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海洋能资源

/marine energy resources/
条目作者游亚戈

游亚戈

最后更新 2022-03-12
浏览 262
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人们可开发的、储备在海水中的可再生能源,分为波浪能潮汐能海流能温差能盐差能

英文名称
marine energy resources
所属学科
工程热物理及动力工程

随着人们在技术上的进一步开发,海洋能的种类及资源量还会增大。

波浪能是由风引起的水的波动的能量。风吹拂水面,逐渐产生与风同方向行进的波浪。在风的持续吹拂下,波浪的波高、波长、波周期都逐渐增大;同时,风在波浪表面还会产生新的波。故风造成的波浪通常是不规则波。

由流体力学可知,波浪具有随波浪传递的能流。该能流表现为行进的波浪动压强和波浪行进方向(设为轴)的水质点速度分量的乘积。而波浪动压实质上是水质点加速度导致的压强,该压强与水质点速度分量的相位相等,使;而且水质点之间的黏性系数很小,故波浪的传递效率非常高。实际上只是某一点的波浪能流,随时间呈正弦变化,随着水深度的增加而减小。为了便于表述,设想一个从水面到水底、单位宽度的假想面,通过假想面传递的波浪能流为在假想面上的积分,求出穿过假想面的瞬间功率;再通过从0到波周期的积分,得到一个周期通过的波浪能;最后除以得到单位迎波宽度下规则波的平均功率。实际上,无论是波浪动压强还是水质点速度分量,都与波高、周期以及水深有关。只要给出波高、周期以及水深,就可以求出规则波的功率。

如果是不规则波,通常可以展开成一个由规则波叠加出来的系列。利用上述思路,求出随机波的平均功率。大致思路是:在远离海岸处布置若干个测波仪器,以一个合适的频率测海面高程,推算出不规则波中所含的各周期规则波的波高,形成波浪谱,再按上述方法算出各规则波的能流。叠加后可以求得不规则波的功率。

在实际应用中,不同风速下的风,在海上资源下扰动得到的波浪具有不同的波浪构成,通常用波浪谱表述。通过测量可以得到一段时间的波面记录,通过分析可以得到不同频率的波的功率分布,最终得到一个入射波的波谱。根据在某海域长期测得的波浪谱,可以计算出该点的波浪能年平均功率,最终得到该海域的波浪能资源。

潮汐能是潮汐运动所具有的动能和势能。海洋潮汐运动是由引潮力随时间变化引起的海水运动。引起潮汐运动的引潮力主要有月球和太阳对地球上单位质量的物体的万有引力,以及地球绕地月公共质心旋转时所产生的惯性离心力的合力。该引潮力的变化取决于地球当地与月球和太阳的位置变化。如果将地球和月球压缩成位于各自质心处的两个质点,则该两个质点绕地月质心转动时,离心力恰等于两质点之间的万有引力,以维持两者在转动中的平衡。但月球和地球都是星球,在地球面对月球的半球上,万有引力大于离心力,引潮力指向月球;而地球背对月球的半球,万有引力小于离心力,引潮力背向月球。故粗略地说,月球质心与地球质心连线穿过地球表面的两个点引潮力最大,偏离这两点的引潮力随着距离增大逐渐变小。潮位的高低基本上取决于引潮力的大小,在时间上滞后2~3天。由于地球自转和月球公转,赤道附近海水涨落一次的周期大约为12.4小时,形成月潮的周期。类似地,太阳引力导致的赤道附近的日潮每12.0小时为一个周期。故在赤道附近的潮位约半天一个周期,称为半日潮。赤道以外的潮位变化比较复杂。每一天日月地三者位置均会变化,会导致引潮力变化。另外,处于地球不同维度,引潮力也会发生变化,这些都造成世界各地潮位的变化。

潮波的波长很大。半日波波长约为赤道长的一半,其周期超过12小时,造成潮波运行路径上数千千米长的海水以相近速度流动,形成了巨大惯性,因而产生惊人的效果。与北半球比,南半球的海洋面积比较大,陆地面积比较小,故潮波比较畅通,潮流能资源比北半球丰富,但潮差能资源一般。

潮流能是潮汐能的一部分,是潮波里的海水流动的能量。在潮汐运动过程中,海水总量近似不变。因此,当潮波导致一部分海面上升的同时,必然导致另一部分海面的下降,潮流就是这个运动过程中的水的流动。通过测量潮汐涨落以及水深,可以计算出潮流的平均流速。潮流在海岸附近,特别是在岛屿间的狭窄流道,会出现急流。潮流是由不同潮汐分量的正弦变化引起的,以不同的周期运行。在大陆与岛屿之间的水道或河口,流速随时间呈近似正弦的变化,这段时间与不同的潮汐分量有关。根据现有技术,具有潜在商业吸引力的地点要求潮流最小平均流速大于1.5米/秒。

总体上看,潮流是海水的水平流动,受海底、特别是近岸和岛屿周围地形的修正。与潮汐运动一样,潮流中含有各种分量的近乎正弦的、不同周期的运动。这些运动还受到短期的天气干扰。

除了潮流之外,世界上还有与潮流相当的海流。潮流集中在大陆的边缘潮汐落差较大的地方,而海流则分布于开放海域。

海流是大洋的大尺度稳定循环流动,其主要动力为大气环流形成的风和高低纬度形成的温差、盐差导致的密度差。所形成的流可以分为风海流(由风吹拂海面形成)、密度流(由温差、盐差导致海水密度差异而形成,上层是密度较低的海流,下层为密度较高的潜流,与上层海流相反)和补偿流(补偿风海流造成的上游水位下降,是与风海流方向相反的潜流)三种。

南北纬度30°~60°为西风带,常年西风,形成南北半球向东的风海流。该风海流在逐渐靠近大陆的过程中,被迫改变方向,受到地转偏向力作用,向低纬度方向偏转,形成由高纬度向赤道流动的冷流。该流在进入纬度30°后,受向西的信风驱动,形成向西的赤道表面流(风海流);而该风海流底部,则有向东的赤道潜流,属于补偿流。赤道表面流向西遇到大陆阻挡,并受地转偏向力作用,开始转向高纬度方向,形成暖流。该暖流同样受地转偏向力作用,其向东偏转,进入西风带,完成循环。

上述海流在部分区域流速可达2米/秒。比较有名的海流有非洲最南端的厄加勒斯暖流,东亚菲律宾海流向日本的暖流(黑潮),东澳大利亚海流,墨西哥湾海流和东北美海湾海流。

海洋温差能是太阳照射在海洋表面形成的高温,以及大洋深水区的低温形成的温差能。温差能比其他海洋能的潜力要大得多,但集中在低纬度水深超过1千米的海域。开发难度较大,实型和试验装置很少。

温差取决于水面和深水处的温度。最适合温差能发电的地点依次为热带、亚热带和赤道。非洲海岸、美洲热带西部和东南海岸以及许多加勒比和太平洋岛屿都位于合适的区域。

盐差能是海水与入海口附近淡水的盐浓度之差所具有的能量。不同盐浓度的液体之间存在着不同的渗透压。利用河流的淡水和入海口的海水之间的盐度差形成渗透压差,采用薄膜隔开海水和淡水,让海水一侧的压强低于渗透压,则淡水便会通过渗透膜渗透到海水一侧。渗透流量与海水压强的乘积为渗透功率。盐差能发电技术就是利用该渗透功率发电。

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