波浪能资源中只关注风扰动造成的风浪,其他波浪如地震造成的海啸,船舶航行产生的波等,都属于偶尔出现,故不予计入。中国海洋的风有四个来源:大气环流造成的信风和西风,冬季和夏季产出的季风以及热带风暴。根据大气环流的特点,南北半球30°~65°为风向东偏北的西风带,风速大;0°~30°为风向西偏南的信风带,风速较小但风向稳定。这两种风都是常年风向不变,风速变化不大的风。在远离陆地的海域,可形成较为稳定的波浪。
中国处于太平洋的西岸,最北的海渤海和黄海处于西风带,虽说风力资源不错,但渤海和黄海的水面面积实在太小,西风作用的距离太小,产生的波浪很小。但渤海却为中国海提供了冬季季风的一个通道,增大了黄海和东海的波浪能功率。冬季的冷空气南下实质上是冬季季风的一部分。冷空气起源于北极和西伯利亚,在那里太阳照射较少,冬季冰天雪地,气温常常在-20℃~-40℃甚至更低,当冷空气聚积到一定的强度时,由于南北温差导致的气压相差悬殊,产生南北压力梯度过大的情况,于是暴发由北向南的强风,将北方的冷空气输入到南方。
冷空气侵入中国主要有三条路径,其中两条路径都是由陆地自北向南运动,到华南地区入海。而第三条路径则是:经蒙古进入华北、东北南部、经渤海、黄海,进入东海。长期测量的波浪统计数据说明,黄海和东海的波浪都在冬季明显增大,就是冬季季风的贡献。
黄海处于渤海和东海之间。受朝鲜半岛遮挡,热带风暴较少进入黄海,而其波浪资源主要来自冬季季风。中国东海纬度在北纬20°~30°,为信风带。台湾处于北纬23°~25°,其东面具有开阔的海面。副热带高压区产生的信风在台湾以东毫无遮拦,风力稳定,故具有很好的波况资源;其次是处于台湾海峡以北的福建省海域。除了信风外,东海最大的波浪能来源是冬季季风。该部分季风是从辽宁省进入渤海,经黄海进入东海,故在冬季给浙江、福建、台湾等省的沿海带来较大的波浪。
中国的南海的常年风为东北信风。到了夏季会出现由南向北的季风,与信风会合,主风向东偏南,风不大,但海面大,作用距离长,故形成平稳的涌浪。夏秋季热带风暴活跃,但热带风暴来临之前,往往有几天风平浪静的时间,紧接着是热带风暴带来的大浪。到了秋季,季风停止,信风和热带风暴成了主力,在南海海面上形成以信风为底的稳定的波浪和台风带来的大浪。到了冬季,强烈的季风的一小部分顺着海岸线由东海、穿过台湾海峡进入南海,与东北信风合成为风向北偏东的风。东海形成的波浪在穿过台湾海峡后消耗了一大部分,仍然可以在西沙群岛附近产生较大的涌浪。还有一些冬季季风从广东省进入南海,在西沙群岛和南沙群岛产生大浪。到了春季,随着冷空气的削弱以及热带风暴的消失,信风再次成为主力,波浪较小。
潮汐能是引潮力随时间的变化而带来的海水运动,即潮波的能量。引潮力主要来自月球和地球绕月地共同质心转动的离心力以及月球和太阳的万有引力,其余星球带来的引潮力对潮汐能的影响可以忽略不计。
引潮力是产生潮汐运动的原因。如果没有引潮力,只有重力,则地球上的海平面接近于球面,不会有任何运动。引潮力将球形的海平面拉成椭圆回转体形,其椭圆的长轴略滞后于地球中心与月球中心的连线(简称地月连线)。由于地球自转和月球公转,该椭圆回转体约以每小时1600千米的速度向西运动,形成海洋的涨落潮。
在水面宽阔、水深达数千米的大洋中部,潮波引起的水平方向流速很低,涨落潮很小;而到了大洋岸边,潮波引起的水平方向流速随着水深变浅而放大,涨落潮也因流速增大且岸边的阻碍出现“拥堵”而放大了。可见岸边浅水区潮汐能比较丰富。当潮波遇到河口或内海这样具有百千米尺度且具有一定容量的地形,还会产生与该地形相应的振荡响应,其效果体现在地形内的水流流量和涨落潮明显增大。例如开口朝东的杭州湾,其开口和纵深都达到100千米,潮波的振荡响应效果明显。因为潮流与潮差是因果关系,潮差能丰富的地方必然可以找到潮流能丰富的地方。例如杭州湾的澉浦具有很好的潮差能资源,而在杭州湾入海口的舟山群岛,则有很好的潮流能资源。
海流的主要部分是由大气环流导致的信风和西风驱动下形成的海流。信风驱动的赤道西向流以及西风带(纬度45°左右)的西风驱动的东向流,遇到大陆阻挡后,受地转偏向力作用,北半球顺时针、南半球逆时针,形成环流。中国海处于北太平洋西岸。台湾以东的黑潮属于上述海流的主要部分。黑潮最大流速达到1.5米/秒,平均流速达到1.0米/秒。
海流的次要部分是季风驱动的流。在紧靠大陆的大海,如中国的渤海、黄海、东海、南海,由于处于欧亚大陆架内,其沿岸的海流都是季风驱动的流,速度低且流速和方向随季节变化,无开发价值。
海洋温差能指海洋表面与海洋底部的温差导致的势能。阳光照射角度和照射时间决定了海洋表面的温度。显然,低纬度海洋从阳光中吸收的热量高于高纬度海洋,这使得赤道附近低纬度的海洋表面可以达到较高的水温。
在低纬度海域,水面下100米左右,水温会急剧下降到10℃以下。到了水下1000米,水温会降到5℃以下。所以,利用温差能需要在纬度低且水深超过800米的海洋。中国南海纬度小于10°的海域,水深超过1000米,海面年均水温可到达28℃左右,海底年均温度可达到5℃以下,具有很好的温差能资源。中国东海在台湾东部海域具有很好的水深,受黑潮影响,全年表面水温较高,可达23~29℃;800米以下温度在6℃。其余海域因水太浅,温差无法达到现有技术的开采门槛。
盐差能是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势差能,其能流密度取决于海水中的含盐量。海里有大量的盐,这些盐主要来自陆地,随河水流入大海。当海里的盐达到一定浓度,就会沉淀到海底。海里的盐是随时间和空间变化的。在空间上,河流入海口因淡水的注入,稀释了入海口的海水,降低了局部海水的含盐量。远离入海口,含盐量会逐渐提高到正常值。降雨会降低海面的含盐量。在时间上,雨季海水的含盐量降低;旱季导致的海水蒸发,会提高海水的含盐量。
从盐差能利用来说,盐度越大,盐差能的密度越大。渤海的年平均盐度为30.0;靠近东侧盐度为31.0;近岸区域盐度仅为26.0;河口仅为24.0,在辽东湾甚至只有20.0。黄海盐度为31.0~34.0,鸭绿江河口盐度为28.0~29.0。东海黑潮附近盐度为34.7;近岸受长江入海流量影响,盐度为31.0以下;长江口盐度为4.0~10.0。南海中部和南部盐度为32.0~33.6。珠江口盐度在7.0以下。
利用盐差能的方法是采用半透膜,利用海水和淡水之间的化学电势差,使淡水不断地通过半透膜渗入海水一侧,提高海水侧的压力,并利用该压力和流量发电。利用盐差能必须要有淡水和海水,并需要海水具有较大的盐度,这是一个矛盾。要解决这个矛盾,可以将盐差能发电站建在盐度大的地方,将淡水引过来,解决当地淡水供应,并利用盐差能发电;或者提高半透膜的性能,在河口建造盐差能发电站。