潮汐电站的原理与类型

潮汐电站的原理与类型

海洋的呼吸—潮汐能

潮汐能

潮汐现象是海水在月球和太阳引力作用下所产生的周期性运动，由于月亮离地球较近，月球与太阳引潮力之比为11：5，引起海洋潮汐主要是月亮。月球的引力使地球向月面和背月面的水位升高。通常，将白天海水上涨叫“潮”，晚上海水上涨叫“汐”，合称“潮汐”。

由于太阳的引潮力也不小，月亮与太阳在不同位置引起潮汐也不同，图中月亮与太阳在不同位置引起潮汐的示意图，图中地球周围的蓝色代表潮汐，为能看清夸张的进行表现。

图1 潮汐形成的示意图（一）

在农历每月的初一太阳和月球在地球的一侧，两者引潮力相加，会引起较高的潮差，称之为“大潮”； 在农历的初八太阳与月亮相对地球的位置垂直，太阳的引潮力在垂直方向吸引海水，削弱了月亮引起的潮汐，使潮差减至最小，称之为“小潮”。

图2 潮汐形成的示意图（二）

在农历每月的十五或十六附近，太阳和月亮在地球的两侧，太阳和月球的引潮力你推我拉也会引起较高的潮差，也称之为“大潮”。在农历每月的二十三太阳与月亮相对地球的位置垂直，太阳的引潮力削弱了月亮的引潮力，引起的潮差也最小，也称之为“小潮”。在其他日子潮差在大潮与小潮之间。

一、潮汐和潮汐能

1．潮汐

由于太阳和月球对地球各处引力的不同所引起的海水有规律的、周期性的涨落现象，就叫做海洋潮汐，习惯上称为潮汐。

潮汐现象在垂直方向上表现为潮位的升降，在水平方向上则表现为潮流的进退，二者是一个现象的两个侧面，都受同一规律所支配。潮汐水位随时间而变化的过程线，叫潮位过程线。每次潮汐的潮峰与潮谷的水位差，叫做潮差。潮汐这次高潮或低潮至下次高潮或低潮相隔的平均时间，叫做潮汐的平均周期，一般为25min／12h。人们把海水在白昼的涨落称为“潮”，在夜间的涨落称为“汐”，合起来则称为潮汐，两者名异而实同。

图7－1潮汐要素示意

潮汐要素示意图如图所示。潮汐的涨落现象成因相当复杂，且因时因地而异。但是，从涨落的周期来说，可以把潮汐分为三种类型：

①半日潮：多数海区潮汐的涨落在50min／24h（天文学上称为“一个太阴日”）内有两个周期，即出现两次高潮和两次低潮，这种半日完成一个周期的潮汐为“半日潮”，它的特点是相邻两个高潮或低潮的潮高几乎相等；涨、落潮时也几乎相等。

②全日潮：在某些海区，在一个太阳日内潮汐仅出现一次高潮和一次低潮。这种一日完成一个周期的潮汐，称为“全日潮”。

③混合潮：每日升降两次和一次混杂出现的潮汐，称为“混合潮”。它又分为不正规半日潮和不正规全日潮两类。前者在一个太阳日内有两次高潮和两次低潮，但相邻的高潮或低潮的高度不等，涨潮时和落潮时也不等；后者在半个月内的大多数日子里为不正规半日潮，但有时也发生一天一次高潮和一次低潮的全日潮现象。所以，混合潮是介于半日潮和全日潮之间的一种形式。潮汐的三种类型如图7－2所示。

图7－2潮汐的三种类型

中国黄海、东海沿岸多数港口属半日潮海区，例如上海、青岛、厦门等地区的沿海区就是比较典型的半日潮海区；中国南海多数地方属于混合潮；有些地方如北部湾地区则属全日潮海区，。

2．潮汐能

那么，什么叫做潮汐能呢？简单地说，潮汐能就是潮汐所具有的能量，是指海水涨潮和落潮形成的水的动能和势能。潮汐含有的能量是十分巨大的，潮汐涨落的动能和势能可以说是一种取之不尽、用之不竭的动力资源，人们誉称它为“蓝色的煤海”。潮汐能的大小直接与潮差有关，潮差越大，能量也就越大。由于深海大洋中的潮差一般较小，因此，潮汐能的利用主要集中在潮差较大的浅海、海湾和河口地区。中国的海岸线漫长曲折，港湾交错，入海河口众多，有些地区潮差很大，具有开发利用潮汐能的良好条件。例如浙江省杭州湾钱塘江口，因海湾广阔，河口逐渐浅狭，潮波传播受到约束而形成了有名的钱塘江怒潮，每当涌潮出现时，潮头壁立，波涛汹涌，轰轰作响，有如万马奔腾，十分壮观，潮头高度可达3.5m，潮差可达8.9m，蕴藏巨大的能量，据估算，其能量约为三门峡水电站的一半之巨。

潮汐能的蕴藏量是十分巨大的。世界潮汐能的开发利用已见初效。全球的潮汐能发电储量约有2000亿度，而目前实际用来发电的只有6亿度左右。

在涨潮的过程中，汹涌而来的海水具有很大的动能，随着海水水位的升高，就把大量海水的动能转化为势能；在退潮过程中，海水又奔腾而去，水位逐渐降低，大量的势能又转化为动能。海水在涨潮、退潮的运动中所包含的大量动能和势能，称为潮汐能，一般平均潮差在3m以上就有实际应用价值。

我国有漫长曲折的海岸线，蕴藏着十分丰富的潮汐能资源。理论蕴藏量达1.1亿千瓦，可开发利用量约2100万千瓦，其中浙江、福建两省蕴藏量最大，相当可观。

二、潮汐能发电原理及形式

前面介绍过潮汐能，潮汐能利用可分为两种形式：一是利用潮汐的动能，即直接利用潮流前进的力量来推动水轮机发电，称为潮流发电，但利用潮汐的动能对潮汐能的利用率非常低，目前应用较少。二是利用潮汐的位能发电，称为潮位发电，是目前应用较多的形式。

l．潮汐发电原理

由于电能具有易于生产、便于传输、使用方便、利用率高等一系列优点，因而利用潮汐的能量来发电目前已成为世界各国利用潮汐能的基本方式。

潮汐发电，就是利用海水涨落及其所造成的水位差来推动水轮机，再由水轮机带动发电机来发电。其发电的原理与一般的水力发电差别不大。不过，一般的水力发电的水流方向是单向的，而潮汐发电则不同。从能量转换的角度来说，潮汐发电首先是把潮汐的动能和势能通过水轮机变成机械能，然后再由水轮机带动发电机，把机械能转变为电能。如果建筑一条大坝，把靠海的河口或海湾同大海隔开，造成一个天然的水库，在大坝中间留一个缺口，并在缺口中安装上水轮发电机组，那么涨潮时，海水从大海通过缺口流进水库，冲击水轮机旋转，从而就带动发电机发出电来；而在落潮时，海水又从水库通过缺口流人大海，则又可从相反的方向带动发电机组发电。这样，海水一涨一落，电站就可源源不断地发出电来。潮汐发电的原理如图7 3所示。

潮汐位能发电站的原理

利用潮汐的位能就是营造水头，利用落差发电。在有条件的海湾或潮差大的河口建筑堤坝、闸门和水轮发电机厂房，将海湾（或河口）与外海隔开围成水库，对水闸适当地进行启闭调节，使库侧水位与海侧潮位形成一定的高度差（即工作水头），从而驱动水轮发电机组发电。

图显示了一个海水涨潮时推动水轮机运转潮汐位能发电站的示意图，是海水涨潮时水位高于水库水位，海水向水库流动推动水轮机运转。

图1

图是海水退潮时水位低于水库水位，水库水向海洋流动推动水轮机运转。

图2 海水退潮时推动水轮机运转

这个原理与普通水利发电相似，与普通水利发电的差别在于蓄积的海水落差不大，并且呈间歇性，但流量大，所以潮汐发电的水轮机要适合低水头、大流量的特点。

，实际上的潮汐位能电站要复杂些有单库单向电站、单库双向电站和双库连续发电电站三种类型，下面介绍这三种潮汐发电站。

潮汐电站的类型

潮汐能的利用可直接用潮汐的动能推动水轮机发电，更多的是利用潮汐的位能发电，潮汐位能电站有单库单向电站、单库双向电站和双库连续发电、发电结合抽水蓄能式电站四种类型。

单库单向电站

在海湾出口或河口处，建造堤坝、发电厂房和水闸，将海湾与外海分隔，形成水库。在涨潮时开启闸门将潮水充满水库，当落潮外海潮位下降时，产生一定落差，利用该落差推动水轮发电机组发电。这种电站只建造一个水库，而且只在落潮时发电，称为单库单向发电。图3左图是单库单向潮汐发电站布置示意图。

图3 单库单向潮汐发电示意图

图3右图是单库单向潮汐发电站运行工况示意图，运行工况可分为以下四个步骤： （a）充水：开启水闸，水轮机停运，库外上涨的潮水经水闸进入水库，至库内外水位齐平为止。

（b）等候：水闸关闭，水轮机停运，水库内水位保持不变，库外水位因退潮差下降，待库内外水位差达到一定水头时，启动水轮机发电。

（c）发电：水库的水向库外流动推动机组发电，水库水位下降，直至与外海潮位的水位差小于机组发电需要的最小水头为止。

（d）等候：水轮机停运，水库水位保持不变，待库内外水位齐平后，转入下一循环。 由于每昼夜涨潮退潮哥两次，故单库单向电站每昼夜发电两次，停运两次，平均每日发电约9～11小时。由于采用单向机组，机组结构简单，发电水头较大，机组效率较高。也可采用涨潮时充水发电，退潮时泄水的形式。单库单向电站多用于小型潮汐电站。

单库双向电站

为了在涨落潮时都能发电，则建造单库双向电站。在海湾出口或河口处，建造堤坝、发电厂房和水闸，采用双向发电的水轮发电机组使涨落潮两向均能发电。图4左图是单库双向潮汐发电站布置示意图。

图4 单库双向潮汐发电示意图

图4右图是单库双向潮汐发电站运行工况示意图，运行工况可分为以下六个步骤： （a）在海水开始涨潮时，库外潮位与水库水位之差不足以发电时，关闭闸门等待潮位上涨。

（b）库外潮位上涨与水库水位之差可以发电时，启动水轮发电机发电，闸门依然关闭。 （c）库外潮位开始退潮，潮位与水库水位之差不足以发电时停止水轮机发电，打开闸门让海水进入水库，直至两者水位相同时关闭闸门。

（d）水库保持水位，直到潮位降至水库水位以下可以发电时。

（e）开启水轮发电机发电，直到潮位重新上涨与水库水位之差不可以发电时停止发电。 （f）打开闸门把水库中的水泄入海中，直到直至两者水位相同时关闭闸门。

关闭闸门后又进入等待状态，开始下一个循环。

单库双向电站每昼夜发电4次，停电4次，平均每日发电约14~16小时。跟单库单向电站相比，发电小时数约增长1/3，发电量约增加1/5。但由于兼顾正反两向发电，发电平均水头较单向发电小，相应机组单位千瓦造价比单向发电为高。设备制造和操作运行技术要求也高，宜在大中型电站中采用。

这种电站也可以采用单向发电机组，但从水工建筑物布置上要设置流道使涨潮和落潮时，使水流都能按同一方向进入和流出水轮机，从而使涨落潮两向均能发电，由于增加了流道与闸门，操作也麻烦，只在中小电站采用。

双库连续发电电站

在海湾或河口处建造相邻的两个水库，各与外海用一个水闸相通，一个水库（高水库）在涨潮时进水；一个水库（低水库）在退潮时泄水，在两个水库之间有中间堤坝并设置发电厂房相连通，在潮汐涨落中，控制进水闸和出水闸，是高水库与低水库间始终保持一定落差，

从而在水流由高水库流向低水库时连续不断发电。图5左图是双库连续潮汐发电站布置示意图。

图5 双库连续潮汐发电示意图

图5右图是双库连续潮汐发电站运行工况示意图，首先高水库在涨潮充满水，低水库在退潮时将水位泄至最低，开启水轮发电机发电，然后以四个步骤进行循环：

（a） 当海水水位在高水库水位与底水库水位之间时，关闭进水闸与泄水闸，此间由于水轮机运转，高水库水位逐步下降，低水库水位逐步上升。

（b）当海水涨潮时水位高于高水库水位，打开进水闸，充水到与海水水位相同时关闭进水闸，此间由于水轮机运转，低水库水位继续上升。

（c）海水退潮在水位低于高水库水位与高于低水库水位时，进水闸与泄水闸处关闭状态，由于水轮机运转，高水库水位逐步下降，低水库水位继续上升。

（d）海水退潮至低水库水位以下时，打开泄水闸，将低水库水位泄至海水水位时关闭泄水闸，此间由于水轮机运转，高水库水位逐步下降。

下步又进入（a）步骤继续循环。水闸与电站流量控制要点就是保持高水库与低水库间的落差，使水轮发电机组运转发电。

双库连续发电电站的优点十分明显，但要把一个大海湾或河口分隔成两个水库，使可用水库面积减小，而且工程建筑量大、分散、投资高。只有地形条件不用增建中间堤坝或少建中间堤坝，并利于布置厂房和水闸，才适合建设双库连续发电电站。

（4）发电结合抽水蓄能式。这种电站的工作原理是：在潮汐电站水库水位与潮位接近并且水头小时，用电网的电力抽水蓄能。涨潮时将水抽入水库，落潮时将水库内的水往海中抽，以增加发电的有效水头，提高发电量。

上述4种形式的电站各有特点、各有利弊，在建设时，要根据当地的潮型、潮差、地形、电力系统的负荷要求、发电设备的组成情况以及建筑材料和施工条件等技术经济指标，综合进行考虑，慎重加以选择。

潮汐动能发电站的原理

如果海湾或河口处在潮汐涨落中的流速较高，可直接利用潮流前进的动能来推动水轮机发电，方法类似于风力发电机，称之为海流发电机。国外在这方面已有成功先例，比较典型的是英国研制的一种桨叶式潮汐发电机，名为“SeaGen”，形似倒置的风车，由一对涡轮组成，每个涡轮直径20米，容量1200千瓦。图6是该潮汐发电机的图片。

图6 SeaGen桨叶式潮汐发电机（照片来自网络）

由于涡轮的面积比起潮汐流的截面是很微小的，所以对整个潮汐能的利用率非常低，

但不用建堤坝与相关设施，投资少，不影响生态环境，前提是潮汐要形成足够的流速。