1.何为潮汐能?
潮汐是一种自然现象,在海湾或江河入海口,每天可见到两次海水的涨落,早称潮,晚称汐。潮汐是多种因素共同作用的结果,中国古代余道安《海潮图序》一书中说:“潮之涨落,海非增减,盖月之所临,则之往从之。”哲学家王充在《论衡》中写道:“涛之起也,随月盛衰。”指出了潮汐跟月亮有关。随着科学进步,人们发现影响潮汐的因素主要包括月球与太阳的引力、地月系统旋转的离心力、海底及海岸的形状等。
水无常形,良好的流动性使其很容易向引力的方向聚集,在外部引力的作用下,海水的区域性聚集就形成潮汐。海水所受外部引力主要是月球与太阳的引力,简化估算,如果地球完全被等深海水覆盖,月球引力约可提升海水水位0.56米,太阳引力约可提升海水水位0.25米。由于地球自转,地球多数位置每天正对月球和背对月球各一次,共形成两次潮汐。背对月球时形成的较小潮汐,主要由地月系统公转的离心力造成,正对月球时的较大潮汐是月球引力的结果。如果太阳位于月球、地球连线的侧面,月球与太阳对海水的引力会互相抵消,海水涨落形成的潮差最小,这种潮汐被称为小潮。如果太阳、月球、地球三者位于同一直线上,月球与太阳的引力会对海水造成叠加的影响,海水涨落形成的潮差最大,这种潮汐被称为大潮。
影响潮汐的因素还有海底与海湾的形状,当潮汐涨落时,海底与海湾的形状会以共振、收聚等形式影响水的运动,从而增加或减少潮涨,形成全日潮、半日潮与混合潮等不同的潮汐现象,因此不同的地区常有不同的潮汐系统。在狭深的海湾里,涨潮会把大量的海水带到一个逐步收窄的区域内,造成潮位堆高、潮差增大的现象。著名的钱塘江潮就是这类大潮,当潮流涌来时,潮端陡立,水花四溅,像一道高速推进的直立水墙,前浪尚未消散,后浪又赶上来,一浪高过一浪,声如雷鸣,排山倒海,形成“势雄驱岛屿,声怒战貔貅”的奇景。
声势浩大的潮汐中蕴含着巨大的能量,唐代宋务光在《海上作》中写到“旷哉潮汐池,大矣乾坤力。浩浩去无际,沄沄深不测”,形象地写出了潮汐中蕴含巨大能量的特点。潮汐的能量与潮量和潮差成正比,粗略估算,地球上所有潮汐能的蕴藏量约为30亿千瓦,可开发部分约为2%。中国海岸线曲折,沿海还有7000多个大小岛屿,这些海岸蕴藏的潮汐能在1亿千瓦以上,可利用率约20%。
潮汐能不污染环境,不影响生态平衡,潮水每日涨落,周而复始,用之不竭,是相对稳定的可靠的可再生能源。
2.潮汐能如何利用?
潮汐能的主要利用方式是潮汐发电,以潮汐能来发电需要两个基础条件,首先潮汐的幅度必须大,通常3米以上的潮差才有开发价值。其次海岸地形必须适合修建水库以储蓄大量海水。
潮汐发电与普通水力发电原理类似,即在河口或海湾筑坝建造水库,水轮发电机组安装在拦海大坝里。如果建一座水库,涨潮时将海水储存在水库内,以势能的形式保存,落潮时放出海水,就可以带动发电机发电。这种潮汐电站仅在落潮时发电(也可改成只在涨潮时发电),因此称为单水库单程式潮汐电站。由于潮水涨落的对称性,单一水库也可以做到涨潮落潮时均可发电,这种电站称为单水库双程式潮汐电站,大大提高了潮汐能的利用率。
为了更有效地利用潮汐能,人们又发明了双库潮汐电站。它建有两个相邻的水库,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(高水位库),后者称为下水库(低水位库)。水轮发电机组放在两水库之间的隔坝内,两座水库始终保持着水位差,故可以全日连续发电。
利用潮汐能发电的装置,可以通过合理设计实现全年总发电量基本恒定,所以潮汐能是相对稳定的可靠能源。潮汐电站建设在潮水淹没区,不存在人口迁移、淹没农田等复杂问题,而且还可用拦海大坝促淤围垦,形成水产养殖、水利等综合利用体系。
20世纪初,欧、美一些国家开始研究潮汐发电。德国、法国、苏联先后建成潮汐发电站。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,由于潮汐蕴藏的巨大能量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。
1957年,中国在山东建成了第一座潮汐发电站。温岭江厦潮汐试验电站是目前中国最大的潮汐能发电站,在世界上仅次于韩国始华湖潮汐电站、法国郎斯潮汐电站、加拿大安纳波利斯潮汐电站,位列第四位。该电站的投产发电作为20世纪的大事,被镌刻在北京中华世纪坛的青铜甬道铭文中。2012年,江厦潮汐试验电站1号机组进行增效扩容改造,实现了正反向发电、泵水、泄水“六工况”运行功能,正向水力效率达到88.7%,反向水力效率达到83.2%,成为世界首例在役运行的全功能三叶片灯泡贯流潮汐发电机组,巩固了中国潮汐发电技术的领先地位。
潮汐电站受潮差变化影响,通常存在不同程度的间歇性,装机的年利用小时数不高。潮汐发电机为适应低水头、大流量的发电形式,机体庞大,潮汐电站通常水深坝长,施工、地基处理及防淤等问题较困难,进出水建筑物结构复杂,电机与水道均需做特殊的防腐和防海生生物黏附处理,机电和土建投资大,造价较高。
虽然潮汐发电存在一些尚待克服的技术难题,但随着技术水平的不断完善和提高,这些问题将会得到相应的解决。潮汐能作为清洁可持续的新能源,在今后的能源发展历程中将占有举足轻重的地位。