潮汐能的能量转换机制及应用前景

潮汐能的能量转换机制及应用前景

时宇 pb08203070

开发新能源的必要性

进入21世纪，随着科技的发展越来越快，人口的不断增长，导致了人类社会对于能源的消耗量逐渐增大。然而人类目前的能源消耗主要来源仍然是石油、天然气与煤等这些不可再生能源。 在当今，整个能源消费结构中90％以上的是煤炭、石油、天然气等可燃矿物燃料。据英国石油公司《BP世界能源统计2006》数据表明，以目前的开采速度计算，全球已探明煤炭的可采期限为162 a，我国是96 a，已探明石油和天气的可采期限分别为40 a和65 a，我国分别13 a和55 a。因此，将中国列为全球人类能源保有量最低的国家之一不是危言耸听。况且，我国是世界上产值能耗最高的国家之一。有数据表明，中国产值能耗比美国高3倍多，比日本高9倍多，比世界平均水平高2倍多。所以，能源的供需矛盾必将是中国经济增长的“硬约束”。

电力工业是国民经济发展中最重要的基础能源产业，是国民经济的第一基础产业，是世界各国在经济发展战略中的优先发展重点。我国电源结构向来以火力发电为主，国家统计局公布的数据显示，2008年1~5 M，中国电力行业全国发电量为138 819270．5万kW·h，其中，火电占总发电量的85．87％；水电占总发电量的11．51％；核电占总发电量的2．01％；其他方式发电站总发电量的0．61％。这不符合节约能源、环境友好的持续发展理念。火力发电是以煤炭消耗为基础的。另据资料显示，我国电力行业煤炭消耗量约占全国煤炭总产量的45．3％。而我国煤炭的现实储量和能耗现状必将影响未来的电力市场，而且煤炭消耗的环境污染亦非常严重，据有关部门统计，我国二氧化碳、二氧化硫等污染物80％以上是由燃煤引起的，其中发电的煤炭燃烧排放二氧化碳占总排放量的35％左右。目前我国是世界上二氧化硫第一大排放国，二氧化碳第二大排放国，生态环境形势十分严峻。

再看核电，它原本是一种效率很高并且功率很大的较为清洁的能源形势，但一直被许多问题所困扰：其一，核电的核废料处理一直没有很完善的解决方案，目前的处理手段，以科技最发达的美国为例，仍然主要是通过装罐冷却之后在集中堆放这样的方法来处理，但是只能保证国家在50年不会受到这些废料的困扰，但并没有提供根本上的处理方案。另一方面核电的安全问题一直被人所诟病，尤其是在最近日本地震而导致核泄漏后，核电的安全性被越来越多地所提及，许多国家都已经放缓了核能的开发以及推广，这无疑使原本就饱受质疑的核能发电更是雪上加霜。

因此，为了缓解能源危机，更好地促进可持续发展，对于绿色可再生新能源的探索是十分有必要的。目前开始投入使用的新能源主要有太阳能、风能、地热能以及氢能源，但是由于所能提供的能量总量有限，开发成本过高，以及能量转化效率通常很低这些诸多原因的限制，用这些新能源完全代替主流能源在近20乃至30年内仍然是不现实的。但是，尽管如此，新能源的开发仍然有着十分巨

大的潜力，提升的空间仍然十分宽广，假如能够大幅提高其利用比例，对于缓解传统能源的压力以及其造成的打气污染、温室效应等诸多对环境不利的因素有着十分重要的意义。

潮汐能的转换机制

潮汐能作为一种新型的可再生能源，有着十分巨大的开发价值。潮汐能是指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与动能。

潮汐能发电主要有三种方法：潮汐流发电机、潮汐堰坝以及动态潮汐发电。 潮汐流发电机通常又被称为潮汐能转换器（简称TEC），是通过从潮涨落是水的流动来提取能量，它的原理非常像在水底的风力涡轮机，可以看做一个十分简单得涡轮系统，因此通常也被称为潮汐涡轮机。将水看为密度较大的空气（密度为空气的800倍），由于功率密度正比于速度的立方，因此速度为风速十分之一的水就能提供与风能相同功率的能量，其输出功率可以表示为：

其中Cp是涡轮机的功率系数，ρ为水的密度，A为涡轮面积，V为水的流速。通常的改进是以增大涡轮流量为主，例如加上导管或者导流罩，从而来增大流速。值得一提的是，潮汐流发电机是三种方式中对于环境影响最小的一种，同时也是成本最低的一种。

潮汐流发电机

潮汐堰坝是一座能够从受到潮汐力影响的水进出海湾或河流这一过程中获得能量的堤坝。潮汐堰坝主要是由沉箱、筑堤、水闸、涡轮机、船闸组成，水闸与涡轮机以及船闸均被安置在沉箱上，筑堤被安放在一个并未被沉箱固定的盆状结构上。与传统意义上的堤坝不同，潮汐堰坝并不是从某个方向来阻挡水流，而是让水流在涨潮时进入海湾或者河流，然后在退潮时流出，这个过程可以根据潮汐涨落的自然周期性规律来进行控制。安装在水闸上面的涡轮机通过这样的过程

来发电。潮汐堰坝是最早开始应用的利用潮汐能发电的方法，早在上世纪60年

代俄罗斯就采取了这一方法

潮汐堰坝

动态潮汐发电是一种理论上的发电技术，它是通过应用潮汐能中势能与动能的相互作用来发电。通过建造一个从海岸一直延伸开去并且在远端建立垂直屏障，的水坝型建筑物，形成一个巨大的T型。由于大把阻碍了潮汐的横向加速，而在许多沿海地区，主要的潮汐运动平行于海岸：海水整体具有某一个方向的加速度，并且在晚上落潮时候加速度的方向反向。只要大坝足够长以至于对这样的潮汐运动产生影响，大坝的两侧便会产生水位差，通过安装在大坝上的一系列涡轮机，就可以将这种水位差蕴含的势能转化为电能。与传统的潮汐堰坝相比较，这种方案由于不被沿海地区包围，因此大大减少了对环境的影响，并且其效率可以达到30%

左右。由于不需要很高的天然潮位变幅，因此使用范围也十分广。

动态潮汐发电的示意图

总的来说，潮汐发电与普通水利发电原理类似。在涨潮时将海水储存在水库内，以势能的形式保存；在落潮时放出海水，利用高、低潮位之间的落差，推动水轮机旋转，带动发电机发电。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结构要适合低水头、大流量的特点。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：

（1）单池单向发电：先在海湾筑堤设闸，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。

（2）单池双向发电：为在涨潮进水和落潮出水时都能发电，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设置双向水轮机组，以提高潮汐的利用率。

（3）双池双向发电：配置高低两个不同的水库来进行双向发电。

然而，前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。第三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。它有上下两个蓄潮水库，并配有小型抽水蓄能电站。但有一定的电力损失。

潮汐能的应用现状与前景

世界海洋潮汐能蕴藏量约为27亿kw，若全部转换成电能，每年发电量大约为1.2万亿kwh，相当于目前世界总电量的1/10，可见，潮汐能的开发具有很大的潜力。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。其中包括:美国阿拉斯加的库克湾、加拿大芬地湾、英国赛文河口、阿根廷圣约瑟湾、澳大利亚达尔文范迪湾、印度坎贝河口、俄罗斯远东鄂霍茨克海品仁湾、韩国仁川湾等地。

目前英国已经投入大量资金用于潮汐式水轮机技术的发展，在流速为2~3m/s的海水中工作，每台发电机的发电能力达到150kW，而韩国则计划在仁川海湾的旁边建造一座世界上最大的潮汐发电站在挪威世界上的首座水下潮汐电站也即将问世。

以我国为例，大陆海岸线长达1.8万km，据沿海普查资料统计，我国有近200个海湾、河口，可开发的潮汐能年总发电量达600亿kWh，装机容量可达20GW。东南沿海有很多能量密度高，潮汐落差大的自然环境条件十分优越的坝址，例如钱塘江口，最大潮差达7.5m。可见，潮汐能在我国具有很大的开发潜力。事实上，我国对潮汐能已经有了一定的开发与应用，我国是世界上建造潮汐电站最多的国家，先后建造了几十座潮汐电站，但由于各种原因，目前只有8个电站在正常运行发电，总装机容量为6 000 kW，发电量l 000×104 kW·h／a。温岭江厦潮汐试验电站是我国已建成的最大的潮汐电站。双向贯流式机组6台，总装机容量3 200 kW，发电量1 070×104 kW／a。规模仅次于法国郎斯潮汐电站、加拿大芬地湾安那波利斯潮汐电站，居世界第三。尽管我国这些潮汐电站的容量都比较小，但它们为我们积累了经验，为进一步开发和利用潮汐能做准备。

实际上，综合考虑成本、效率等因素，潮汐能其实具有十分巨大的应用潜力：潮汐能属于可再生能源，蕴含量大，运行成本低，对于环境的影响小，发电不排放废气废渣废水，属于清洁能源。这些优势都是太阳能、风能、地热能等其他类型的新能源所并不具备的。同时，相比于其他的能源，潮汐能的开发潜力更大，因此总的来说开发的价值十分的巨大。

潮汐发电对环境的影响

尽管潮汐能具有许多的优点，并且有着巨大的开发潜力，但是潮汐能对于环境存在的潜在危害仍然是我们所不能忽略的。总的来说，潮汐能对于环境的影响主要体现在以下几个方面：

1. 潮汐电站的存在与水电站类似，会改变潮差与潮流，更严重的是，由于过程中不可

避免地会发生热交换，潮汐电站在长远上还可能改变海水的温度与水质，改变程度取决于潮汐电站的选址以及电站的规模。

2. 拦潮坝对于水库生态系统也可能会有不利影响，尽管为水产养殖提供了有利条件，

但是同时也会使得地下水以及排水等造成不利影响，会加剧海岸的侵蚀。

3. 潮汐电站对生物也会产生直接的危害，例如会影响鸟类的生长及种群的生存，另外

由于涡轮机的运转也可能会导致鱼类的死亡，并且会妨碍需要经过河口或海湾朔河产卵的鱼种的朔游，因此对于鱼类的生存也会造成不利的影响。

当然，这些对环境的不利因素事实上是可以通过对坝址改进，采用新的技术等方案来将这些不利因素降到最低，而这些技术上的难关相信随着科技的发展也会不断被攻克。

除了环境因素之外，潮汐能的开发还面临这许多非环境因素的制约与挑战。例如潮汐发电机如何设计得能更好地适应周期性变化的水流方向；涡轮机的腐蚀保护；水中旋转轴的密封；如何寻找对环境友好的，较为理想的无润滑油设计；水下电缆的保护，以及如何降低安装与回收成本，因为这些涡轮机完全浸没在水中，尤其是对于潮汐流发电机而言，想要修复它，必须现在水下将其找到。

尽管面对许多环境因素以及非环境因素的挑战，潮汐能仍然是一项很具潜力，有待开发的新能源。它储存量大，适用范围广，并且绿色环保，无排放污染物的特点是它成为了目前十分让人兴奋的一种新能源。

总的来说，我认为潮汐能是一项极具潜力的新能源，尤其对于中国这样一个海岸线很长的国家而言。我们可以利用的潮汐能资源很大，对于缓解主要集中在沿海省份的经济开发区所面临的高耗能，尤其是对于电力方面的需求的压力非常有意义。因此，我认为开发潮汐能作为对于水电、火电以及核电这三种我国目前主要存在的供电形式作为一种补充是十分可行而且能带来巨大的经济价值的。

但是不得不承认的事，距离真正实现潮汐能利用的推广，需要解决的问题很多。一方面，我国在技术方面始终处于落后，但我觉得更加棘手的问题是，潮汐能对于环境所可能产生的影响究竟有多大。一方面，潮汐电站对于生物的栖息地必然会造成一定的破坏，甚至涡轮可能直接杀死鱼类，同时，参照三峡大坝对于我国水文系统的影响（我认为这个问题我们不应该采取回避的态度！），潮汐能一旦投入使用，会不会对我国的海洋生态系统乃至沿海地区的气候造成影响也是未知的。不过可喜的是，如果我们能将目前还存在于理论上的动态潮汐发电真正实现，解决这一潜在问题的希望还是巨大的。

总的来说，我认为值得加大对于潮汐能开发以及相关技术方面研究的投入，因为这对于缓解我国能源危机有巨大意义。