由于月球和太阳对地球各处引力不同所引起的海水水位周期性的涨落现象。为了利用潮汐水能,可以在海湾或感潮河口筑堤坝,设闸门形成水库,在海水涨潮或落潮过程中,利用潮水进出水库驱动水力机械或水轮发电机组,把潮汐能变成机械能或电能。水库内外水位差就是潮汐电站的水头,潮差和库容大小决定所能利用的潮汐水能资源量。

潮汐水能资源估算

对单向和双向潮汐电站,可按以下公式估算潮汐水能资源。

单向:

双向:

式中,E为年发电量,kW·h;P为装机容量,kW;A为平均潮差,m;F为水库面积,km2

单向潮汐电站发电量按半日潮地区一年有705个单潮,单潮单向发电时间5 h,水库高低水位差为0.5A,机组效率0.75,平均水头取0.57A,求得E=0.44×106A2F;单向潮汐电站装机容量由年发电量除以设备利用小时数2000 h求得,故P=220A2F。

双向潮汐电站发电量按半日潮地区一年有705个单潮,单潮双向发电时间为7.2 h,水库高低水位差为0.43A,机组效率0.75,平均水头取0.45A,求得E=0.55×106A2F;双向潮汐电站装机容量由年发电量除以设备利用小时数2 800 h,求得P≈200A2F。

潮差查自当地历年潮汐表或实测资料,水库面积根据地形图量算。

世界潮汐水能资源及开发现状

1974年世界能源会议资料表明,全世界潮汐水能资源理论蕴藏量不完全统计约为3000 GW,其中可开发率约为2%,即64 GW,已进行过规划研究的有13~20 GW。1977年世界能源会议统计可开发潮汐资源为每年1 400亿~1 800亿kW·h(未包括中国)。

利用潮汐能作为动力已有千年以上的历史。西欧在11世纪时就建成了潮汐磨坊或潮汐站,荷兰使用潮汐磨坊已有1 200年历史。1913年在德国北海靠近休修姆和什雷沃格霍尔斯敦建成最早的潮汐电站。世界上最大的潮汐电站是法国朗斯潮汐电站,装机容量240mW,年发电量5.44亿kW·h,1967年12月全部投产。

中国潮汐水能资源及开发现状

中国大陆和海岛的海岸线全长32000km,1978~1983年潮汐资源普查可建潮汐电站总装机容量为21 580mW,年发电量619亿kW·h。具体数字见表。

中国可开发潮汐电站资源分布状况

中国在20世纪50年代修建了一批100 kW左右的小型潮汐电站,1985年建成了浙江省温岭市的江厦潮汐电站,装机容量3.2mW,年发电量设计为1070万kW·h,实际年平均为570万kW·h,是中国当时最大的潮汐电站。

波浪能

海洋表面波浪所具有的动能和势能。波浪能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。台风导致的巨浪,其功率密度可达每平方米迎波面数千千瓦,而波浪能丰富的欧洲北海,其年平均波浪功率密度仅为20~40 kW/m2。中国海岸大部分的年平均波浪功率密度为2~7 kW/m2

根据调查和利用波浪观测资料计算,中国沿岸波浪资源理论平均功率为12.85 GW,其中以台湾省沿岸为最多,为4.29 GW,约占全国总量的1/3;浙江、广东、福建和山东沿岸也较多,各省约1.6~2.05 GW,合计约为7.06 GW,约占全国总量的55%;其他省份沿岸很少,广西沿岸最少,仅81mW。

海流能

海水流动的动能,主要是指海底水道和海峡中较为稳定的海水流动以及由于潮汐导致的有规律的海水流动。海流能的能量与流速的平方和流量成正比。相对于波浪能而言,海流能的变化要平稳而有规律得多。

根据对130个水道的统计,中国沿岸海流资源理论平均功率约为13.95 GW。这些资源在全国沿岸的分布,以浙江沿岸为最多,有37个水道,理论平均功率为7.09 GW,约占全国总量的1/2;其次是台湾、福建、辽宁等省的沿岸,约占全国总量的42%;其他省份较少。

温差能

海洋表层海水和深层海水之间水温差形成的热能。海洋的表面把太阳辐射能的大部分转化成为热水并储存在海洋的上层。另一方面,接近冰点的海水大面积地在不到1000m的深度从极地缓慢流向赤道。这样,就在许多热带或亚热带海域终年形成20℃以上的垂直海水温差。利用这一温差可以实现热力循环并发电。

中国南海海域辽阔,水深大于800m的海域约140万~150万km2,位于北回归线以南,太阳辐射强烈,是典型的热带海洋,表层水温均在25℃以上。500~800m以下的深层水温在5℃以下,表深层水温差为20~24℃,蕴藏着丰富的温差能资源。据初步计算,南海温差能资源理论蕴藏量约为11.9~13.3 ZJ,技术可开发利用的能量(热效率取7%)约为0.833~0.931 ZJ,实际可供利用的资源潜力(工作时间取50%,利用资源10%)装机容量达13.21亿~14.76亿kW·h。

中国台湾省以东海域表层水温全年为24~28℃,500~800m以下的深层水温在5℃以下,全年水温差20~24℃。台湾省电力专家估计,该区域温差能资源蕴藏量约为216 PJ。

盐差能

海水和淡水之间或两种含盐浓度不同的海水之间的化学电位差能,主要存在于河海交接处。淡水丰富地区的盐湖和地下盐矿也可以利用盐差能。盐差能是海洋能中能量密度最大的一种可再生能源。通常,海水(35‰盐度)和河水之间的化学电位差有相当于240m水头差的能量密度。这种位差可以利用半渗透膜(水能通过,盐不能通过),在盐水和淡水交接处实现。利用这一水位差,就可以直接由水轮发电机组发电。

中国海域辽阔,海岸线漫长,入海的江河众多,入海的径流量巨大,在沿岸各江河入海口附近蕴藏着丰富的盐差能资源。据统计,中国沿岸全国江河多年平均入海径流量约为1.7万亿~1.8万亿m3,各主要江河的年入海径流量约为1.5万亿~1.6万亿m3。据计算,中国沿岸盐差能资源蕴藏量约为3.9 EJ,理论功率约为125.00 GW。中国在长江口及其以南的大江河口沿岸的资源量约占全国总量的92.5%,理论功率达115.60 GW,其中东海沿岸占69%,理论功率为86.00 GW。中国沿海大城市附近资源最为丰富,特别是上海和广州附近的资源量分别占全国总量的59.2%和20%。盐差能资源具有明显的季节变化和年际变化,一般汛期4~5个月的资源量占全年的60%以上,长江占70%以上,珠江占75%以上。

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