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[其它杂谈]世界科技全景百卷书 海洋——21世纪的无烟电厂 [第498页] |
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世界科技全景百卷书: 海洋——21世纪的无烟电厂
潮涨潮落电流来 永不休止的海水涨落运动，蕴藏着巨大的能量，也给人们带来恐惧和灾难。就说那天下一绝的钱塘江潮吧，那潮头虽奇，那气势虽壮，那景致虽美，可那汹涌澎湃的潮水决不像人们想象的那样循规蹈矩，它的面目也常常狰狞可怕。让我们随手举几个例子看看吧。 雍正二年，也就是公元1724年，钱塘江遇上大潮。据记载：“海大溢，塘堤尽决，海宁全城只能见到屋顶。” 在肖山县新湾海塘上，曾经有两块体积达10立方米的钢筋混凝土块，每块重量达12吨左右。这么又大又重的混凝土块，不可能想象有什么大力士会推得动它。可是，就是这么又大又重的混凝土块，在 1968年秋天的一次潮头过后，人们竟然发现它们被涌潮推动了三十多米的距离。可想而知，海潮的力量该有多么大！ 还有，1978年8月，钱塘江工程管理局在海宁水文站附近海塘做实验时，在塘脚放置了五只装满石块的铅丝笼，其中最大的一只，所装的石块约八立方米，重达12吨。没想到在一次潮头之后，工作人员发现这五只重重的铅丝笼已没了踪影。 蕴藏着极其巨大能量的海潮，就是这样地常常给人类带来恐惧和不安。据统计，自1012年到1949年的937年中，钱塘潮发生重大潮患就达210次之多。一旦涨大潮期间同时遇上台风，那时，风助潮威，潮借风势，海边会形成破坏性很强的风暴潮，对人类生命财产造成异常可怕的直接威胁。 能不能把潮汐的巨大能量充分利用起来？这是自古以来人们一直在考虑的问题。一千多年来，我国劳动人民为研究潮汐的利用作出了巨大贡献。 比如，在我国的山东蓬莱县，人们利用涨潮落潮的水位差来推动磨车，碾磨谷物。在福建泉州市的东北与惠安县交界的洛阳江上，有一座我国著名的梁架式古石桥——洛阳桥，它建于宋皇祐五年到嘉祐四年 （1053～1059年）。当我们游览参观了这座至今保存完好的古石桥之后，一定会惊讶地提出：在九百多年前的技术条件下，数十吨重的大石梁，是怎样架到桥墩上去的呢？说来也很简单，当时的能工巧匠巧妙地利用了潮汐能。他信预先将石梁放在木浮排上，趁涨潮之际，将木排驶入两桥墩之间。随着潮涨，石梁慢慢举高，当临近高潮、石梁超过桥墩时，用不着花多大力气，就可将石梁扶正对准桥墩，待落潮一到，大石梁就稳稳地就架在桥墩上了。泉州的大潮潮差可达六米以上，高举大石梁对于巨大的潮汐能来说，简直不费吹灰之力。今天，当人们站在洛阳桥上赞叹我国人民的聪明才智之余，当然也不免为潮汐能年复一年、日复一日地白白付之东流而惋惜。 以上讲的是直接利用潮汐的方式，也就是将潮汐中蕴藏的势能和动能直接转变为另一种形式的机械能作功。这种利用方式，既不方便，又大材小用。所以，近代以来利用潮汐发电，将潮汐能转变成电能，是人们的奋斗目标。 发电机问世以后，为人们提供了利用潮汐发电的条件。 世界第一座发电厂建立以后仅仅30年的时间，即1912年，德国就在石勒苏益格—荷尔斯太因州的布苏姆建成了世界上第一座利用潮汐发电的潮汐电站。此后，随着能源需求量的增加，研究潮汐发电的国家也逐渐增多起来。法国、中国、加拿大、苏联、美国、英国、印度、澳大利亚和阿根廷等国家竞相投入大量人力物力。 潮汐所蕴藏的能量实在有着诱人的魅力。有人估算过，如果把地球上的潮汐动能利用起来、每年可以发出 12， 400亿度的电来。 我国的潮汐动力资源也十分丰富，若按50年代末的统计，我国潮汐能的理论蕴藏量达1．1亿千瓦，可供开发的约3，580万千瓦。一旦开发出来，每年可提供电力8700亿度，相当于47个新安江水电站的设计年发电量！ 潮汐发电要比河水发电优越。它不受天气干旱的影响，也不需要因建造水库而占用耕地和移民拆迁。所以，潮汐是继煤、石油、水电之后的“第四能源”。河水发电有“白煤”之称，潮汐发电则被誉为“蓝色煤海”。 潮汐发电的原理和水力发电的原理大同小异，也是利用水的力量，通过水轮机将势能变成机械能，再由水轮机带动发电机将机械能变成电能。那么，怎么才能使水变得有力量呢？条件很简单，人们在合适的海湾口处建造起一座海堤，把入海口或海湾与大海隔开，形成水库，利用潮汐涨落时水位的升降，获得势能，从而推动水轮发电机组发电。 潮汐发电的方式，通常根据不同的建站方式和不同的运行方向来进行分类，一般分成三类，即：单库单向式潮汐发电——涨潮时，打开水闸闸门，让潮水涌进海湾水库，使水库水位随着潮位一同升高。到最高潮位时，立即关闭闸门，把库水和大海分隔开来，不让海湾水库里的水随落潮而退回大海。等到海潮退到一定的水位时，海湾水库的水位就高于大海的水位了，已经形成了水向低处流的条件，具备了做功的力量。这时，再把水库的闸门打开，让水库的水推动水轮机的叶片，带动发电机发电以后再流回大海。 这是最古老的一种潮汐发电形式，世界上第一个潮汐电站就是这样工作的。对于每天涨两次落两次的大海，这种电站每天就可以工作两次，发电10～12个小时。 随着时间的推移，人们发现这种发电方式并没有把水的力量充分利用起来。须知，具有一定落差和流量的水流，对人类来说实在太宝贵了，它能做功，能够为人类贡献力量，白白地让它流掉岂不可惜！这样，人们又开始研制一种新型的水轮机。经过艰苦地探索这种新型的水轮机问世了。这种水轮机既可以顺转，也可以倒转，再给它配上可以正反转的发电机，就成了可以正反向运行的可逆式水轮发电机组。这下，不论海水是涨潮还是落潮，我们都可以利用潮水发出电来。 这就是另一种双向单水库式潮汐发电——在堤坝的两面各筑两道闸门，水轮机设在四扇闸门的中间。涨潮时，将1和4两个闸门打开，2和3两个闸门关闭，海水冲击水轮机的叶片，带动发电机发电，海水流入库内；落潮时，将2和3两个闸门打开，1和4两个闸门关闭，海水在经过水轮机流向大海时发电。在平潮时，四个闸门都关闭，不再发电。 这样的电站，在海潮的一次潮落过程中可以发电两次，用的又是一个水库，因此叫单库双向式。它每天可发电10～20小时，效益要比单库单向式潮汐电站明显好得多。 还有一种是双库式潮汐发电，要建两个水库，一个高水库，一个低水库。高库的水位始终保持在高位上，低库的水位则始终低于高库水位，水轮发电机做单向运行。高库上建有进水闸一座，低库上则建有一座泄水闸。涨潮时开启进水闸，电站开始工作，高水库的水位随潮位上升，低水库的水位也因发过电的水进入而上升着。当高潮平潮时，关闭进水闸，高库水位则由于继续发电开始下降，低库水位相应上升。但此时外海已经落潮了。当高低水库水位即将相平时，开启低库上的泄水闸，使低库水位下降，由于高低水库又形成了较大落差，创造了发电的条件，电站仍然工作着。待高水库水位下降至与潮位保持一定落差时，再关闭泄水闸，打开高库进水闸。如此周而复始，水库始终保持着一定的落差，电站就可以24小时连续发电了。 但是这种电站的位置，在地形上要求高些，一般采用较少。 总之，不同形式的潮汐发电站，都有它们的长处和短处，在建设中要根据不同的要求，因地制宜地选择使用。 潮汐发电站尽管其形式多种多样，但大体上总是由三部分组成。第一部分是坝体，用来阻拦海水，以形成水库，是发电站的主体部分。坝体的长度和高度，要根据当地地理条件和潮差大小来决定。因为潮差不会很大，所以坝体的高度一般要比河流水力发电站的拦河坝低；第二部分是引水系统，由各种闸门、引水道组成，它的主要作用是造成水库水面和海面、以及高低库之间的落差，这样才能推动水轮发电机组发电；第三部分是以水轮发电机组为主体的发电设备和输电线路。发电设备安装在坝体的水下部位，是发电站的心脏。有了这三部分，潮汐电站就可以工作了。 潮汐能是一种取之不尽，用之不竭的天然能源，随着科技的发展，21世纪潮汐能源的利用，必将给人类带来巨大利益。 潮汐发电在世界各国中，发展是不平衡的，其中以法国、俄罗斯、英国和加拿大等国发展较快，并取得了一些成就。目前他们已经建成年发电量五亿多度的潮汐发电站，并且正向着巨型和超巨型的潮汐发电站进展。科学家正在设计年发电量100亿度以上的潮汐发电站，到21世纪这种设想一定会变成现实。 我国海岸线长达一万八千多公里，岛屿岸线长14，000公里，蕴藏着大量的潮汐能源。仅浙江一个省，就可开发出227亿度的电，相当于两座葛洲坝水电站发出的电力！目前已建成江厦潮汐电站，装机容量为 3000千瓦，年发电量 1070万度以上。它的建成和使用，又为我国今后进一步开发和利用潮汐能积累了丰富的经验。经过考察，宁海县的黄墩港已作为万千瓦级潮汐试验电站站址。这个港湾可装机近五万千瓦，年发电量可在1．3亿度以上。 建造潮汐电站除了发电以外，还可以获得围垦滩涂、水产养殖、化工和水利等多种经济效益。因此，在开发潮汐能建造潮汐电站筑坝筑水库时，应注意合理安排，做到综合开发。 我们相信，随着时间的推移，21世纪的明天，一座座用潮汐作为动力的发电站，必将像颗颗璀璨的明珠，闪烁在世界各国的海岸线上。 21世纪的海水波浪能发电 在碧波万顷的海洋里，海浪会把巨大的船身一会儿托上波峰，一会儿又摔入浪谷，使船身左右摇摆，颠簸动荡，而且还影响着船只的航速，使航船偏离航向，甚至引起船体变形。 1952年12月16日，一艘美国轮船在意大利西部海面上遭到巨浪的袭击。虽然巨大的轮船离海边不远，船员们仍然十分谨慎小心。 突然，在波涛的轰鸣之中，船上发出了一声巨响，震耳欲聋，船员们十分惊慌，不知船体出了什么毛病。正想看个究竟的时候，船体已分成前后两截，一半已经抛上了海岸，在沙滩上搁着呢；另一半还在大海里，不管上面的14个船员怎样狂呼乱叫，它还是带着他们随着风浪向远处漂去，越漂越远，越漂越远。 这一起重大的海难事故，其罪魁祸首是海浪。 我们知道，当一艘巨大的船只沿着波浪传播的方向航行时，很可能会遇到以下两种情况：第一种情况是，船头和船尾同时跨在两个相邻的波峰上，船的中心部位则悬空在波谷之中，仿佛两个人抬着一个很重很重的东西，扁担中间向下弯得要断了似的。 第二种情况正好机反，可能船只的中间部分在波峰上，而船头和船尾却悬空在波谷之中，仿佛一个人担着一个很重很重的担子，扁担的中间向上弯得要断了似的。 这两种情况虽然不大容易遇到，但那艘美国轮船确实是在这样的情况下断成两截的。 依靠科学的分析，这场海难事故终于得出了合乎科学的结论。 其实，海浪的高度并不算高，到目前为止，根据科学仪器记录的海浪高度不超过20米，即不超过六层楼的高度，可它的威力却大得惊人。让我们再举几个例子： 法国的契波格海港，曾经有一个浪头打来，居然把一块三吨重的东西，像掷铅球似的从墙外掷到了墙内，墙有多高呢？不多不少，整六米。 还有，荷兰首都阿姆斯特丹的防波堤上，曾经发现过20吨重的混凝土块。一检查，才知道是波浪把它从海里举到七米多高，再放到防波堤上去的。 还有，苏格兰威克地方，1872年时一个巨浪竟然把重约1370吨的混凝土庞然大物搬了个家，移动了15米之远。 再有，西班牙巴里布市附近的海边上曾经有一块很大的岩石，有人估计起码有1700吨重。1894年的一次狂风巨浪之后，人们发现这块岩石翻了个身，已经不在原来的位置上了。 在海洋的沿岸，海浪有力地拍击着岸边的岩石，发出巨大的声响，击起层层的浪花，高达六七十米，也具有较强的破坏力。斯里兰卡海岸上一座高60米的灯塔就曾被海浪打碎过。甚至，位于海面以上 100米的欧洲设德兰岛北岸的灯塔窗户，都被浪花举起的石头打碎过。 1937年1月29日，在黑海沿岸附近，一个大浪袭来，把一块名为“和尚”的千年巨石一下子打碎成三块。 这些自然现象意味着海浪蕴藏着很大的能量。多少世纪以来，人们梦寐以求能够把它利用起来。但是如何能把力气如此巨大的海浪变成有用的力量呢？ 科学家们发现，海浪能量的大小，与波浪的周期成正比，与波高的平方成正比，可见波浪的高度对海浪能量的影响很大。假如波高为两米，周期六 2秒，一米长的海岸线受到的波能就为2×6＝24千瓦。同时，海浪蕴藏的能量还与风速的大小有关。如果风速每秒10米，上述一米长的海岸线受到的波能为24千瓦；而风速达每秒12米时，受到的波能将达59千瓦；如果风速达到15米／秒时，受到的波能就高达247千瓦。 因此，科学家们设想，如果把无限的大海上的波浪全部转换成电能该有多好啊！那时，波浪每年所发出的电力将比全人类目前的耗电总量不知要高出多少倍呢！ 南太平洋地区有个岛国新西兰，有300万人口，用电量是200亿度，人们计算了一下，认为只需要新西兰63公里的海岸线所具有的波浪能就足以满足目前的用电量了。而新西兰的海岸线却有4300公里长。蕴藏的电能之多，真令人惊叹。 日本这个国家，四面都被大海包围着，有3000个大小岛屿，13万公里长的海岸线。它所拥有的波浪能量每年达十亿千瓦，这个数字相当于目前日本最高用电量的25倍。因此，日本的科学家对利用自己国家的波浪能抱的希望最大，研究得也最热心。 那么，海水波浪的能量通过什么装置可以转变成电能呢？ 早在1898年，法国人弗勒特切尔从打气筒给自行车打气这件经常遇到的小事中受到了启发。打气筒一拉一推的简单动作，为什么不可以让上下起伏的海浪来干呢？他设计了一个带着圆柱筒的浮体，用海浪上下运动压缩圆柱筒内的空气。压缩空气不是给自行车打气，而是去吹一只哨笛，让它发出如同老牛低吼的声音。人们把这种东西安装在航行有危险的地方，警告来往船只。这就是海上“警笛浮标”，或称为“雾号”，它是人们直接利用海浪能的初级形式。在雷达和无线电导航还没有诞生和普遍应用的年月，尤其在伸手不见五指的大雾中，低沉浑厚、略带咽音的雾号，引导船舶避开浅滩绕过暗礁，在导航和发布大浪警报方面立下了不小的功劳。自那时起，在法国沿岸，世界各海区，以及中国有些地方都陆续地装置了这种雾号。 既然海浪在圆柱筒内造成的压缩空气可以吹响哨笛，为什么不可以驱动汽轮发电机发电呢？实现这个设想的第一个人是法国的波拉岁奎。他于1910年在法国海边的悬崖处，设置了一座固定垂直管道式的海浪发电装置，并获得了一千瓦的电力。这一成功大大地鼓舞着热心于海浪发电的人们。自此之后，各种设想大胆、原理正确、结构巧妙、形式各具风格的海浪发电装置的设计如雨后春笋不断涌现。 1964年，日本制成了世界上第一盏用海浪发电的航标灯。虽然这台发电机发电的能力仅有60瓦，只够一盏灯使用，但十多年来，它运行良好可靠，几乎没有发生过什么故障，借着波浪的动力，像一颗耀眼的明珠，在茫茫的大海里为夜航的船只指引着前进的方向。 波浪发电装置不消耗任何燃料和资源，没有任何污染，和水力发电、潮汐发电一样，也是一种洁净的发电技术。它不但可以作为航标灯和灯塔的电源，对于那些无法架设电线的小岛来说，这种不占用任何土地，只要有波浪就可发电的方法，更会给岛上居民带来福音。 上面我们已提到了打气筒对波浪发电的启示。因此它的原理很简单，就是利用波浪一起一伏的上下垂直运动，推动装有活塞的浮标，这个浮标就像一个倒装的打气筒。打气筒是人从上面一下一下地压活塞，而浮标则是从下面借波浪的起伏运动一下一下地向上推活塞。由活塞与浮标的相对运动产生的压缩空气就可以推动涡轮机，并带动发电机发电了。 第一座波力发电机装置问世以后到如今，世界上已有几百台这种发电装置加入了为人类服务的行列。 经过三百多年的努力，1978年6月25日，世界上最大的一座波力发电装置在日本的海上建成了。 老远看上去，这座波力发电装置就像一艘停泊在海上的油轮，举起手中的望远镜，你会清楚地看到，船头上有“海明号”的大字在阳光下闪着金辉。 严格说来，“海明号”并不是船。船有底，“海明号”却没有底，只是一个体长80米，高五米，宽12米的浮动设备，就像一个很大很大的没有盖的箱子，扣在海面上。 这种箱子就是空气箱，也叫空气室，整个“海明号”，就是由22个空气室组成的，每两个空气室上装着一台空气涡轮机。波浪上下起伏着，不断地压缩箱内的空气，像打气筒一样，通过高速喷出的空气，使空气涡轮机转动，再带动发电机发出电来。 “海明号”上有11台发电机为人类贡献电力，每台装机容量为2000千瓦。算算看，如果按每户人家平均用电200瓦计算，“海明号”就可供给一万户人家用电的需要。一个有一万户人家的岛屿，可不算个小岛了。 最近，日本又提出了一个新的“海明”实验计划。他们考虑把“海明号”的长度由80米增加到110米，把每台发电机的功率由125千瓦增加到250～500千瓦，比现有“海明”号的发电能力至少提高了一倍以上。人们要让波浪作出更大的贡献。 这种波力发电装置，还有一个优点，即它在发电过程中要吸收一部分波浪，把大浪变成小浪，小浪则变成微波，起到了消波的作用。人们设想，只要把几条“海明”号首尾相连，海上就自然形成了一道人工防波“堤”，到那时，任凭堤外波涛汹涌，“堤“内却是风平浪静，它不但保护了海岸不受冲刷，还可以发展海洋渔业和海洋养殖事业，甚至可以考虑海上工厂和海上机场的综合利用呢。 “海明号”虽然给人们带来了光明和希望，但这种发电方式还存在着不少问题。它只能利用海浪上下波动的力来发电，而波浪越高，所涉及的范围就越大，因此，单位面积上这种力就比较小，不利于大规模发电。更何况这种发电装置还需要长期在海洋上经受狂风恶浪的袭击，必须考虑它本身和上面一切设备的安全。 另一方面，海上狂风恶浪虽然可怕，但它却能够推动涡轮机发出电来。如果不见海上风浪起的时候，这种波浪发电装置会不会英雄无用武之地呢？尽管这是不可能的，但科学家必须考虑在各种大小波涛的情况下，使它所发出的电力符合使用的条件，比如说电压和频率都在正常使用范围。 为了解决上述问题，科学工作者正在着手各种波力发电的新尝试。 直接波力发电就是其中之一。为了直接利用海浪的冲击力来发电，就必须把天然的浪头抬高。人们设想在距海岸一公里、水深十米左右的海上筑起两道墙就可以了。 这种面向大海建造的高墙叫集波墙，从高空往下看时，像个“V”字形的喇叭。喇叭口外的海上波浪，虽然有时并不高，但当它涌向集波墙时，就会因为喇叭里的断面越来越小，道路越来越窄，而使波浪越挤越高。比如说口外的波高开始只有一米，到了喇叭的尽头，一下子就会升高到10米左右，把小涛变成了巨浪。 集波墙的尽头，安装着水泵制动杆，靠高大的波浪推动制动杆，像平时我们见到的机井，把海水提高到高压水槽里贮存起来；或者，像炉口的风箱，把空气压进高压气罐里备用。 有了高处的水，或有了压缩空气，我们就可以非常方便地来发电了，而且，这种电力决不会受到波浪高低的影响，发电能力稳定，发电设备也无需经受大风大浪的考验。 直接波力发电装置，目前还只是日本科学家的一种设想，他们感到在波涛汹涌的海面上建造长期受波浪冲击的海上建筑物，困难实在太大了，但是，随着海洋建筑技术的发展，这个问题是会很容易解决的。 波力发电的另一种尝试，是环礁式海浪发电站，这是美国科学家提出的新设想。 环礁，是礁石的一种，只不过在海上显现出来的是一个圆圈，宛如沉在海里的一个大大的木盆，只在水面上露出一个盆沿儿。 你注意过这种现象吗？当我们把水沿着圆桶边倒进去，或者，用木棒搅动桶里的水时，就会看到水在沿着一个方向转动，中心部分则成了一个漩涡。 人们在观察海浪冲击环形礁群时，也发现海浪并不直接拍向环礁的中心，而是绕着整个环礁，从四面八方沿着螺旋形的路线涌到环礁的中心，并且在中心部位形成涡流，仿佛用木棒搅着似的。 这种涡流就是一种能源。它可以推动水轮机的叶片，使水轮机带着发电机一起飞快转动而发出电来。 不过，天然的理想环礁在地球上恐怕是太少了，怎么办呢？美国的两位工程师根据这个原理设计了人工环礁式的海浪发电站。 人工环礁式海浪发电站的形状很奇特，海面上只看到一个圈儿，直径有10米，似乎并不大。当你潜入水下再一看，可不得了，比海面上看到的大多了。它像是个大大的圆形屋顶，又像是一个特别的瓷饭碗扣在水里。这个“瓷饭碗”的边，直径达76米，相当于一个正规足球场的大小。它的名字叫导流罩，可以更好地把波浪螺旋式地导向中心。“碗”无底，立着一根空心的圆筒，有20米高。圆筒里装着水轮机，它在筒内涡流的推动下转动，再带动安装在顶部的发电机发出电来。 由这种形状奇特的导流罩，我们就可看出这种发电装置可以全方向工作，也就是说，不论海浪以何种方向进入装置，圆筒里都能产生涡流，水轮发电机都可以正常运转。 在英国，采用的是“点头鸭”式波力发电装置，也叫索尔特凸轮式发电装置。这种发电装置像一只浮在水面上的鸭子。它的“胸脯”对着海浪传播的方向，随着海浪的波动，像不倒翁一样不停地来回摆动，利用摆动的能量，带动工作泵推动发电机发电。它可以使波浪能量的90％转变成动力，机械效率特别高。将很多个凸轮一字排列在海面上组成一个列阵，就可以提高发电能力。 不过，对于波浪发电来说，这种装置也好，那种装置也好，它们有一些比较共同的技术问题还有待于进一步研究解决。比如，发电装置的容量是要与波浪力的大小相匹配的，要做到选择恰当，出电稳定，就必须具备比较准确的波浪资料。然而目前有关波浪的资料大多来源于沿海航运或近海石油工业以及一些沿海气象站，对中距离水域的资料收集得却很少，而恰恰是这些水域才是建立波力发电站的合适位置，还必须把这些地区的资料健全起来。这是问题之一。 再者，波力电站要发出大的电力，发电装置就必须做得很大，带来的问题是在波浪冲击下，这些结构强度行不行？漂浮在海上的锚系牢不牢？能不能抗御得了恶劣天气？此外，波浪发电构件的材料能否耐腐蚀、耐疲劳？等等。这些问题都需要研究，需要很好解决才行。 多年来的实践证明，波浪发电是一种可靠的电源，因此许多国家正在扩大研究，特别是英国和日本，进展较快。但是，波浪发电也存在一个经济效益差的问题。例如，到1980年底，日本和其他国家共拥有400台60瓦的小型波浪发电装置，每台年平均发电量为50～100度，平均投资约1500美元，如使用寿命为15年，则每度电的费用在一美元以上，比潮汐发电还要贵十多倍。更不能与普通电站相比了。这就是波浪发电至今还不如潮汐发电进展得快的基本原因。 为了使波浪能发电均匀、成本降低，今后的主攻方向要放在研究多个空气活塞的组合方法、惯性轮法以及收集幅度较大的波浪设备上。目前，科学家正在考虑用火焰喷射的方法在海岸岩石上打洞，作为空气活塞室，扩大空气活塞室的面积，安装大功率的波浪发电装置，建立固定式波浪电站。这不是一种幻想，21世纪，一个崭新的世纪，各种美好的设想一定会成为现实，波浪发电站一定会大放异彩。 从60年代起，我国就有单位开始了海浪发电的研究，并已获得了海上试验的成功。1982年8月，我国研制的航标用波浪发电装置通过鉴定。该装置在直径为2．4米的航标上，在平均波高为0．5米、平均周期为3秒的情况下，就能满足航标灯的用电需要。目前长江口使用的就是该装置。 我们相信，21世纪，波浪发电将作为一种新方式，登上电力工业的舞台，为人类作出巨大贡献。 海流发电的现在和未来 前面我们谈到了海流对气候、渔业、以及航行的影响，那么，海流还有没有其他巨大的作用呢？ 在能源紧缺的当今世界里，人们自然而然地对海流的巨大能量发生了十分浓厚的兴趣。用海流发电不必像潮汐发电那样需要修筑大坝，担心泥沙淤积，也不像波浪发电那样电力输出不稳定。科学家估计，世界大洋中所有海流的功率在十亿千瓦以上，这是个多么惊人的数字，难怪人们会为之振奋。 就说距我们最近的黑潮暖流吧。这支世界著名的海流宽度达180公里，如果设想从此岸到彼岸架设一座桥梁的话，可能从南京上桥，要走到上海才能下得桥来。黑潮暖流的厚度也很可观，它不像河流是以几米深或几丈深来衡量的，它在台湾东部的厚度就达到700米左右，平均厚度也在400米以上。如此巨大的海中之河，平均日流速是50～148公里，输送的水量就更大了。科学家计算过，仅仅是黑潮暖流的流量，就相当于全世界所有陆地河流流量总和的20倍。 日本，自1893年和田雄沼博士用海流瓶调查黑潮开始，到如今已有百多年黑潮研究的历史。他们估计，黑潮中蕴藏的动能大约相当于每年发出1700亿度的电力。虽然黑潮暖流全程上流动的速度不同，但仅流速大于1米／秒的流域所蕴藏的动能就能转化为900亿度电。900亿度电力！这决不是一个简单的数字。想想看，如果这900亿度电改由燃煤的热电厂来生产的话，非得6500万吨煤炭不行。而这6500万吨煤炭，由矿山采掘得多少天？用火车来拉又得拉多少趟啊！还有，烧完以后的煤渣怎么处理？还得要多少车皮才能拉得出去呢？燃烧后造成的污染对环境的影响呢？这些生动的数据向我们说明，海流对于人类来说，确实是一种不可忽视的能源。 科学家认为，日本可以从黑潮里获得海流能的海域有四个地区，分布在八重山诸岛海域、吐噶喇列岛海域、足摺岬海域及八丈岛海域，可能发电量达376．4万千瓦。 北美大陆东侧的佛罗里达海流，蕴藏的海流能约5000万千瓦。科学家说，只要利用其中百分之四的能量来发电，就可以建造一座具有中国葛洲坝规模的发电站来。 海流发电要比利用陆地上的河水可靠得多。河流水量忽多忽少，除了洪水的威胁，更直接受到枯水季节的影响，因此，河流水电站非但不能全年工作，即使全天工作的时间也很有限。海流则根本不会出现这种问题，那几乎全年不变的水量和一定的流速，完全可以成为人类所信赖的可靠能源。 海流发电装置的基本形式，与风车、水车相似，风车是靠风吹着转动的，海流发电则是依靠海流的冲击力使水轮机的螺旋桨旋转，然后再变换成高速，带动发电机发出电来。 目前使用的多是花环式海流发电站。它是用一串螺旋桨组成的，它的两端固定在浮筒上，浮筒里装着发电机，整个系统迎着海流的方向漂浮在海面上，就像迎宾会上献给贵宾的花环。这种发电站之所以要用一串螺旋桨组成，主要还是因为海流的流速小，单位体积内所具有的能量小的缘故。前面说海流具备很大的能量，那指的是总能量。实际上，要使水为人类做功，必须有两个条件：一是有一定的水量，二是具备一定的落差，使水流具有一定的流速才行。根据这个道理，要利用流速低的海流来为人类做功，用许多螺旋桨串在一起，才有可能得到较大的动力。 当然，这种海流电站的发电能力是比较小的，一般只能用来为灯塔灯船提供电力，至多不过为潜水艇上的蓄电池充充电而已。 那么，是不是利用海流发电，都得把一组螺旋桨串起来呢？几十年来，世界许多国家的科技人员都为此动了不少脑筋，他们一致的观点是想大规模地利用海流发电，非得另想办法不可。 后来，美国设计了一种驳船式的海流发电站。就是在船舷两侧装上巨大的水轮，在海流推动下不断转动而带动电机发出电。它所发出的电再通过海底电缆送到岸上。 预计每艘这种海流发电船的发电能力为五万千瓦，要比花环式海流电站的发电能力大多了。用驳船发电还有一个好处，一旦遇到大风刮来，它可以驶到附近港口避风，能够保证发电设备免遭恶浪的袭击。 科学家的设计中还有这种驳船式海流发电站的改进设计。他们准备把驳船两侧的水轮再做大些，使它的直径达到152米，这样一来，驳船式海流发电站的发电能力就更大了，一台就能发出7．5万千瓦的电力。科学家们打算把这种巨大的发电船安放在号称世界第一大暖流的墨西哥暖流里，他们说，如果在那里放置250条发电船的话，总容量将达到1875万千瓦，每年发出的电力，可以为燃油电厂节省出1．3亿桶的石油来。如果锚泊成千上万个发电船的话，海流发电所带来的经济效益就更加可观了。 不过，纸上谈兵的事往往都是比较简单的，真正要做起来将会遇到许多难以想象的问题，所以，科学技术界对这样的装置还在谨慎的试验之中。你看，仅仅是152米直径的轮子，把它放平下来，竟然比一个有400米跑道的足球场还要大些，不能不说是世界上少见的大轮子了。 在美国，加里·斯蒂尔曼自1976年以来一直在研究着一种新型的海流发电的方法，这就是降落伞式。这种发电装置设计独特，别具一格，结构简单，造价低廉，不论流速大小，均能顺利工作。整个装置用12把“降落伞”组成，它们串联在环形的铰链绳上。“降落伞”长约 12米，每个“降落伞”之间相距约30米。当海流方向顺着“降落伞”时，依靠海流的力量撑开“降落伞”，并带动它们向前运动；当海流方向逆着“降落伞”时，依靠海流的力量收拢“降落伞”，结果铰链绳在撑开的“降落伞”的带动下，不断地转动着。铰链绳又带动安装在船上的铰盘转动，铰盘则带动发电机发电。 这种“降落伞”式海流发电站，目前正在佛罗里达海湾的海流中做试验。那里的海流流速约为 1． 5米／秒，即每小时流动2．7公里，所发的电力再通过电缆输送到岸上。根据计算，假如把这种海流发电站置于流速为3米 ／秒的海流中，只要用40个直径为1．2米的降落伞拴在1500米长的绳子上，就可发电3．5万千瓦，又是一个多么令人鼓舞的数字！ 于是，美国能源部作了一个推测，他们认为利用佛罗里达海流放置伞式海流发电站，总发电能力可达1000万千瓦，这更令人振奋。 但是，目前这个试验，有两个问题还没有得到解决，一是这么大的装置能否保证正常工作；二是海洋环境恶劣时，降落伞和绳子会不会很快地损坏。这些还需要进一步实验和改进。然而，尽管如此，科学家们仍然说，对一些不需要很大电力而又偏僻的地方，这种装置还是有着显著优越性的。 日本这个岛国，地少人口多，天然能源资源极其短缺，因此他们在海洋能源上的研究利用投入了不少力量。日本的一个研究小组研究出海流通过强磁场而发电的新技术。它的基本原理与磁流体发电原理大体相同。磁流体发电是当今新型的发电方式，它用高温等离子气体为工作物质，高速垂直流过强大的磁场后直接产生电流。现在以海水为工作物质，当存有大量离子（如氯离子钠离子）的海水垂直流过放置在海水中的强大磁场时，就可以获得电能。磁流式发电装置没有机械传动部件，不用发电机组，海流能的利用效率很高，一旦获得成功，将会取代别的海流发电方式，成为海流发电的最优装置。未来人们再也不会因电力不足而伤脑筋了。 能源的新希望——温差发电 海潮、海浪和海流，气势磅礴，奔流浩荡，人们直接感受到它们的威力。海洋中的热能——海水温度差能，它的热情和力量却默默地包含在全世界145亿亿吨的海水中，虽然一时不能被人们所发现和理解，可是它内在的魅力终究深深地吸引了人们。一百年来，多少人为海洋热能的研究倾注了毕生的精力。特别是近三十多年来，更多的学者和工程师加入了对海水温差能开发利用的行列，决心要让蕴藏量名列海洋能前茅的海水温差能也来为人类造福。 海洋象个热水瓶，可以把热量贮存起来，可海洋毕竟不是热水瓶，因为海水温度是随着水深而变化的。这种变化可分为三层：第一层是从海面到深度60米左右，称做表层。这一层海水表面吸收太阳的辐射能，且受到风浪的影响使海水互相混合。因此，这一层海水温度变化比较小，水温约在26．7℃左右；第二层大约从水深60～300米左右，由于海水温度随着深度增加而急剧递减，海水温度变化较大，称做主要变温层；第三层深度在300米以下，称为深层海水，这一层海水因为受到极地流来的冷水影响，温度降低到 4℃左右。再往下到1500米深处时，水温几乎就没有变化了，常年维持在—1～2℃之间。 赤道附近的海水受到太阳的直射而变热，除了蒸发而散发到大气中的能量外，还将近13％的太阳能以热的形式被海洋吸收而贮藏起来。这样，在赤道海域中海洋热能的收支平衡就遭到了破坏，出现了吸收多于放出的现象。而在极地海域情况正好相反，是放出多于吸收，这就在整个地球上形成了新的热量平衡。这种新的热量平衡，是通过赤道海域不断向极地海域输送能量而建立起来的；而在极地海域，受冷的海水密度增大下沉到深处，再流向赤道海域。这种循环形成了海水垂直面上的水温变化，也为人类从海洋中取得能创造了条件。科学家告诉我们，不要小看表层海水和深层海水相差20℃的温差，它正是人类寄以莫大希望的巨大能量之源。 法国是海水温差能利用的故乡，早在1861年，著名的法国科学幻想小学作家儒勒·凡尔纳，就幻想利用海水中储藏的太阳能了。1881年法国科学家德尔松瓦第一个提出了温差发电的方案，他认为稀硫酸的水溶液在锅炉内加热到30℃所产生的蒸气压，与在冷凝器内冷却到15℃所产生的蒸气压，两者在温差为15℃的条件下，它们的蒸气压力差约为两个大气压，这个蒸气压力差就可以用来作功。在自然界中，要寻找温差为15℃的热源和冷源是十分容易的，如温泉的水和河里的水就可能相差15℃，海洋表层的水和深层的水也可能有15℃以上的温差。他的设想提出以后，美国、意大利和德国的科学家为实现这个设想进行了不懈的努力，但都没有获得成功。整整过去了45年，直到1926年，才有人第一次用实验证明了德尔松瓦设想的正确性。证明这个设想正确性的人，是他的学生——法国物理学家克劳德和工程师布射罗。 1926年11月15日，克劳德和布射罗当众进行了温差发电的实验。他们取来两只烧瓶，在其中一只烧瓶中装入28℃的温水，代表表层温热的海水作为热源；另一只烧瓶里则盛放冰和水的混合物，使温度恒定在0℃，代表深层的低温海水作冷源。在连接两个烧瓶的一段粗玻璃管中，安装着一台十分精巧的汽轮发电机，组成了一个封闭的发电系统。 实验开始，当克劳德用抽气机把这个系统中的空气抽光，使内部的气压下降到原来的二十五分之一时，28℃的温水居然猛烈翻泡沸腾起来，水蒸气的强大气流，把气轮发电机冲得飞转，霎时间，连接在电路中的三盏电灯一下子亮了起来。终于使利用海水温差发电的设想，变成了看得见摸得着的事实。 那么，克劳德为什么要用抽气机把实验系统中的空气抽光呢？ 原来，水有一个特点，就是压力不同，沸腾时的温度也不同。压力降低时，水沸腾的温度就低于100℃。压力越低，水沸点越低。比如，在八分之一气压下，水的沸点是50℃，而在八十分之一的气压下，水的沸点变成了10℃。 克劳德抽光了实验系统里的空气，使内部压力大大降低下来，于是，尽管海水的温度只有28℃，却已经沸腾起来，大量的蒸汽就成了可以做功的动力，三盏电灯也因而能够明亮起来。 这三盏灯的明亮，为人类指明了方向。温热的海水已为寻找新能源的人们带来新的希望。据科学家预测，全球热带海洋的水温只要下降 1℃，就能释放出1200亿千瓦的能量。 日本的科学家说得就更形象了，他们说，只要把日本海域内的热能利用起来，那么根据1975年日本消耗能量的情况看，这些热能可以够24个日本同时使用，到那时，其他形式的发电厂就可以关门休息了。 我们可以说，海洋的温差能居于海洋各种能源之首，因此，极大地吸引了各国的科学家，他们投入了大量的人力物力研制生产海洋温差发电装置。最初人们设计了一种水温差发电站，是将海水直接引进保持真空的汽锅，由于真空锅内气压很低，进入真空汽锅的海水就可以沸腾蒸发变成蒸汽，然后通过专门设计的低压、低温汽轮机，带动发动机发电。通过汽轮机的蒸汽被引入由深层低温海水冷却的冷凝器，再重新凝结成水。 用这种方法虽然可以发电，但是，在建设和安装深层输水管道方面有很多困难。所以，有人对这种方法加以改进，将海水引入一个太阳能加温池，使海水加温到45～60℃，甚至达到90℃，然后再将温水引进真空的汽锅蒸发，进行发电。改进后的温差发电站，是用海边和水库里的水冷凝，这样就可以解决在海底安装输水管道的困难。 热带海面与中层海水的温差很大，最适宜采用这类发电装置。1979年5月29日，世界上第一座海水温差发电站，在美国的夏威夷成功地投入运行，为岛上居民、车站和码头供应了照明用电。夏夷岛在太平洋中部，地处北纬20℃，附近海域的表层海水温度常年很高，冬季为24℃，夏季为28℃。在离岸只有1．2公里的地方，水深400米处就可获得10℃的冷海水，水深 800米处就有 ℃的冷海水，为海水温差发电提供了极为优越的自然条件。这座5海水温差电站安装在驳船型的海上平台上，平台锚系在夏威夷岛东部约2．4公里的海上。装机容量达1000千瓦以上。世界上第一座海水温差发电站的建成和正常运行，不但证明了海水温差发电技术的可行性，并且提供了大量丰富的实践经验，还标志着海水温差发电已经开始从试验性发电转向大规模的开发利用阶段，夏威夷的海水温差发电站也将成为海水温差发电史上的又一里程碑。它为下世纪新能源的开发指明了方向。 利用海水温差发电，不仅可以获得电能，而且还可以获得很多有用的副产品。如海水蒸发后留下的浓缩水，用它可以提炼许多化工产品；废蒸汽冷凝后可以变成大量淡水或廉价的冰，这些都可以供给沿海工农业生产的需要。 到21世纪，利用海水温差发电一定会成为现实，它将使人类生活更加多姿多彩，在能源领域大放异彩。 未来无尽的电能——生物电池 科学家曾经做个这样一个实验：把酵母和葡萄糖的混合液放在装有半透膜壁的容器里，将这个容器浸在另一个较大的容器中，较大的容器中盛有纯葡萄糖溶液，其中有溶解的氧气。在两个容器中都插入铂电极，连接两个电极便得到了电流，这说明在微生物分解有机化合物的时候，就有电能随之释放出来。 根据这个原理制造出来的电池叫生物电池。生物电池比电化学电池有许多优点：生物电池工作时不发热，不损坏电极，不但可以节约大量金属，而且寿命比电化学电池长得多。 目前，生物电池作为电源，已试用于信号灯、航标和无线电设备，其中有的虽然经过长期使用，效果仍然像刚开始那样。有一种用细菌、海水和有机质制造的生物电池，用作无线电发报机的电源，它的工作距离已达到 10千米，用生物电池作动力的模型船也已在海上游弋。 从生物电池的工作原理，科学家们想到了海洋。一望无际的海洋就是一个巨大的天然生物电池。 海洋是生命的摇篮。在海洋的表层，阳光透入浅海，生长着许许多多的单细胞藻类：绿藻、褐藻、红藻等等，它们从海水中吸取了二氧化碳和盐类，在阳光下进行着光合作用，形成有营养的碳水化合物，同时放出氧，在海水中形成过多的带负电的氢氧离子。 海洋的底层是海洋动植物残骸的集聚地，也是河流从陆地带来丰富有机质的沉积场所。在黑暗缺氧的环境下，细菌分解着这些海底沉积物中的动植物残体和有机质，形成了多余的带正电的氢离子，于是海洋表层和底层的电位差产生了。实际上这是一个天然的巨大的生物电池。为此，科学家提出了在海洋上建立天然生物电站的设想，充分利用海洋表层水和海洋底层水的电位差产生电流。可以预料，随着科学技术的发展，未来人们将会在海洋上建起大型的天然生物电站，以便从海洋中取得大量电能。 |
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