潮汐能

簡介　　

　　因月球引力的變化引起潮汐現(xiàn)象，潮汐導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。

應用

　　海洋的潮汐中蘊藏著巨大的能量。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以上就有實際應用價值。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，但具有各自獨特的特征。盡管潮汐很復雜，但對于任何地方的潮汐都可以進行準確預報。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)電機組進行發(fā)電。只有出現(xiàn)大潮，能量集中時，并且在地理條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，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，其研究對象應將地潮、海潮和氣潮作為一個統(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)濟活動、交通運輸?shù)汝P系密切，因而習慣上將潮汐能一詞狹義理解為海洋潮汐。

現(xiàn)象

　　真實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。對應于高潮的水峰，每隔24小時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間）發(fā)生兩次，亦即月球每隔12小時25分鐘即導致海水漲潮一次，此種漲潮稱為半天潮。

　　潮汐導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候，太陽、地球和月球三者排列成一直線。此時由于太陽和月球累加的引力作用，使得產(chǎn)生的潮汐較平時高，此種潮汐稱為春潮。當?shù)厍?、月球和地球、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)的海岸線會導致共振作用而增強潮距，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水庫，僅在漲潮（或落潮）時發(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水庫，但是漲潮與落潮時均可發(fā)電，只是在平潮時不能發(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相鄰的水庫，使一個水庫在漲潮時進水，另一個水庫在落潮時放水，這樣前一個水庫的水位總比后一個水庫的水位高，故前者稱為上水庫，后者稱為下水庫。水輪發(fā)電機組放在兩水庫之間的隔壩內，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)電必須具備兩個物理條件。

　　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，并可進行土建工程。

優(yōu)缺點

　　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)電的水輪機的結構要適合低水頭、大流量的特點。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，并在閘壩內或發(fā)電站廠房內安裝水輪發(fā)電機組。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?shù)剡M行啟閉調節(jié)，使水庫內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)，從而驅動水輪發(fā)電機組發(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)電機組轉化為電能的過程。中國潮汐能資源特點

　　一）蘊藏量十分可觀。

　　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、最為簡便。中國早在20世紀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，已建成的潮汐電站就有41座，在建的還有88座。裝機容量有大到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)用設施。如1959年建成的浙江溫嶺縣沙山潮汐動力站，1961年進一步建為電站，裝機容量僅40千瓦，每年可發(fā)電10萬千瓦·時，原建和改建總投資僅4萬元（人民幣，下同）。據(jù)1986年統(tǒng)計，其發(fā)電累計收入已超過投資的10多倍。中國尚在運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，造價與600千瓦以下的小水電站相當，第一臺機組于1980年開始發(fā)電，1985年底全面建成，年發(fā)電量可達1070萬千瓦·時，每千瓦·時電價只要0.067元。每年自身經(jīng)濟效益，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，共計可達330萬元。社會效益，以每千瓦·時電可創(chuàng)社會產(chǎn)值5元計，可達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閘，漲潮時開閘引水入庫，落潮時便放水驅動水輪機組發(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發(fā)電，一天兩次，每次最多5小時。

　　為提高潮汐的利用率，盡量做到在漲潮和落潮時都能發(fā)電，人們便使用了巧妙的回路設施或雙向水輪機組，以在漲潮進水和落潮出水時都能發(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不同的水庫來進行雙向發(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，使海島可隨時不間斷地得到平穩(wěn)的電力供應。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。為了抽水蓄能，它每月要以3千瓦·時換1千瓦·時的代價用去5000千瓦·時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)利用的技術難題已基本解決，國內外都有許多成功的實例，技術更新也很快。

　　作為國外技術進步標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)電機組，轉輪直徑為5.35米，單機容量1萬千瓦，年發(fā)電量達5.4億千瓦·時。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組，轉輪直徑為7.6米，發(fā)電機轉子設在水輪機葉片外緣，采用了新型的密封技術，冷卻快，效率高，造價比法國燈泡式機組低15%，維修也很方便。中國自行設計的潮汐電站中，江廈電站比較正規(guī)，技術也較成熟。該電站原設計裝6臺單機容量為500千瓦的燈泡式機組，實際上只安裝了5臺，總容量就達到了3200千瓦。單機容量有500千瓦、600千瓦和700千瓦三種規(guī)格，轉輪直徑為2.5米。在海上建筑和機組防銹蝕、防止海洋生物附著等方面也以較先進的辦法取得了良好效果。尤其是最后兩臺機組，達到了國外先進技術水平，具有雙向發(fā)電、泄水和泵水蓄能多種功能，采用了技術含量較高的行星齒輪增速傳動機構，這樣既不用加大機組體積，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)電的水輪機組必須適應“低水頭、大流量”的特點，水輪做得較大。但水輪做大了，配套設施的造價也會相應增大。于是，如何解決這個問題，就成為反映其技術水平高低的一種標志。1974年投產(chǎn)的廣東甘竹灘洪潮電站就是一個成功的代表。它的特點是洪潮兼蓄，只要有0.3米高的落差就能發(fā)電，甘竹灘電站的總裝機容量為5000千瓦，平均年發(fā)電1030萬千瓦·時。它的轉輪直徑為3米，加上大量采用水泥代用構件，成本較低，對民辦小型潮汐電站很有借鑒意義。

應用現(xiàn)狀

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

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

　　20世紀初，歐、美一些國家開始研究潮汐發(fā)電。第一座具有商業(yè)實用價值的潮汐電站是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，壩下設置船閘、泄水閘和發(fā)電機房。郎斯潮汐電站機房中安裝有24臺雙向渦輪發(fā)電機，漲潮、落潮都能發(fā)電?？傃b機容量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潮汐電站。試驗電站、中試電站，那是為了興建更大的實用電站做論證和準備用的。世界上適于建設潮汐電站的20幾處地方，都在研究、設計建設潮汐電站。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、澳大利亞達爾文范迪門灣、印度坎貝河口、俄羅斯遠東鄂霍茨克海品仁灣、韓國仁川灣等地。隨著技術進步，潮汐發(fā)電成本的不斷降低，進入2l世紀，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藏量達到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、福建兩省蘊藏量最大，約占全國的80.9%。我國的江夏潮汐實驗電站，建于浙江省樂清灣北側的江夏港，裝機容量3200kW，于1980年正式投入運行。

　　中國水力資源的蘊藏量達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，裝機容量1820萬kW。

　　今年7月，美國第一個并網(wǎng)潮汐能項目投入運營，項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。項目將分幾期完成，最終將達到4兆瓦的發(fā)電量，并能供應1000戶家庭和商業(yè)機構使用。

　　該項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。

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