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1、第4章 潮汐能,潮汐,海洋水位的升高和降低称为潮汐。在地球上不同的地方，潮汐发生的周期是一天，即24h，或大约半天，即12h25min。在我国，称早晨海水上涨为潮，黄昏上涨为汐，即古人所谓的“朝生为潮，夕生为汐”，故合称为潮汐。,潮汐能,连续的高、低潮产生的高度差(潮差)称为潮汐的幅度。涨潮和落潮的水位差(潮差)形成的势能称为潮汐能。潮汐能的大小与潮量和潮差成正比。潮汐能主要集中在浅海和狭窄海湾地带，如英吉利海峡、马六甲海峡、芬兰湾，我国的浙江、福建沿海和黄海的港湾与江河入海口等。,潮汐能的利用主要是发电，与水力发电相似，只是水头微小而已。用围堰或堤坝将涨潮的海水围在港湾或盆地内，形成储水库，
2、则这些潮水在理论上可以获得的平均功率为,其中：为水的密度，kg/m3；A为储水库的面积，m2；R为潮汐的幅度，m；为潮汐的周期，s。,设海水的密度=1030kg/m3，如果A=10km2，R=4m，=12h25min，则P18MW。,潮汐的产生及其涨落规律与月球和地球、太阳和地球之间的万有引力及三者之间的运行轨迹密切相关。由月球和太阳引起的潮汐分别称为月亮潮和太阳潮，实际的海水潮汐是二者综合的结果。,一、月亮潮,为了说明月亮潮的成因，使用一个最简单的地月系统模型。月亮在地球赤道平面上围绕地球旋转，如图所示。,图中M、M分别为月亮和地球的质量，各为7.351022kg和5981022kg；D是地
3、月距离(假设地、月的质量中心位于它们的几何中心)，为384106m；L和L分别是月亮和地球的质心至地月系统质心的距离。根据系统以其质心为中心各部分的质量矩平衡的原理，有如下关系式：ML=MLML=M(D- L),ML=MLML=M(D- L)因此，有,解得L=4662km，小于地球的半径r=6380km，即地月系统的质心在地球的内部。,地、月间受万有引力的作用，从月亮不被地球吸引靠近过来可知，地球和月亮是围绕穿过系统质心的轴线互相旋转的，以达到离心力和引力的平衡，才能保持地月系统的稳定。因为地月系统的质心在地球的内部，所以从宏观上看月亮是绕着地球转的，成了地球的卫星。,月球和地球受到的万有引力
4、和离心力大小相等、方向相反，即,其中，G为万有引力系数，为6.6710-11m3/(kgs2)；为地月系统绕其质心旋转的角速度，1/s。,在地月系统中，地球上x处和y处的物质受到的万有引力和离心力是不同的。在最靠近月亮的点x处，指向月球的万有引力增加，离心力减小(因为实际的绕行半径是r-L)，但也指向月球。在y点，万有引力减小，离心力增加，方向都是背离月球。,考虑x点和y点质量为m的海水受力，可得,因为rD，用泰勒级数将,展开，可得,对在地心E点m质量的物质，有,将上面两式代入前面两式，可以得到,上式表明，x处和y处m质量的物质受到的力大小相等，方向都是垂直地表向外，称为引潮力。,由于地球表面
5、的液体物质比固体物质易于移动，在引潮力的作用下，海面发生凸起，即产生了潮汐。需要注意，地球自转产生的离心力对起潮和潮差没有明显影响。,当月球在地球的赤道平面上，最靠近和最远离月球的点x和y处的海水受到的引潮力最大，海水发生的堆积最为显著，形成的是半日潮(图(a)；当月球不在地球的赤道平面上时，则赤道平面两侧的海水受到的引潮力较小，有的地带形成的是一日潮(图(b)。,地月系统产生的引潮力是影响起潮和潮差大小的决定性因素，但不是唯一的因素。潮汐还与太阳对地球的万有引力以及当地的海流、海峡、港湾、河口的地理条件等因素有关。,二、太阳导致的潮汐及综合效果,图中的(a)，(b)，(c)是太阳、月亮、地球
6、的3种相对位置关系，假设月球在地球的赤道平面上，地球赤道平面与绕太阳公转的轨道平面重合。,Ms，Mm，Me分别是太阳、月球和地球的质量；Ds，Dm分别是太阳和月球的中心到地心的距离；r是地球的半径；A，B是地球赤道平面的两点。已知Ms=1.991030kg，Ds=1.5108km。,1、太阳-地球系统的质心设质心距地心为L，则,即太阳-地球系统的质心在太阳内部，所以在系统绕质心旋转时，表现为地球绕太阳公转。,2、太阳的引潮力先考虑情况(a)。太阳对A处单位质量物质的引力是,A处单位质量物质绕太阳旋转的离心力是,二者方向相反，引力朝向太阳，离心力背向太阳。太阳在A处产生的引潮力为,因为LDs，上
7、式可简化为,显然，在A处太阳产生的引潮力起加强月亮潮的作用。,综上分析可知，月球对A处单位质量物质产生的引潮力为,月亮和太阳在A处产生的引潮力的比值是,这说明，月球在A处产生的引潮力远大于太阳产生的引潮力，可以说潮汐的产生是由月亮引起的。,太阳对B处单位质量物质的引力是,太阳对B处单位质量物质的引力是,二者的方向相反，引力朝向太阳，离心力背向太阳。太阳在B处产生的引潮力为,因为LDs，上式可简化为,显然，B处太阳产生的引潮力与A处大小相等，方向相反。与A处一样，在B处太阳的引潮力也是起加强月亮潮的作用，但是月球的引潮力远大于太阳的引潮力，太阳的引潮力对潮汐的影响是很小的。,根据同样的道理推理，
8、在情况(b)中，太阳对A点和B点产生的引潮力和情况(a)是相同的；在情况(c)中，太阳对地球两极的引潮力最大，而且是垂直地表向外的，而对A，B处的最小，而且是指向地球内部的。,可见，当太阳、地球和月亮在同一直线上，月亮潮和太阳潮同相，产生潮汐的幅度最大；这是大潮(子午潮)，每月发生两次，分别发生在满月和新月的时候。当太阳-地球的方向与月亮-地球的方向垂直时，潮的幅度最小；这是小潮，也是每个月发生两次。,三、潮汐的功率,设港湾储水库的面积为A，在低潮时也有水。,在涨潮时，水围在储水库内，围住的海水质量为AR，重心在低潮水位之上R/2处。若储水库里的水降到低潮水位，则,将该能量在潮汐周期内进行平均
9、，得到一个潮汐内的平均功率,潮汐的幅度每个月从大潮时的最大值Rs到小潮时的最小值Rn变化。下图表示了该变化的轮廓，是以平均潮高为水平对称轴、周期为半个太阴月的正弦曲线。在一个太阴月的周期T内(T=29.53d)，任意时刻t的幅度由下式给出,若Rn=Rs，为小于1的常数，则幅度为,取均方根，有,可以得到,所以一个月(太阴月)的平均功率为,若0.5，则,四、潮汐发电,用潮汐能发电，实质上是利用潮差势能的水力发电。潮汐发电是19世纪末发展起来的，初期都是很小的电站，随着工业的发展和技术的进步，到现代才有为数不多的大型潮汐电站。,法国朗斯潮汐电站1961年开始兴建，1967年年底全部机组投运，装机容量
10、240MW，是迄今世界上最大的潮汐电站。该站址的最大潮差13.4m，平均潮差8.0m；采用单库双向发电方式；库区面积17km2，最高海平面时为22km2，平均海平面时为12km2；大坝总长750m，安装了24台直径为5.35m的可逆转水轮机。,我国从20世纪50年代开始，在山东、江苏、浙江、福建、广东、广西沿海陆续建设了一批小型潮汐电站，其中江厦潮汐试验电站位于浙江省温岭县乐清湾末端的江厦港上。该电站1972年开工建设，1986年年底全部建成投产，装机为1500kW+1600kW+3700kW，总容量3.2MW；最大潮差8.39m，多年平均潮差5.08m；采用单库双向发电方式，库区面积2km2
11、；坝址全长670m，土石坝结构。江厦潮汐电站兼有围垦、养殖和交通等综合效益，其库区内围垦的267km2可耕地已全部开发，160km2水面用于鱼、虾和贝类养殖，坝顶公路连接港区两岸，经济和社会效益显著。,与陆地水库的高水头和水头相对平稳不同，潮汐电站的海水潮差要低一个数量级，而且呈周期性的变化；此外，海洋中特定地点的潮差大小完全取决于当地的地理环境，同时海水和空气盐雾具有很强的腐蚀性。因此，在潮汐发电的技术开发中会遇到一些特殊问题，主要是：,(1)月亮潮的周期12h25min或24h50min与太阳潮的周期24h都是有固定规律的，潮汐发电的功率曲线与终端用户的功率曲线往往不一致，如果潮汐电站不联
12、网，就需要采取负荷匹配的技术措施；(2)潮汐幅度的变化导致电功率的变化；(3)大功率潮汐电站需要大量低水头的水，要求的储水库面积大，以及许多特殊设计的水轮机和其他机电设备；(4)潮汐电站的初投资较大；(5)可能对储水库区的生态环境产生不良影响。,潮汐发电工程建设的大致过程是：在地形条件好、潮汐水位落差大的海湾或河口，建筑带闸门的拦水坝，形成水库，并在电站厂房中安装水轮发电机组。利用涨潮和落潮在水库内外形成一定的水位差水头，使具有一定水头的潮水冲击安装在大坝内的水轮机，使之旋转做功。潮水流动的特点是随着潮水的涨落而周期性地变化方向，这就决定了潮汐发电的具体过程有别于水力发电，也使潮汐发电出现了几
13、种不同的方式。,(1)单库单向型,只建一个储水库，在水库大坝上分别建一个进水闸门和一个排水闸门，水轮发电机安装在进水闸门或者排水闸门处，分涨潮发电和落潮发电两种形式。,图(a)是涨潮发电。当海水涨潮时，打开进水闸门积蓄海水，同时由于海水水位高，在海水从进水闸门流入时就会冲击水轮机，带动发电机发电。落潮时，关上进水闸门，打开排水闸门放水。图(b)是落潮发电。单库单向式的水轮发电机组结构简单、成本较低，但只能在涨潮或落潮时发电，发电时间短，因而发电量较小。,(2)单库双向型,也是只建一个水库，但安装了既能顺转又能倒转的水轮机，并配上能正反转的发电机。这样，除平潮(即水库内外水位相平)外，不管涨潮还
14、是落潮均能发电。因而发电时间较长，一般1天能发电1620h，发电量有较大增加。缺点是结构比较复杂，并且仍有发电间断的缺陷。,(3)双库双向型,建造一高一低两个水库，把发电机组安装在高低水库之间。涨潮时，打开上水库进水闸适当充水，抬高水位，同时关闭下水库排水闸，水从上水库通过电站流向下水库时带动水轮发电机发电；落潮时，关闭上水库的进水闸，打开下水库的排水闸。,在涨落潮的过程中始终使两个水库之间保持一定的水位差，这样就可以不间歇地全日发电了。这种发电方式的缺点是只能利用约一半的潮差能量和库容，发电功率较小；还需要建造两个水库，投资较大。,(4)发电槽发电,当涨潮时，海水从一端流入槽内，冲击槽内挡板
15、，使板向另一端移动，产生位移动能，经机构传动把位移动能转换为旋转动能，驱动发电机发电。落潮时的工作过程类似涨潮时，但方向相反，如此往复运动，实现发电作业。,这种发电方式的主要困难是，在机构传动中，要使发电机的旋转方向始终保持同一方向，不因海水流向的往返而改变。,潮汐能发电,潮汐能发电目前还存在着成本较高、技术复杂的缺陷，同时还有库区淤积、设备腐蚀以及生物附着等问题，尚无力与水力发电、核能发电相竞争。然而潮汐的潜能巨大，取之不尽，用之不竭，没有污染。,20世纪90年代之后，在化石燃料资源日渐短缺、温室气体排放和气候变化的压力日益加大的形势下，世界上主要的潮汐能丰富的国家都在研究加快开发潮汐能。在中国以外，计划或拟议中的大型潮汐电站约有20多座，其中有俄罗斯4座、英国3座、美国2座、印度2座。20世纪末，我国浙江、福建两省也做了部分大中型潮汐电站的站址规划。,预期到2020年，世界潮汐发电总量将达到1260TW.h(1T=1012)，潮汐能的利用有着广阔的发展前景。,
