海水温差发电

    很久以来，人类一直在想办法开发在海浪、海流和潮汐中的海洋能。但是，一个更有发展前途的计划可直接将海洋中储存的热能开发出来，这就是海洋热能转换，简称OTEC。其原理是利用太阳晒热的热带洋面海水和760米深处的冷海水之间的温度差发电。位于夏威夷西海岸林木繁茂的凯卢阿—科纳附近一处古老的火山岩上的试验发电装置，净发电量为100千瓦。海洋热能转换装置不但不产生空气污染物或放射性废料，而且它的副产品是无害而有用的淡化海水，每天可生产7000加仑，它味道清新，足以与最好的瓶装饮料媲美。

    海洋热能转换装置建在海岸上或近海上，采用的零部件大部分是普通组件，它可以提供足够的电力和淡水，从而使包括夏威夷群岛在内的热带地区不必再进口昂贵的燃料。目前美国宾夕法尼亚州约克海洋太阳能动力公司正在设计一座100兆瓦的海上海洋热能发电站，拟建在印度的泰米尔纳德邦。另外一些计划是在马绍尔群岛和维尔京群岛建造较小的装置。根据一项研究，大约有98个热带国家和地区可从这一技术中受益。

    海洋热能转换装置与其他海洋开发方案相比有不少优点。例如最大的海浪发电装置只能生产几千瓦的电力；海浪和海流所含的能量小，因而不足以持续地产生很大的动力来使发电机运转；潮汐虽有较大的势能，但其开发成本很高，并且只限于在潮汐涨落差至少有4.9米的几处海岸上采用。一座建在法国布列塔尼半岛河口上的潮汐发电站装机容量为240兆瓦。北美唯一的示范潮汐电站建在加拿大新斯科舍的安纳波利斯河上，装机容量只有几十兆瓦。

    而海洋热能转换装置的一大优点是不受变化的潮汐和海浪的影响。储存在海洋中的太阳能任何时候都可获得，这对于海洋热能转换装置的发展至关重要。热带海面的水温通常约在27℃，深海水温则保持在冰点以上几度。这样的温度梯度使得海洋热能转换装置的能量转换可达3％~4％，任何一位工程师都知道，热源（温热的水）和冷源（冷水）之间的温差愈大，能量转换系统的效率也就愈高。与之相比，普通烧油或烧煤的蒸汽发电站的温差为260℃，其热效率在30％~35％。

    海洋热能发电站海洋热能转换装置必须动用大量的水，方可弥补热效率低的缺点。这就意味着，海洋热能转换装置所产生的电力在输入公用电网之前，还要在该装置上作更多的功。实际上20％~40％的电力用来把水通过进水管道抽入装置内部和海洋热能转换装置四周。据凯卢阿—科纳示范项目的负责人路易斯·维加称，该试验装置的运行大约要消耗150千瓦电力，不过规模较大一些的商用电站本身所消耗的电力占总发电量的百分比将会低些。

    正是由于上述原因，在从首次提出海洋热能转换计划至今的一个世纪中，研究人员一直在孜孜不倦地开发海洋热能转换装置，使之既能稳定生产大于驱动泵所需的能量，又能在易被腐蚀的海洋气候条件下良好运行，从而证明海洋热能转换装置的开发和建造是合理的。

    海洋热能转换系统的另一种类型称为闭式循环系统，它较易达到大型工业规模，理论上发电能力可达100兆瓦。1881年法国工程师雅克·阿塞内·达桑瓦尔最初提出这种方案，不过从未进行过试验。

    闭式循环海洋热能转换系统的作用原理是：海面的温热海水通过热交换器使加压氨气化，氨蒸气再驱动涡轮发电机发电。在另一热交换器中，深海冷海水使氨蒸气冷却恢复液态。一座称为微型OTEC装置的漂浮试验装置于1979年曾达到18千瓦的净发电能力，是闭式循环系统迄今获得的最好成绩。

    研究人员还将对放置在下游的水产养殖箱进行监测，以确定从装置中可能浅漏的氨以及海水中加入的少量氯对海洋生物的影响。加入氯是为了防止海藻和其他海洋生物对设备的堵塞。

    凯卢阿—科纳试验装置的运行，将有助于了解OTEC装置的一个最大的未知因素：装置部件长期被腐蚀性的海水包围，并受到海洋生物的堵塞，其寿命有多长。据工作人员称，现在正采取措施防止锈蚀。

    由于开式循环方案不易于扩大发电规模，而闭式循环方案又不能生产饮用水，究竟采用哪种方案为宜，尚难作出决定。

    把两种系统组合起来，各取所长，也许是最佳方案，混合型OTEC装置可以先通过闭式循环系统发电，然后再利用开式循环过程对装置流出的温海水和冷海水进行淡化。如在开式循环装置上加上第二级淡化装置，则会使饮用水的产量增加一倍。

    尽管OTEC装置仍存在不少工程技术和成本方面的问题，但它毕竟有很大潜力。未来学家认为，它是全世界从石油向氢燃料过渡的重要组成部分，建在海上的OTEC装置能够把海水电解而获得氢。自然能源实验室科技规划负责人汤姆·丹尼尔认为：“OTEC在环境方面是良好的，并可能提供人类所需的全部能量。”

    OTEC也同其他所有的发电方式一样，并非对环境完全无害。从一座100兆瓦的OTEC电站流出的水量相当于科罗拉多河的流量。流出的水温比进入电站的水温高或低约3℃，海水咸度和温度的变化，对于当地生态可能产生的影响尚难预料。

    太阳能热电站

    20世纪80年代，在意大利西西里岛上建成了一座规模宏大的太阳能热电站。它采用180块大型玻璃反射镜，镜子的总面积达6200多平方米。这种反光镜由一台电子计算机操纵，将太阳光集聚在高达55米的中央塔上的接收器上，使塔上锅炉产生500℃的高温和6.4兆帕（64个大气压）压力的蒸汽，从而推动汽轮发电机组发电。它的发电能力达1兆瓦。

    通常所说的太阳能发电站，实际上就是指的太阳能热电站。也就是说，它是将太阳光转变成热能，然后再通过机械装置转变成电能的。太阳能热电站的发电原理和基本过程是这样的：在地面上设置许多聚光镜，从各个角落和方向把太阳光收集起来，集中反射到一个高塔顶部的专用锅炉上，使锅炉里的水受热变为高压蒸汽，驱动汽轮机，再由汽轮机带动发电机发电。这种发电方式称为塔式发电。

    在太阳能热电站内还设有蓄热池。当用高压蒸汽推动汽轮机转动的同时，将一部分热能储存在蓄热池中。如果太阳被云暂时遮挡或者天下雨时，就由蓄热池供应锅炉的热能，以保证电站的连续发电。

    世界上第一座太阳能热电站，是建在法国的奥德约太阳能热电站。这座电站的起初发电能力虽然仅为64千瓦，但它却为以后的太阳能热电站的兴建积累了经验。

    太阳能一号电站1982年，美国在阳光充足的加利福尼亚州南部的沙漠地区，建造了目前世界上最大的太阳能电站。这座叫做太阳能一号电站的太阳能热电站，由高塔、集热设备、反射镜、汽轮发电机组等组成。它的发电能力为10兆瓦，年发电量达到300万千瓦时。

    近年来，国外还研制成一种用炭黑来捕捉太阳能以驱动发电机发电的装置。它是通过一个聚光器把太阳光集聚起来，照射在一个装有炭微粒悬浮体的加热室内。由于温度上升，使炭微粒汽化。炭微粒吸收的热量可用来加热周围的空气，使其达到相当于喷气发动机的温度和压力。于是，被加热的空气可用来驱动气轮机转动，并带动发电机发电。

    法国、德国、意大利、西班牙和希腊等许多国家也相继兴建了一批太阳能热电站，其中著名的有意大利的欧雷利奥斯太阳能热电站、西班牙的阿尔利里亚太阳能热电站和法国东比利牛斯的库米斯太阳能电站等。意大利和希腊还将建设20兆瓦的电站。

    1983年建成的阿尔梅利亚太阳能电站，位于阳光充足的西班牙南部，发电能力为1200千瓦。在西班牙还建有一座热风发电站，是利用太阳光使地面加热产生热风的办法来发电的。这座热风发电站的高塔，是由一个直径为10米、高200米的圆形钢管制成的，而集热场建在塔身周围并高出地面2米，呈圆形，直径为250米，由透明合成材料制成的薄片作顶盖。这套设备保证了集热场内的热风只能向高塔的方向流动，从而驱动气轮发电机组发电。

    一些发展中国家也在积极研究和建造太阳能热电站。地处非洲撒哈拉沙漠南部边缘的马里，已建成一座太阳能热电站，其电力用来驱动水泵，对干旱的农田进行灌溉。

    太阳能热电站的不足之处在于：1.需要占用很大的地方来设置反光镜。据计算，一座1兆瓦的太阳能热电站，仅设置反光镜就需占地350×350米。2.它的发电能力受天气和太阳出没的影响较大。虽然热电站一般都安装有蓄热器，但不能从根本上消除影响。因此，人们设想把太阳能热电站搬到宇宙空间去，从而使热电站连续不断地发电，满足人们对能源日益增长的需要。

    本领高强的地热能

    实际上，人们是通过利用各种温泉、热泉来认识地热能的。2000多年前，我国东汉时期大科学家张衡就曾采用温泉水治病。此外，我们的祖先很早就利用温泉的热水进行洗浴和取暖等。

    地热能发电站1904年，意大利人拉德瑞罗利用地热进行发电，并创建了世界上第一座地热蒸汽发电站（装机容量为250千瓦）。由于当时技术条件的限制，此后很长时间内地热在发电方面的应用一直停步不前。

    20世纪60年代以来，由于石油、煤炭等各种能源的大量消耗，美国、新西兰、意大利等国又对地热能重视起来，相继建成了一批地热电站，总计约有150多座，装机总容量达3500兆瓦。

    利用地热发电，是地热能利用的最重要和最有发展前途的方面。与其他电站比较，地热电站具有投资少、发电成本低、发电设备使用寿命长等优点，因而发展较快。

    地热电站的工作原理与一般的火电站相似，即利用汽轮机将热能转换成机械能，再由发电机变成电能。由于地热资源有高温干蒸汽、高温湿蒸汽和热水等不同种类，所以，地热发电的方法也不同。

    以高温干蒸汽为能源的地热电站，一般采用蒸汽法发电。它的发电的工作过程是，当把地热蒸汽引出地面后，先进行净化，即除掉所含的各种杂质，然后就可送入汽轮发电机组发电。如果地热蒸汽中的有害及腐蚀性成分含量较多时，也可以把地热蒸汽作为热源，用它来加热洁净的水，重新产生蒸汽来发电。这就是二次蒸汽法地热发电站。目前全世界约有3／4的地热电站属于这种类型。

    美国加州的盖瑟斯地热电站，就是二次蒸汽法地热电站的典型代表。它的装机容量达500兆瓦以上，是目前世界上最大的地热电站。

    西藏羊八井地热电站以高温湿蒸汽为能源的地热电站，大多采用汽水分离法发电。这种高温湿蒸汽是兼有蒸汽和热水的混合物，通过汽水分离器把蒸汽和热水分开，蒸汽用于发电，热水则用于取暖或其他方面。

    以地下热水为能源的地热电站，通常用地下热水为热源来加热低沸点的物质如氯乙烷或氟利昂等，使它们变成蒸汽来推动气轮发电机组发电。这就是通常所说的低沸点工质法地热发电。

    低沸点工质法地热发电所用的地热水的温度，通常低于100℃。用这种热水来将低沸点物质加热变成蒸汽，它们在推动气轮发电机组发电后，在冷凝器中凝结，再用泵重新打回热交换器，从而反复使用。

    俄罗斯在堪察加半岛南部建造的低沸点工质法地热电站，所用的地热水温仅有70℃~80℃，以低沸点的氟利昂（沸点为-29.8℃）为工质，在1.9兆帕（18.8大气压）的压力和地热水的温度为55℃的条件下，低沸点工质便可沸腾，产生蒸气来发电，其总装机容量为680千瓦。

    地热能除了用来发电外，人们还把它用于工农业生产、沐浴医疗、体育运动等许多方面。

    在工业上，地热能可用于加热、干燥、制冷、脱水加工、提取化学元素、海水淡化等方面。在农业生产上，地热能可用于温室育苗、栽培作物、养殖禽畜和鱼类等。例如，地处高纬度的冰岛不仅以地热温室种植蔬菜、水果、花卉，近年来又栽培了咖啡、橡胶等热带经济作物。在浴用医疗方面，人们早就用地热矿泉水医治皮肤病和关节炎等，不少国家还设有专供沐浴医疗用的温泉。

    向植物要石油

    人们都知道阿凡提“种金子”的故事，可不一定知道石油也能“种”出来。这是因为石油和煤炭一样，都是从地下开采出来的，人们自然认为它是一种矿物。然而，从石油是古代的动植物形成的这点来看，石油确实可以种植。

    石油树美国有位得过诺贝尔奖的化学家，名叫卡达文。他从花生油、菜籽油、豆油这些可以燃烧的植物油都是从地里种出来这点推论出，石油也应该可以种植。于是，从1978年起，他就决心要将石油种出来，以验证自己的预言。随后，卡达文就到处寻找有可能生产出石油的植物，并着手进行种植试验。有一天，卡达文发现了一种小灌木。他用刀子划破树皮后，一种像橡胶的白色乳汁便流了出来。然后，他对这种乳汁进行化验，发现它的成分和石油很相似，就把这种小灌木叫做“石油树”。

    接着，卡达文便忙碌起来，既选种，又育种，还在美国加利福尼亚州试种了约6亩地的“石油树”。结果，一年中竟收获了50吨石油，引起了人们“种石油”的兴趣。

    此后，美国便成立了一个石油植物研究所，专门从事“种石油”的研究试验。这个研究所人员发现，在加利福尼亚州有一种黄鼠草中就含有石油成分。他们从一公顷这种野生杂草中提炼出约一吨的石油来。后来，研究人员对这种草进行人工培育杂交，提高了草中的石油含量，每公顷可提炼出6吨石油。在巴西，有一种高达30多米、直径约一米的乔木，只要在这种树身上打个洞，一小时就能流出7千克的石油来。

    菲律宾有一种能产石油的胡桃，每年可收获两季。有一位种石油树的能手，种了6棵这样的胡桃树，一年就收获石油300升。

    人们不仅在陆地上“种”石油，而且还扩大到海洋上去“种”石油，因为大海里的收获量更大。

    美国能源部和太阳能研究所利用生长在美国西海岸的巨型海藻，已成功地提炼出优质的“柴油”。据统计，每平方米海面平均每天可采收50克海藻，海藻中类脂物含量达6％，每年可提炼出燃料油150升以上。

    海藻发电站加拿大科学家对海上“种”石油也产生了兴趣，并进行了成功的试验。他们在一些生长很快的海藻上放入特殊的细菌，经过化学方法处理后，便生长出了“石油”。这和细菌在漫长的岁月中分解生物体中的有机物质而形成石油的过程基本相似。但科学家只用几个星期的时间就代替了几百万年漫长时光。

    英国科学家更为独特，他们不是种海藻提炼石油，而是利用海藻直接发电，而且已研制成一套功率为25千瓦的海藻发电系统。研究海藻发电的科学家们将干燥后的海藻碾磨成直径约50微米的细小颗粒，再将小颗粒加压到300千帕，变成类似普通燃料的雾状剂，最后送到特别的发电机组中，就可发出电来。

    目前，一些国家的科学家正在海洋上建造“海藻园”新能源基地，利用生物工程技术进行人工种植栽培，形成大面积的海藻养殖，以满足海藻发电的需要。

    利用海藻代替石油发电，具有这样的两个优点：1.海藻在燃烧过程中产生的二氧化碳，可通过光合作用再循环用于海藻的生长，因而不会向空中释放产生温室效应的气体，有利于保护环境。2.海藻发电的成本比核能发电便宜得多，基本上与用煤炭、石油发电的成本相当。据计算，如果用一块56平方千米的“海藻园”种植海藻，其产生的电力即可满足英国全国的供电需要。这是因为海藻储备的有机物约等于陆地植物的4~5倍。由此可以看出，利用海藻发电大有可为，具有诱人的发展前景。

    当前，各国科学家都在积极地进行海藻培植，并将海藻精炼成类似汽油、柴油等液体燃料用于发电，从而开辟了向植物要能源的新途径。

    “接替能源”——煤层气崭露头角

    在煤的形成过程中伴随着3种副产品生成——甲烷、二氧化碳和水。由于甲烷是可燃性气体，又深藏在煤层之中，所以人们称它为“煤层气”。

    甲烷一旦产生，便吸附在煤的表面上。甲烷的产生量与煤层深浅有关。一般来讲，煤层越深，煤层气越多。理想的煤层气条件是：煤层深度300~900米，覆盖层厚度超过300米，煤层厚度大于1.5米，吨煤含气量大于8.51立方米，裂缝密度大于1.5米／条。开采甲烷的关键问题有两个：1.使甲烷从煤的表面解吸下来，一般是靠降低煤层压力来解决，主要办法是通过深水移走来降低压力；2.让从煤层表面解吸下来的甲烷顺利穿过裂缝进入井孔。煤层气如果得不到充分利用，会带来两大害处：1.在煤层开采过程中以瓦斯爆炸的形式威胁矿工的生命安全；2.每年全球有上千亿立方米的瓦斯进入大气中，对环境造成巨大污染。所以，在很早以前人们就想把煤层气作为资源加以利用，让它化害为利，这便是人们开发利用煤层气的最初动因。

    进入20世纪70年代后，受能源危机的影响，人们在寻找新能源方面的积极性空前高涨。在有天然气资源的地方，天然气备受青睐；在没有天然气的地区，煤层气便成为人们寻找中的理想新能源。此外，随着开采和应用技术的进步以及显著的经济效益，又给煤层气的开发利用注入了新的动力。

    开发煤层气在经济上的优越性表现在几个方面：勘探费用低、利润高、风险小、生产期长。其勘探费用低于石油的勘探费用，生产气井的成本也较低。一般来讲，煤层气的钻井成功率可达到90％以上，打一口井只需要2~10天。浅层井的生产寿命为16~25年，4米井的生产寿命为23~25年。

    有资料表明：全世界煤层气资源为113.2×1012~198.1×1012立方米。国外对煤层气的小规模开发利用始于20世纪50年代，大规模开发利用则是从80年代开始的。

    目前，美国煤层气的开采在世界上居领先地位，每天煤层气产量已超过2800万立方米。中国煤炭储量为1×1012吨，产量居世界首位，煤层气资源为35×1012立方米，相当于450亿吨标准煤，与中国常规天然气资源相当，已成为世界上最具煤层气开发潜力的国家之一。

    二氧化碳资源生成条件

    埋藏于地层中的二氧化碳，有的是生物化学成因，原先含在地层中的有机质，在漫长的地质年代里发生转化，形成了与石油和其他天然气相伴生的二氧化碳；有的是火山喷发带来的；有的是地下深处的石灰岩，在岩浆或热水溶液作用下受热变质，从而释放出二氧化碳。石灰岩在化学分解过程中，也可释放出二氧化碳来。总之，只要更新观念，如实地把二氧化碳作为一种宝贵的地下资源看待，认真地分析成气地质条件，寻找天然二氧化碳气藏是大有可为的。

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