潮汐能

簡介　　

　　因月球引力的變化引起潮汐現(xiàn)象，潮汐導(dǎo)致海水平面周期性地升降，因海水漲落及潮水流動所產(chǎn)生的能量稱為潮汐能。潮汐能的能量與潮量和潮差成正比，或者說，與潮差的平方和水庫的面積成正比。和水力發(fā)電相比，潮汐能的能量密度很低，相當(dāng)于微水頭發(fā)電的水平。潮汐能是指海水潮漲和潮落形成的水的勢能。

應(yīng)用

　　海洋的潮汐中蘊(yùn)藏著巨大的能量。在漲潮的過程中，洶涌而來的海水具有很大的動能，而隨著海水水位的升高，就把海水的巨大動能轉(zhuǎn)化為勢能；在落潮的過程中，海水奔騰而去，水位逐漸降低，勢能又轉(zhuǎn)化為動能。世界上潮差的較大值約為13—15m，但一般說來，平均潮差在3m以上就有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。潮汐能是因地而異的，不同的地區(qū)常常有不同的潮汐系統(tǒng)，他們都是從深海潮波獲取能量，但具有各自獨(dú)特的特征。盡管潮汐很復(fù)雜，但對于任何地方的潮汐都可以進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)報(bào)。潮汐能的利用方式主要是發(fā)電。潮汐發(fā)電是利用海灣、河口等有利地形，建筑水堤，形成水庫，以便于大量蓄積海水，并在壩中或壩旁建造水利發(fā)電廠房，通過水輪發(fā)電機(jī)組進(jìn)行發(fā)電。只有出現(xiàn)大潮，能量集中時(shí)，并且在地理?xiàng)l件適于建造潮汐電站的地方，從潮汐中提取能量才有可能。雖然這樣的場所并不是到處都有，但世界各國都已選定了相當(dāng)數(shù)量的適宜開發(fā)潮汐電站的站址。

意義

　　發(fā)展像潮汐能這樣的新能源，可以間接使大氣中的CO2含量的增加速度減慢。潮汐是一種世界性的海平面周期性變化的現(xiàn)象，由于受月亮和太陽這兩個(gè)萬有引力源的作用，海平面每晝夜有兩次漲落。潮汐作為一種自然現(xiàn)象，為人類的航海、捕撈和曬鹽提供了方便，更值得指出的是，它還可以轉(zhuǎn)變成電能，給人帶來光明和動力。

　　來源

　　潮汐能是由潮汐現(xiàn)象產(chǎn)生的能源，它與天體引力有關(guān)，地球－月亮－太陽系統(tǒng)的吸引力和熱能是形成潮汐能的來源。

　　形成方式

　　潮汐能是由日、月引潮力的作用，使地球的巖石圈、水圈和大氣圈中分別產(chǎn)生的周期性的運(yùn)動和變化的總稱。固體地球在日、月引潮力作用下引起的彈性—塑性形變，稱固體潮汐能。

　　作為完整的潮汐科學(xué)，其研究對象應(yīng)將地潮、海潮和氣潮作為一個(gè)統(tǒng)一的整體，但由于海潮現(xiàn)象十分明顯，且與人們的生活、經(jīng)濟(jì)活動、交通運(yùn)輸?shù)汝P(guān)系密切，因而習(xí)慣上將潮汐能一詞狹義理解為海洋潮汐。

現(xiàn)象

　　真實(shí)月球引力和平均引力的差值稱為干擾力，干擾力的水平分量迫使海水移向地球、月球連線并產(chǎn)生水峰。對應(yīng)于高潮的水峰，每隔24小時(shí)50分鐘（即地球同一經(jīng)度從第一次正對月球到第二次正對月球所需時(shí)間）發(fā)生兩次，亦即月球每隔12小時(shí)25分鐘即導(dǎo)致海水漲潮一次，此種漲潮稱為半天潮。

　　潮汐導(dǎo)致海水平面的升高與降低呈周期性。每一月份滿月和新月的時(shí)候，太陽、地球和月球三者排列成一直線。此時(shí)由于太陽和月球累加的引力作用，使得產(chǎn)生的潮汐較平時(shí)高，此種潮汐稱為春潮。當(dāng)?shù)厍颉⒃虑蚝偷厍?、太陽成一直角，則引力相互抵消，因此而產(chǎn)生的潮汐較低，是為小潮。各地的平均潮距不同，如某些地區(qū)的海岸線會導(dǎo)致共振作用而增強(qiáng)潮距，而其他地區(qū)海岸線卻會降低潮距。影響潮距的另一因素科氏力，其源自流體流動的角動量守恒。若洋流在北半球往北流，其移動接近地球轉(zhuǎn)軸，故角速度增大，因此，洋流會偏向東方流，即東部海岸的海水較高；同樣，若北半球洋流流向南方，則西部海岸的海水較高。

發(fā)電原理

　　潮汐發(fā)電的主要的原理是利用天體引潮力導(dǎo)致海水發(fā)生水平流動的動能來制造電能。

發(fā)電形式

　　潮水的流動與河水的流動不同，它是不斷變換方向的，潮汐發(fā)電有以下三種形式：

　　單庫單向電站即只用一個(gè)水庫，僅在漲潮（或落潮）時(shí)發(fā)電，我國浙江省溫嶺市沙山潮汐電站就是這種類型。

　　單庫雙向電站用一個(gè)水庫，但是漲潮與落潮時(shí)均可發(fā)電，只是在平潮時(shí)不能發(fā)電，廣東省東莞市的鎮(zhèn)口潮汐電站及浙江省溫嶺市江廈潮汐電站，就是這種型式。

　　雙庫雙向電站它是用二個(gè)相鄰的水庫，使一個(gè)水庫在漲潮時(shí)進(jìn)水，另一個(gè)水庫在落潮時(shí)放水，這樣前一個(gè)水庫的水位總比后一個(gè)水庫的水位高，故前者稱為上水庫，后者稱為下水庫。水輪發(fā)電機(jī)組放在兩水庫之間的隔壩內(nèi)，兩水庫始終保持著水位差，故可以全天發(fā)電。

具備條件

　　利用潮汐發(fā)電必須具備兩個(gè)物理?xiàng)l件。

　　第一，潮汐的幅度必須大，至少要有幾米。

　　第二，海岸的地形必須能儲蓄大量海水，并可進(jìn)行土建工程。

優(yōu)缺點(diǎn)

　　潮汐能利用的主要方式是發(fā)電。潮汐發(fā)電的工作原理與常規(guī)水力發(fā)電的原理類似，它是利用潮水的漲、落產(chǎn)生的水位差所具有的勢能來發(fā)電。差別在于海水與河水不同，蓄積的海水落差不大，但流量較大，并且呈間歇性，從而潮汐發(fā)電的水輪機(jī)的結(jié)構(gòu)要適合低水頭、大流量的特點(diǎn)。具體地說，就是在有條件的海灣或感潮河口建筑堤壩、閘門和廠房，將海灣(或河口)與外海隔開圍成水庫，并在閘壩內(nèi)或發(fā)電站廠房內(nèi)安裝水輪發(fā)電機(jī)組。海洋潮位周期性的漲落過程曲線類似于正弦波。對水閘適當(dāng)?shù)剡M(jìn)行啟閉調(diào)節(jié)，使水庫內(nèi)水位的變化滯后于海面的變化，水庫水位與外海潮位就會形成一定的高度差(即工作水頭)，從而驅(qū)動水輪發(fā)電機(jī)組發(fā)電。從能量的角度來看，就是將海水的勢能和動能，通過水輪發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)化為電能的過程。中國潮汐能資源特點(diǎn)

　　一）蘊(yùn)藏量十分可觀。

　　二）中國潮汐能資源的地理分布十分不均勻。沿海潮差以東海為最大，黃海次之，渤海南部和南海最小。河口潮汐能資源以錢塘江口為最豐富，其次為長江口，以下依次為珠江、晉江、閩江和甌江等河口。以地區(qū)而言，主要集中在華東沿海，其中以福建、浙江、上海長江北支為最多，占中國可開發(fā)潮汐能的88%。

　　三）地形地質(zhì)方面，中國沿海主要為平原型和港灣型兩類，以杭州灣為界，杭州灣以北，大部分歸平原海岸，海岸線平直，地形平坦，并由沙或淤泥組成，潮差較小，且缺乏較優(yōu)越的港灣壩址；杭州灣以南，港灣海岸較多，地勢險(xiǎn)峻，岸線岬灣曲折，坡陡水深，海灣、海岸潮差較大，且有較優(yōu)越的發(fā)電壩址。但漸、閩兩省沿岸為淤泥質(zhì)港灣，雖有豐富的潮汐能資源，但開發(fā)存在較大的困難，需著重研究解決水庫的泥沙淤積問題。

開發(fā)利用

　　潮汐能是一種不消耗燃料、沒有污染、不受洪水或枯水影響、用之不竭的再生能源。在海洋各種能源中，潮汐能的開發(fā)利用最為現(xiàn)實(shí)、最為簡便。中國早在20世紀(jì)50年代就已開始利用潮汐能，在這一方面是世界上起步較早的國家。1956年建成的福建省浚邊潮汐水輪泵站就是以潮汐作為動力來揚(yáng)水灌田的。到了1958年，潮汐電站便在全國遍地開花。據(jù)1958年10月份召開的“全國第一次潮力發(fā)電會議”統(tǒng)計(jì)，已建成的潮汐電站就有41座，在建的還有88座。裝機(jī)容量有大到144千瓦的，也有小到僅為5千瓦的。主要都用于照明和帶動小型農(nóng)用設(shè)施。如1959年建成的浙江溫嶺縣沙山潮汐動力站，1961年進(jìn)一步建為電站，裝機(jī)容量僅40千瓦，每年可發(fā)電10萬千瓦·時(shí)，原建和改建總投資僅4萬元（人民幣，下同）。據(jù)1986年統(tǒng)計(jì)，其發(fā)電累計(jì)收入已超過投資的10多倍。中國尚在運(yùn)行的潮汐電站還有近10座，其中浙江樂清灣的江廈潮汐電站，造價(jià)與600千瓦以下的小水電站相當(dāng)，第一臺機(jī)組于1980年開始發(fā)電，1985年底全面建成，年發(fā)電量可達(dá)1070萬千瓦·時(shí)，每千瓦·時(shí)電價(jià)只要0.067元。每年自身經(jīng)濟(jì)效益，包括發(fā)電67萬元，水產(chǎn)養(yǎng)殖74萬元和農(nóng)墾收入190萬元，共計(jì)可達(dá)330萬元。社會效益，以每千瓦·時(shí)電可創(chuàng)社會產(chǎn)值5元計(jì)，可達(dá)5000萬元。這是中國，也是亞洲最大的潮汐電站，僅次于法國朗斯潮汐電站和加拿大安納波利斯潮汐電站，居世界第三位。

　　潮汐能是潮差所具有的勢能，開發(fā)利用的基本方式同建水電站差不多：先在海灣或河口筑堤設(shè)閘，漲潮時(shí)開閘引水入庫，落潮時(shí)便放水驅(qū)動水輪機(jī)組發(fā)電，這就是所謂“單庫單向發(fā)電”。這種類型的電站只能在落潮時(shí)發(fā)電，一天兩次，每次最多5小時(shí)。

　　為提高潮汐的利用率，盡量做到在漲潮和落潮時(shí)都能發(fā)電，人們便使用了巧妙的回路設(shè)施或雙向水輪機(jī)組，以在漲潮進(jìn)水和落潮出水時(shí)都能發(fā)電，這就是“單庫雙向發(fā)電”，像上述江廈潮汐電站就屬這種類型。

　　然而，這兩種類型都不能在平潮（沒有水位差）或停潮時(shí)水庫中水放完的情況下發(fā)出電壓比較平穩(wěn)的電力。于是人們又想出了配置高低兩個(gè)不同的水庫來進(jìn)行雙向發(fā)電，這就是“雙庫雙向發(fā)電”。這種方式不僅在漲落潮全過程中都可連續(xù)不斷發(fā)電，還能使電力輸出比較平穩(wěn)。它特別適用于那些孤立海島，使海島可隨時(shí)不間斷地得到平穩(wěn)的電力供應(yīng)。像浙江省玉環(huán)縣茅蜒島上的海山潮汐電站就屬這種類型。它有上下兩個(gè)蓄潮水庫，并配有小型抽水蓄能電站。這樣，它每月可發(fā)電25天，產(chǎn)電10000千瓦·時(shí)。為了抽水蓄能，它每月要以3千瓦·時(shí)換1千瓦·時(shí)的代價(jià)用去5000千瓦·時(shí)電來獲得供電的持續(xù)性和均衡性，故有一定的電力損失。

　　從總體上看，現(xiàn)今潮能開發(fā)利用的技術(shù)難題已基本解決，國內(nèi)外都有許多成功的實(shí)例，技術(shù)更新也很快。

　　作為國外技術(shù)進(jìn)步標(biāo)志的法國朗斯潮汐發(fā)電站，1968年建成，裝有24臺具有能正反向發(fā)電的燈泡式發(fā)電機(jī)組，轉(zhuǎn)輪直徑為5.35米，單機(jī)容量1萬千瓦，年發(fā)電量達(dá)5.4億千瓦·時(shí)。1984年建成的加拿大安納波利斯潮汐電站，裝有1臺容量為世界最大的2萬千瓦單向水輪機(jī)組，轉(zhuǎn)輪直徑為7.6米，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子設(shè)在水輪機(jī)葉片外緣，采用了新型的密封技術(shù)，冷卻快，效率高，造價(jià)比法國燈泡式機(jī)組低15%，維修也很方便。中國自行設(shè)計(jì)的潮汐電站中，江廈電站比較正規(guī)，技術(shù)也較成熟。該電站原設(shè)計(jì)裝6臺單機(jī)容量為500千瓦的燈泡式機(jī)組，實(shí)際上只安裝了5臺，總?cè)萘烤瓦_(dá)到了3200千瓦。單機(jī)容量有500千瓦、600千瓦和700千瓦三種規(guī)格，轉(zhuǎn)輪直徑為2.5米。在海上建筑和機(jī)組防銹蝕、防止海洋生物附著等方面也以較先進(jìn)的辦法取得了良好效果。尤其是最后兩臺機(jī)組，達(dá)到了國外先進(jìn)技術(shù)水平，具有雙向發(fā)電、泄水和泵水蓄能多種功能，采用了技術(shù)含量較高的行星齒輪增速傳動機(jī)構(gòu)，這樣既不用加大機(jī)組體積，又增大了發(fā)電功率，還降低了建筑的成本。

　　潮汐發(fā)電利用的是潮差勢能，世界上最高的潮差也不過10多米，在我國潮差高才達(dá)9米，因此不可能像水力發(fā)電那樣利用幾十米、百余米的水頭發(fā)電，潮汐發(fā)電的水輪機(jī)組必須適應(yīng)“低水頭、大流量”的特點(diǎn)，水輪做得較大。但水輪做大了，配套設(shè)施的造價(jià)也會相應(yīng)增大。于是，如何解決這個(gè)問題，就成為反映其技術(shù)水平高低的一種標(biāo)志。1974年投產(chǎn)的廣東甘竹灘洪潮電站就是一個(gè)成功的代表。它的特點(diǎn)是洪潮兼蓄，只要有0.3米高的落差就能發(fā)電，甘竹灘電站的總裝機(jī)容量為5000千瓦，平均年發(fā)電1030萬千瓦·時(shí)。它的轉(zhuǎn)輪直徑為3米，加上大量采用水泥代用構(gòu)件，成本較低，對民辦小型潮汐電站很有借鑒意義。

應(yīng)用現(xiàn)狀

　　由于常規(guī)電站廉價(jià)電費(fèi)的競爭，建成投產(chǎn)的商業(yè)用潮汐電站不多。然而，由于潮汐能蘊(yùn)藏量的巨大和潮汐發(fā)電的許多優(yōu)點(diǎn)，人們還是非常重視對潮汐發(fā)電的研究和試驗(yàn)。

　　據(jù)海洋學(xué)家計(jì)算，世界上潮汐能發(fā)電的資源量在10億千瓦以上，也是一個(gè)天文數(shù)字。潮汐能普查計(jì)算的方法是，首先選定適于建潮汐電站的站址，再計(jì)算這些地點(diǎn)可開發(fā)的發(fā)電裝機(jī)容量，疊加起來即為估算的資源量。

　　20世紀(jì)初，歐、美一些國家開始研究潮汐發(fā)電。第一座具有商業(yè)實(shí)用價(jià)值的潮汐電站是1967年建成的法國郎斯電站。該電站位于法國圣馬洛灣郎斯河口。郎斯河口最大潮差13.4米，平均潮差8米。一道750米長的大壩橫跨郎斯河。壩上是通行車輛的公路橋，壩下設(shè)置船閘、泄水閘和發(fā)電機(jī)房。郎斯潮汐電站機(jī)房中安裝有24臺雙向渦輪發(fā)電機(jī)，漲潮、落潮都能發(fā)電?？傃b機(jī)容量24萬千瓦，年發(fā)電量5億多度，輸入國家電網(wǎng)。

　　1968年，前蘇聯(lián)在其北方摩爾曼斯克附近的基斯拉雅灣建成了一座800千瓦的試驗(yàn)潮汐電站。1980年，加拿大在芬地灣興建了一座2萬干瓦的中間試驗(yàn)潮汐電站。試驗(yàn)電站、中試電站，那是為了興建更大的實(shí)用電站做論證和準(zhǔn)備用的。世界上適于建設(shè)潮汐電站的20幾處地方，都在研究、設(shè)計(jì)建設(shè)潮汐電站。其中包括：美國阿拉斯加州的庫克灣、加拿大芬地灣、英國塞文河口、阿根廷圣約瑟灣、澳大利亞達(dá)爾文范迪門灣、印度坎貝河口、俄羅斯遠(yuǎn)東鄂霍茨克海品仁灣、韓國仁川灣等地。隨著技術(shù)進(jìn)步，潮汐發(fā)電成本的不斷降低，進(jìn)入2l世紀(jì)，將不斷會有大型現(xiàn)代潮汐電站建成使用。

　　中國潮汐能的理論蘊(yùn)藏量達(dá)到1.1億千瓦，在中國沿海，特別是東南沿海有很多能量密度較高，平均潮差4～5m，最大潮差7～8m。其中浙江、福建兩省蘊(yùn)藏量最大，約占全國的80.9%。我國的江夏潮汐實(shí)驗(yàn)電站，建于浙江省樂清灣北側(cè)的江夏港，裝機(jī)容量3200kW，于1980年正式投入運(yùn)行。

　　中國水力資源的蘊(yùn)藏量達(dá)6.8億kW，約占全世界的1/6，居世界第1位，建成后的長江三峽水電站將是世界上最大的水力發(fā)電站，裝機(jī)容量1820萬kW。

　　今年7月，美國第一個(gè)并網(wǎng)潮汐能項(xiàng)目投入運(yùn)營，項(xiàng)目位于緬因州和加拿大之間的芬迪灣，這里每天都有千億噸的水流湍急流過，形成15米左右高的海浪并能帶來5884千瓦的電能。項(xiàng)目將分幾期完成，最終將達(dá)到4兆瓦的發(fā)電量，并能供應(yīng)1000戶家庭和商業(yè)機(jī)構(gòu)使用。

　　該項(xiàng)目的第一期工程于上周正式并網(wǎng)。目前每日可發(fā)電量180千瓦，足以滿足25到30戶家庭的使用。但到目前為止，它還沒有真正為電網(wǎng)貢獻(xiàn)過一度電，原因是政府扶持力度不夠。而歐洲政府穩(wěn)定的政策優(yōu)惠和補(bǔ)助已經(jīng)使歐洲海洋能產(chǎn)業(yè)站穩(wěn)了腳跟。

　　緬因州的這個(gè)潮汐能項(xiàng)目并非是北美洲第一個(gè)潮汐能項(xiàng)目，（第一個(gè)是1984年在加拿大新斯科舍省的潮汐能發(fā)電站），但它卻是第一個(gè)不設(shè)置壩體的潮汐能發(fā)電機(jī)組，這樣基本不會影響到海洋生物的正常生活。