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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1与图2是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。
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,海水的往复流动又称为潮流。
海水在涨潮、退潮的运动中所包含的大量动能和势能,称统为潮汐能,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。
波浪能
太阳照射在不同地区的产生的温度不平衡产生了风,海洋占地球表面的70%,是最大的风能吸收器。
风吹过海面时,把一部分能量传给了海水,形成了起伏运动的波浪,波浪具有一定的动能和势能。
动能以海水粒子的运动速度描述,势能是偏离于平均海平面的海水质量的函数。
当风速大、与海水作用的流程长传给海水的能量就大,波浪的波长越长,波浪运动越快。
波浪的能量与波高的平方、波浪的运动周期以及迎波面的宽度成正比。
波浪能储量巨大,但波浪能也是海洋能源中能量最不稳定的一种能源。
海流能
海流也称为洋流。
如同空气一样,海水也不是固定的,它受地球转动、太阳月亮运动使海水流动、固定风向持续吹过海面使海水流动,另外海水温度、盐度及所含悬浮物的差异也会形成海水流动。
海水总是在流动着,就像江河的水流一样,携带着巨大的能量。
在海底水道和海峡中较为稳定的海水流动与由于潮汐引起的有规律的海水流动是最有利于价值的海流能。
海流能主要是指海水流动的动能,海流能的能量与流速的平方和流量成正比。
古代的水手们都懂得借助海流行船,现代人则要利用海流发电。
人们形象地把海流发电装置比喻成水下风车。
几乎任何一个风力发电方式都可以用于海流发电。
海流的动能非常大,著名的佛罗里达洋流所具有的动能,约为全球所有河流具有的总能量的50倍。
海水温差能
海洋的表面把太阳的辐射能的大部分转化成为热水并储存在海洋的上层。
另一方面,接近冰点的海水大面积地在不到1000m的深度从极地缓慢地流向赤道。
这样,就在许多热带或亚热带海域终年形成20℃以上的垂直海水温差。
海水温差能就是因深部海水与表面海水的温度差而产生能量,利用这一温差可以实现热力循环并发电。
盐度差能
海水中含有大量的矿物盐,海水含盐浓度远大于江河水,形成了盐度差。
当两种不同浓度的溶液混合在一起时,淡的溶液就会向浓的方向渗透,直至浓度平衡为止,这种渗透就带有压差。
利用化学渗透膜隔开浓、淡水,构成盐度差能电站,目前盐度差能发电还处于试验阶段,预计21世纪将取得实质性的突破。
潮汐位能发电技术
TidalPowerGeneration
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。
二是建坝利用潮汐的位能发电,是潮汐坝发电技术,也称为称为潮位发电,是目前应用较多的形式。
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1与图2显示了一个潮汐位能发电站的示意图,图1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海水涨潮时推动水轮机运转
图2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。
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各两次,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。
单库双向潮汐发电站
SingleBasinDouble-WayTidalPower
本节介绍最多采用的潮汐电站形式--单库双向潮汐发电站,在上节中介绍了单库双向潮汐发电站的基本组成与布置。
下面主要介绍电站部分。
由于潮汐电站水头很低,只有小型潮汐电站可能使用立轴水轮机,大部分都采用贯流式水轮机,贯流式水轮机有三种基本形式,都可以实现双向运行,可根据情况选用一种。
轴伸贯流式水轮发电机组的水轮机置于流道中,发电机置于陆地上,有检修方便、效率较高等优点,适用于潮差5m以下的中小型机组。
竖井贯流式水轮发电机组是将发电机置于具有流线形断面的竖井中,具有运行方便、发电机通风冷却条件较好等优点,竖井贯流式水轮发电机组在中小型潮汐电站机组中应用较多。
对于大中型潮汐电站主要采用灯泡贯流式水轮发电机组。
灯泡贯流式机组具有流道顺直、水头损失小、单位流量大、效率较高、体积较小及厂房空间较小等优点,图1是采用灯泡贯流式水轮发电机组的潮汐电站示意图。
图1采用灯泡贯流式水轮发电机组的潮汐电站
(一)
电站厂房就在大坝内,坝顶又是公路。
灯泡式水轮发电机组主要由发电机、导叶、转轮、灯泡组成:
灯泡是发电机的流线型外壳,发电机安装在灯泡壳内;
导叶
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