第10章 海洋能.docx

第10章海洋能海洋占地球表面积达70.8%，和陆地一样，是人类赖以生存的基本条件。海洋蕴藏着巨大的能量，是支撑人类社会发展的一个重要的能量来源。海洋能资源分为三大类。第一类是海底或海床下储存的矿物能，如石油、天然气、天然气水合物(可燃冰)；第二类是海水中溶存的痕量元素铀、锂及重水等所含的化学能；第三类是以力学、热、物理化学形态存在的海洋机械能、海洋热能(温差能)、海洋盐差能、海洋光合能(生物能)，其中海洋机械能又分为潮汐能、波浪能、海流能等。前两类是非再生能源，第三类是可再生能源。本章中所称的海洋能就是指第三类海洋能。海洋能资源具有以下特点。(1)总蕴藏量大。技术允许利用的功率为64亿kW，为目前全世界发电装机总量的2倍。(2)非耗竭、可再生。由于海洋能是海洋永不间断地接受着太阳辐射和月亮、太阳的作用而储存起来的，所以是可再生的。(3)能量密度低。潮汐能的潮差较大值为13~15m，我国的最大值仅8.9m；海流能的流速较大值为1.5~2.0m/s，我国最大值为1.5m/s；波浪能的年平均波高较大值为3~5m，最大波高可达24m以上，我国沿岸年平均波高1.6m，最大值10m以上；温差能的表、深层海水温差较大值24oC，我国最大值与此相当；盐差能是海洋能中能量密度最大的一种，其渗透压一般为2.51MPa，相当于256m水柱。(4)随时空存在一定变化。温差能主要集中在低纬度大洋深水海域；潮汐能主要集中在沿岸海域，海流能主要集中在北半球两大洋西侧；波浪能近海、外海都有，但以北半球两大洋东侧中纬度(30o~40oN)和南极风暴带(40o~50oS)最富集；盐差能主要在江河入海口附近沿岸。在时间上，除温差能和海流能较稳定外，其他均有明显的日、月变化和年变化，不过各种海洋能能量密度的变化一般均具有规律性，可以预报。(5)开发利用的一次性投资大，单位造价高。开发海洋能资源存在风、浪、流等动力作用、海水腐蚀、海洋生物附着、能量密度低等问题，致使转换装置设备庞大，要求材料强度高、防腐性能好，设计施工技术复杂，投资大、造价高。但海洋能发电在沿岸和海上进行，不占用土地，不需迁移人口，而且还具有综合效益。(6)对环境无害。第一节潮汐能海洋水位的升高和降低称为潮汐。涨潮和落潮的水位差(潮差)形成的势能称为潮汐能。潮汐能的大小与潮量和潮差成正比。潮汐能主要集中在浅海和狭窄海湾地带，如英吉利海峡、马六甲海峡、芬兰湾，我国的浙江、福建沿海和黄海的港湾与江河入海口等。在地球上不同的地方，潮汐发生的周期是一天，即24h，或大约半天，即12h25min。在我国，称早晨海水上涨为潮，黄昏上涨为汐，即古人所谓的“朝生为潮，夕生为汐”，故合称为潮汐。连续的高、低潮产生的高度差(潮差)称为潮汐的幅度。潮汐能的利用主要是发电，与水力发电相似，只是水头微小而已。用围堰或堤坝将涨潮的海水围在港湾或盆地内，形成储水库，则这些潮水在理论上可以获得的平均功率为其中，ρ为水的密度，kg/m3；A为储水库的面积，m2；R为潮汐的幅度，m；τ为潮汐的周期，s。设海水的密度ρ=1030kg/m3，如果A=10km2，R=4m，τ=12h25min，则P≈18MW。潮汐的产生及其涨落规律与月球和地球、太阳和地球之间的万有引力及三者之间的运行轨迹密切相关。由月球和太阳引起的潮汐分别称为月亮潮和太阳潮，实际的海水潮汐是二者综合的结果。一、月亮潮为了说明月亮潮的成因，使用一个最简单的地月系统模型。月亮在地球赤道平面上围绕地球旋转，如图所示。图中M、M分别为月亮和地球的质量，各为7.35×1022kg和598×1022kg；D是地月距离(假设地、月的质量中心位于它们的几何中心)，为384×106m；L和L分别是月亮和地球的质心至地月系统质心的距离。根据系统以其质心为中心各部分的质量矩平衡的原理，有如下关系式：ML=MLML=M(D- L)因此，有解得L=4662km，小于地球的半径r=6380km，即地月系统的质心在地球的内部。地、月间受万有引力的作用，从月亮不被地球吸引靠近过来可知，地球和月亮是围绕穿过系统质心的轴线互相旋转的，以达到离心力和引力的平衡，才能保持地月系统的稳定。因为地月系统的质心在地球的内部，所以从宏观上看月亮是绕着地球转的，成了地球的卫星。月球和地球受到的万有引力和离心力大小相等、方向相反，即其中，G为万有引力系数，为6.67×10-11m3/(kg·s2)；ω为地月系统绕其质心旋转的角速度，1/s。在地月系统中，地球上x处和y处的物质受到的万有引力和离心力是不同的。在最靠近月亮的点x处，指向月球的万有引力增加，离心力减小(因为实际的绕行半径是r-L)，但也指向月球。在y点，万有引力减小，离心力增加，方向都是背离月球。考虑x点和y点质量为m的海水受力，可得因为rD，用泰勒级数将展开，可