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海流能

海流能是指海水流动的动能,主要是指海底水道和海峡中较为稳定的流动以及由于潮汐导致的有规律的海水流动所产生的能量,是另一种以动能形态出现的海洋能。

海流能的能量与流速的平方流量成正比。相对波浪而言,海流能的变化要平稳且有规律得多。潮流能随潮汐的涨落每天两次改变大小和方向。一般来说,最大流速在2m/s以上的水道,其海流能均有实际开发的价值。

所谓海流主要是指海底水道和海峡中较为稳定的流动以及由于潮汐导致的有规律的海水流动。其中一种是海水环流,是指大量的海水从一个海域长距离地流向另一个海域。

这种海水环流通常由两种因素引起:首先海面上常年吹着方向不变的风,如赤道南侧常年吹着不变的东南风,而其北侧则是不变的东北风。风吹动海水,使水表面运动起来,而水的动性又将这种运动传到海水深处。随着深度增加,海水流动速度降低;有时流动方向也会随着深度增加而逐渐改变,甚至出现下层海水流动方向与表层海水流动方向相反的情况。在太平洋和大西洋的南北两半部以及印度洋的南半部,占主导地位的风系造成了一个广阔的,也是按反时钟方向旋转的海水环流。在低纬度和中纬度海域,风是形成海流的主要动力。其次不同海域的海水其温度和含盐度常常不同,它们会影响海水的密度。海水温度越高,含盐量越低,海水密度就越小。这种两个邻近海域海水密度不同也会造成海水环流。海水流动会产生巨大能量。据估计全球海流能高达5TW。潮流能随潮汐的涨落每天2次改变大小和方向。

大海中都是水,为什么会形成海流呢?海流形成的原因大致分三种,其中最主要

的原因是风,盛行风吹拂海面,推动海水随风飘动,并且使上层海水带动下层海水流动,这样形成的海流被称为风海流或者漂流。但是这种海流会随着海水深度的增大而加速减弱,直至小到可以忽略。

第二种海流是因为不同海域海水温度和盐度的不同而导致的海水的流动,这样的海流叫做密度流。譬如在直布罗陀海峡处,地中海的盐度比大西洋高,于是在水深500m的地方,地中海的海水经直布罗陀海峡流向大西洋,而在大洋表层,大西洋的海水则冲向地中海,补充了地中海海水的缺失。

海流的其他成因还有地转流、补偿流、河川泻流、裂流、顺岸流等。

发电

海流能的利用方式主要是发,其原理和风力发电相似,几乎任何一个风力发电装置都可以改造成为海流能发电装置。但由于海水的密度约为空气的1000倍,且必须放置于水下,故海流发电存在着一系列的关键技术问题,包括安装维护、电力输送、防腐、海洋环境中的载荷与安全性能等。此外,海流发电装置和风力发电装置的固定形式和透平设计也有很大的不同。海流装置可以安装固定于海底,也可以安装于浮体的底部,而浮体通过锚链固定于海上。海流中的透平设计也是一项关键技术。

助航

人类对海流传统的利用是“顺水推舟”。古人利用海流漂航。帆船时代,

利用海流助航正如人们常说的“顺水推舟”。18世纪时,美国政治家兼科学家富兰克林曾绘制了一幅墨西哥湾流图。该图特别详细地标绘了北大西洋海流的流速流向,供来往于北美西欧的帆船使用,大大缩短了横渡北大西洋的时间。在东方,相传二战时,日本人曾利用黑潮从中 国、朝鲜以木筏向本土漂送粮食。现代人造卫星遥感技术可以随时测定各海区的海流数据,为大洋上的轮船提供最佳航线导航服务。

海流发电也受到许多国家的重视。1973年,美国试验了一种名为“科里奥利斯”的巨型海流发电装置。该装置为管道式水轮发电机。机组长l10米,管道口直径170米,安装在海面下30米处。在海流流速为2.3米/秒条件下,该装置获得8.3万千瓦的功率。日本、加拿大也在大力研究试验海流发电技术。我国的海流发电研究也已经有样机进入中间试验阶段。

海流发电技术,除上述类似江河电站管道导流的水轮.机外还有类似风车桨叶或风速计那样机械原理的装置。一种海流发电站,有许多转轮成串地安装在两个固定的浮体之间,在海流冲击下呈半环状张开,被称为花环式海流发电站。另外,前面提到的水轮机潮流发电船,也能用于海流发电。

海流发电装置主要有轮叶式、降落伞式和磁流式几种。轮叶式海流发电装置利用海流推动轮叶,轮叶带动发电机发出电流。轮叶可以是螺旋浆式的,也可以是转轮式的。降落伞式海流发电装置由几十个串联在环形铰链绳上的"降落伞"组成。顺海流方向的"降落伞"靠海流的力量撑开,逆海流方向的降落伞靠海流的力量收拢,"降落伞"顺序张合,往复运动,带动铰链绳继而带动船上的铰盘转动,铰盘带动发电机发电。磁流式海流发电装置以海水作为工作介质,让有大量离子的海水垂直通过强大磁场,获得电流。海流发电的开发史还不长,发电装置还处在原理性研究和小型试验阶段。

全世界海流能的理论估算值约为10^8kW量级。利用中国沿海130个水道、航门的各种观测及分析资料,计算统计获得中国沿海海流能的年平均功率理论值约为1.4×10^7kW。其中辽宁、山东、浙江、福建和台湾沿海的海流能较为丰富,不少水道的能量密度为15~30kW/m2,具有良好的开发值。值得指出的是,中国的海流能属于世界上功率密度最大的地区之一,特别是浙江的舟山群岛的金塘、龟山和西候门水道,平均功率密度在20kW/m2以上,开发环境和条件很好。

中国海域辽阔, 既有风海流, 又有密度流;有沿岸海流, 也有深海海流.这些海流的流速多在每小时0.5海里,流量变化不大, 而且流向比较稳定.若以平均流量每秒100立方米计算,中国近海和沿岸海流的能量就可达到一亿千瓦以上,其中以台湾海峡和南海的海流能量最为丰富, 它们将为发展我国沿海地区工业提供充足而廉价的电力。

利用海流发电比陆地上的河流优越得多,它既不受洪水的威胁,又不受枯水季节的影响,几乎以常年不变的水量和一定的流速流动,完全可成为人类可靠的能源。

海流发电是依靠海流的冲击力使水轮机旋转,然后再变换成高速, 带动发电机发电。海流发电站多是浮在海面上的。例如,一种叫‘花环式’的海流发电站,是用一串螺旋桨组成的,它的两端固定在浮筒上,浮筒里装有发电机。整个电站迎着海流的方向漂浮在海面上,就像献给客人的花环一样。这种发电站之所以用一串螺旋桨组成,主要是因为海流的流速小,单位体积内所具有能量小的缘故。它的发电能力通常是比较小的,一般只能为灯塔和灯船提供电力,至多不过为潜水艇上的蓄电池充电而已。

美国曾设计过一种驳船式海流发电站,其发电能力比花环式发电站要大得多.这种发电站实际上就是一艘船,因此叫发电船似乎更合适些。在船舷两侧装着巨大的水轮, 它们在海流推动下不断地转,进而带动发电机发电。所发出的电力通过海底电缆送到岸上。这种驳船式发电站的发电能力约为五万千瓦, 而且由于发电站是建在船上, 所以当有狂风巨浪袭击时,它可以驶到附近港口躲避, 以保证发电设备的安全。

70年代末期,国外研制了一种设计新颖的伞式海流发电站, 这种电站也是建在船上的。它是将50个降落伞串在一根很长的绳子上来聚集海流能量的, 绳子的两端相连,形成一个环形。然后,将绳子套在锚泊于海流的船尾的两个轮子上。置于海流中的降落伞由强大海流推动着,而处于逆流的伞就像大风把伞吸胀撑开一样,顺着海流方向运动。于是拴着降落伞的绳于又带动船上两个轮子,连接着轮子的发电机也就跟着转动而发出电来,它所发出的电力通过电缆输送到岸上。

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