第一节 海洋能概念及分类
一、海洋能简介
海洋能指依附在海水中的可再生能源，海洋通过各种物理过程接收、储存和散发能量，这些能量以潮汐、波浪、温度差、盐度梯度、海流等形式存在于海洋之中。
地球表面积约为5.1×10^8km^2，其中陆地表面积为1.49×10^8km^2占29%；海洋面积达3.61×10^8km^2，以海平面计，全部陆地的平均海拔约为840m，而海洋的平均深度却为380m，整个海水的容积多达1.37×10^9km^3。一望无际的大海，不仅为人类提供航运、水源和丰富的矿藏，而且还蕴藏着巨大的能量，它将太阳能以及派生的风能等以热能、机械能等形式蓄在海水里，不像在陆地和空中那样容易散失。
二、海洋能的类型
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。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，漫长的海对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。
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：
1）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。
2）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。
三、海洋能特点 分析
1、海洋能在海洋总水体中的蕴藏量巨大，而单位体积、单位面积、单位长度所拥有的能量较小。这就是说，要想得到大能量，就得从大量的海水中获得。
2、海洋能具有可再生性。海洋能来源于太阳辐射能与天体间的万有引力，只要太阳、月球等天体与地球共存，这种能源就会再生，就会取之不尽，用之不竭。
3、海洋能有较稳定与不稳定能源之分。较稳定的为温度差能、盐度差能和海流能。不稳定能源分为变化有规律与变化无规律两种。属于不稳定但变化有规律的有潮汐能与潮流能。人们根据潮汐潮流变化规律，编制出各地逐日逐时的潮汐与潮流预报，预测未来各个时间的潮汐大小与潮流强弱。潮汐电站与潮流电站可根据预报表安排发电运行。既不稳定又无规律的是波浪能
4、海洋能属于清洁能源，也就是海洋能一旦开发后，其本身对环境污染影响很小。
第二节 海洋能资源储量
一、世界海洋能资源
世界海洋能理论蕴藏量很大。世界的潮汐能约有10亿千瓦，波浪能有约700亿千瓦，海流能有100亿千瓦以上，温差能仅20°S到20°N之间的海域就有600亿千瓦，盐差能约为300亿千瓦。因各地气候等自然条件不同，海洋能分布很不平衡。潮汐能多分布在潮差大的喇叭形海湾和河口地区，加拿大的芬迪湾、巴西的亚马逊河口、南亚的恒河口和中国的钱塘江口等都是潮汐能蕴藏量大的水域。波浪能以中纬度海域较多，北海、墨西哥湾、孟加拉湾、阿拉伯海和南半球的西风带海域是波浪能集中地区。海水温差能多分布在低纬度海域，热带海洋尤为丰富。海洋能的的潮汐能最早，11世纪就出现了潮汐磨坊。20世纪初建成试验性潮汐电站，1966年法国建成的朗斯潮汐电站（24万千瓦），是当时最大的潮汐电站，现在世界上已有几十座潮汐电站。苏联、加拿大等国正在建造大型潮汐电站。波浪发电 研究 和开发已有近百年历史，现在全世界已有数百个小型发电浮标装置，用作航标灯，日本、英国和挪威等国正在研制较大的波浪发电装置，其中较大型的“海明”号波浪发电船已在日本海初步成功地把电力输送到了岸上。海水温差能利用原理于19世纪80年代初由法国人提出，小型温差发电装置于1920年问世；后因冷水管被风浪冲失而中断。1979年，美国在夏威夷建成50千瓦的海水温差试验站。
1980年以来，美国、法国、日本等国海水温差发电的 研究 又有新的发展。海水盐能利用已经开始 研究 ，并提出了一些设想方案。
二、中国海洋能资源
中国海洋能资源比较丰富，估计有潮汐能1亿千瓦（可利用2000万千瓦）、近海波浪能2300万千瓦、南海和东海南部温差能1.5亿千瓦（可利用3000万千瓦）、河口海域盐差能1.1亿千瓦。目前海洋利用已取得一定成果，浙江江厦及江苏、上海、山东和广东等地已建成了8座潮汐发电站，在南海航标灯浮标上安装了小型波浪发电装置。海洋能因能量密度低和能量多变且不稳定，使其开发利用难度较大，成本昂贵。但海洋能蕴藏量巨大，能够不断再生，开发利用不消耗燃料，不污染环境，还能获得水产养殖、消波防浪，发展航运、保护海港、淡化海水、海底采矿等综合效益。目前，在严重缺能的沿海、岛屿，把它作为补充能源加以利用还是可取的。随着能源需求日益增长和海洋能利用技术的进步，海洋能将成为世界新能源的重要方面。
第三节 世界海洋能发展现状
一、世界各国海洋能利用发展现状
随着陆地矿物燃料日趋枯竭和污染已趋严重，世界上一些主要的海洋国家纷纷把目光转向海洋，加大投入，促进和加快人类开发利用海洋的步伐，均投入大量的人力物力，摸清资源状况，制定发展计划，组织科技项目到实用技术的试验。
如英国从20世纪70年代以来，制定了强调能源多元化的能源政策，鼓励发展包括海洋能在内的多种可再生能源。1992年联合国环发大会后，为实现对资源和环境的保护，英国又进一步加强了对海洋能源的开发利用，把波浪发电 研究 放在新能源开发的首位，曾因投资多，技术领先而著称、在苏格兰西海岸兴建了一座装机容量2万千瓦的固定式波力电站。在潮汐能开发利用方面，英国也进行了大规模的可行性 研究 和前期开发 研究 ，并计划在1997年在塞汶河口建造一座装机容量为8.64兆瓦，年发电量约为170亿千瓦时的潮汐电站。目前，英国已具有建造各种规模潮汐电站的技术力量，并认为是极有潜力的世界市场。
美国把促进可再生能源的发展作为国家能源政策的基石，由政府加大投入，制定了各种优惠政策，经过长期发展，已成为世界上开发利用可再生能源最多的国家，其中尤为重视海洋发电技术的 研究 。1979年，美国在夏威夷岛西部沿岸海域建成一座称为MINI－OTCE温差发电装置，其额定功率达50千瓦，净出力达18.5千瓦，是世界上首次从海洋温差能获得具有实用意义的电力。
日本在海洋能开发利用方面也十分活跃，已成立了海洋能转移委员会，仅从事波浪能技术 研究 的科技单位就有日本海洋科学技术中心等１０多个，同时还成立了海洋温差发电 研究 所，并在海洋热能发电系统和换热器技术上已领先于美国，取得了举世瞩目的成就。
而法国早在上个世纪60年代就投入巨资建造了至今仍是世界上容量最大的潮汐发电站，装机容量达24万千瓦，年发电量5亿千瓦时的朗斯潮汐电站。
印度面对能源供应不足、电力短缺的困境，在海洋能等可再生能源的开发利用上也逐渐加大投入，从减免所得税和关税、建立专门贷款机构、吸引外资以及加快折旧等多方面实施优惠政策，使其在短短的两三年内一跃跨入世界可再生能源开发利用的先进行列。1994年，印度用5亿美元在泰米尔纳德邦近海引入美国技术，建立了一座10万千瓦的海洋温差发电装置。
二、世界主要海洋能电站
1、基斯拉雅潮汐电站
基斯拉雅潮汐电站建于摩尔曼斯克附近的基斯拉雅湾。电站成功地采用沉箱法建造堤坝和厂房。钢筋混凝土动力房沉箱长36米、宽18.3米、高15米，能容纳两台400千瓦容量的灯泡式水轮发电。机组和进出水道，重5200吨。沉箱在干船坞建造并装上一台机组，然后浮运到电站现场，沉在准备好的砂源基础上。动力房安放的垂直和水平位置偏差只有几毫米。
沉箱底部的钢片伸到其下沿以下，使底层免受波浪冲刷。由于前苏联有利于建站的坝址均位于严寒地带，不便于现场施工，促使采用这样新的厂房结构和施工方法。同样，对各种材料除了防蚀防污外，还须抵抗温度应力，方法是对建筑物进行热绝缘，在混凝土上补上加强的环氧树脂板。该电站1968年投入运行。
2、加拿大安纳波利斯潮汐电站
加拿大安纳波利斯潮汐电站座落在芬地湾口安纳波利斯-罗亚尔。该地潮差为4.2～8.5米。电站采用全贯流水轮发电机组。全贯流式水轮机安装在水平的水流通道中，发电机转子固定在水轮机桨叶周边组成旋转体，定子安装在水轮机转轮外边，构成没有传动轴的直接耦合机组。由于发电机的尺度不受限制，可以采用最优的转子直径，得到较高的转子转动惯量，以改进电网发生意外事故的动力稳定性，较易解决通风，检查、维修也方便。这些都是优于灯泡式机组之处。全贯流机组由于其结构紧凑，可以比采用灯泡式机组，工程造价低。
但其难点在能经受推力和转子飞逸时保持稳定和转子轴承的安全运行，以及转子轮缘和壳体中间的密封。该电站所采用的受力轴承是常规的水动力套筒式。密封由特殊的合成材料弯曲压贴在构件上，用水作润滑。该电站安装机组一台，额定功率为2万千瓦。转子直径7.6米，4个叶轮叶片，18个导叶，定子直径13米，设计水头5.5米，流量378米3／秒，额定转速50转／分，年发电量5000万千瓦小时。机组由对河川小型全贯流机组有经验的瑞士设计、加拿大制造。该电站利用现成控制洪水的堤坝，包括一条长225米的堆石坝，一个人工岛，和另一侧控制水量有两个闸门的建筑和一小堤道。机房设在人工岛上，由100公里外的一座水电站遥控。该电站在1984年投入运行。
3、法国朗斯潮汐电站
法国朗斯潮汐电站建于法国朗斯河口，该站址潮差最大13.4米，平均8米。单库面积最高海平面时为22平方公里，平均海平面时为12平方公里。大坝高12米，宽25米。总长度750米。坝上有公路沟通朗斯河两岸。1966年投入运行，是第一个商业化电站。该电站装机24台，每合1万千瓦，共24万千瓦。设计年平均发电量5.44亿度。机组为灯泡贯流式，转轮直径5.3米，可作六种工况运行。
除正向发电、反向发电、正向排水、反向排水外，还能正向泵水和反向泵水。各种工况的优化运行，用计算机进行控制。这种多功能机组在当时是一项重大的技术成就。大坝两端建有船闸和浅水闸门，中段设置电站厂房。这段是空腹混凝土坝，顶部做成拱形以承受水压力。全部建筑是用围堰法抽干水后进行施工的。共浇注混凝土35万米2，用了钢材1.6万吨。建设年限6年。
工程最困难和最重要的是主坝海侧围堰，朗斯工程用直径9米的钢筋混凝土圆柱形沉箱作围堰的支撑件，用钢筋混凝土迭梁截流，模型试验精确地预测工程应于何时如何施工。电站对金属部件的防腐蚀成功地采用涂料、不锈钢和阴极保护等措施。水工建筑采用几项防水处理方法：用柔性材料浇注裂缝、用胶粘水泥填塞接缝、用环氧树脂基材料作表面一般处理。
