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(tuán)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(dá)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(jìn)步，人類在不斷地加快探索世界的步伐?？萍妓降娜找嫣岣?，使人類的探索視野逐漸從陸地放眼到了更加廣闊的海洋，海洋當(dāng)中蘊(yùn)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(huì)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(shí)間是一個(gè)月，一個(gè)月內(nèi)會(huì)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(shí)，萬有引力和離心力方向重合，作用疊加，這時(shí)候二力結(jié)合稱為潮力，這也是地球受到潮力最大的時(shí)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(shí)，此時(shí)合力最小，就會(huì)形成小潮現(xiàn)象，小潮的產(chǎn)生時(shí)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(diǎn)而言，一天會(huì)有兩次離月亮最近或最遠(yuǎn)的時(shí)候，此時(shí)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(shí)，會(huì)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(shí)，水的流動(dòng)會(huì)蘊(yùn)含很大的動(dòng)能，隨著海水的水位上漲，其本身的動(dòng)能就轉(zhuǎn)化為勢能。等到海水落潮，水位會(huì)變低，其中蘊(yùn)含的勢能再次轉(zhuǎn)化成動(dòng)能。

潮差即潮水漲落的水位差值，這是衡量一個(gè)地區(qū)潮汐能豐富與否的一個(gè)重要指標(biāo)，如果平均潮差達(dá)到3 m，該地區(qū)的潮汐能就具備了實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。地球上潮差較大的地區(qū)潮差甚至能夠達(dá)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(diǎn)

隨著國家十四五規(guī)劃的開篇布局，保護(hù)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(gè)特點(diǎn)：①無污染可再生。顯而易見，潮汐能隨著每天的漲潮退潮，蘊(yùn)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(bǔ)充能源。②實(shí)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(huì)造成移民、毀田等問題，還可促進(jìn)水產(chǎn)養(yǎng)殖等企業(yè)落地，助力當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)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(shí)，即使水壩被破壞，也不會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重災(zāi)害。③穩(wěn)定。潮汐能依據(jù)天體運(yùn)動(dòng)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(diǎn)，但是在實(shí)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(jī)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(huì)更復(fù)雜，投資將會(huì)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(huì)有所區(qū)別，它們都有著獨(dú)特的特點(diǎn)。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(bào)，在潮汐能發(fā)電上也獲益匪淺，不需要輔助其他運(yùn)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(shí)間足夠長，那它的經(jīng)濟(jì)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(diǎn)

①潮汐能蘊(yùn)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(huì)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(yùn)藏量最大。中國潮汐能的理論蘊(yùn)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(huì)受到引潮力，但由于其水量、面積較海洋相差甚遠(yuǎn)，其潮差微乎其微，達(dá)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(jìn)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(xiǎn)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(yùn)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(yùn)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(dòng)能利用起來。由于漲潮與退潮時(shí)的水流流速很高，如果直接利用潮流這種巨大的動(dòng)能推動(dòng)水力機(jī)組發(fā)電，就是潮流發(fā)電，風(fēng)力發(fā)電方式也是利用動(dòng)能，與該發(fā)電原理類似。但如果僅利用潮水中蘊(yùn)含的動(dòng)能，就會(huì)造成潮汐能源的浪費(fèi)。這是因?yàn)槌彼臐q落不但擁有強(qiáng)大的動(dòng)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(diǎn)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(jī)發(fā)電運(yùn)行，反向?yàn)樗煤碾娺\(yùn)行；潮汐電站的水力機(jī)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(shí)兩向泵水。潮汐電站是在漲潮時(shí)，水庫中的水位低于海水水位，大量海水會(huì)通過機(jī)組流道進(jìn)入水庫，海水沖擊水輪機(jī)，水流蘊(yùn)含的動(dòng)能和勢能就轉(zhuǎn)化為了水輪機(jī)的機(jī)械能，而水輪機(jī)又帶動(dòng)發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)發(fā)電，最終產(chǎn)生電能；退潮時(shí)，水庫中的水位高于河海的水位，海水由水庫注入大海時(shí)又帶動(dòng)水輪發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)。通過海水的不斷漲落，從而使發(fā)電機(jī)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(jì)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(gè)時(shí)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(shí)期潮汐發(fā)電的教訓(xùn)和經(jīng)驗(yàn)，對潮汐電站的動(dòng)工與建設(shè)，進(jìn)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(jī)容量的潮汐電站就是在這個(gè)時(shí)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(jìn)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(shí)，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(yùn)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(shí)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(jī)容量均有待進(jìn)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(yuǎn)遠(yuǎn)沒有達(dá)到中國潮汐能實(shí)際可開發(fā)利用量，潮汐能開發(fā)利用技術(shù)需進(jìn)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(gè)方面：①地理?xiàng)l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(jìn)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(jìn)行施工，開發(fā)利用潮汐能。如果該地區(qū)有一個(gè)天然的環(huán)形港口，水庫的修建就會(huì)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(yùn)行過程中，就不會(huì)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(jià)很高。有學(xué)者指出江夏潮汐電站的上網(wǎng)電價(jià)達(dá)到了2.58元/（kW·h），比其他發(fā)電的電價(jià)高出很多。原材料是免費(fèi)的海水，這是不計(jì)成本的，但潮汐電站電價(jià)之高其實(shí)是由于運(yùn)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(yùn)行部門設(shè)計(jì)出科學(xué)、合理的運(yùn)行方案，使發(fā)電效益最大化，而目前的潮汐電站運(yùn)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(dòng)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(hù)成本，這也是使潮汐電站上網(wǎng)電價(jià)較高的一個(gè)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(qiáng)度的金屬鹽成分，會(huì)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(huì)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(yàn)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(jìn)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(huì)大大降低對生態(tài)環(huán)境的影響，而且還會(huì)節(jié)省很多不必要的投資。二是根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)不斷總結(jié)規(guī)律，研究更加科學(xué)合理的運(yùn)行方案，更好的使設(shè)備運(yùn)行，降低運(yùn)行成本，從而降低上網(wǎng)電價(jià)，促進(jìn)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(hù)成本，進(jìn)一步助力潮汐電價(jià)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(diǎn)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(fèi)的75%以上，燃燒煤炭時(shí)會(huì)產(chǎn)生會(huì)很多有害氣體，比如：二氧化硫和二氧化碳等，這會(huì)嚴(yán)重污染空氣，可能會(huì)形成酸雨，也會(huì)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(shí)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(jìn)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(qiáng)，向大洋進(jìn)發(fā)的進(jìn)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(huì)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(gè)海島海岸線，岸線總長度超過32 000 km，蘊(yùn)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(chǔ)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(huì)和科技的不斷發(fā)展進(jìn)步，潮汐電站的發(fā)電成本會(huì)進(jìn)一步降低，潮汐電站生產(chǎn)的電能質(zhì)量也會(huì)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(huì)在不久的將來變成現(xiàn)實(shí)！