潮汐能利用现状及我国发展潮汐能的前景

潮汐能利用现状及我国发展潮汐能的前景摘要：本文就潮汐能的优缺点，本文就潮汐能发展的优缺点及国外潮汐能发电的前景和技术进行概述，并对浙江省潮汐发电的开发研究提出了初步的设想和探讨。，并对部分省区潮汐发电的开发研究提出了初步的设想和探讨。关键词：海洋资源潮汐能发电1.引言：潮汐的成因首先讨论月球的万有引力对海洋潮汐的作用。假设海水覆盖整个地球表面，地球和月球绕着共同的质心C转动，视以C为原点，坐标轴指向恒星的系为惯性系，另有一以地心为坐标原点，坐标轴指向恒星的参考系。C系与C′系坐标轴总保持平行，故C′系绕C系平动。若仅关心为何一日两潮，即仅讨论为什么面向和背向月球的水面有两个凸起，可引入如下理想模型：认为地表水相对于C′系静止，即水随C′系绕C平动。这时，水表面诸体元均以为半经作圆周运动。但各有自己的圆心，又因为是平动，诸体元的速度和加速度都是相同的，因此各单位质量水与地心处单位物质所受向心力相同，如图（一）所示。由于地表面各处与月球连线长短、方位不同，各水体元在各处所受月球的引力不同，如图（二）所示。这个引力有两种效果，一个作用是使诸单位质量水获得各自绕地月共同的质心C作圆周运动的向心力，此力的大小等于月球作用于地心处单位质量物质的力，另一个作用是产生潮汐的引潮力。故月球的引潮力可定义为地表面单位质量的水所受月球引力减去地心处单位质量物质所受月球的引力。分别用F、fc和f表示引潮力、向心力和引力，有，其中fc显然等于，G、M和d分别表示万有引力常量，月球的质量和地心月心间的距离。由于地表面水体元所受月球的引力不同，地面不同处的引潮力不同，如图（三）所示。P点的引潮力可用矢量差求得，如图（四）所示。图（一）图（二）图（三）图（四）设R为地球的半径，我们用引潮力的定义式来计算离月球最近的A点及离月球最远的B点的引潮力，因为两处单位质量水所受万有引力与向心力在同一直线上。故A点的引潮力为。由于地月间距离远大于地球的半径，所以2d-R≈2d、d-R≈d，有，同理B点的引潮力。由此可见A、B两处引潮力的大小相等，都背离地心向外，海水在引潮力的作用下“涨起”，同理由矢量差求得D、E处引潮力相等且指向地心，在该处的引潮力迫使海水“跌落”，其它各处引潮力促成海水的“潮流”。用同样的方法可分析太阳的引潮力。虽然太阳的质量比月球的质量大得多，但太阳离地球的距离也比月球离地球的距离大得多，所以太阳对地面水的引潮力还不到月球对地面水的引潮力的一半。在宇宙中，除月球和太阳以外的其它天体或因离地球太远，或因质量太小对地面水的引潮力更是微不足道，影响甚小。从根本上看，潮汐主要是由于月球、太阳对地球表面海水的不均匀引力作用产生的，且以月球对地球表面海水不均匀引力影响为主，运动着的地、月、日的相对位置存在着多种周期性变化，因而海水也在作多种周期性组合的复杂波动，当太阳、月球和地球在一直线上时，就产生大潮；它们成直角时，就产生小潮。地球表面某一区域处于向月面时，表面海水受到月球引力最大，出现涨潮；当此区域处于背月面时，表面海水受到月球引力最小，由引潮力作用，也会出现一次涨潮；当此区域既不处于向月面，也不处于背月面时，海水水位较低，出现退潮或潮流。在地球一天的自转中，月球绕地球公转的位置没有多大改变，故一天中，地球表面某一区域会出现两次涨潮和两次退潮。再加上海陆分布，海洋深度，海岸形状等因素的影响，使得不同地方的潮差不同，如我国的杭州湾最大潮差可达10米，海水这样周期性变化就形成奇妙的潮汐现象。2潮汐能的开发．目前人类社会消耗的能源绝大部分来自煤、石油和天然气。排放的大量有害有毒物质，严重地污染了环境；同时，地球上这些资源的储存量是有限的。面对能源与环境的双重挑战，研究开发利用清洁和可再生的新能源已在世界发达国家兴起。因为潮汐能有着清洁，能量来源广而且蕴含量巨大等特性，它的开发和利用越来越受到人们关注。目前各国政府都在采用鼓励政策开发再生能源。我国也已经建成发电的潮汐发电站有多座，如江厦潮汐发电站、沙山口电站等。潮汐是一种周期性的自然现象，它主要由于月相而变，朔、望日前后为大潮。上、下弦为小潮，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。现代潮汐能的利用，主要是潮汐能发电。利用潮汐能发电须具备两个条件：一是潮汐的幅度要足够大；二是海岸地形必须能储蓄大量海水。由于潮水的流动与河水的流动不同，潮汐是不断变换方向的，因此就使得潮汐能发电出现了不同的型式，如：１）单库单向型：只能在落潮时发电。２）单库双向型：在涨、落潮时都能发电。３）双库双向型：可以连续发电。潮汐能开发一般要拦截港汉、海湾建成蓄能水库，一年中通常有７０６次潮汐，故有７０６次水进出交替。如果可利用之水头仅３．５ｍ，则潮汐水库为每立方米库容年可供电５ｋＷｈ。利用抽水蓄能水库技术每年可供电ｌＯＯｋＷｈ。这说明潮汐水库的开发利用具有潜在的经济效益，是值得推广的。潮汐能发电有许多优点：，１）潮汐能是一种清洁、不污染环境、不影响生态平衡的可再生能源。潮水每日涨落，周而复始，取之不尽，用之不竭。它完全可以发展成为沿海地区生活、生产和国防需要的重要补充能源；２）它是一种相对稳定的可靠能源，很少受气候、水文等自然因素的影响，全年总发电量稳定，不存在丰水、枯水期的影响；３）潮汐电站不需淹没大量农田构成水库，因此，不存在人口迁移、淹没农田等复杂问题。而且可用拦海大坝，促淤围垦大片海涂地，把水产养殖、水利、海洋化工、交通运输结合起来，大搞综合利用。这对于人多地少、农田非常宝贵的沿海地区，更是个突出的优点；４）潮汐电站不需筑高水坝，即使发生战争或地震等自然灾害，水坝受到破坏，也不至于对下游城市、农田、人民生命财产等造成严重灾害；５）潮汐能开发一次能源和二次能源相结合，不用燃料，不受一次能源价格的影响，而且运行费用低，是一种经济能源。但也和河川水电站一样，存在一次投资大、发电成本低的特点；６）机组台数多，不用设置备用机组。3.国外开发潮汐能的情况介绍。国外潮汐能发电现状早在２０世纪初，欧、美一些国家就开始研究潮汐发电，现今世界上适于建设潮汐电站的许多国家和地区都在研究和建设潮汐电站。法国、英国、加拿大、美国、印度、前苏联及韩国等国对潮汐能发电投人大量人力、物力和财力进行开发，目前世界上已建成并运行发电的潮汐发电站总装机容量为１６０２６６万千瓦，年发电量达６１２５亿ｋＷｈ。主要包括法国的朗斯潮汐电站，美国阿拉斯加的库克湾、加拿大莽地湾、英国赛文河口、阿根廷圣约瑟湾、澳大利亚达尔文范迪湾、印度敢贝河口、俄罗斯远东鄂霍茨克海品仁湾、韩国仁川湾等地…。法国的朗斯潮汐电站是世界上已建规模最大的潮汐电站，如图１所示。该电站采用单库双向发电方式．１９６６年建在英吉利海蛱的朗斯河口，其潮差达１３５米球库面积为２抨方公里，拦潮坝高１２米、长７５０多米。当涨潮时，拦蓄１８亿立方米的潮水电站装有２４台单机容量为１万千瓦的贯流式水轮发电机组，年发电量出４４１【Ｚ．ｋＷｈ。图２法国朗斯潮汐电站的剖面示意图近年来．又出现了两项近岸潮汐能开发技术～潮汐栅栏和潮汐涡轮技术…。潮汐栅栏是一种封闭式的拦河坝，如图３所示。它可以放置在小岛之间或大陆和岛屿之间的水域内，其优点是Ｉ）由于渠道截面的减小冰流通过涡轮的流速被较大地提高了；２）所有的电机设备发电机和变压器都可以放置在海平面以上，便于维护与操作。但其缺点是拦河埂会对海洋环境造成一定的影响。图３潮汐涡轮为了克服潮汐蓄水坝损害自然环境的缺陷，１９９４年，一位西班牙工程师发明了一个新式潮汐发电系统，如图４所示。其中一个关键设备是固定在海底地基上的一个中空容器，这个中空容器有点像一个抽水机的泵．其中有一个活塞。在涨潮时，恬塞处在容器的顶部。当潮水下落时，容器上边的一个空气阀被打开，通过一根通气管和海面上的大气相通。海水经过涡轮发电机流进容器．水连续流动带动涡轮发电机发电。直到话塞达到容器的底部．容器中充满水为止。当潮水再次上涨时，悬浮的平板浮体带动活塞随潮水向上运动，这时容器的上下两个空气阀门自动关闭，容器顶部的出水阀同时打开溶器内的水在活塞的推动下流出进人海中。在潮水涨到最高位时．活塞再次被浮体带到容器顶部．这时出水口叉自动关闭。然后，整个系统准备随潮水的下落，重新开始发电。孽期木盟‘Ｓ淳障正气ｆ掣ｊ遘越畦落期水位冀荽出连秆ｌ：量：水两两车≤违水一上空气吲，ｔ＝＝下空气闷图４新式潮汐发电装置这种新式的潮汐发电装置，仅装置的试验原型机就可产生１ＭＷ的电力，用６个月就可以建成并投产，维护费用低，发电成本也较低，而且因不需建潮汐蓄水坝，对自然景观和环境不会有大的影响。新的潮汐发电装置的中空容器固定在深的海底地基上，地基是水泥和耐蚀金属制成的混凝土复合材料。在深处，海洋生物很稀少，对海洋生态不会有大的影响4.我国开发潮汐能的一些现状。中国有长达18,000多公里的大陆海岸线，加上5,000多个岛屿的14,000多公里海岸线，共约32,000多公里的海岸线中蕴藏着丰富的潮汐能资源。据不完全统计，全国潮汐能蕴藏量为1.9亿千瓦，其中可供开发的约3,850万千瓦，年发电量870亿千瓦时。根据中国海洋能资源区划结果，我国沿海潮汐能可开发的潮汐电站坝址为424个，以浙江和福建沿海数量最多。经过多年的发展，我国潮汐发电技术日臻成熟，发电量已经居世界第三位，发展前景十分看好。与山东相比，浙江的潮汐资源更加丰富，据上世纪80年代普查成果统计，浙江可开发的潮汐能资源的装机容量为879.8万千瓦，约占全国总量的四成。新出炉的《浙江海洋经济发展示范区规划》明确，浙江省将综合开发包括潮汐能在内的清洁能源。不过，潮汐发电对自然条件的要求比较高。浙江省发电现状浙江省海岸线曲折，多海港、河口和岛屿，且处在强潮地区，因此蕴藏着丰富的潮汐能资源。据上世纪８０年代普查成果统计，浙江省可开发的潮汐能资源装机容量为８７９．８万ｋＷ，站全国总量的４０．８％。可提供年发电量达２６３．９４ＬｋＷｈ，占全国总量的４２．７％。我国是世界上潮汐能丰富的国家之一，潮汐能开发已有４０多年的历史，建成并长期运行的电站有８座，总装机容量６１２０ｋＷ，但我国的潮汐电站规模都较小，即使是号称亚洲最大的温岭市江夏潮汐实验电站，其总装机容量也只有法国朗斯潮汐电站（２４万ｋＷ）的１１７５。我国的一些沿海地区具有建设大型潮汐电站的资源优势。因此，在潮汐能丰富的滨海地区如福建、浙江、江苏３省和上海市沿海，建立大型潮汐能发电站是大势所趋怕１。浙江潮汐能蕴藏量约占全国的一半，具有建设中、大型潮汐电站的条件。据勘察，浙江可以建造ＩＯＭＷ级潮汐电站的理想站址就有十多处，潮汐能可开发装机容量达８９１万千瓦，年发电量可达２６３亿度。规划在乐清湾、象山港、健跳港建５５０ＭＷ、５０ＭＷ、３０ＭＷ的潮汐电站。浙江省潮汐发电的兴起要追溯到１９５８年。主要兴建了临海讯桥、温岭沙山、乐清湾江渡岱山双合及铜盆铺等地的小型潮汐发电站；对杭州湾巨型潮汐发电站也开始组织前期研究和规划。现运行的潮汐能发电站主要有江厦潮汐试验电站和海山潮汐电站等。（一）江厦潮汐试验电站江厦潮汐试验电站为我国目前最大的潮汐能电站。电站位于乐清湾末端。处在我国高潮差地区。其多年平均潮差为５．０８ｍ，最大潮差达８．３９ｍ。装机５台，总容量达３２００ｋＷ，但年电量一直在６００ｋＷｈ左右。江厦港纵深９ｋｍ，坝址处的口宽度为６８６ｍ，港域面积计５．３ｋｍｚ，而电站库区仅占面积为其３０％，在正常蓄水位以下的电站库容５１４万ｍ３，其中发电有效库容３３６万ｍ３。电站枢纽由海堤、泄水闸、发电厂房和升压开关站等组成，实行二级自动控制。第』级为全长工况自动控制系统，第二级为机组振动控制系统。多年的运行实践表明，机组性能基本达到预期标准，性能稳定。在海水环境中运行中未发生严重的金属构件腐蚀和海生物生长等情况。电站除发电外，兼有围垦、养殖和交通等综合利用效益【７Ｊ。１６３（二）海山潮汐电站海山潮汐电站位于乐清湾内茅埏岛南端，当地平均落差为４．８７ｍ，系双库单向的潮汐电站，涨潮和落潮均能发电。海山潮汐电站在平面布置和运作方式上有其特