李曉超，喬超亞，2，王曉麗，謝威威，張浩，鄭建喆

（1.華北水利水電大學(xué)，河南 鄭州 450045；2.浙江水力水電學(xué)院 水力與海洋工程研究所，浙江杭州 310018；3.中國民航大學(xué)，天津 300300；4.河南天池抽水蓄能有限公司，河南 南陽 474664；5.中鐵十五局集團第五工程有限公司，天津 300133）

0 引言

眾所周知，地球可以稱之為“水球”，地球上海洋的覆蓋率大約達到了71%，而陸地大約僅占總面積的29%。隨著地球人口數(shù)量的不斷增長，有限的陸地資源漸漸顯得匱乏起來，伴隨著人類文明的不斷進步，人類在不斷地加快探索世界的步伐?？萍妓降娜找嫣岣撸谷祟惖奶剿饕曇爸饾u從陸地放眼到了更加廣闊的海洋，海洋當(dāng)中蘊含著巨大的能量。海洋能主要有鹽差能、潮汐能、溫差能、波浪能和海流能。其中除了潮汐能源自天體引力外，其他均來源于太陽的輻射能，可以這樣說，只要太陽、月亮等天體與地球共存，這種能量就會一直存在，日復(fù)一日，年復(fù)一年，生生不息。

1 潮汐能的形成原理

由于月球繞地一周的時間是一個月，一個月內(nèi)會有兩次太陽、地球與月球三者處于一條直線上，當(dāng)出現(xiàn)這樣的情況時，萬有引力和離心力方向重合，作用疊加，這時候二力結(jié)合稱為潮力，這也是地球受到潮力最大的時候，為大潮現(xiàn)象，大潮現(xiàn)象一般是每月的農(nóng)歷初一和農(nóng)歷十五。除了大潮，當(dāng)月亮與太陽對地球的引力方向相互垂直時，此時合力最小，就會形成小潮現(xiàn)象，小潮的產(chǎn)生時間是每月的農(nóng)歷初八和農(nóng)歷二十三。

由于月亮的引潮力占主導(dǎo)地位，對地球上同一地點而言，一天會有兩次離月亮最近或最遠的時候，此時地球所受的引潮力為一天內(nèi)最大，于是就形成了一天出現(xiàn)兩次的漲潮，即白天漲潮的“潮”和夜晚漲潮的“汐”的現(xiàn)象。

潮水在水位變化時，會產(chǎn)生很大的能量，而且這種能量是綠色無污染的、可再生的能量。當(dāng)海水漲潮時，水的流動會蘊含很大的動能，隨著海水的水位上漲，其本身的動能就轉(zhuǎn)化為勢能。等到海水落潮，水位會變低，其中蘊含的勢能再次轉(zhuǎn)化成動能。

潮差即潮水漲落的水位差值，這是衡量一個地區(qū)潮汐能豐富與否的一個重要指標(biāo)，如果平均潮差達到3 m，該地區(qū)的潮汐能就具備了實際應(yīng)用價值。地球上潮差較大的地區(qū)潮差甚至能夠達到13～15 m，如果能很好的利用潮汐能，這將給生活帶來很大的福祉。

2 潮汐能的特點

隨著國家十四五規(guī)劃的開篇布局，保護生態(tài)環(huán)境的重要性愈加突出，習(xí)總書記說過：綠水青山就是金山銀山。清潔能源才是人類所需要的，傳統(tǒng)的化石能源污染大且不可持續(xù)，所以終將被清潔能源代替。潮汐能就是清潔能源的一種，它主要有三個特點：①無污染可再生。顯而易見，潮汐能隨著每天的漲潮退潮，蘊含著無窮的能量，它是可持續(xù)的、可再生的清潔能源。對于沿海地區(qū)，使用潮汐能發(fā)電不僅能應(yīng)對能源不足的問題，而且對生態(tài)影響非常小，還能成為沿海地區(qū)國防建設(shè)和人民生產(chǎn)生活的重要補充能源。②實用可靠。潮汐電站一般都是建設(shè)在?？诟郯兜热藷熀敝恋牡胤?，不僅不會造成移民、毀田等問題，還可促進水產(chǎn)養(yǎng)殖等企業(yè)落地，助力當(dāng)?shù)亟?jīng)濟發(fā)展。潮汐能水頭不大，建筑水壩不高，遇到地震等自然災(zāi)害時，即使水壩被破壞，也不會產(chǎn)生嚴(yán)重災(zāi)害。③穩(wěn)定。潮汐能依據(jù)天體運動產(chǎn)生，能量不隨月圓月缺變化，也不存在豐水枯水季，不論風(fēng)吹雨打，或晴或陰，總是如約而至，周期漲落，十分穩(wěn)定。

雖然潮汐能具有以上眾多優(yōu)點，但是在實際應(yīng)用中，因港口海岸地貌特殊，而潮汐電站選址對地形要求較高，所以潮汐電站施工難度很大；雖然潮汐能是和眾多新能源一樣是一次性投資，但其水輪機是低水頭、大流量型，體積龐大，如果雙向發(fā)電，再加上兼具泵水功能，結(jié)構(gòu)會更復(fù)雜，投資將會更大，而且潮汐電站的海水腐蝕、泥沙淤積等問題較為棘手，更使潮汐電站的開發(fā)難上加難。在不同的區(qū)域，潮汐系統(tǒng)也會有所區(qū)別，它們都有著獨特的特點。目前對于潮汐領(lǐng)域探索不深，潮汐領(lǐng)域出現(xiàn)的問題比較難解決，但是潮汐能電站已經(jīng)可以做到準(zhǔn)確的預(yù)報，在潮汐能發(fā)電上也獲益匪淺，不需要輔助其他運輸成本，相信以后隨著探索越來越深，能讓潮汐能完全被掌控，用來造福人類。但是潮汐能電站建設(shè)的成本太大，比傳統(tǒng)的火力發(fā)電站的成本高得多，它與水電站相似，屬于一次性成本大、發(fā)電的成本低這一塊類型。如果潮汐發(fā)電站能夠使用的時間足夠長，那它的經(jīng)濟效益也是很可觀的，能緩解人類的能源壓力。

3 中國潮汐能的特點

①潮汐能蘊藏量十分豐富。國家的海岸線很漫長，這也注定了中國的潮汐能源不會貧乏。從地域上而言東南沿海地區(qū)潮汐能資源豐富，尤其以閩、浙地區(qū)的蘊藏量最大。中國潮汐能的理論蘊藏量大約為1.10億kW，其中可以開發(fā)的利用量大概有2 100億kW。

②潮汐能地理分布不均。潮汐現(xiàn)象由江河湖海中的水受到引力所致，故多集中在大江大河處，雖然內(nèi)地的江河湖海原理上和大海大洋無一例外的都會受到引潮力，但由于其水量、面積較海洋相差甚遠，其潮差微乎其微，達不到利用程度，而這些河流卻可以發(fā)揮大海大洋所不具備的地理位置優(yōu)勢，利用其較大的落差進行發(fā)電。中國的潮汐能源主要分布在沿海地區(qū)，尤其是東南沿海地區(qū)的潮汐能可開發(fā)量能占到中國的88%，如福建、浙江、上海等地。但在沿海地區(qū)潮汐，因潮差不一樣又有所區(qū)別，東海最大，黃海次之，南海及渤海南部最小。

③潮汐能開發(fā)較復(fù)雜。平原型和港灣型是中國東邊沿海區(qū)域的主要地形。平原型地形的潮差比較小，它的土地構(gòu)成主要是淤沙和淤泥，其地形平坦，海岸線也比較平直，廣泛分布于中國杭州灣以北地區(qū)，該地形不適合電站選址；但在杭州灣南部，其地勢險峻、坡陡水深、潮差較大，且擁有很多適合用作潮汐電站壩址的港灣等地形條件，但是，其泥沙淤積非常嚴(yán)重，是開發(fā)潮汐能路上的一只攔路虎，中國于20 世紀(jì)興建的潮汐電站，很多因泥沙淤積問題致使電站無法運行被迫關(guān)停。因此，想要大力發(fā)展潮汐能，還有大量工作要做。

4 潮汐能電站的工作原理

如何將潮水中蘊含的能量收集利用起來？潮汐能主要有兩種利用形式。其中一種是將潮水的動能利用起來。由于漲潮與退潮時的水流流速很高，如果直接利用潮流這種巨大的動能推動水力機組發(fā)電，就是潮流發(fā)電，風(fēng)力發(fā)電方式也是利用動能，與該發(fā)電原理類似。但如果僅利用潮水中蘊含的動能，就會造成潮汐能源的浪費。這是因為潮水的漲落不但擁有強大的動能，還有位能、壓能等勢能，正是這些能量的共同作用，才使水流擁有了摧枯拉朽的力量。因此就潮流發(fā)電而言，目前應(yīng)用較少。另外一種就是建造大壩，通過大壩蓄水，利用落差發(fā)電，這種重點利用潮汐的位能、壓能等勢能的發(fā)電方式即潮位發(fā)電，其發(fā)電原理與水力發(fā)電中的抽水蓄能原理類似，但抽水蓄能電站一般為正向做水輪機發(fā)電運行，反向為水泵耗電運行；潮汐電站的水力機組則兼具正反向發(fā)電、泵水功能，既可雙向發(fā)電也可在需要時兩向泵水。潮汐電站是在漲潮時，水庫中的水位低于海水水位，大量海水會通過機組流道進入水庫，海水沖擊水輪機，水流蘊含的動能和勢能就轉(zhuǎn)化為了水輪機的機械能，而水輪機又帶動發(fā)電機旋轉(zhuǎn)發(fā)電，最終產(chǎn)生電能；退潮時，水庫中的水位高于河海的水位，海水由水庫注入大海時又帶動水輪發(fā)電機組轉(zhuǎn)動。通過海水的不斷漲落，從而使發(fā)電機組不停地發(fā)電。根據(jù)具體發(fā)電方式的差異，又有單庫單向電站、單庫雙向電站和雙庫連續(xù)發(fā)電電站三種類型。表1是各國最具有代表性的潮汐電站。

表1 各國最具代表性的潮汐能電站統(tǒng)計表

5 中國潮汐能開發(fā)現(xiàn)狀與展望

中國潮汐能開發(fā)與利用，經(jīng)歷了以下三個時期。第一是20世紀(jì)50年代。修建了很多潮汐電站，大都因選址不當(dāng)、施工粗糙、經(jīng)營不善等原因相繼廢棄。第二是20世紀(jì)70年代?？偨Y(jié)吸收了上一時期潮汐發(fā)電的教訓(xùn)和經(jīng)驗，對潮汐電站的動工與建設(shè)，進行了科學(xué)論證、合理選址，且更加注重潮汐電站的工程質(zhì)量。江廈潮汐電站這一中國截至目前最大裝機容量的潮汐電站就是在這個時期修建的。第三是1980年至今。對已建成的潮汐電站出現(xiàn)的問題進行了治理和相關(guān)改造，還順利建成了江廈潮汐電站、幸福洋潮汐電站等工程。同時，完成了中國潮汐資源新一輪的普查工作，并經(jīng)科學(xué)論證，規(guī)劃了部分潮汐電站。

中國僅有江廈潮汐電站在運行發(fā)電，浙江海山電站還在升級改造中，其他潮汐電站大多因無法實現(xiàn)盈利而相繼關(guān)停。中國的潮汐電站無論是開發(fā)利用程度、建設(shè)規(guī)模還是單機容量均有待進一步提高，潮汐電站的發(fā)展還僅位于初級階段，潮汐能開發(fā)量遠遠沒有達到中國潮汐能實際可開發(fā)利用量，潮汐能開發(fā)利用技術(shù)需進一步完善。潮汐能源是清潔能源，綠色無污染，但要開發(fā)潮汐能還有諸多限制，主要有以下幾個方面：①地理條件要求高。潮汐電站的選址要結(jié)合海灣、河口的天然構(gòu)造，首先從外形上觀察地區(qū)是否具備進行潮汐發(fā)電的可能性，然后要結(jié)合該地區(qū)的地質(zhì)情況，考察地基、泥沙含量等等，要先選擇合理的大壩建址，最后才能進行施工，開發(fā)利用潮汐能。如果該地區(qū)有一個天然的環(huán)形港口，水庫的修建就會省去很多人力物力，而且大壩的長度也可以依托有利的現(xiàn)有地形適當(dāng)減少，要是該地區(qū)的地質(zhì)好，泥沙含量低，在后續(xù)的電站運行過程中，就不會造成嚴(yán)重的泥沙淤積和繁瑣的清淤工作。②目前的發(fā)電成本較高。潮汐電站除了一次性投資大之外，目前潮汐能的上網(wǎng)電價很高。有學(xué)者指出江夏潮汐電站的上網(wǎng)電價達到了2.58元/（kW·h），比其他發(fā)電的電價高出很多。原材料是免費的海水，這是不計成本的，但潮汐電站電價之高其實是由于運行技術(shù)水平不高所致，潮汐電站在一天之內(nèi)水頭變幅很大，這就需要潮汐電站運行部門設(shè)計出科學(xué)、合理的運行方案，使發(fā)電效益最大化，而目前的潮汐電站運行技術(shù)還不夠成熟，使得潮汐發(fā)電產(chǎn)生不連續(xù)性和波動性。其次就是潮汐電站的大部分部件都是暴露在海水中的，海水比普通的河流腐蝕性大得多，這就增加了后期的設(shè)備維護成本，這也是使潮汐電站上網(wǎng)電價較高的一個因素。③材料技術(shù)水平的限制。海水不像陸地的淡水河流，海水里含著高強度的金屬鹽成分，會對發(fā)電設(shè)備產(chǎn)生化學(xué)、電化學(xué)等腐蝕性作用，而且海洋當(dāng)中孕育著多種多樣的生物，這些生物有的也會產(chǎn)生對潮汐電站發(fā)電設(shè)備具有腐蝕作用的物質(zhì)，而且還有微生物的附著，這更加考驗材料的生產(chǎn)工藝制造水平，而目前中國的材料技術(shù)雖然取得了巨大的進展，但是仍然有很多工作需要努力，建議未來著重以下方面的研究：一是科學(xué)的選擇潮汐電站建址。選擇適當(dāng)?shù)牡匦螚l件不僅會大大降低對生態(tài)環(huán)境的影響，而且還會節(jié)省很多不必要的投資。二是根據(jù)實際生產(chǎn)經(jīng)驗不斷總結(jié)規(guī)律，研究更加科學(xué)合理的運行方案，更好的使設(shè)備運行，降低運行成本，從而降低上網(wǎng)電價，促進潮汐電站的發(fā)展。三是加快中國材料工藝的發(fā)展，減輕設(shè)備的維護成本，進一步助力潮汐電價的降低。四是潮汐電站涉及水文、水電、材料等多學(xué)科知識，需要重點培養(yǎng)交叉性學(xué)術(shù)人才。

6 結(jié)語

眾所周知，中國地大物博，資源豐富，但由于人口數(shù)量龐大，造成人均占有資源量很低，落后于眾多國家。對中國而言，煤炭銷量占到全國一次能源消費的75%以上，燃燒煤炭時會產(chǎn)生會很多有害氣體，比如：二氧化硫和二氧化碳等，這會嚴(yán)重污染空氣，可能會形成酸雨，也會加劇溫室效應(yīng)，最后引起地球氣候改變。隨著國家十四五規(guī)劃的謀篇布局，對生態(tài)環(huán)境的重視愈加突出，切實貫徹可持續(xù)發(fā)展觀，對生存具有重要意義，因此新能源必將在不久的將來取得更大的進展，占據(jù)能源結(jié)構(gòu)的主導(dǎo)地位。隨著中國海上力量的不斷增強，向大洋進發(fā)的進程大大加快，陸地資源日益減少，也使得中國探索海洋的腳步會越邁越大，越走越快。并且中國海岸線漫長，有18 000 km 的大陸海岸線及6 500多個海島海岸線，岸線總長度超過32 000 km，蘊藏著豐富的海洋能資源。據(jù)聯(lián)合國教科文組織的數(shù)據(jù)顯示，中國沿岸和近海及毗鄰海域的潮汐能資源理論總儲量約為1.10×108kW，技術(shù)可利用量約為2.179×107kW。即使目前存在諸多困難，但相信隨著社會和科技的不斷發(fā)展進步，潮汐電站的發(fā)電成本會進一步降低，潮汐電站生產(chǎn)的電能質(zhì)量也會越來越高，潮汐發(fā)電技術(shù)的大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用也會在不久的將來變成現(xiàn)實！