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什么是潮汐能?

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发布日期:2018-04-17 浏览次数:1739
核心提示:潮汐能是海水周期性涨落运动中所具有的能量,所表现出来的势能与动能都能被利用,是一种可再生能源。本文主要介绍了潮汐能的应用、意义、现象、发电原理、发电形势、具备条件、优缺点等内容。

环境污染严重的当今世界,各国为解决大气污染与能源枯竭现象,争相开始研究各种可再生能源可再生能源的使用可以暂缓资源枯竭的情况,还能减少温室气体的排放量,有着诸多好处,今天我们要说的潮汐能便是可再生能源的一种。潮汐能(tide energy) 海水周期性涨落运动中所具有的能量。其水位差表现为势能,其潮流的速度表现为动能。这两种能量都可以利用,是一种可再生能源。由于在海水的各种运动中潮汐最守信,最具规律性,又涨落于岸边,也最早为人们所认识和利用,在各种海洋能的利用中,潮汐能的利用是最成熟的。

因月球引力的变化引起潮汐现象,潮汐导致海水平面周期性地升降,因海水涨落及潮水流动所产生的能量称为潮汐能。这种能量是永恒的、无污染的能量。潮汐能的能量与潮量和潮差成正比,或者说,与潮差的平方和水库的面积成正比。和水力发电相比,潮汐能的能量密度很低,相当于微水头发电的水平。

应用

海洋的潮汐中蕴藏着巨大的能量。在涨潮的过程中,汹涌而来的海水具有很大的动能,而随着海水水位的升高,就把海水的巨大动能转化为势能;在落潮的过程中,海水奔腾而去,水位逐渐降低,势能又转化为动能。世界上潮差的较大值约为13—15m,但一般说来,平均潮差在3m以上就有实际应用价值。潮汐能是因地而异的,不同的地区常常有不同的潮汐系统,他们都是从深海潮波获取能量,但具有各自独特的特征。尽管潮汐很复杂,但对于任何地方的潮汐都可以进行准确预报。潮汐能的利用方式主要是发电。潮汐发电是利用海湾、河口等有利地形,建筑水堤,形成水库,以便于大量蓄积海水,并在坝中或坝旁建造水利发电厂房,通过水轮发电机组进行发电。只有出现大潮,能量集中时,并且在地理条件适于建造潮汐电站的地方,从潮汐中提取能量才有可能。虽然这样的场所并不是到处都有,但世界各国都已选定了相当数量的适宜开发潮汐电站的站址。

意义

发展像潮汐能这样的新能源,可以间接使大气中的CO2含量的增加速度减慢。潮汐是一种世界性的海平面周期性变化的现象,由于受月亮和太阳这两个万有引力源的作用,海平面每昼夜有两次涨落。潮汐作为一种自然现象,为人类的航海、捕捞和晒盐提供了方便,更值得指出的是,它还可以转变成电能,给人带来光明和动力。

来源

潮汐能是由潮汐现象产生的能源,它与天体引力有关,地球-月亮-太阳系统的吸引力和热能是形成潮汐能的来源。

形成方式

潮汐能是由日、月引潮力的作用,使地球的岩石圈、水圈和大气圈中分别产生的周期性的运动和变化的总称。固体地球在日、月引潮力作用下引起的弹性—塑性形变,称固体潮汐能。

作为完整的潮汐科学,其研究对象应将地潮、海潮和气潮作为一个统一的整体,但由于海潮现象十分明显,且与人们的生活、经济活动、交通运输等关系密切,因而习惯上将潮汐能一词狭义理解为海洋潮汐。

现象

真实月球引力和平均引力的差值称为干扰力,干扰力的水平分量迫使海水移向地球、月球连线并产生水峰。对应于高潮的水峰,每隔24小时50分钟(即地球同一经度从第一次正对月球到第二次正对月球所需时间)发生两次,亦即月球每隔12小时25分钟即导致海水涨潮一次,此种涨潮称为半天潮。

潮汐导致海水平面的升高与降低呈周期性。每一月份满月和新月的时候,太阳、地球和月球三者排列成一直线。此时由于太阳和月球累加的引力作用,使得产生的潮汐较平时高,此种潮汐称为春潮。当地球、月球和地球、太阳成一直角,则引力相互抵消,因此而产生的潮汐较低,是为小潮。 各地的平均潮距不同,如某些地区的海岸线会导致共振作用而增强潮距,而其他地区海岸线却会降低潮距。影响潮距的另一因素科氏力,其源自流体流动的角动量守恒。若洋流在北半球往北流,其移动接近地球转轴,故角速度增大,因此,洋流会偏向东方流,即东部海岸的海水较高;同样,若北半球洋流流向南方,则西部海岸的海水较高。

发电原理

潮汐发电的主要的原理是利用天体引潮力导致海水发生水平流动的动能来制造电能。

发电形式

潮水的流动与河水的流动不同,它是不断变换方向的,潮汐发电有以下三种形式:

单库单向电站  即只用一个水库,仅在涨潮(或落潮)时发电,我国浙江省温岭市沙山潮汐电站就是这种类型。

单库双向电站  用一个水库,但是涨潮与落潮时均可发电,只是在平潮时不能发电,广东省东莞市的镇口潮汐电站及浙江省温岭市江厦潮汐电站,就是这种型式。

双库双向电站  它是用两个相邻的水库,使一个水库在涨潮时进水,另一个水库在落潮时放水,这样前一个水库的水位总比后一个水库的水位高,故前者称为上水库,后者称为下水库。水轮发电机组放在两水库之间的隔坝内,两水库始终保持着水位差,故可以全天发电。

具备条件

利用潮汐发电必须具备两个物理条件。

第一,潮汐的幅度必须大,至少要有几米。

第二,海岸的地形必须能储蓄大量海水,并可进行土建工程。

优缺点

潮汐能利用的主要方式是发电。潮汐发电的工作原理与常规水力发电的原理类似,它是利用潮水的涨、落产生的水位差所具有的势能来发电。差别在于海水与河水不同,蓄积的海水落差不大,但流量较大,并且呈间歇性,从而潮汐发电的水轮机的结构要适合低水头、大流量的特点。具体地说,就是在有条件的海湾或感潮河口建筑堤坝、闸门和厂房,将海湾(或河口)与外海隔开围成水库,并在闸坝内或发电站厂房内安装水轮发电机组。海洋潮位周期性的涨落过程曲线类似于正弦波。一定的高度差(即工作水头) ,从而驱动水轮发电机组发电。从能量的角度来看,就是将海水的势能和动能,通过水轮发电机组转化为电能的过程。

中国潮汐能资源特点

一)蕴藏量十分可观。

二)中国潮汐能资源的地理分布十分不均匀。沿海潮差以东海为最大,黄海次之,渤海南部和南海最小。河口潮汐能资源以钱塘江口为最丰富,其次为长江口,以下依次为珠江、晋江、闽江和瓯江等河口。以地区而言,主要集中在华东沿海,其中以福建、浙江、上海长江北支为最多,占中国可开发潮汐能的88%。

三)地形地质方面,中国沿海主要为平原型和港湾型两类,以杭州湾为界,杭州湾以北,大部分归平原海岸,海岸线平直,地形平坦,并由沙或淤泥组成,潮差较小,且缺乏较优越的港湾坝址;杭州湾以南,港湾海岸较多,地势险峻,岸线岬湾曲折,坡陡水深,海湾、海岸潮差较大,且有较优越的发电坝址。但渐、闽两省沿岸为淤泥质港湾,虽有丰富的潮汐能资源,但开发存在较大的困难,需着重研究解决水库的泥沙淤积问题。

开发利用

潮汐能是一种不消耗燃料、没有污染、不受洪水或枯水影响、用之不竭的再生能源。在海洋各种能源中,潮汐能的开发利用最为现实、最为简便。中国早在20世纪50年代就已开始利用潮汐能,在这一方面是世界上起步较早的国家。1956年建成的福建省浚边潮汐水轮泵站就是以潮汐作为动力来扬水灌田的。到了1958年,潮汐电站便在全国遍地开花。据1958年10月份召开的“全国第一次潮力发电会议”统计,已建成的潮汐电站就有41座,在建的还有88座。装机容量有大到144千瓦的,也有小到仅为5千瓦的。主要都用于照明和带动小型农用设施。如1959年建成的浙江温岭县沙山潮汐动力站,1961年进一步建为电站,装机容量仅40千瓦,每年可发电10万千瓦·时,原建和改建总投资仅4万元(人民币,下同)。据1986年统计,其发电累计收入已超过投资的10多倍。中国尚在运行的潮汐电站还有近10座,其中浙江乐清湾的江厦潮汐电站,造价与600千瓦以下的小水电站相当,第一台机组于1980年开始发电,1985年底全面建成,年发电量可达1070万千瓦·时,每千瓦·时电价只要0.067元。每年自身经济效益,包括发电67万元,水产养殖74万元和农垦收入190万元,共计可达330万元。社会效益,以每千瓦·时电可创社会产值5元计,可达5000万元。这是中国,也是亚洲最大的潮汐电站,仅次于法国朗斯潮汐电站和加拿大安纳波利斯潮汐电站,居世界第三位。

潮汐能是潮差所具有的势能,开发利用的基本方式同建水电站差不多:先在海湾或河口筑堤设闸,涨潮时开闸引水入库,落潮时便放水驱动水轮机组发电,这就是所谓“单库单向发电”。这种类型的电站只能在落潮时发电,一天两次,每次最多5小时。

为提高潮汐的利用率,尽量做到在涨潮和落潮时都能发电,人们便使用了巧妙的回路设施或双向水轮机组,以在涨潮进水和落潮出水时都能发电,这就是“单库双向发电”,像上述江厦潮汐电站就属这种类型。

然而,这两种类型都不能在平潮(没有水位差)或停潮时水库中水放完的情况下发出电压比较平稳的电力。于是人们又想出了配置高低两个不同的水库来进行双向发电,这就是“双库双向发电”。这种方式不仅在涨落潮全过程中都可连续不断发电,还能使电力输出比较平稳。它特别适用于那些孤立海岛,使海岛可随时不间断地得到平稳的电力供应。像浙江省玉环县茅蜒岛上的海山潮汐电站就属这种类型。它有上下两个蓄潮水库,并配有小型抽水蓄能电站。这样,它每月可发电25天,产电10000千瓦·时。为了抽水蓄能,它每月要以3千瓦·时换1千瓦·时的代价用去5000千瓦·时电来获得供电的持续性和均衡性,故有一定的电力损失。

从总体上看,现今潮能开发利用的技术难题已基本解决,国内外都有许多成功的实例,技术更新也很快。

作为国外技术进步标志的法国朗斯潮汐发电站,1968年建成,装有24台具有能正反向发电的灯泡式发电机组,转轮直径为5.35米,单机容量1万千瓦,年发电量达5.4亿千瓦·时。1984年建成的加拿大安纳波利斯潮汐电站,装有1台容量为世界最大的2万千瓦单向水轮机组,转轮直径为7.6米,发电机转子设在水轮机叶片外缘,采用了新型的密封技术,冷却快,效率高,造价比法国灯泡式机组低15%,维修也很方便。 中国自行设计的潮汐电站中,江厦电站比较正规,技术也较成熟。该电站原设计装6台单机容量为500千瓦的灯泡式机组,实际上只安装了5台,总容量就达到了3200千瓦。单机容量有500千瓦、600千瓦和700千瓦三种规格,转轮直径为2.5米。在海上建筑和机组防锈蚀、防止海洋生物附着等方面也以较先进的办法取得了良好效果。尤其是最后两台机组,达到了国外先进技术水平,具有双向发电、泄水和泵水蓄能多种功能,采用了技术含量较高的行星齿轮增速传动机构,这样既不用加大机组体积,又增大了发电功率,还降低了建筑的成本。

潮汐发电利用的是潮差势能,世界上最高的潮差也不过10多米,在我国潮差高才达9米,因此不可能像水力发电那样利用几十米、百余米的水头发电,潮汐发电的水轮机组必须适应“低水头、大流量”的特点,水轮做得较大。但水轮做大了,配套设施的造价也会相应增大。于是,如何解决这个问题,就成为反映其技术水平高低的一种标志。1974年投产的广东甘竹滩洪潮电站就是一个成功的代表。它的特点是洪潮兼蓄,只要有0.3米高的落差就能发电,甘竹滩电站的总装机容量为5000千瓦,平均年发电1030万千瓦·时。它的转轮直径为3米,加上大量采用水泥代用构件,成本较低,对民办小型潮汐电站很有借鉴意义。

应用现状

由于常规电站廉价电费的竞争,建成投产的商业用潮汐电站不多。然而,由于潮汐能蕴藏量的巨大和潮汐发电的许多优点,人们还是非常重视对潮汐发电的研究和试验。

据海洋学家计算,世界上潮汐能发电的资源量在10亿千瓦以上,也是一个天文数字。潮汐能普查计算的方法是,首先选定适于建潮汐电站的站址,再计算这些地点可开发的发电装机容量,叠加起来即为估算的资源量。

20世纪初,欧、美一些国家开始研究潮汐发电。第一座具有商业实用价值的潮汐电站是1967年建成的法国郎斯电站。该电站位于法国圣马洛湾郎斯河口。郎斯河口最大潮差13.4米,平均潮差8米。一道750米长的大坝横跨郎斯河。坝上是通行车辆的公路桥,坝下设置船闸、泄水闸和发电机房。郎斯潮汐电站机房中安装有24台双向涡轮发电机,涨潮、落潮都能发电。总装机容量24万千瓦,年发电量5亿多度,输入国家电网。

1968年,前苏联在其北方摩尔曼斯克附近的基斯拉雅湾建成了一座800千瓦的试验潮汐电站。1980年,加拿大在芬地湾兴建了一座2万干瓦的中间试验潮汐电站。试验电站 、中试电站,那是为了兴建更大的实用电站做论证和准备用的。世界上适于建设潮汐电站的20几处地方,都在研究、设计建设潮汐电站。其中包括:美国阿拉斯加州的库克湾、加拿大芬地湾、英国塞文河口、阿根廷圣约瑟湾、澳大利亚达尔文范迪门湾、印度坎贝河口、俄罗斯远东鄂霍茨克海品仁湾、韩国仁川湾等地。随着技术进步,潮汐发电成本的不断降低,进入2l世纪,将不断会有大型现代潮汐电站建成使用。

中国潮汐能的理论蕴藏量达到1.1亿千瓦,在中国沿海,特别是东南沿海有很多能量密度较高,平均潮差4~5m,最大潮差7~8m。其中浙江、福建两省蕴藏量最大,约占全国的80.9%。我国的江夏潮汐实验电站,建于浙江省乐清湾北侧的江夏港,装机容量3200kW,于1980年正式投入运行。

中国水力资源的蕴藏量达6.8亿kW,约占全世界的1/6,居世界第1位,建成后的长江三峡水电站将是世界上最大的水力发电站,装机容量1820万kW。

美国第一个并网潮汐能项目投入运营,项目位于缅因州和加拿大之间的芬迪湾,这里每天都有千亿吨的水流湍急流过,形成15米左右高的海浪并能带来5884千瓦的电能。项目将分几期完成,最终将达到4兆瓦的发电量,并能供应1000户家庭和商业机构使用。

该项目的第一期工程于上周正式并网。每日可发电量180千瓦,足以满足25到30户家庭的使用。但到目前为止,它还没有真正为电网贡献过一度电,原因是政府扶持力度不够。而欧洲政府稳定的政策优惠和补助已经使欧洲海洋能产业站稳了脚跟。

缅因州的这个潮汐能项目并非是北美洲第一个潮汐能项目,(第一个是1984年在加拿大新斯科舍省的潮汐能发电站),但它却是第一个不设置坝体的潮汐能发电机组,这样基本不会影响到海洋生物的正常生活。

潮汐能作为没有污染且用之不竭的清洁能源,被人们越来越多的应用到了生活中去,潮汐能所蕴藏的巨大有点与宝贵资源让人们非常重视,对潮汐能的研究还在不断深入中,相信不久的将来,潮汐能能够越来越多的被我们人类所使用。

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