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| 游亚戈研究员：人造“能量岛”本世纪就能实现 |
| 可作为人类未来移居海洋的一种模式 |
本期关注：人造“能量岛”
11月12日，美国生活科学网报道了人造“能量岛”的设计，这种漂浮在海面上的装置能够全年每天24小时制造能量，有望取代人类对石油资源的使用。设计者估算，一个六边形的能量岛就可生成250兆瓦电能。
游亚戈：中国科学院广州能源研究所海洋能实验室研究员，主持多项国家科技攻关、“863”、科技支撑项目，研建了4座波浪能发电站。
近日，很多媒体报道了关于设计人造“能量岛”的新闻。“全年每天24小时制造能量，有望取代人类对石油资源的使用”，其前景听起来非常不错。那么，“能量岛”真是潜力巨大的海洋能利用平台，还是遥不可及的美好梦想？巨大的海洋能宝库，人类可以发掘几何？
“成员”众多的海洋能家族
我们先来了解一下海洋能。海洋能属于清洁的可再生能源，储量巨大。传统意义的海洋能有波浪能、潮汐能、海流能（潮流能）、温差能和盐差能；广义的海洋能还包括海上风能和海上太阳能。
在风压扰动下，水面偏离其平衡位置，重力和水压的不平衡导致水面形成周期波动。波浪运动导致的流体动能被称为波浪能。
潮汐能利用的实质，是利用月球和太阳的引力造成的海面升高的势能。由于地形影响，潮汐能在河口等喇叭状地形下会被增大。在这些地方建大坝和水闸，再通过水轮发电机组发电，可得到电力。
含潮流能在内的所有海流能是由潮汐、风、海水密度等所有因素导致的海水流动的能量。海流能好的地方往往在流道截面变窄处，如河口、岛屿周围及水道等；其利用实质是通过水轮机，将水流的动能转换成旋转机械能，然后通过发电机发电。
温差能（海洋热能）是指海洋表层海水和深层海水之间水温之差所形成的能量。太阳的辐射能在赤道附近的海洋表面形成26℃以上的热水，而两极的低温在海底形成接近冰点的冷海水。冷海水从极地缓慢地流向赤道，在热带或亚热带海域终年形成20℃以上的垂直海水温差。温差能发电就是利用这一温差实现热力循环并发电。
盐差能所利用的是盐度差造成的势能。力学方面的势能有两种，分别因渗透压差和蒸汽压差导致，相应的技术有渗透压发电技术和蒸汽压发电技术。电学方面的势能即盐浓度不同的溶液间形成的电位差，相应的技术有渗析电池技术。
不同种类的海洋能的能流密度不同，开发的难度也不同。
只要有海就有波浪，波浪能属于能流密度高、分布最广的海洋能。因此，单位功率的波浪能装置体积较小、环境问题小，具有较大的利用潜力。但是波浪能是开发难度最大的海洋能：波浪能十分不稳定，难以实现系统高效转换，同时还容易造成系统的破坏。另外，波浪运动形式是往复、低速、不稳定的，而稳定发电所需要的是单向、高速、稳定的转动，因此存在一定的转换难度。
海流能也属于能流密度高的海洋能，而且是准稳态的，除了在近海岛处流动有点扰动外，流速变化很小。因此，与波浪能开发难度比，海流能开发较为容易，利用潜力较大。但其分布范围较小，并非所有地方都可以利用。
整体来说，波浪能和海流能目前还处于实海况试验阶段，技术还没有成熟，表现出成本高、抗恶劣海况能力差、抗腐蚀能力差、故障多、效率低等问题。
潮汐能能流密度较低，需要建造大坝才能提高能流密度。但是建造大坝对环境有影响，还需要较大的一次性投资和较长的建设时间。潮汐能目前处于示范阶段，如果能够解决环境影响问题，就会进入商业开发阶段。
温差能能流密度与太阳热辐射的能流密度相当。热带海洋每天吸收的太阳热相当于2500亿桶石油燃烧所释放的热。温差能技术在获取电力的同时，可获取营养丰富的深海水用于养殖，还能将用过的冷海水作为海源空调的冷源加以利用。如果采用开式或混合式技术，还可以得到淡水。但其问题在于温差值太小，在温差最大区域也不过21℃左右，导致系统热循环效率极低；同时需要耗费能量抽取大量的深海冷水，才能维持循环。温差能目前还处于研究室研究阶段，着重于解决效率、腐蚀、海生物附着、海洋工程施工、抗恶劣海况等问题。
与其他海洋能不同，盐差能资源仅集中于河口，无法计算能流密度。盐差能利用目前还处于理论探讨阶段，其难度主要在于渗透压大，达到200多米水头，工程上难以实施。
海洋能利用正在进行时
在海洋能中，潮汐能技术最为成熟。目前建造的潮汐能电站中，最大的是法国的朗斯电站，装机容量240兆瓦，年发电5.4亿度。我国的江厦电站排名第三，装机容量3.9兆瓦，年发电量约700万度。
波浪能是近年来研究投入最多的海洋能。目前，波浪能技术正走向成熟。英国研发的筏式装置“海蛇”单机容量达到750千瓦，已步入商业运行阶段。美国、瑞典研制的振荡浮子装置，丹麦研制的漂浮式收缩波道装置，英国研制的漂浮式振荡水柱装置和离岸固定的点吸收式装置等，都有可能走向商业开发阶段。我国在“十五”期间发展的振荡浮子技术基础上，发展漂浮式鸭式装置，有望在高转换效率、高发电稳定性和低建造成本方面获得突破。
海流能（潮流能）技术近年来发展迅速。挪威和英国先后研发了300千瓦水平轴发电装置，进入并网发电阶段。英国随后研发了500千瓦并网发电装置。此外，英国还研发了水下悬浮式水平轴发电装置；加拿大和意大利研发了坐底固定式和漂浮式垂直轴发电装置。我国在“九五”期间研发了70千瓦漂浮式垂直轴发电装置；随后又研发了40千瓦坐底式垂直轴发电装置；目前正准备研发一座150千瓦漂浮式垂直轴发电装置和40千瓦悬浮式软轴发电装置，有望在发电效率和成本方面取得突破。
1979年，美国的温差能发电装置在世界上第一次实现了净输出。此后，日本的100千瓦闭式装置实现了净输出31.5千瓦。进而美国采用了廉价的铝合金取代昂贵的钛，制造了更大的热交换器，并解决了冷热水管的海生物附着和腐蚀问题；发展了垂直喷嘴雾化技术，使能量转换效率达到97%。1993年，美国的开式装置输出50千瓦电力，打破了日本的开式装置的40千瓦纪录。英国科学家则采用铝建成热交换器，使得每千瓦建造成本下降了1500美元。我国在上世纪80年代开展了雾滴提升和开式技术研究，近年来开始闭式技术研究。
人造“能量岛”不是梦
现在再回过头来说“能量岛”。人造“能量岛”综合利用海洋波浪能、温差能、海流能、海洋风能、太阳热能以及制淡、制氢装置，形成一个大的能源及能源产品生产系统。这是一个诱人的想法，能否实施要看技术水平的发展和经济的需求。
如果仅从海洋能利用来说，目前常见的做法是，在海上安放离散的海洋能装置，将能量合并后，通过电缆将获得的电能输送到用户，而不是采用人工“能量岛”这种集中的海洋能系统。
人造“能量岛”可以作为人类未来移居海洋的一种模式。21世纪，海洋开发必将成为经济发展点，届时，人类移居海洋就有了需求。而人造“能量岛”恰好为未来人类移居海洋提供了空间和能量。从这一点来看，人造“能量岛”，或者更准确地说，“人类海洋开发平台”的前景是非常广阔的。
而如前所述，人造“能量岛”提出的各种技术基本上都已经有一定的基础。可以相信，随着海洋能技术的发展，人造“能量岛”是可行的，在21世纪是能够实现的。
《科学时报》 (2008-11-19 A1 要闻)
