海流能是一种利用海洋的海流(洋流),即海水流动的动能来产生电力。由于海流能规律性强、能量可预测、不同期间的发电量较稳定,加上不占用陆地面积、不影响景观,对海洋生态影响有限,虽然目前没有商业化应用的案例,海流能仍是未来深具发展潜力的一个可再生能源来源。[1]

海流能原理

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太阳的能量为海流产生的主要驱动力,太阳的能量在地球上各水域,不均匀的分布形成温差,由于海水密度的差异而导致海水流动。随著深度的增加,海水流速降低,甚至下层海水与表层海水流动方向相反。另外,地形潮汐、陆地河水的流入、盐度的区域差异,以及由于地球自转引起的科里奥利力等其他因素也会影响海流。

海流可以携带大量的能量,借由测深学,可以测得流速增强海流的地点,主要出现在岛屿和大陆之间的海峡,或是海岬周围浅水区中的水下地形。增强流速对于海流能的主要作用,在于提供显著的动能以供发电。[2]

海流的动能可以使用发电机截取能量,其运作的原理类似风能风力发电机。可以利用具备增强的流速的地点,部署发电机以截取洋流的能量。[3][4]

发展历程

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第一次石油危机之后,在1970年代中期,海流作为能源来源的可能性开始受到关注。1980年代,有许多评估海流能发电的小型研究计画。主要研究国家为英国、加拿大和日本。1994至1995年间,EU-JOULE CENEX计画标出欧洲超过100个潜力地点,各地点其面积介于2至200平方公里,其中许多地点的功率密度超过10 MW/km2。英国政府和欧盟均致力于推出因应措施,以面对全球暖化相关的国际公约。海流能发电有潜力可以提供大量的可再生能源电力,针对前述超过100个潜力地点的潜能预估,年发电量为50 TWh。如果可以有效开发,将成为21世纪清洁能源的重来来源之一,并发展出新兴产业。[5]

现今相关的应用可以参照:潮汐能发电站列表英语List of tidal power stations。参考潮汐能的主要原因为,潮汐能对海流能相关程度高,许多海流能的潜在地点亦具有丰富潮汐能。[6]

日本IHI公司(旧称:石川岛播磨重工业)在2017年完成了100kW等级的“かいりゅう”测试机组,与新能源产业技术综合开发机构(NEDO)合作在鹿儿岛县口之岛进行实证研究。[7]

海流能潜能

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北美洲东岸墨西哥湾流流向

估计全球海流能总功率约为5,000GW,但大部分的海流能量是难以被利用的。在佛罗里达海峡表面的洋流流速稳定,较具开发潜能,其能量密度约为每平方米1千瓦(1kW/m2)。流经佛罗里达海峡的墨西哥湾流流量是世界上所有淡水总流量的50倍、能量为尼加拉大瀑布的21,000倍。只要截取其千分之一的能量,可以提供佛罗里达州35%的电力需求。对海流能技术感兴趣并寻求应用的国家包括欧盟、日本和中国。[8]

海流能发电潜力巨大,与其他可再生能源相比,有几个因素可以使海流能发电相对吸引人:

  • 资源的可预测性。与太阳能风能相比,海流能规律性强,能量可预测,不同期间的发电量较稳定。
  • 不占用陆地面积。海流能发电设备置于海平面之下,不影响景观,对海洋生态影响有限。[9]

海流能发电技术

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图示:类似风力发电的发电机用于海流能发电

设计概念

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有几种可在开阔水域应用的装置,可做为海流能发电之用;其中大部分的概念都源自于水车或类似构想。海流能发电机的叶片设计类似风力发电,可依照旋转轴的方向,区分为“水平轴型”与“垂直轴型”,以及不是透过叶片旋转,而是透过震动的“振动水翼型”三类。

水平轴型

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发电机的旋转轴面对海流(旋转轴与海流方向平行),通常使用两个或三个叶片,螺旋桨造型类似一般常见的水平轴风力发电机

垂直轴型

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发电机的旋转轴与海流方向呈90度(旋转轴与海流方向垂直)。

振动水翼型

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水翼的角度随著海水的流动而变化,引起升力和阻力摆动水翼,带动发电机产生电力。

支撑系统

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让海流能发电能固定于海中,不受波浪海流等而旋转、倾斜或位移的支撑系统均可以选择以下三种之一:浮动系泊、海床安装,以及介于两者之间。安装于海床的单桩(Monopile)结构具有工程技术相对成熟的优势,但应用范围仅限于相对较浅的水域(约20至40米深);若采用浮动系泊系统,虽然已普遍用于石油工业,作为风力发电应用的浮体式离岸风力发电也快速发展中,但若用于海流能发电,技术相对仍较不成熟。[4]

海流能的环境影响

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海流的存在,有助于稳定世界许多地区的气候,虽然海流能发电对于减少洋流能量的比例甚小。但若长期设置海流能发电设备,对于环境的影响为何尚不可知。发电设备中,旋转的叶片、发电机均会产生震波,对于依赖洋流生活的海洋生物可能造成影响。另外,由于设置地点可能离陆地较远,需要更长的电力电缆,其电磁波对于海洋环境也可能造成影响。美国能源部Tethys资料库英语Tethys database提供与海洋能环境影响相关的科学文献和一般信息。[10]

参见

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参考文献

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  1. ^ Ocean currents. How Stuff Works. [2010-11-02]. (原始内容存档于2010-03-22). 
  2. ^ Bahaj, A. S. Marine current energy conversion: the dawn of a new era in electricity production. Philosophical Transactions of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences. 2013-01-14, 371 (1985): 20120500. Bibcode:2013RSPTA.37120500B. ISSN 1364-503X. PMID 23319714. doi:10.1098/rsta.2012.0500. 
  3. ^ Saad, Fouad. The Shock of Energy Transition. Partridge Publishing Singapore. 2016. ISBN 9781482864953. 
  4. ^ 4.0 4.1 Ponta, F.L.; P.M. Jacovkis. Marine-current power generation by diffuser-augmented floating hydro-turbines. Renewable Energy. April 2008, 33 (4): 665–673 [2011-04-12]. doi:10.1016/j.renene.2007.04.008. 
  5. ^ Hammons, Thomas. Electricity Infrastructures in the Global Marketplace. BoD – Books on Demand. 2011. ISBN 978-9533071558. 
  6. ^ Energy, Team Crowd. Marine Current Power. CrowdEnergy.org. [2019-04-29]. (原始内容存档于2019-04-30). 
  7. ^ 世界初,実海域において海流発電の100kW級実証試験を実施へ ~新たな再生可能エネルギー技術「水中浮遊式海流発電」実証機が完成~. IHI. [2017-07-07]. (原始内容存档于2017-08-05) (日语). 
  8. ^ Minerals Management Service Renewable Energy and Alternate Use Program U.S. Department of the Interior. OCEAN CURRENT ENERGY POTENTIAL ON THE U.S. OUTER CONTINENTAL SHELF. [2019-05-29]. (原始内容存档于2017-05-13). 
  9. ^ Bahaj, A.S.; L.E. Myers. Fundamentals applicable to the utilisation of marine current turbines for energy production (Article). Renewable Energy. November 2003, 28 (14): 2205–2211 [2011-04-12]. doi:10.1016/S0960-1481(03)00103-4. (原始内容存档于2018-05-11). 
  10. ^ Ocean currents. TETHYS. [2019-09-01]. (原始内容存档于2019-04-30). 
  11. ^ 亞太海洋中心介紹. 国立中山大学. [2014-02-19]. (原始内容存档于2014-01-24).