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第5章 丰富的海洋能

浩瀚的大海,不仅蕴藏着丰富的矿产资源,更有真正意义上取之不尽,用之不竭的海洋能源。它既不同于海底所储存的煤、石油、天然气等海底能源资源,也不同于溶于水中的铀、镁、锂、重水等化学能源资源。它有自己独特的方式与形态,就是用潮汐、波浪、海流、温度差、盐度差等方式表达的动能、势能、热能、物理化学能等能源。直接地说就是潮汐能、波浪能、海水温差能、海流能及盐度差能等。这是一种“再生性能源”,永远不会枯竭,也不会造成任何污染。

潮汐能就是潮汐运动时产生的能量,是人类利用最早的海洋动力资源。中国在唐朝沿海地区就出现了利用潮汐来推磨的小作坊。后来,到了11—12世纪,法、英等国也出现了潮汐磨坊。到了20世纪,潮汐能的魅力达到了高峰,人们开始懂得利用海水上涨下落的潮差能来发电。据估计,全世界的海洋潮汐能约有20多千瓦,每年可发电12400万亿度。

今天,世界上第一个也是最大的潮汐发电厂就处于法国的英吉利海峡的朗斯河河口,年供电量达5.44亿度。一些专家断言,未来无污染的廉价能源是永恒的潮汐。而另一些专家则着眼于普遍存在的,浮泛在全球潮汐之上的波浪。

波浪能主要是由风的作用引起的海水沿水平方向周期性运动而产生的能量。

波浪能是巨大的,一个巨浪就可以把13吨重的岩石抛出20米高,一个波高5米,波长100米的海浪,在一米长的波峰片上就具有3120千瓦的能量,由此可以想像整个海洋的波浪所具有的能量该是多么惊人。据计算,全球海洋的波浪能达700亿千瓦,可供开发利用的为20—30亿千瓦。每年发电量可达9万亿度。

除了潮汐与波浪能,海流可以作出贡献,由于海流遍布大洋,纵横交错,川流不息,所以它们蕴藏的能量也是可观的。例如世界上最大的暖流-墨西哥洋流,在流经北欧时为1厘米长海岸线上提供的热量大约相当于燃烧600吨煤的热量。据估算世界上可利用的海流能约为0.5亿千瓦。而且利用海流发电并不复杂。因此要海流做出贡献还是有利可图的事业,当然也是冒险的事业。

把温度的差异作为海洋能源的想法倒是很奇妙。这就是海洋温差能,又叫海洋热能。由于海水是一种热容量很大的物质,海洋的体积又如此之大,所以海水容纳的热量是巨大的。这些热能主要来自太阳辐射,另外还有地球内部向海水放出的热量;海水中放射性物质的放热;海流摩擦产生的热,以及其他天体的辐射能,但99.99%来自太阳辐射。因此,海水热能随着海域位置的不同而差别较大。海洋热能是电能的来源之一,可转换为电能的为20亿千瓦。但1881年法国科学家德尔松石首次大胆提出海水发电的设想竟被埋没了近半个世纪,直到1926年,他的学生克劳德才实现了老师的夙愿。

此外,在江河入海口,淡水与海水之间还存在着鲜为人知的盐度差能。全世界可利用的盐度差能约26亿千瓦,其能量甚至比温差能还要大。盐差能发电原理实际上是利用浓溶液扩散到稀溶液中释放出的能量。

由此可见,海洋中蕴藏着巨大的能量,只要海水不枯竭,其能量就生生不息。作为新能源,海洋能源已吸引了越来越多的人们的兴趣。

展望新能源

人类对常规能源的利用,无论是在开源方面,还是在节流方面,都在不断进步。对于煤炭、石油和天然气等化石燃料,从勘探、开采、运输到使用,技术不断进步,日新月异,令人目不暇接。这对能源本身的盛衰与荣辱,不但没有影响,反而进一步促进了与这些常规能源有关的能源技术的进步和发展。于是,资源卫星勘探技术、煤炭地下气化技术、二次三次采油技术、煤炭液化和气化技术、磁流体发电和燃料电池等直接发电技术,以及高效大容量输电和余热利用等等新节能技术相继诞生并发展起来,而且已经和正在给人类带来极大的社会与经济效益。人们对水力能的利用,已经今非昔比,走上了大规模、经济地开发和系统设计、综合利用的轨道。在常规能源技术领域,目前,磁流体发电技术、燃料电池、水力能源综合利用工程、高效大容量输电技术和余热利用技术等已成为人们关注的热点。

20世纪中叶以来,人们对核聚变能、太阳能、地热能、海洋能、风能和生物质能等等新能源的研究开发和利用付出了辛勤的劳动,坚持进行着孜孜不倦的研究,并取得了许多可喜的成果与重大突破。

如果从20世纪50年代初算起,人们研究和开发核聚变能已经有40年了。人们已攻克了许多难关,虽然尚未达到受控热核聚变的目标,但是正在一步步地逼近实现受控热核聚变的临界条件。随着托卡马克和磁镜约束聚变反应装置,以及激光驱动等惯性约束聚变反应装置的不断改进,对于等离子体温度、粒子密度和持续时间等实现聚变的主要条件已达到或接近受控热核聚变必需的临界条件;这使我们已经看到受控热核聚变航船的桅杆和旌旗出现在地平线上。而且,据目前发展来看,惯性约束反应堆有可能比磁约束聚变反应堆更早一些实现商业应用规模。

在大规模地利用太阳能方面,近20年来发展很快。目前,世界上已经建立起许多装机容量相当可观的太阳热试验电站;还有不少功率已达数十万千瓦至上百万千瓦的太阳光发电站也陆续建造成功。随着宇航技术的高度发展,到太空去建造卫星发电站,非但不是遥远的将来才能办到的事,而且很有可能成为能源技术今后的主攻方向之一。

“地球是个庞大的热库,有源源不绝的热流。”目前,世界上凡是有条件的地方,利用地下热水和地热蒸气取暖、洗澡、医疗、做饭、温室种植、禽类孵养、水产培育等等已经相当普遍了。地下热水和地热蒸气在纺织、造纸、制革和制冷等工业领域也已得到了大量应用。

覆盖着地球表面71%的海洋中蕴藏着巨大而丰富的能源。波浪能、潮汐能、海流能、海水温差能、海水盐浓度差能、海洋生物质能和海水中的氢能等等应有尽有,丰富多彩。对海洋能的利用,目前只有对潮汐能的利用比较成熟。潮汐发电技术发展较快,已达到大规模商业开发阶段。

对风能和生物质能的开发,实质上是对太阳能的间接利用。

利用风能虽然是一个古老的课题,但是,真正大规模地开发利用不过是近几十年来的事。风力发电技术近期内有了崭新的发展和飞跃。目前,从几十千瓦到数千千瓦的大型风力发电站已在世界各地运行之中。特别是“风力田”的开发,为大规模提供稳定电能的风力发电技术找到了一条经济可行的途径。另外,建立海上风力发电站和空中风力发电站(会飞的风力发电站)的设想,虽然有很多难题待攻克,但前景还是十分诱人的。预计在不久的将来,这会有重大突破。

“农业别动队”是近期崛起的开发利用生物质能的劲旅。植物的光合作用具有了不起的功能,它能够轻松自如而又非常有效地把太阳能转换成丰富的生物质能。在植物中,不但有可直接作为食物或饲料的碳水化合物淀粉、糖分和纤维素等——这些成分都可通过微生物的作用,把他们转变成液态或气态的石油代用品;还有类似石油成分的碳氢化合物——它们有的可直接作为柴油等液体燃料,有的则可通过化学加工变成各种石油产品。种植薪炭林得到的木柴、农业秸秆等有机废物和城市垃圾中的有机物质等等都可直接用来燃烧发电。这些生物质能为火力发电提供了廉价的可再生燃料。因此,许多国家正在研究和开发这类能源。目前,人们在培育优良“石油植物”方面亦已取得了很好的成绩。试验性的“能源农场”和利用各种生物资源生产油类或酒精等石油代用品的生物燃料工厂,也正在世界各地如火如荼地发展起来。种植“氢树”和模拟叶绿素的光合作用直接生产氢能等设想,既美妙而又艰难,最近也有了一定的突破。完全可以相信,人们的这些愿望,将来一定能够实现。

对生物发电机、地球发电机、夸克结合能和潜在的理想燃料反物质等名副其实的未来能源,您也许会感到有点渺茫,但是,它们也绝非海市蜃楼。

它们之中至少有一两种,很可能会像太阳光卫星发电技术和太空伞技术一样,成为能源技术的主攻方向。

能源系统工程是能源技术的运筹帷幄之术,既可以用于广泛开源,又可以用于有效节流。它从整体或全局的观点、历史发展和辩证的观点,运用系统科学,“软硬兼施”,综合利用软科学技术和硬科学技术,最优地实现对能源系统的技术经济管理。

目前世界上流行着的一种观点——“人们越来越感到能源紧缺”,是不恰当也不科学的。这种说法,至少是有点“近视”,有点表面化地看问题。其实,能源无处不有,任何物质都有可能变成能源。

人类缺少的不是能源,而是技术和时间。如果我们有足够的时间,开发出高度发达的精湛技术,那么,在我们的地球上和我们的宇宙空间里,就会有取之不尽用之不竭的能源供人类使用。只要现在的科学家和工程师们,还有你们——未来的科学家和工程师们继往开来,努力奋斗,许许多多经济、清洁、安全而又经久耐用的新能源便会展现在人们面前。

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