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成为潮汐能。潮汐能是以势能形态出现的海洋能,是指海水潮涨和潮落形成的水的势能。
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。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。和水利发电相比,潮汐能的能量密度低,相当于微水头发电的水平。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。景观抄袭很复杂,但对于任何地方的潮汐都可以进行准确预报。
开发潮汐能
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。
我国早在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,潮汐电站便一下子在全国遍地开花。据当年10月份召开的“全国第一次潮力发电会议”(也是世界上第一次全国性开发利用潮力发电的会议)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。目前我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5万元计,可达5000万元。这是我国,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里斯潮汐电站,居世界第三位。因此利用潮汐发电并不神秘,也并非遥不可及。
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。
我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。
潮汐发电虽然并不神秘,但仍须尊重客观规律,才能获得成功,取得良好效益。否则,光凭主观愿望和热情,虽然一时可以建成许多潮汐电站,但最后往往会因为实用价值不大而被放弃。
资源分布及开发意义
我国有18000千米长的海岸线,加上岛屿岸线总长32000千米,且海岸曲折,河口港湾众多,拥有非常丰富的潮汐能资源,可开发程度又很高,据1981年全国第二次潮汐能源普查结果,我国装机容量在500千瓦以上的潮汐电站有190处,可开发的总装机容量为2158万千瓦,年发电量为618亿千瓦·时,占世界各国可开发潮汐能资源的34%-44%。而且,这么丰富的潮汐资源恰恰处在对电力需求极大、每千瓦·时电能够创造的社会产值又极高的东部沿海经济发达地区。而这里的煤、石油和水电等常规能源却分别只占全国的6.8%、16%和3.6%,因此潮汐能源正好可以用来填补短缺。这无疑对沿海经济繁荣起到雪中送炭的作用。此外,我国沿海还有5000多个被海洋隔断的海岛,它们既是海防前哨,又是海岸产业开发的基地。可是,这里的交通运输极为不便,常规能源都要靠岛外运入,这就严重制约了岛上经济的发展和人民生活的提高。而海岛周围每天有潮汐涨落,平均潮差多在3-5米之间,如果能把近在咫尺的潮汐发电资源充分利用起来,并结合抽水蓄能电站和风力发电组成小电网,互补余缺,调剂供电峰谷,就必将大大加快海岛四个现代化的进程。再从经济综合比较来看,潮汐发电的成本远低于火力发电,上面介绍的几个已经投产的潮汐电站也都有着良好的效益,所以在沿海与海岛有条件的地方,就地开发利用潮汐能发电,具有很大的现实意义。
在全国可供发电的2158万千瓦装机容量中,浙江和福建分别拥有880万千瓦和1032万千瓦,比各自可开发的水电装机容量500万千瓦和700万千瓦还要多76%和47%,可见开发的潜力是相当巨大的。
浙江省潮汐能资源较大的地方有以下四处。
1.钱塘江口
那儿可建功率为500万千瓦的潮汐电站,年发电量可达180亿千瓦·时,相当于10个新安江水电站的发电量。当然,在那里开发潮汐能源难度很大,因为仅喇叭口就宽达100多千米,如要考虑其他因素,就更不是一个容易的事了。
2.乐清湾江岩山
可装机55万千瓦,年发电量为23.4亿千瓦·时。
3.象山港的黄墩港
可装机5万千瓦,年发电1.3亿千瓦·时。
4.三门湾的健跳港
可装机3万千瓦,年发电量为0.87亿千瓦·时。这里规模较小,实施可能性大,目前已在动工兴建电站。
福建省对潮汐能资源的利用主要是与开发围垦工程相结合。经逐一计算,可开发装机容量总共为32.5万千瓦,年发电9.2亿千瓦·时。其中较大的有两处:一是大官坂,可装机1.4万千瓦,平均年发电量可达0.45亿千瓦·时,二是幸福洋,可装机1080千瓦,年发电315万千瓦·时。
广东、广西的潮汐资源总量虽不丰富,但由于广东的潮汐资源有70%集中在水力资源仅占全省5%的粤西,广西的沿海地区水力资源仅有6万千瓦而潮汐资源却相当其6倍,因此就更显出开发潮汐资源的必要性。如广西北部湾的白虎头就可建装机容量为1000千瓦,年发电量为377万千瓦·时的潮汐电站。