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海洋能产业蓄势待发

2014年05月25日 01:00

来源：科技日报

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距离澳大利亚西部澳大利亚州首府珀斯海岸线数千公里远，隐藏在海波之下，也在监视船只的视野之外的地方，有三个巨大的浮标很快会开始工作，通过捕获海洋能来发电。这些橘色的浮标宽11米、高5米，看起来有点像巨大的南瓜。每当海波经过，这些被绳子拴住的浮标就会驱动海底的水力泵，将海洋的运动能转变成720千瓦的电能，为附近的海军基地供电。

这些浮标由澳大利亚卡内基波能研究所研制而成，这是人们从海洋捕获能量的最新尝试，这些浮标将于今年6月“上岗”运行。研究人员表示，这个具有开创性的海洋能捕获计划可能会产生巨大的反响，带动海洋能产业的快速发展，但该领域的有些资深人士对其持谨慎乐观的态度。

前景光明但道路曲折

从理论上来说，海洋中蕴含的能量足以满足全球的电力需求，而且不会产生任何污染。另外，与风能或太阳能技术相比，尽管海洋能发电技术要落后十几年，但其具有独特的优势：能量密度高，波浪能的能量密度是风能的4到30倍；与太阳能相比，海洋能不受天气的影响，更加稳定可靠。此外，海洋能也拥有地理上的优势：全球有大约44%的人生活在距离海岸线150公里内。尽管潜在的环境影响还有待进一步调查，但许多研究者认为，海洋能是比风能更理想的能量来源。

据国外媒体报道，2012年8月，澳大利亚澳洲联邦科工组织发表报告称，到2050年，利用海浪发电将能提供11%的澳大利亚全国用电量，可以满足像墨尔本一样大小的城市用电需求，可能受益于海浪发电的地区包括澳大利亚州第4大城市珀斯、澳大利亚南部海岸以及东部海岸的一部分地区。不过，该报告同时也指出，经济、技术、环境和社会方面等因素也会影响海浪发电在澳大利亚未来整个能源构成中所占的比例。

尽管如此，利用海洋能发电这个研究领域一直进展缓慢：迄今为止，所有已经研制出的庞大设备当中，还没有一台设备在竞争白热化的能源市场证明自己物有所值。而且，很少有设备在长期遭受海洋恶劣环境的蹂躏后还能存活并发电。尽管在过去10年，10家大公司对海洋能的总投入已高达7.35亿美元，但来自潮汐和波浪的海洋能仍然没有取得实质性的进展。实际上，海洋能一直“身价”昂贵，堪称地球上最昂贵的一种能源形式。

不过，对于那些希望利用海洋能的人来说，前景比以前更加明朗。在过去几年，业界已经有几家大公司收购了捕获潮汐能（这是最早的捕获海洋能的方式，潮汐能是指从海水面昼夜间的涨落中获得的能量。在涨潮或落潮过程中，海水进出水库带动发电机发电）来发电的初创公司。另外，今年3月份，加拿大芬迪湾批准了三个潮汐能项目，芬迪湾每日海水潮汐所达高度为16.2米，比世界任何其他水域的潮汐高出了5到10倍，每日有1000亿吨海水两次流入和流出芬迪湾，其水量超过全球所有淡水河的水流总和。潮涨潮落的过程需要6小时13分钟，发电潜力巨大。

该地区利用潮水发电的尝试始于上世纪20年代，但由于工程技术方面的困难，施工费用昂贵，湾内航运活动频繁和可能导致的环境污染，以及私人电力公司的反对等种种原因，大规模开发利用潮水资源发电的计划迄今尚未能实现，现在，冰川似乎正在慢慢消融。

而海域波浪能针对的则是一种更强大也更捉摸不透的能量来源，目前，该领域的发展出现了一些倒退，上个月通过的按比例缩减俄勒冈海岸线附近的波浪能装置的决定就是例证。据美国可再生能源世界网站报道，2012年8月20日，美国联邦能源管理委员会同意位于新泽西州的海洋能技术公司在俄勒冈州近海建造一个1.5兆瓦波浪能入网电站，这是美国境内第一家获批的波浪能电站。2013年春天，该公司开始在俄勒冈州近海部署其波浪能设施— 一种长达100多英尺的计算机浮标，当波浪经过时浮标会上下快速摆动以捕捉能量。

尽管如此，很少有人怀疑，这两类海洋能最终仍会繁荣昌盛起来。去年，位于伦敦的彭博新能源财经咨询公司指出，有超过22个潮汐能项目和17个波浪能项目有望在2020年之前安装成功，这些项目都能提供超过1兆瓦的电能，足以为250个家庭供电。

能源专家希望有一天，海洋能会为沿岸城市提供大量可靠且没有碳排放的能量。欧洲海洋能中心的执行主管尼尔·柯尔默德表示：“研究显示，这比人们最初设想得要更加困难，但我们能做到。”欧洲海洋能中心是位于英国奥克尼岛上的波浪能和潮汐能设备的主要测试机构。他说：“我们已经证明，我们能够利用不断运动的海水发电，这是一个巨大的进步。”

潮汐能：需要更多金钱投入

斯特兰福德湾是英国北爱尔兰地区最大的城市贝尔法斯特东南部一个小小的水湾，一天两次，大约有3.5亿升潮水流经一条狭窄的海峡，流进斯特兰福德湾，随后又回到海洋中。海湾中有一座高塔，其基座被牢牢地固定在海底，基座上有一对16米长的螺旋桨（推进器）。海水流经高塔产生的力量与风以555千米/小时行进产生的力量相当，会推动螺旋桨以15次/分的速度告诉旋转，产生的电能高达1.2兆瓦。

其实，除了传统的螺旋桨，潮汐能公司也尝试过一些奇妙的装置，比如螺丝锤、水上飞机和水下风筝等来发电。然而，在效率方面，斯特兰福德湾使用的设备是其中的佼佼者。这台设备由英国布里斯托尔洋流涡轮机公司研制而成，该公司的数据表明，迄今为止，整个潮汐能工业提供的电力，有90%由这一设计产生。

斯特兰福德湾潮汐能发电项目的高效吸引了工业巨头—德国慕尼黑市西门子公司的兴趣，并于2012年接管了该公司。洋流涡轮机公司目前打算于2016年前，在威尔士的海岸线上铺设5台2兆瓦的设备阵列，目前，他们正在为首批设备的上马做准备，每台设备的成本约为1500万美元。该公司的主席凯·科尔摩尔表示，他们除了增加这台机器的尺寸，也增加了第三片扇叶，这一方面可以减少振动，并使机器更经久耐用。

位于美国波特兰缅因州的海洋可再生能源公司的首席执行官克里斯托弗·索尔表示，尽管像西门子这样的大公司正在进入这个产业，但整个产业面临的最大挑战仍然是吸引足够多的资金来制造高效耐用的设备模型。索尔的公司已经研发出了一款独特的设备，并将其铺设在缅因州的海岸线附近，这台设备看起来有点像一台联合收割机不断旋转的叶片。该公司目前正在研究第二代设备，最早将于2015年完成铺设工作。

尽管这个领域取得的进步非常大，但人们的疑虑并没有因此而削减，科尔摩尔说：“我认为有些风险投资公司已经对我们不抱太大希望，但这本身就不是一个能快速赚钱的行业。”

波浪能：经久耐用的机器是“重头戏”

波浪中蕴含有巨大的能源潜力，但波浪能产业面临着与潮汐能完全不同的挑战，那就是：研制出能稳定可靠地提取这种能量并能在海洋的恶劣环境下持续运转的机器。许多公司已经设计出了各种类型的机器，从自由摆动叶到能将船只的摇摆转变成圆周运动从而驱动船上发电机的回转仪设备等，不一而足。

每款设备都有自己的优势，但卡内基波能研究所铺设在澳大利亚的浮标则从水上转移到了水下，这样做的目的一方面是逃脱海洋表面波浪狂暴的撞击；另外，也避开设备是否好看、是否符合美学原则等方面的争论，而风力发电厂就面临着这样的争论。

随着波浪携带者浮标上下游动，海床上的水泵会通过一个密闭的圆环让液体循环，这个延伸起来大约有3千米长的圆环与海岸上的发电设备紧密相联。整套设备操作起来像风笛：不断积累压力，随后再缓慢地将压力释放出来从而持续不断地发电。同样的设备总共有三套，每套设备的发电量都可达到240千瓦。卡内基波能研究所曾于2011年在相同海域对旧型号机器进行测试，其发电量只有新型号的1/3。该公司首席运营官格雷格·艾伦透露，第一款商用型号最早将于2018年面世。

位于英国爱丁堡的海蛇波浪能发电公司则采用了另外一种不同的方法。该公司让5个漂浮于海面的浮标相互连接，这些浮标会随着波浪像蛇一样上下浮动。每个浮标都独立运动，而且，位于每个节点的液压泵都能使用波浪的运动来将液体输送到船上的发电机来发电。

海蛇波浪能发电公司目前正在奥尼克岛上测试一套750千瓦的设备。而且，该公司也与苏格兰电力可再生能源公司合作，为液压泵添加能降低内部磨损和撕裂的新元件。另外，该公司还在研究算法，希望借此能让该设备独立调整其16个水压泵并使发电量达到最大。

虽然对波浪能的利用取得了不少成就，但其吸引的商业投资仍然乏善可陈，彭博新能源财经咨询公司的主编安格斯·麦克罗恩指出，主要原因在于，就是没有一套设备能在抵御恶劣海洋环境的同时稳定供电。

环保和经济效益将取得双赢

除了受到资金和技术的制约外，海洋能工业的发展还受到众多监管部门的制约，主要集中在对鱼类的保护方面，这些人担心风力涡轮机周围鸟类大批死亡的惨剧可能会在海洋上再次上演，因此，制订了一些严苛的规定，比如，在进行海上测试前，海洋流涡轮机公司必须在其涡轮机上放置海豹检测设备，一旦海豹靠近涡轮机（这种事情基本不会发生），该检测设备就会按下紧急关闭按钮。另外，对爱尔兰OpenHydro公司设计的位于海床上的涡轮机会将虎鲸变成鲸鱼寿司的担忧几乎扼杀了在皮吉特海峡（美国华盛顿州西北部太平洋[0.65% 资金 研报]一狭窄而形状不规则的海湾）对这一设备进行测试的提议。

美国缅因州立大学的鱼类生物学家盖尔·兹德尔维斯基表示，她在海洋可再生能源公司安装的潮汐电机组附近只能得到鱼类活动的有限数据。她说，鱼类很可能会主动避让涡轮机，但她对一件事情很好奇：当在这组涡轮机组附近再铺设一台机组会发生什么情况？她的研究小组仍在收集基础数据，目的是改善其研究模型并弄清楚潜在影响，需要进行多少实地调查工作。

其他人则在实验室忙得热火朝天。美国能源部下属实验室的生物学家们进行了一些测试实验，他们让鱼儿通过涡轮机并将鱼儿置于与将能源传到岸上的电缆周围类似的电磁场中进行观察。最终得到的数据显示，这两项研究结果都表明，鱼类并没有受到永久性的伤害。

以在皮吉特海峡生活的虎鲸为例，美国能源部下属的西北太平洋国家实验室和桑迪亚国家实验室能源部门的研究人员对最坏的一种可能性进行了研究分析：假如一头好奇的虎鲸不小心把头夹在其中一台涡轮机中了，结果会怎样？

这两个研究团队对多种不同的橡胶材料（主要用于模拟虎鲸的皮肤）进行了测试，并制作出了一个模型，以便了解涡轮机的叶片对虎鲸可能会造成的潜在伤害。去年，有一台死的鲸鱼被冲到了位于西雅图附近的海岸线上，科学家利用计算机，对这头鲸鱼的头盖骨进行了电脑断层扫描，希望能找出鲸鱼的脂肪和皮肤的薄弱点，并利用这些信息来改进他们的模型。他们也提取了一些鲸鱼的皮肤，在实验室对其强度进行了测试。

研究结果已于今年1月发布。该研究的领导者、西北太平洋国家实验室的海洋生物学家安德鲁·考平表示，结果表明，如果一头虎鲸迎头撞上涡轮机的一片扇叶，那么，它很可能只会受到一点小擦伤。考平说：“当鲸鱼撞上船只，只有额骨断裂才有导致它死亡，而虎鲸撞上扇叶产生的力量根本不足以让这种事情发生。”基于此，今年3月20日，联邦能源管理委员会批准了该小组在皮吉特海峡进行涡轮机测试的申请。

考平也正领导一个国际研究团队，收集和整合所有与潮汐能和波浪能发展有关的环境研究，目的在于找出最有可能产生的影响，然后集中精力解决这些问题。

第一份报告已于2013年1月发表，其要点专注于以下3个领域：动物的相互作用、涡轮机噪音以及从海洋系统提取能量和降低海水流动速度产生的影响。该研究团队报告称，到目前为止，没有证据表明，相关产业的发展会对海洋生物或海水流动产生重大影响，但大型设备的影响目前还难以预测。

这三个领域中，噪音问题相对来说更难解决。研究者已经对单台设备进行了精细测量，结果发现，在被困于设备之内24小时后，鱼类除了受到一些皮外伤外，似乎可以忍受这台机器产生的噪音，但成套设备可能会产生的长期而广泛的影响难以预测。适度的噪音或许有助于驱使动物远离机器，但如果噪音太大，将对鲸鱼以及其他依靠声音通讯的动物造成影响。考平说：“这些项目中，很多项目或者说所有项目都需要很好地监控，海洋是所有人的后院，因此，在涉及海洋的研究中，我们多么小心都不为过。”

开发者、研究者和环保主义者都认可的一点是：为了更好地了解相关产业的经济效益和环境影响，需要在海上布置更多机器。彭博新能源财经咨询公司的主编麦克罗恩认为，由于缺乏商业利益以及一些项目的终止，波浪能可能无法在他们的下一次评估中占有一席之地，但他也相信，相关产业必将在经济效应和环境保护两个方面获得双丰收。

该领域目前的一个热点是加拿大的芬迪湾，此处很快将有三个项目上马，包括安装一套能发电4兆瓦的设备，其中两台设备来自OpenHydro公司，到2015年，这些设备将能为1000户家庭供电。如果一切都按计划进行，该公司希望对设备进行增加和升级，最终能发电300兆瓦。尽管这仅仅相当于一个小型的燃煤发电厂的发电量，但对于海洋能工业来说，这已经是一个了不起的进步了。

麦克罗恩说：“最终，海洋能工业将起飞甚至腾飞，海洋中的能量不可胜数。”