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  • 科普知识百科全书 能源知识篇(上)

      20世纪初,有人在美国墨西哥湾的海面上,发现飘浮着一层闪闪发光油花。人们奇怪,这油花是◆◁•什么?是从哪儿来的呢?人们捞起一些油花来分析,发现是石油。要知道,当地并没有在陆地开发石油,也没有人往海里倒石油啊。于是,有人分析,这石油不是从陆地来的,而是来自海底。就这样,人类开始了海底采油的历史。

      海底有石油,这一点儿也不奇怪。因为石油是古代有机物沉积而变来的。在海洋里,有适合生物生长的环境,也有使生物变成石油的条件,只是由于它躲在海的底下,人们一时还难以发现它,更谈不上开采它而已。

      后来,科学进步了,寻找石油的方法也更先进了,使人类探测海底石油方便了。比如,有一种海上人工地震法,就能探测石油。是用炸药在海上放炮,放炮产生的地震波向海下传播,当这种波遇到海底不同的岩层层面时,就会反射回来。有石油的地层,往往是由不同性质的石头构成的,上面是不透水的页岩,下面是疏松多孔的砂岩。地震波从这种地层反射回来后,可以用磁带记录下来,经过计算机分析,就能探出确有石油存在。地球上的油田,包括海底油田,百分之八十都是用这种方法发现的。

      据普查显示,海底不但有石油,而且藏量极为丰富,仅就目前探测出的,就占地球上石油总储藏量的三分之一。

      知道海底有石油,这是第一步。下一步是如何开采。在海上采油,可比在陆上困难得多啊。即使在大陆架浅水区,水深也有20米,深水则有二三百米。所以,要用一套特殊的设备,才可能在海上采油。

      海上采油一般是用钻探船。这种船最早出现是在40年代。船表面上像是一个浮在海面的平台,实际上平台是由支柱固定在海底。在平台上安装有钻井。钻井的形状和陆地上的一样。钻完之后,平台可以卸下,移到新的地方安装。现在,出现了一种自航式钻探船,它可以像船一样航行,在深于200米的海域作业。

      海上采油,现在已经不新鲜了。那么,海底有煤吗?能不能从海底采煤呢?回答也是肯定的。

      据有关资料显示,目前世界上已发现的海底煤田达100多个。主要分布在澳大利亚、英国、希腊、冰岛、加拿大、土耳其、芬兰、法国、智利、日本等国近海水域,我国近海水域也有发现。

      最著名的海底采煤工程是在南美智利的麦哲伦海峡,它是地球最南端的煤矿,煤层厚度达30米,总储量达5000亿吨。日本煤的开采量有30%来自海底,主要集中在北海道和九洲。

      海底采煤的方法一般是开凿海底坑道,采用机械化设备将煤运到海面。这真像“黑龙出海”了。

      海里还有一种重要的燃料,那就是原子能资源———铀和氘。这些资源大都分布在海水中,由于很分散,提炼起来十分困难。比如铀,从1000吨海水中,也提炼不出锈花针大小的重量来。

      但是,科学家也不放过这些可贵的资源,并想方设法来提取。有一种吸附法,可以提炼铀。不过这要处理大量的水。如果每小时不断地吸附1亿吨海水,一年可提炼出1000吨铀来。而要让这么多海水流经吸附床,则要设置几千台大水泵。这当然是十分困难。

      还有一种海洋炼铀法,就是从绿藻中得◁☆●•○△到铀。绿藻是一种海藻,它在生长过程中会自动吸取铀。据估计,1千克干绿藻中含有0.3克铀。这种方法提炼铀为原子能的利用带来新希望。

      每年中秋节前后,四面八方的人群,都会涌向浙江杭州湾的钱塘江畔,为的是去观潮。其实,大海朝朝夕夕都在涨落,只不过中秋节前后的钱塘江潮更壮观而已。

      自古以来,人们就懂得潮汐的规律。唐朝诗人白居易写的《看潮诗》中,就有“早潮才落晚潮来,一月周流六十回。”的诗句。可是古时人们并不懂得,造成海洋潮汐的“祸首”是远在天外的月亮。

      月球用它巨大的引力,吸引着地球的海水。使海水有时涨、有时落。当月球引力和地球自转的离心力的合力背向地心时,就涨潮;面向地心时,就落潮。白天在海面涨落的叫“潮”,晚上在海面涨落的叫“汐”。合起来,就称作“潮汐”。由于海洋中同一地点的海水受的力,每天都有一次面向月球,一次背向月球,周期为24小时48分,所以,潮汐也有周期性的变化,这就像人的脉搏。正因为这样,所以有人称潮汐为“大海的脉搏”。当然,其他天体,如太阳等,也对地球的海洋有吸引力,但由于它们离地球太远,所以作用不明显。

      由于地形因素的影响,世界各临海地产生的潮汐大小会不同。我国杭州湾的潮差最大有8.93米,而北美芬地湾蒙克顿的潮差高达19.6米。潮涨潮落,就会产生动能。据统计,全世界的海洋潮汐能约有10亿多千瓦。其中,英吉利海峡为8000万千瓦,马六甲海峡为5500万千瓦,北海为3500万千瓦,北美芬地湾为2000万千瓦,我国黄海为5500万千瓦。“大海的脉搏”是如此地大,那么,能不能利用它来作动力呢?

      其实,早在1000多年前的唐朝,我国劳动人民就利用了潮汐的动力,当时沿海一带的人民利用潮水来碾磨粮食和压榨甘蔗汁。50年代,我国还建起了潮汐水轮泵站,利用潮汐带动水泵,提取水来灌田。

      潮汐能作动力,也一定可用来发电吧?科学家早就有这个想法。1912年,法国工程师在北海沿岸修了一座试验性的潮汐电站,拉开了潮汐发电的序幕。20年代,科学家们来到法国西北部的英吉利海峡朗斯河口,发现这里的潮汐适合发电。它的潮汐落差大,有13.5米;河口窄,只有750米宽,有利于修建拦海大坝。如果在大坝中间装上水轮发电机,就可以让潮水推动叶轮,带动发电机发电。1956年,终于在这里建起了一座试验性潮汐电站。通过试验,验证了发电是可行的。于是,从1960年开始,在这里正式建立起实用性潮汐电站,1966年工程完工。这座电站共装有24台1000千瓦的水轮发电机组,一年可发电5.44亿度。

      我国也于1958年开始研制潮汐电站。到1979年,已经建成了山东乳山潮汐电站,装机容量为300千瓦;山东金港潮汐电站,装机容量165千瓦;浙江小沙山潮汐电站,原装机容量为40千瓦,后改造为200千瓦;浙江象山潮汐电站,装机容量为100千瓦。我国沿海潮汐资源丰富,据统计,如果全部用来发电,可得到1.1亿千瓦的电力,其中可供开发的达3500千瓦。如果这些潮汐都能利用,将是一种可观的动力。

      浪高千尺可发电 浩瀚的大海充满活力。“无风三尺浪”,即使在无风的日子里,海面也在上下动荡着。

      利用海浪横向运动能发电 海浪的大小首先取决于风力。风越大,浪越高。大风起处,波涛汹涌,白浪滔天,真可谓“海涛汹涌似有千钧力,巨浪滚滚犹如万重山。”

      一般海浪高度小于4米,大风暴的时候可达七八米甚至十几米。1933年2月7日,美国油船“拉梅波”号曾记录到34米高的特大海浪,足可使10层大楼“淹没”。

      海浪拍击海岸,浪花飞溅,可产生极大的冲击力。实测结果告诉我们,海浪冲击海岸的力量,往往可达每平方米二三百千牛顿甚至590千牛顿以上!

      历史有记载,巨大的海浪曾把一块60多公斤的石头卷到岸边40多米的高处,把一段上千吨重的混凝土防波堤连“根”拔走,把一艘巨轮拦腰断成两截……

      这就是说,海浪确实是个了不起的“大力士”。在每一平方公里的海面上,运动着的海浪平均蕴藏有20万千瓦的能量。当巨浪像一座“水山”扑向海岸的时候,可在20秒钟之内对1公里长的海岸线产生几万千瓦小时的电能,这些电能足供上万个家庭使用1年。按照前苏联科学家的估算,全世界光是沿海区域的海浪能就有6亿千瓦,相当于全部电站装机容量的1/3。

      但是可惜,像这样一笔巨大的可以再生的而且丝毫不会污染环境的能量资源,却至今还没有得到很好的开发利用。

      100年以前就有人想到利用海浪发电,理论上已探讨了多年,40年代开始进行试验,50年代取得了一些进展,60年代有一些海浪发电装置投入运行。近年来,日本已有几百个小型海浪发电装置向导航浮标提供电力;美国、前苏联、瑞典等国开发了容量为1~20千瓦的小型海浪发电设备;后来居上的挪威建成了两个海浪电站,并开始对外承包建造海浪发电工程。

      利用海浪发电是件麻烦事儿,因为海浪总的力量虽然很大,但分布★△◁◁▽▼分散,而且作用速度太慢。

      1964年,日本制成了世界上第一个供航标灯照明用电的海浪发电装置,发电量很小,仅够一盏灯使用,但它开创了海浪发电的先河。

      以后通过一次又一次的试验研究,人们才找到了一些更有效的海浪发电的方法和设备。比如从1976年以来,光是美国就有一百几十种有关海浪能利用的发明获得了专利。世界上现有海浪发电装置30多种,其中只有日本的“海明”号海浪发电装置的进展比较快。

      “海明”号海浪发电装置利用海浪上下的力量工作。它是一个巨大的像油轮一样的浮体,长80米,高5米,宽12米,重约500吨,浮体的底部有20个“洞”,这些“洞”实际上是一个个空气室。当海浪◆■不停地上下运动的时候,空气室中的空气不断地受到压缩和扩张,就像风箱一样,空气来回地冲向空气涡轮机的叶片并使它快速旋转,从而带动发电机发出电来。

      在这里,海浪的升降运动起着一般发动机活塞的作用,它使海浪缓慢的升降运动变成高速气流冲动涡轮机后形成的快速旋转运动。由于装置结构简单,“海明”号能把27%的海浪能转变成电能。

      “海明”号海浪发电装置1978年建成,可以发电2500千瓦,发电成本要比其他发电方法低,1980年完成第一期试验,现在仍在试验之中。

      挪威的科技人员克服重重困难,在1985年建成了两座海浪电站,地点在这个国家的南部大西洋沿岸的卑尔根市附近。 第一座海浪电站的工作原理与“海明”号完全一样,一根12米高、40吨重的钢制圆筒竖立在海边峭壁的裂缝中,当海浪通过管道进出圆筒时,圆筒里的水面跟着升降涨落,就像强力的活塞一样,使得圆筒顶部的空气排出或吸入,从而驱动涡轮机转动而发电。这个电站每年发电120万千瓦小时;如果把沿岸几个圆筒连接起来一道工作,就能利用海浪产生更多的电力。

      第二座海浪电站的工作原理与第二座完全不同,它修建了一个锥形隧道,让海浪从几十米宽的隧道口进入,随着隧道越来越窄,涌来的海浪越升越高,最后在比海平面高3米的地方通过隧道出口流进一个小水库。水库的出口安装有水轮发电机,结果就像普通的水力发电一样,当水库里的海水从3米高处通过出口流回海洋的时候,就会推动水轮发电机发电。

      挪威的海浪发电技术已经出口国外。他们首先在印度尼西亚的巴厘岛承建了一项海浪发电工程,电站的装机容量为1000千瓦。接着又在汤加王国建造一座2000千瓦的海浪电站,1990年竣工。

      不仅可以利用海浪上下垂直运动的力量来发电,也可以利用海浪的左右横向运动把海浪能转换成机械旋转或摆动运动的能量。

      英国人索尔特研制了一种“点头鸭”式的海浪发电装置,它的外形像个大凸轮,凸轮尖的一头绕凸轮轴转动,另一头是个中空的圆筒,圆筒上有向内向外的叶片。“点头鸭”连成一串,浮在海面上,海浪一来,它们就绕着凸轮轴左右摇摆,而圆筒上的叶片也跟着来回转动,把水赶进涡轮机,转动涡轮发电机发电。

      瑞典人与英国人异曲同工,开发出一种海浪叶轮发电装置。这种发电装置由一串叶轮组成,当海浪迎面涌向叶轮时,海水进入叶轮,转动叶轮上的叶片,最后通过变速机构带动发电机旋转发电。

      新型的海浪发电装置还有一种叫环礁式海浪电站,是由美国人开发设计的。这种电站是模仿海上圆环形礁石的产物,从海面上只能看到一个直径10米的圆圈,可水下的人工环礁却是个庞然大物,底部直径76米,有一个足球场那么大。人工环礁的圆形壁是个导流罩,用来引导海浪向环礁中心流动。当海浪冲向环礁式电站时,海水将沿着环礁壁从四面八方按螺旋形路线涌向环礁中心,并在那里形成旋涡,转动水轮机发出电来。

      一般来说,海浪发电装置利用海浪发电之后,海浪的能量大部分被消耗掉,结果是使大浪变小浪,小浪变微浪。因此,海浪发电不仅安全可靠,节省燃料,不污染环境,而且如果把发电装置连成一排,安置在海上,还可以起到消除海浪的防波堤的作用,对保护海岸和发展海洋渔业、养殖业等都有好处。

      海流湍急好发电 浩瀚无际的海洋,亦像人的身体一样,有纵横交错、无以数计的“脉络”。这些“脉络”就是海流。海流种类繁多,有风吹成的“风海流”,有海水流动互补的“补偿流”,有海面高低气压造成的“倾斜流”,还有海水密度差异产生的“密度流”……海流有的在表层流,有的在深层动;有的向西行,有的朝东走;有流速湍急的,也有流速缓慢的;有长短不一,有宽窄不同;有温度高的暖流,也有水温低的寒流……正是这些川流不息,无处不见的海流,使海洋充满了活力;也正是这些奔腾不息的海流,生发着巨大的能量。

      从加勒比海、墨西哥湾开始,横跨大西洋流向寒冷的北极的湾流,是世界第一大暖流,它以每小时4海里的速度快速流动,其流量约相当于全世界河川流量总和的120倍。如果从湾流中仅提取4%的能量,就可获得大约10~20亿瓦电,这相当于一座核电站的输出功率。

      著名的黑潮★▽…◇是世界第二大暖流。它由北赤道发源,经菲律宾,紧贴我国台湾东部进入东海,然后经琉球群岛,沿日本列岛的南部流去,于东经142°、北纬32°附近海域结束行程。黑潮总行程达6000千米,平均流宽度150千米,平均流厚度300~400米,最大流速可达6~7节,比普通机帆船还要快,流量超过世界所有河流总流量的20倍。

      海洋里,能量蕴含量最大的当推“中尺度涡”。“中尺度涡”是人类在20世纪70年代才发现的。它是一个高速旋转着的涡旋,直径50~200千米,深度可达2000米,类似于大气中的气旋和反气旋,其流速上层可达35厘米/秒,能量大约为大洋中平均流量的10~100倍。在世界大洋•□▼◁▼中部,几乎都有“中尺度涡”存在。目前已经知道,北太平洋西部和北大西洋西部最多,被称为“中尺度涡大观园”。“中尺度涡”的发现,被称为是70年代海洋水文物理学研究的一个重大成果,引起了人们的极大兴趣。

      人类与海流关系十分密切。当人类离开陆地奔向海洋、乘船飘洋去发现新大陆时,就认识了海流,并和海流打上了交道。早在15世纪,哥伦布横渡大西洋,前往圣·萨尔瓦多时,遇到了一股向西流动的海流,这时,航船轻快地随流行驶,他才第一次知道海洋里有海流存在。他在日记里写道:“我注意到海水明显地自东向西流动,好像上帝驱使的一样。”其实,这位洋人也算是孤陋寡闻。我们的祖先早就研究过海流,秦朝时,徐福东渡采药,就懂得利用海流帮助航行了。据说,日本人曾利用黑潮从朝鲜往日本运粮食。

      进入20世纪70年代,随着能源危机的出现,人们不再仅满足于利用海流行舟楫之便了,而要研究让海流发电。

      把海流能量转换成电能的▲★-●初次讨论,据说是在很不显眼的情况下进行的。1973年一个温暖晴朗的日子,三位海洋学家在美国斯特瓦尔特博士的办公室聚谈。他们望着窗外海面上奔流的湾流,你一言我一语,讨论起利用海流发电的问题来了。

      不久以后,斯特瓦尔特和他的同事们又聚在一起,讨论在佛罗▲=○▼里达海峡建立电站的细节。他们设想建造巨大的螺旋桨驱动式水下能量转换器。报纸报道了这次聚会的消息,并以“水下风车”为题,刊登在头版。一位芝加哥的百万富翁约翰·麦克阿瑟看了报道,出资筹建研究海流发电的研究所,取名麦克阿瑟研究室。这个研究室在结束其研究工作时,发表了他们的看法,认为从海流中提供的电能可以采取三种方式供人们使用:一是直接以电能的方式用水下电缆输送到岸上;二是用洋流电能从海水中提取氢气,用管道输往大陆,或将氢气注入罐中运往陆地;三是用洋流电能制取压缩空气。 当时,美国的科学家们还设计了一些从海流中取电的具体方案。其中,以葛利·斯特尔曼发明的水下“降落伞”系统为好。这一装置可以将低速海流的能量转换成可以利用的能源。该装置包括两部分:一部分是安装在船上或平台上的带轴的轮子,另一部分是一根绕着轮子旋转像传送带似的环形缆。在这根缆上,装着一把一把形状似降落伞一样△▪▲□△的帆,它们都向一个方向排列。当它们顺流而动时,这些“降落伞”在海流的冲击下,全都张开;当它们绕着环形缆转变后逆流而动时,伞便收拢起来。这样,“降落伞”的不停运▽•●◆动,通过环形缆带动轮子转动,而旋转的轮子就能驱使涡轮发电机发电。

      利用海流发电的另一种方案是海流发电驳船。即把一艘改装的驳船拖入海流中,用锚链•●固定于海底。驳船的两侧分别装有1~3个大水轮,水轮在海流冲击下,不停地转动。由于海流流速不高,水轮转速也不高,通过变速机械,增速到每分钟1000转,便可以带动发电机发电了,发电量可达50兆瓦。

      此后,美国加利福尼亚州的皮特·李沙曼组织设计了一个海流发电的方案,取名“科里奥利方案”,用以纪念19世纪法国的一位叫科里奥利的科学家。这位科学家提出了海流和气流运动由于受地球自转影响而发生偏向的原理。“科里奥利方案”设想将一组巨型水轮发电机布设在佛罗里达强海流区里,用以产生大量经济电力。其中心部件是一台二级转子,它由一对反向旋转的涡轮机构成,装在一种能大量搜集海流能量的导管内。涡轮机转子采用链状叶片,它除了像普通涡轮机转子一样一端固定在中心轴上外,其顶端还与环形轮轴相联接,当海流通过导流管时,带动涡轮机像风车一样转动发电。“科里奥利方案”提出后,经过了三个阶段研究,1980年设计出直径11米的样机模型,1982~1984年进入样机试验。结果表明,在实验机组长110米,管道出口直径170米,流速为2.3米/秒时,发电功率达8.3万千瓦。

      日本从1975年开始了利用黑潮暖流发电的研究。到了20世纪80年代,日本进行了水池试验和海上试验。同时,还提出了水平轴对称翼型直叶片转轮等新的海流发电方法。

      中国近海潮流发达,在渤海海峡、山东成山头附近、苏北沿海、长江口至舟山群岛一带海域,潮流甚大,蕴藏着丰富的海流运动能量。据估计,中国可开发利用的海流能量约0.2亿千瓦。近年来,中国一些省市开始了海流发电的研究。1978~1979年,浙江舟山地区在西垢门港海域进行了8千瓦海流发电试验机组的现场试验。1983年,在该地区马鞍航道进行了作为航标灯电源的120瓦海流发电试验。在海流发电基础研究方面也有进展,1981年以来,哈尔滨研究试验弹簧调节角度的直叶片水轮机,有较高的效率。

      海流发电目前处于小型试验阶段。由于大多数地区的海流流速较低,加上海流流速不断变化,发电量很不稳定。另外技术上还有不少问题有待解决。因此,海流发电开发缓慢。富有开拓精神的人类一旦认准了的事情,是会搞出名堂来的。海流,是不会白白流淌的,它定会给人类带来光明。

      热海水与冷海水孕育电 人们把海洋称为“热锅炉”。当然,为这个庞大无比的“热锅炉”加热煮海的,不是我国民间传说中的张羽,而是太阳。

      太阳光经过1.5亿千米,历时8分钟的旅行后,除掉损耗,约将80万亿千瓦的太阳能照射在地球上。海洋占据地球表面积70%以上,那么约有60万亿千瓦的太阳能被海洋吸收了。算下来,海洋一昼夜所接受的太阳能相当于1700多亿吨优质煤的热量,而目前人类一年的能源消耗才不过是100亿吨标准煤。

      海洋所接受的太阳能,除了一小部分直接反射到空气中以外,大部分被海水吸收。海水吸收了太阳能,水分子运动速度加快,水温升高。这样,太阳光的辐射能就被转化为海水水分子热运动的动能贮存起来。海水贮存的太阳能,就是人们常说的海洋热能。海洋热能的储量极大,估计不下40万亿千瓦,取其千分之一,即400亿千瓦,大概就能满足2000年全世界全部能源需要。

      根据能量守恒定律,自然界所发生的一切过程中的能量,既不会消灭,也不会产生,可以从一种形式转变为另一种形式。英国物理学家焦耳求得了热功当量:将1千克水的温度升高1℃,必须做约4180焦耳的功,反过来也是一样。根据这个公式,一些海洋工作者设想,要是能使海水温度在人工控制下降低,把它的内能转变为有用的功,去驱动机器,然后将机械能转变为电能那该多好啊!经过简单计算,结果令人振奋:如果一部机器1秒钟吸进1吨水,温度自动降低20℃,它所释放出的热量以4%~6%的效率变成电能,就可发出3000千瓦的电力来。

      诱人的前景驱使人们对利用海洋热能发电进行研▼▼▽●▽●究。最初,有人提出利用赤道附近暖和的表层海水作为热源,用极地海水作为冷源,使海水产生温差进行发电。然而,按照这样的设想,必然要耗费巨资去敷设上万千米的管道,抽水的动力也将大得不堪设想,更不用说海水输送过程中的热量损失了。看来,这个设想是“远水冷却不了近热”。

      那么,到哪里去找“冷海水”呢?人们经过观察测量发现,射到海面上的太阳能,在海面上层就被迅速吸收了,阳光射线受到海水的阻挡,越往深水吸收的热能越少。因而,海洋深层的水温比起表层的水温要低得多。例如,在低纬度海域大洋水下500米深处的水温,基本在5~10℃,而在3000米深处的水温则终年处在1~2℃。如果把赤道表层海水作为热源,把2000米底层的海水作冷源,上下温差可达26℃以上,就可以用作温差发电。由此可见,用一根水管把底层的冷水抽上来,就可以“近水冷却热源”了。

      1881年,法国科学家德松瓦尔研究了海水表层和深水层存在的温差之后,大胆提出:海洋热能是可以转化为电能的。他还预言海洋所储存的太阳能迟早有一天会被人类大规模利用。

      那么有了“热源”,又有了“冷源”之后,是不是就可以把海洋热能转换为电能了呢?问题没有那么简单。我们知道,只有使海水沸腾产生蒸汽才能推动汽轮机转动发电。可是海水的“热源”,只有30℃左右,要把它加热沸腾,势必要耗费大量的燃料,这是很不经济的事情。那么有没有一种简便经济的办法使热能转换为电能呢?根据水的物理特性,我们知道,在1个大气压下,水温升到100℃,水便沸腾;另一方面,在水温度不变的情况下,当压力降到一定值时,水也会沸腾。这种获得蒸汽的方法叫“扩容法”。用“扩容法”得到的蒸汽能否推动机器发电?法国科学家克劳德率先进行了试验。

      克劳德是德松瓦尔的学生。在德松瓦尔提出海洋热能可以利用以后,为了寻找开发海洋热能的具体途径,克劳德作了进一步的探索。1926年11月15日,他和鲍切特合作,进行了一次海水温差发电的模拟实验。他俩取来两只容积各为25升的烧杯,左边的一只装有小冰块,右边的一只装着28℃的温水(与热带海域表面水温相近),然后用管道将两只烧杯连成一个密闭系统,外接一台真空泵。系统内有喷嘴、涡轮、发电机,用引线只小灯泡。有人称这是一个“魔术装置”。

      试验开始了,在法兰西科学大厅里,人们的目光都盯着这个“魔术装置”,看它到底能不能发出电。只见克劳德用真空泵将烧▷•●瓶内的空气抽出,使烧瓶内只有大气压的1/25时,温水就变得沸腾起来,接着涡轮机转动了,3个小灯泡同时发出耀眼的光芒,全场顿时响起一片欢呼声。

      克劳德完成了实验室试验后,于1930年,在古巴海岸建起一座22千瓦的海水温差电站。这个电站是建造在海岸边上的,所以叫海岸式海水温差电站。该电站以海边27℃的表面温海水为“热源”,以离海岸2千米远650米深处的冷海水为“冷源”,以“开式循环方式”(也叫克劳德循环)发电,发电量可达22千瓦。

      这座海水温差电站虽然发出了电,但却存在一个突出的问题:就是冷水抽水泵消耗的功率太大,以至于电站发出的全部电力还不能满足抽水泵的需要,所以电站不仅不能向外供电,还得从外部为电站供电。自然,这样的电站没有实用价值。后来,遭到海浪袭击,电站被摧毁了。实践使克劳德认识到,用长管子通到海底去抽取海水的做法行不通。

      1934年,克劳德又搞出一个新设计,取名叫“浮标式温差发电站”。他把发电机安装在一条叫“突尼斯”号的驳船上,驳船用锚固定在巴西的一处海边。抽水管垂直放入海中,它的上端◇…=▲是一个浮标,下端系着重物以保持管子垂直。令人遗憾的是,悬在海中的管子受到海浪的冲击摇来摆去,最终断裂开了。克劳德一气之下,把整个设备沉到了海底。

      为了摆脱海浪的干扰,后来克劳德又想到干脆在海底挖一条隧道,把管子放进隧道,结果也没有成功。1948年,法国人在非洲象牙海岸首都阿比让附近海边又建立了一座温差发电站,并在抽水管质量上作了改进。由于这个电站仍采用克劳德的方式,因此有效利用率不大。尽管克劳德的种种努力都未取得理想的结果,但他的尝试给后人留下了有益的经验。

      由于海洋热能转换技术复杂,设备成本昂贵,加之当时陆地火力发电供需不存在问题,海洋热能发电研究被搁置起来。直到20世纪60年代,世界出现“能源危机”时,海洋热能开发利用又引起了人们的重视。

      1964年,美国的安德森父子在总结前人成功与失败的经验教训之后,提出了海水温差发电的新方案。他们父子的新方案有两点突破性改进:一是把整个发电设备安装在一个巨大的浮体上,使之浮于海中,这样就可以大大缩短冷水取水管的长度;二是不再直接以海水为工作介质而采用低沸点的液态丙烷、氨、氟里昂等物质作为闭路系统中的工作介质。这样,可使用小的高压涡轮气体发电机,而不必采用克劳德使用的那种庞大的低压蒸汽涡轮机了。安德森父子的这种工作方式叫“闭路循环方式”。

      目前对海洋热能的开发利用尚未进入大规模实用阶段,还有一些技术问题、经济问题、对环境的影响等问题,有待于进一步研究解决。但是,海洋热能发电,在技术上毕竟取得了重大突破,其前景是令人乐观的!

      人类在利用海水晒盐的同时,发现海水和淡水相交汇的地方,蕴含着一种神奇的能量,于是一个新的设想出现了:利用海洋盐度差能发电。

      海洋盐度差产生的能量,是人们从渗透作用中计算出来的。我们知道,渗透作用,就是指允许液体从一层具有选择性的半渗透性薄膜中通过的过程。人们作了一个试验,在水槽里放入一个半透明膜,一边放盐水,一边注淡水。海水中的盐离子被半透明膜“封锁”过不来,只对淡水放行。这样,淡水就通过半透明膜往盐水里渗透,如果再建一座水塔的话,那么在渗透压的作用下,水位就能升高到250米,即大约25个大气压,海水和淡水的渗透压才能平衡。这高高在上的水从250米的高度冲泻下来,那力量就相▪•★当大了,足以冲得水轮机呼呼转动起来发电。

      渗透压的大小和海水中含盐度有关。一般的海水含盐35%。这样浓度的海水,能形成25个大气压,即能把水抬高到250米。陆地上江河,日夜不停地向海里流淌着淡水,可以想见,在江河入海口的地方,蕴含着多么巨大的盐度差能量啊!根据联合国教科文组织1981年的出版物估计,世界上盐度差能约为30亿千瓦。

      利用海洋盐度差能发电的设想,是1939年由美国人提出的。1954年,美国建造并试验了一套根据电位差原理运行的装置,最大输出功率为15毫瓦。1975年以色列人建造并试验了一套渗透法装置。日本科学技术厅从1978年开始进行盐度差能发电的研究,目前又在试制模型设备、高压泵、半透明膜、耐压容器等,不久将进行发电试验。

      利用盐度差能发电较早的设想是利用渗透膜两侧海水和淡水之间的水位差驱动水轮机发电。这种发电方法,存在一些问题:由于海水和淡水之间的渗透压较大,使水压塔中的水柱高达250米,这就使水压塔下面的半透明膜承受很大的压力,容易被压□◁坏,影响使用寿命。另外,由于淡水中的水分子源源不断地向水压塔渗透,会使海水盐度降低,引起水柱高度下降,从而直接影响输出功率。再者,在河口建造一座200多米高的水塔,也决非易事。

      为了克服这些问题.R.S.诺曼博士在原有设计的基础上,增加了一个海水泵。他把水轮机与水泵联系起来,海水依然从导管中流出,但导管的高度却相当于海水与淡水渗透压差的一半还低,约10~11兆帕。这样,就能延长半透明膜的寿命。同时,海水泵把海水打入,使海水维持一定的盐度,不致于使水的渗透压差降低。

      此后,美国国家健康学院的约翰·韦因斯坦和内政部的弗兰克·雷兹两位科学家,抓住盐能换能器发电过程中出现的氯离子和钠离子运动的现象,设计出一种浓度差电池,也叫反向渗析电池。为了更充分利用电能,这种电池在海水通道两侧,分别设置了阴离子交换膜和阳离子交换膜。这样,氯离子通过阴离子交换膜向一个方向流动,钠离子通过阳离子交换膜向另一个方向流动,使电势双倍增强。另外,为了得到足以供外部用户使用的电力,就把许多个电池串联使用。

      盐度差能,是一种神奇的能量,人们对它的认识较晚,对它的特点和规律的认识还不太清楚,需要从基础理论上作些探讨。另外,实现浓度差能开发利用的关键材料是半透明膜,目前半透明膜的研制质量还不过关。所以,离大规模开发盐度差能,还有一道道难关。但是,盐度差能量又是充足和强大的,这必将吸引人们去认识、去开发利用。

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