潮汐能

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潮汐能是指從水面晝夜間的漲落中獲得的能量。在漲潮落潮過程中,海水進出水庫帶動發電機發電。

潮汐能是一種水能,它將潮汐的能量轉換成電能及其它種有用形式的能源。第一座大型潮汐電站(朗斯潮汐電站)於1966年投入使用。

雖然尚未得到廣泛應用,潮汐能未來將有潛力發電。潮汐比風能太陽能具有更強的預測性。在可再生能源的來源中,潮汐能歷來都一直受限於高成本和(具有足夠高的潮差和流速的)可行地點的局限性,因而進一步限制了其總體可行性。然而,許多新技術在設計(如:動態潮汐能, 潮汐潟湖)和渦輪機技術(如:新式軸流式輪機雙擊式水輪機)上的開發和改進,表明潮汐能的總體可行性可以遠高於之前的假設,同時經濟和環境成本可以降到具有競爭力的水平。

歷史上,潮水(動力)工廠已在歐洲和北美的大西洋沿岸投入使用。其最早可追溯到中世紀,甚至羅馬時代[1][2]

定義[編輯]

月球引力的變化引起潮汐現象,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生的能量為潮汐能。潮汐能是以勢能形態出現的海洋能,是指海水潮漲和潮落形成的水的勢能與動能

生成方法[編輯]

潮汐能有三種生成方法:

潮汐流發電機[編輯]

位於斯特蘭福德湖的世界上第一個商業規模的併網潮汐流發電機- SeaGen。[3]明顯的尾流顯示出潮汐流的力量。

潮汐流發電機(en:Tidal stream generator, TSGs)利用了流水的動能驅動渦輪機,一種類似於風力渦輪機利用流動空氣的發電方式。和潮汐堰壩相比,由於其低成本和低生態影響,這個方法受到越來越多的歡迎。

潮汐堰壩[編輯]

潮汐堰壩利用了勢能在高低潮時的高度不同(水頭)。堰壩本質上是橫跨潮汐河口全寬的水壩,且受限於高昂的民用基礎建設成本、全球短缺的可行地點以及環境問題。

動態潮汐能[編輯]

DTP大壩俯視圖。藍色和暗紅色分別表示潮汐高和低。
大多數的潮汐渦輪機和風力渦輪機很類似,常見的是HAWT-型。

動態潮汐能Dynamic Tidal Power, DTP)開發了潮汐流在勢能和動能間的交互作用。該理論認為:從海岸一直延伸入大海建造(如:30~50公里長)大壩,無封閉區域。大壩的存在及規模引入了潮汐的相位差異,和當地的潮汐波長相比,大壩的大小不容忽視。這導致整個大壩的液壓壓頭差異。大壩的水輪機被用來轉換大量電能(每個大壩6000~15000兆瓦)。淺海沿海海域具有與海岸平行振蕩的強大的潮汐波,如在英國、中國和韓國,因而大壩兩側水位會產生明顯差異(至少2~3米)。

應用及意義[編輯]

在漲潮的過程中,洶湧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。潮汐能的能量與潮量和潮差成正比。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,不同的地區常常有不同的潮汐系統,他們都是從深海潮波獲取能量,但具有各自獨特的特徵。

潮汐能主要的利用方式是發電。潮汐發電是利用海灣或河口等地形,建築水堤形成水庫,以便大量蓄積海水,並在壩中或壩旁建造水利發電廠房,通過水輪發電機組進行發電。

潮汐是一種世界性的海平面周期性變化的現象,由於受月球太陽這兩個萬有引力源的作用,海平面每晝夜有兩次漲落。

發電原理及發電形式[編輯]

潮汐發電與普通水利發電原理類似。在漲潮時將海水儲存在水庫內,以勢能的形式保存;在落潮時放出海水,利用高、低潮位之間的落差,推動水輪機旋轉,帶動發電機發電。差別在於海水與河水不同,蓄積的海水落差不大,但流量較大,並且呈間歇性,從而潮汐發電的水輪機結構要適合低水頭、大流量的特點。潮水的流動與河水的流動不同,它是不斷變換方向的。潮汐發電有以下三種形式:

  • (1)單池單向發電:先在海灣築堤設閘,漲潮時開閘引水入庫,落潮時便放水驅動水輪機組發電。這種類型的電站只能在落潮時發電,一天兩次,每次最多5小時。
  • (2)單池雙向發電:為在漲潮進水和落潮出水時都能發電,盡量做到在漲潮和落潮時都能發電,人們便使用了巧妙的迴路設施或設置雙向水輪機組,以提高潮汐的利用率。
  • (3)雙池雙向發電:配置高低兩個不同的水庫來進行雙向發電。

然而,前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出電壓比較平穩的電力。第三種方式不僅在漲落潮全過程中都可連續不斷發電,還能使電力輸出比較平穩。它特別適用於那些孤立海島,使海島可隨時不間斷地得到平穩的電力供應。它有上下兩個蓄潮水庫,並配有小型抽水蓄能電站。但有一定的電力損失。

應用現狀與應用前景[編輯]

到目前為止,由於常規電站廉價電費的競爭,建成投產的商業用潮汐電站不多。然而,由於潮汐能蘊藏量的巨大和潮汐發電的許多優點,人們還是非常重視對潮汐發電的研究和試驗。

海洋學家預估世界上潮汐能發電總量在1TW(10的12次方瓦特)以上。潮汐能普查計算的方法是,首先選定適於建潮汐電站的站址,再計算這些地點可開發的發電裝機容量,疊加起來即為估算的總量。

20世紀初,歐、美一些國家開始研究潮汐發電。

  • 第一座具有商業實用價值的潮汐電站是1967年建成的法國的郎斯潮汐電站(Rance Tidal Power Station)。該電站位於法國聖馬洛灣郎斯河口。郎斯河口最大潮差13.4m,平均潮差8m。一道750m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、泄水閘和發電機房。郎斯潮汐電站機房中安裝有24台雙向渦輪發電機,漲潮、落潮都能發電。總裝機容量240 MW,年發電量1.8 GW,輸入國家電網。
  • 254 MW的韓國始華湖潮汐電廠是世界上最大的潮汐電力設施。在2011年施工完成。[4][5]
  • 1968年,前蘇聯在其北方摩爾曼斯克附近的基斯拉雅灣建成了一座800KW的試驗潮汐電站。
  • 1980年,加拿大在芬地灣興建了一座20MW的中間試驗潮汐電站。那是為了興建更大的實用電站做論證和準備用的。
  • 江廈潮汐電站Jiangxia Tidal Power Station),位於中國杭州以南,自1985年以來一直運行,目前的裝機容量為3.2 MW。還有更多的潮汐發電計劃在鴨綠江口附近。
  • Uldolmok Tidal Power Station在韓國是一個潮汐電站潮汐發電項目,計劃到2013年將逐步擴大到90兆瓦的產能。2009年5月的第一個1 MW已經被安裝了。

世界上適於建設潮汐電站的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、阿根廷聖約瑟灣、澳大利亞達爾文范迪門灣、中國的樂清灣,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,潮汐發電成本的不斷降低使進入2l世紀後將不斷會有大型現代潮汐電站的建成與使用。

潮汐發電的主要研究與開發國家包括法國、前蘇聯加拿大中國英國等。潮汐發電是海洋能中技術最成熟和利用規模最大的一種。

潮汐能的開發利用[編輯]

潮汐能是一種不消耗燃料、沒有污染、不受洪水或枯水影響、取之不盡且用之不竭的再生能源。在各種海洋能源中,潮汐能的開發利用最為現實、簡便。

從總體上看,現今潮能開發利用的技術難題已基本解決,國際上都有許多成功的實例,技術更新也很快。

潮汐發電利用的是潮差勢能,世界上最高的潮差也才10多米,因此不可能像一般水力發電那樣利用幾十米、百餘米的水源發電,潮汐發電的水輪機組必須適應「低水頭、大流量」的特點,因此水輪做得較大。但水輪做大了,配套設施的造價也會相應增大。於是,如何解決這個問題,就成為反映其技術水平高低的一種標誌。

潮汐發電雖然並不神秘,但仍須尊重客觀規律,才能獲得成功,取得良好效益。否則,光憑主觀願望和熱情,雖然一時可以建成許多潮汐電站,但最後往往會因為實用價值不大而被放棄。

優缺點[編輯]

  • 優點
    • 數量和產生時間通常都極容易預計。
    • 間接使大氣中的二氧化碳含量的增加速度減慢。
  • 缺點
    • 產生的能量會因時間和地點而有所不同。
    • 成本較高、技術複雜的缺陷。
    • 庫區淤積、設備腐蝕等問題。
    • 有些地區漲退潮不明顯,發電效率不大。

參看[編輯]

參考文獻[編輯]

  1. ^ Spain, Rob: "A possible Roman Tide Mill", Paper submitted to the Kent Archaeological Society
  2. ^ Minchinton, W. E. Early Tide Mills: Some Problems. Technology and Culture (Society for the History of Technology). 1979-10, 20 (4): 777–786. doi:10.2307/3103639. 
  3. ^ Douglas, C. A.; Harrison, G. P.; Chick, J. P. Life cycle assessment of the Seagen marine current turbine. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part M: Journal of Engineering for the Maritime Environment. 2008, 222 (1): 1–12. doi:10.1243/14750902JEME94. 
  4. ^ Hunt for African Projects. Newsworld.co.kr. [2011-04-05]. 
  5. ^ Tidal power plant nears completion