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“海上丝绸之路”的资源宝库:波浪能

波浪能这一“海上丝绸之路”的资源宝库拥有着巨大的挖掘潜力,其资源的开发和利用前景无限广阔。

人们对海浪的认知通常是从海浪灾害开启的。在所有海洋灾害中,海浪所造成的人员伤亡和财产损失位居前列。然而,如果能够掌握海浪特征,充分利用波浪能,同样可以化弊为利,给人类带来福祉。波浪能可以用来做什么呢?波浪能如何产生电呢?“海上丝绸之路”的波浪能优势区域又分布在哪里?本文将带大家一起认识“海上丝绸之路”的波浪能。

海上丝绸之路

从郑和七下西洋到21世纪的“海上丝绸之路”,海洋见证着中华民族对外和平交往的优良传统。“海上丝绸之路”是构建“人类命运共同体”的重要举措,是惠及沿线国家的民心工程,更是连接“中国梦”与“世界梦”的蓝色纽带。其主要涉及两大水域:首先是南海,其次是印度洋。南海,素有“第二波斯湾”之称,也是太平洋和印度洋之间的海上走廊。据统计,全球超级油轮有一半以上航经南海,每年有一半多的世界商船队驶过南海。每年有4万多艘船只经过南海海域。日本、韩国和中国台湾地区,90%以上的石油输入要依赖南海这个航道;经过南海航道运输的液化天然气,占世界总贸易额的2/3。就我国来讲,通往国外的近40条航线中,超过一半以上的航线经过南海。印度洋,则具有“世界海权中心”的美誉,是连接太平洋和大西洋以及贯通亚洲、非洲、大洋洲的交通与石油输送的纽带。印度洋濒临欧亚非洲,南端与南极洲接壤,通过亚丁湾—苏伊士运河连接西欧—亚洲、马六甲海峡,勾连太平洋、好望角,连通大西洋—印度洋,拥有全球1/9的海港、世界1/6的货物吞吐量、近1/10的货物周转量,国际能源运输的3条主要航线都经过该海域。“海上丝绸之路”的重要性不言而喻。

“海上丝绸之路”的电力困局及应对

随着“海上丝绸之路”不断延伸,电力瓶颈日益凸显,严重制约着海上交通的高效开展。如孟加拉国农村电力普及率仅为40%,斯里兰卡的城市和农村用电普及率分别为80%和40%,仅新加坡等极少数国家的基础设施相对完善。

地球70%以上的面积被海洋覆盖,海洋不仅具有全球气候变化的重要调节作用,更是人类生命的摇篮、巨大的资源宝库。在全球变暖导致资源危机和环境危机愈发严峻、常规能源(如煤、石油等)日益紧缺的大背景下,人类将目光聚焦能源蕴藏丰富的海洋,这无疑是应对气候变化和常规能源紧缺的最佳选择,也是各个国家采取的共同策略之一。无污染、储量大、可再生、分布广、全天候等诸多优点使得波浪能成为各发达国家关注的焦点,也将是解决“海上丝绸之路”电力瓶颈的有效措施之一。

化弊为利,用好波浪能

恶劣的海况(风作用下的海面状况)往往给人类的生命和财产安全造成巨大威胁,船毁人亡的现象时有发生。但是,如果能够掌握海浪特征,同样可以化弊为利,给人类带来福祉。海浪巨大的能量可用于海浪发电,还可应用于海水淡化、制氢等。海浪发电可以帮助边远海岛、海洋平台打破电力困局,还可以为无人艇提供移动充电,为水下航行器提供移动充电,有着广阔前景。

海浪发电的主要用途

边远海岛是人类迈向深蓝海域的关键支撑,但其往往远离大陆,其所面临的电力困境一直是世界性难题。通常的做法是用船舶补给的柴油进行发电,但这种做法存在两个显著不足:首先是恶劣海况会影响补给,存在供电紧张的风险;其次,柴油发电会释放有害气体,容易破坏周围环境,不利于岛礁可持续发展。因地制宜在岛礁周边展开海浪发电,为边远海岛供电,有助于打破电力困局。尤其是在海况较差的季节,利用波浪能可化弊为利。

在全球变暖、资源危机愈发严峻的大背景下,海洋资源利用将是人类实现可持续发展的重要支撑。海洋平台是推动海洋开发建设的重要依托,然而其输配电却是一项极其复杂的工程。在近岸时,可采用海底光缆,但成本高昂、维护困难;在离岸时,电力供应尤为困难,一般由3~5台船用柴油发电机组并联供电,存在恶劣海况威胁补给、污染环境等难题。因此,因地制宜开发海洋平台周边的波浪能,有利于在保护海洋环境的前提下为海洋平台提供电力供应。

利用海浪还可以为海洋牧场和边远海岛的灯塔供电。随着捕捞强度不断加大,渔业资源日益衰退,海洋牧场是应对这一困境的有效措施之一;而灯塔则是人类远洋航海的关键支撑,尤其是一些边远海岛的灯塔,由于远离大陆,灯塔的电力供应一直是世界性难题。利用清洁、无污染、可再生的波浪能为海洋牧场和海岛灯塔供电,不仅可以保护海洋环境,海浪发电自身也是一道风景,有利于旅游业,将对海洋经济建设做出积极贡献。

海浪源源不绝之能也为海洋浮标提供了充足“储备”。海洋观测是海洋灾害监测预警、海洋资源开发的重要组成。目前,大多数海洋浮标是利用蓄电池供电,更换电池不便,维护保养费用高。利用波浪能为浮标供电,有利于维护保养,可实现无人值守,未来还可以向着观测—牧场—发电—休闲—观光—人工鱼礁一体化建设的方向发展。

此外,利用海浪,我们还可以实现为救援设备、水下航行器供电等,有助于人类更加安全、便捷地深入海洋,了解世界,共谋发展。

波浪能的优势与不足

波浪能的优势主要体现在:全天候、分布广,以机械能形式出现,是海洋能中品位最高的能量—功率密度最高,在海洋中无时不有、无处不在;海浪发电装置可悬浮于海表,不占用宝贵的海岛土地资源;抵抗台风打击、船舶撞击能力强(如英国LIMPET电站在艾莱岛安装后的第1个冬季,经历50年一遇大浪而安然无恙);能量供应比太阳能稳定;边远海岛生态脆弱,开发无污染可再生的波浪能,有利于在保护岛礁脆弱生态的前提下帮助其打破电力困局。

波浪能也有它的不足之处:资源的季节性、周期性变化显著,增加了利用难度,这就要求充分掌握资源特征;材料要求高,要求抗海水腐蚀、廉价、有较好的耐久性和可靠性,因此投资造价高;海浪发电装置的效率容易受浮游生物的影响;与陆上资料相比,海洋资料稀缺,制约着波浪能评价,包括海浪发电精准选址、业务运行、长期规划等。

波浪能如何产生电

海浪发电装置种类繁多,按能量中间转换环节主要分为气动式、机械式和液压式三大类;按固定方式主要分为漂浮式和固定式,固定式还可以根据投放地点分为岸式和离岸式。整体来说,发电原理主要是通过海浪直接或间接推动发电机切割磁力线,从而将机械能转变为电能。在此简要以浮子式海浪发电装置为例说明一下:浮子随着海浪上下起伏,通过链条带动发电机转动切割磁力线,从而将机械能转变为电能。电力问题解决后,海水淡化等问题也可随机展开。边远海岛面临的电力和淡水困境等可得到解决。

人类利用波浪能的历史也算是比较长了。1799年,法国的吉拉德父子,获得了利用波浪能的首项专利。1910年,法国的波契克斯·普莱西克,建造了一套气动式海浪发电装置,供应自家住宅1 千瓦的电力。1965年,日本的益田善雄发明了导航灯浮标用汽轮机波浪能发电装置,率先展开了商品化的波浪能开发……人们对海浪发电进行了大量探索,微小型海浪发电技术也日趋成熟。我国对波浪能资源的开发始于1975年在浙江省嵊山岛试验,20世纪80年代以后发展较快,大万山岛的波力电站、“汕尾100 千瓦”岸式波力电站相继问世。海浪发电正向着产业化、规模化的方向发展。

海上丝绸之路”的波浪能可利用率

在波浪能开发中,通常有效波高大于1.3米时可用于波浪能开发,4.0米以上有效波高具有较大的破坏能力,不利于波浪能装置的运行与安全。当然,随着波浪能装置吸波能力、防灾减灾能力的不断增强,未来可用波高的范围将相应扩大。不难理解,可用波高出现的频率直接反映着波浪能的可利用率,是波浪能开发最为关注的要素之一。尤其是远离大陆、补给困难的边远海岛,对资源的可利用率要求更高,以尽可能提高其电力自给自足能力。

我们利用近40年逐6小时的海浪数据,统计分析了“海上丝绸之路”可用波高出现的频率。“海上丝绸之路”的波浪能可利用率整体乐观,南海和阿拉伯海大部分海域全年有40%以上的时间可用,大值中心的可利用率在60%以上,孟加拉湾大部分区域全年有50%以上的时间可用,大值中心甚至达到90%以上。目前,太阳能技术成熟,已经实现了家用,由于受到白天黑夜及阴雨天气的限制,可利用率基本在50%以内。相比太阳能,波浪能的可利用率更为乐观。

“海上丝绸之路”的波浪能优势区域

本文作者和气象学家李崇银院士曾对“海上丝绸之路”的波浪能展开等级区划,发现孟加拉湾的波浪能等级最高(等级越高越有利于波浪能开发),阿拉伯海次之,南海的波浪能等级相对最低。“海上丝绸之路”最显著的波浪能优势区域为斯里兰卡东南海域(近似圆形的海域,富集区)、索马里海域(较富集区—富集区)、吕宋海峡(较富集区)。

南海,大部分海域属于可用区,优势区域分布于吕宋海峡(较富集区)。孟加拉湾,大部分海域属于较富集区。阿拉伯海,大部分海域属于较富集区,优势区域分布于索马里近海小范围海域(属于较富集区—富集区)。

由此可见,波浪能这一“海上丝绸之路”的资源宝库拥有着巨大的挖掘潜力,其资源的开发和利用前景无限广阔。

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