如何利用海洋的能量发电 - 海洋电力发电技术

海洋几乎占据地球表面的70%，通过波浪、潮汐和洋流而不断运动。这些运动方式的形成各有不同：波浪的形成是由于风，潮汐的形成是由于月亮和太阳，洋流则是由于水温差异和地球旋转。海洋的运动为生活在海洋中、海岸边的动植物带来食物和氧气；波浪和潮汐还通过对沙滩的侵蚀和堆积作用塑造了海岸线。海洋运动对人类也很重要：冲浪是一种有趣的运动方式，潮汐有助于捕鱼业，洋流则能帮助船舶在海洋中航行。更重要的是，海洋这种无休止的运动还可以用来生产清洁、可再生的电力。

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地球表面70%以上的面积被水覆盖，其中绝大多数都是海洋，只有2%是湖泊、河流和冰川。世界上有近200个国家，但只有150多个国家能接触到海洋。

海洋中有着大量的物种和丰富的生态系统。全球各地的科学家正努力确定海洋中的物种数量，根据海洋生物多样性信息系统报告的情况，目前探测到的海洋生物数量略多于147000种[1]。然而，由于超过80%的海洋仍未有效探索，实际的物种数量会比我们目前所知的多得多，或许能达到上百万种。

除了作为成千上万生物的家园，海洋还像是一个电池，能不断的接收、吸纳并释放能量。太阳是海洋的主要能量来源，既通过光和热直接提供能量，也可以通过加热空气形成的风而间接提供。海洋也从月球、行星和太阳对地球施加的拉力中获得能量，这些拉力使得海洋的水在不断的运动——波浪的起伏、潮汐的来去、洋流的全球流动等。这些运动对地球非常重要：它们为海水中的动植物提供了食物和氧气，并通过侵蚀（erosion）和堆积（accretion）作用，塑造了海岸线。如果这永不停歇的海洋运动能被用来产生电力，那该多好！

海浪、洋流和潮汐的形成

海浪是由吹过海面的风形成的，两波海浪之间的时间从4~30秒不等。海浪既可以产生在遥远的海面上，也能发生在靠近海岸的地方。当暴风雨来临、狂风猛烈的吹着海面时，波浪会变得更高。海浪与海啸有所不同，后者是由地震、火山喷发和落入海中的陨石撞击产生，巨大的海啸波会在广阔的海面上形成，并向沿海地区传递。在这篇文章中，我们将重点讨论前者，即由风吹动形成的海浪。

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洋流主要是由于地球的自转、海床的变化及海水的温度盐度差异而形成的。许多洋流非常强大，甚至有专属的名称。有些洋流携带了温水甚至热水，而有些则携带冷水，它们都会对天气产生一些影响。例如，墨西哥湾流（the Gulf Current）是世界上最大的暖流，它携带着墨西哥湾的温暖水流直达欧洲北部，将热量传递到西欧和北欧沿海地区，使那里成为温暖湿润的海洋性气候。在海岸附近，由于海床的形状变化，我们可以发现一些强大但较短的海流，它们提高了水的含氧量，并将营养物质带离海岸。

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潮汐主要是由月亮和太阳对地球上海洋的引力变化所产生的。随着太阳和月亮的距离变化，海洋中的水被拉向或远离海岸，产生了海平面的上升和下降。根据海岸位置的不同，海洋的高低潮变化可能在一个月球日（24小时50分）发生1~2次，正好是月亮绕地球一周的时间。海平面的潮汐变化对有些地区的影响较小，但有些地区却极为明显。例如，位于法国北部的圣米歇尔山是一座岛屿，在低潮时有一条横跨沙地的道路与大陆相连；涨潮时，海水会淹没这条道路，使得岛上的交通切断9个小时左右。

用海水运动发电

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永不停歇的海浪、洋流和潮汐运动，可以用来为生活和工业设施提供清洁、可再生的电力[1]。为了捕获海洋中的能量，一些特殊的设备会放在海洋中，随水的流动而移动；移动过程中产生的电力会被输送到海岸上。这类捕捉海洋能量的装置包括浮标和涡轮机。

浮标（buoy）是一类漂浮在海面上的结构，它会随着海浪的运动而上下移动。这些浮标会连接到各种装置上，如活塞式气缸发电机，从而将动能转化为电能。浮标本身可以连接到支柱（spar）并锚定在海床上（图1）；或者浮标也可以自由漂浮在海洋上。

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图1 - 一个如何利用波浪运动发电的例子。

涡轮机也可利用洋流的能量发电（图2）。涡轮机有着螺旋桨一样的叶片，可以在洋流的推动作用下转动。旋转中的涡轮机可连接到发电装置，一系列齿轮能带动转子的旋转，使涡轮发电机产生电力。许多洋流的方向、速度和流量几乎是恒定的，它们携带着大量的能量。涡轮机也可收集潮汐作用产生的洋流的能量。有些地区会使用一种拦河坝（barrage），在涨潮时蓄水，在退潮时打开闸门，使蓄水流出并驱动一系列涡轮机发电。

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图2 - 可以利用涡轮机从洋流和潮汐中产生能量。

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当这些设备产生了电力，水下电缆就可将电力传输回海岸，或储存在特殊的电池中。

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海洋能源：挑战和机遇

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虽然这些设备看起来简单，但要想它们在所有天气状况下正常工作是极具挑战性的。设计、安装和维护这些技术的成本可能非常之高。海洋环境通常充满艰险，条件通常不可预测，这意味着需要强大的结构来抵御海水的侵蚀性。因此，还需要大量的资金和资源支持来开展进一步的研究，测试原型设备，并开发全尺寸装置来产生稳定的、可再生的清洁电力。

此外，安装这些设备也应避免对环境产生不良影响。例如，一些设备可能会干扰洋流的流向，导致食物和养料不再遵循其自然的路径。另外如果涡轮机会产生噪音，海洋动物可能会迷失方向，导致它们与设备或附近的陆地发生碰撞。一些早期研究表明，尽管鱼类和海洋哺乳动物可以避免撞上这些设备，但有时它们却没能做到回避。科研人员需要继续研究当地动植物对这些装置的反应，并不断收集新的信息，帮助人们了解如何正确的建造、安装这些设备，最小化发电过程对海洋动植物的负面影响。

尽管有这些问题，利用海洋运动来产生电能的技术仍有很大的潜力。从理论上说，海洋运动产生的能量可以满足全世界几倍的能源需求！而且，海洋运动产生的能量是可再生的，不会像化石燃料那样最终耗尽。另一个优势是海洋能源发电，几乎不会产生二氧化碳，因此不会造成全球变暖和气候变化。气候变化是一个日益严重的全球问题，我们必须努力减少大气中的二氧化碳排放，以保护地球和所有生物的未来。

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当你下次来到海洋时，除了享受海水带来的乐趣和自然界的奇妙之美，你也会记得，海水也能成为我们能日常生活的电力的来源，海洋有着无限的潜能！

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参考资料

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[0] Martínez M, Silva R and Garcia J (2021) How Can We Use Ocean Energy to Generate Electricity?. Front. Young Minds. 9:609510. doi: 10.3389/frym.2021.609510 [licensed under CC-BY]

[1] Uihlein, A., and Magagna, D. 2016. Wave and tidal current energy–a review of the current state of research beyond technology. Renew. Sustain. Energy Rev. 58:1070–81. doi: 10.1016/j.rser.2015.12.284