更和谐的发电机:潮汐发电机

前言

地球上的海水或江水,受到太阳、月球的引力以及地球自转的影响,在每天早晚会各有一次水位的涨落,这种现象,早称之为潮,晚称之为汐。

这过程中蕴含的能量则称之为潮汐能,其取之不竭,用之不尽。如在海岸线架设特制发电机——“潮汐电机”,则可利用其发电,产生清洁电能。

与现有风电、光伏等主流新能源相比,潮汐发电具有独特的优点,特别适合在海岸线绵长的国家内发展。今天我们来详细说说吧。

1 潮汐能昼夜规律性明显

月球公转与地球自转方向相同,但地球自转速度快于月球公转,使涨潮被地球自转带着跑。

另一方面,因为月球对地球万有引力的作用,地球视作一固态整体,较背对月球一侧的海水更被拉近月球,因此背对月球一侧的海水形同“升高”了。

这造成两端的潮汐隆起与每天两次的涨潮。如下图所示。

▲潮汐与地球、月球自转的关系

为进一步展示潮汐能的昼夜特性,笔者特地访问了开放气象网站NOAA(National Oceanic and Atmospheric Administration),调取Florida州Dames Point Bridge处2017/10/23一天内的潮汐流速及流向数据,如下图所示。可以看到:

在时段2:00至5:00和时段12:00至17:00,潮汐流向均为240°左右,其余时段,潮汐流向均为80°左右;

在同一潮汐流向下,潮汐流速的变化趋势一致,例如,时段2:00至5:00和时段12:00至17:00内的流速变化趋势与幅度大体一致;

综上,可发现潮汐能的规律性和可预测性强于风能、光能。

因此,当潮汐发电场接入电力系统后,其可调度性将更强。

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▲2017/10/23一天内的Dames Point Bridge处潮汐流速及流向(绿色曲线为流向,红色曲线为流速)

2 对环境更“和谐”的潮汐发电机

潮汐发电机利用潮汐驱动叶片,从而带动内部电机,将潮汐能转换为电能,根据其安装方式的不同,可大致分为固定式潮汐发电机和悬浮式潮汐发电机,如下图所示。前者底部固定在浅滩底部,后者则漂浮在浅水中。


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▲固定式潮汐发电机


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▲悬浮式潮汐发电机

潮汐电机与风力发电机均采用流体带动叶片,驱使电机发电,但前者以水力为驱动,后者以风力为驱动。水的密度约为空气密度的800倍,故理论上,在相同转速下,潮汐发电机的功率将高于风力发电机。此外,潮汐发电机在运行过程中,均处于水面以下,不会对周围产生噪声及景观破坏,具体体现在:

风力发电机组在运行过程中将产生大量噪声,而处于水中的潮汐发电机将不会产生噪声;

风力发电机组叶片高速旋转时可能危及飞过的鸟类,潮汐发电机叶片始终处于低速旋转,不会危及附近鱼类;

大量布置风力发电机将会对景观造成影响,而处于水中的潮汐发电机则不会对景观造成影响。


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▲双叶轮潮汐发电机(其在涨潮发电时,机组深埋在水中,不产生噪声,对景观影响小)


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▲大量风电机组将对景观造成影响,且产生较高噪声

3 潮汐电场发展现状

英国、韩国等海岸线绵长的国家已展开对潮汐能的积极开发,其中,苏格兰走在潮汐能开发的前列中。

2012年,苏格兰在Orkney岛建成含30台潮汐发电机的潮汐电场,运行结果表明,该电场可产生1MW电能,足够500户沿海居民用电;

2015年,苏格兰在其北部沿岸地区拟建立400MW容量的潮汐发电场,该电场可满足175,000户居民用电;

据统计,苏格兰北部的Pentland湾,蕴含约10GW的潮汐能,并且从大西洋流入Pentland湾的洋流经过约8英里的狭长海峡后,潮汐流速将变得十分迅速,在此投入潮汐发电场,将获得较高收益。


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▲Pentland湾地图(狭长海峡将提高潮汐流速)


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▲Pentland湾景色

此外,其余国家也建成许多大型潮汐发电场。韩国耗资56亿美元,在京畿道建成全球装机容量最大的潮汐发电场——Sihwa Lake潮汐发电场,总容量达254MW,该发电场在缓解沿海潮汐对陆地侵蚀的同时,也产生大量清洁能源。


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▲Sihwa Lake潮汐发电场(平均运行潮水深度5.6m,在春季是达到最大深度7.8m)

法国在 Rance River建成大型潮汐发电场——Rance潮汐发电场,总装机容量达240MW,平均功率输出为57MW,容量系数约为24%,年均发电量500GWh,可满足全法国0.12%的电量需求,每度电约为0.12欧元(0.92元)。


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▲Rance潮汐发电场


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▲Rance潮汐发电场模型

4 中国发展潮汐电场的潜力

中国拥有近300万平方公里的海域与3.2万公里长的海岸线,名列世界第6位。海岸线分为大陆岸线与海岛岸线,其中大陆岸线为1.8万公里。其北部起始点为鸭绿江口,南方终点为北仑河口。

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▲中国海岸线

由此可见,中国具有发展潮汐能的有利条件,早在上个世纪八十年代,中国就在浙江省温岭市建成江厦潮汐电站,总装机容量为3.2MW,电站建筑物有堤坝、水闸、发电厂房和升压站各一座。堤坝为粘土心墙堆石坝,在海中抛石、土而成。坝基为饱和海涂淤泥质粘土,层厚46m。堤坝全长670m,最大坝高15.1m。

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▲江厦潮汐电站

中国沿海建有大量风电场,但风能资源丰富的沿海,常面临台风侵袭。潮汐发电机通过机械装置固定在浅滩底部,可有效抵御台风侵袭,同时不妨碍海岸景观,也不产生噪声,可能是中国台风多发地区,开发可再生能源,实现清洁低碳发展的有效途径。

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