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第12章 潮起潮落生电能:潮汐能(2)

外加电流阴极保护是在被保护的金属物上安装若干辅助阳极,通过海水组成回路,使被保护体处于阴极状态,当阴极电位达到负0.8伏特时,金属物即得到保护。阴极保护特别适用于涂料容易脱落的活动部分,如闸门、闸槽等。

通常在不易涂覆防腐涂料或外加电流阴极保护的地方,如海水管路、水轮机的密封、钢闸门和闸槽等处,也可采用辅助阳极法的防腐措施。对于涂料易磨损或冲刷的地方,可采用电解海水的办法进行防污。当采用上述防污措施有困难时,只好进行机械清污或人工清污,并配以化学防污,这主要适用于钢筋混凝土闸门槽和某些构件的死角处。

(2)潮汐电站与综合利用

潮汐电站与其他形式的发电站的区别之一,就是综合利用条件较好。一些潮汐能丰富的国家,都在进行潮汐能发电的研究工作,使潮汐电站的开发技术趋于成熟,建设投资有所降低。现已建成的国内外具有现代化水平的潮汐电站,大都采用单库双向型。

分布广泛的潮汐能

1.全球的潮汐能分布

早期的一些研究成果,将全球海洋在沿岸耗损的潮汐能功率(10~14)×108千瓦,视为潮汐能的理论储量。并且,用沿岸潮能耗损的量值作为确定潮汐电站最佳地点的参考。然而,后来的研究表明,潮汐能与河川水能并不完全相同。潮汐能具有许多特性,首先是潮汐能与潮流过程有关,其次将潮波耗散能量与理论储量混为一谈是不合理的。这一点在对比两个形状相同、面积大小一样的海湾(只是其中一个海湾内能量耗损剧烈,且集中在海湾顶部,而另一个则没有能量耗损)后,就显而易见了。

在自然条件下,从外海传来的潮波相同,在第一个海湾中潮汐接近前进波,而在第二个海湾中却发生驻波。但是在离湾顶相同距离处建坝后,能量耗损地段就可能消除。这样两个海湾内的条件就会变得相同,而且大坝外侧会形成同样的潮汐波动,因而这就确定了两个潮汐电站完全相同的运行方式和发电量。所以,自然耗损的能量与所期望的潮汐电站功率特性之间并无直接联系。而且在许多情况下(在自然耗散能量很小时),潮汐电站所获得的能量比在自然条件下因摩擦而耗损的能量要多得多。例如,法国的朗斯河口自然摩擦耗损的能量功率仅为6×104千瓦,而朗斯潮汐电站利用该喇叭口潮能的实际功率达24×104千瓦。由此可见,潮波在近岸耗散的能量不能作为潮汐电站功率估计的依据。建潮汐电站获得的能量比自然情况下的潮能耗损大的原因,首先是建潮汐电站后潮波的波形发生了变化,其次是电站通过人工调节潮能,可以完全避免流速与潮水位之间的相位差,这时流速最大值与水位的最高值同时出现。这种调节效果的物理本质就好像将潮汐能从海洋中抽到浅海中,并将其集中用在潮汐电站上。许多研究质能等的结论认为,全球潮汐能理论储量大于小潮波在大陆架上耗散的功率17×108千瓦,而接近潮波在海洋中总耗散的功率24×108千瓦。

据伯恩斯坦统计,全世界运行、设计、研究及建议的潮汐电站共139座,按调查和设计资料统计这电站的总装机容量为8×108千瓦年发电量为2×1012千瓦小时。占全球潮汐能总功率的27%(取全球潮汐能总功率为30×1012千瓦小时)。

2.我国潮汐分布

(1)海岸类型分布

我国海岸的形态和成因类型多种多样,按海岸地质地貌特征划分,主要有基岩海岸、平原海岸和生物海岸三类。

①基岩海岸。基岩海岸又称港湾海岸,主要由地质构造活动及波浪作用形成。沿岸波浪能量大,作用强烈,是塑造海岸的主要动力。其特征是山地直接临海,地势险峻,海岸曲折,多有伸入陆地的天然港湾,岬湾相间,岸滩狭窄,水下岸坡较陡,深水逼岸。沿岸基岩岛屿众多,常在沿岸及湾口一带形成水深流急的水道,也常使湾口或岬角深水岸段受到一定程度的掩护。海岸带的潮上带往往基岩裸露,潮下带沉积物由砾石和粗砂组成。此类海岸主要分布在北起辽东半岛南部的大洋河口,向西绕过辽东半岛南端至辽河口附近,小凌河口至河北秦皇岛,山东半岛北部莱州市虎头崖向东,绕过山东半岛顶部至江苏连云港附近,浙江镇海角以南经福建至广东、广西岸段,以及台湾东岸和海南岛东南岸段。此类海岸具有开发潮汐能资源的良好地质条件。

②平原海岸。平原海岸主要由江河携带入海的泥沙在风浪和沿岸流作用下形成。潮流是塑造此类海岸的主要动力因素,波浪作用较弱,仅作用在岸外较远处,岸外有很宽的破波带。此类海岸由厚而松散的沉积物组成,主要成分是细粉砂、极细粉砂和黏土等。此类海岸线比较平直单调,岸上地带平坦,潮间带宽阔,沿岸湾少水浅,缺乏天然良港和岛屿,多沙洲、浅滩。平原海岸又可分为以下三类:河口三角洲海岸,主要分布在大河入海处,如辽河、黄河、长江、钱塘江和珠江等河口附近。此类海岸的特征是地势平坦,沿岸水浅坡缓,海岸组成物质较细。在北方多为向海突出的弧状三角洲,在南方多为海湾型三角洲;砂砾质海岸,主要分布于辽宁黄龙尾至盖平角、小凌河以西,河北大清河口以东,福建闽江口以南,台湾岛西岸,广东大亚湾以东和漠阳江以西,海南岛和广西沿岸。其特征是海岸组成物质以粗粒级为主,岸滩和水下岸坡远较淤泥质海岸陡,海滩一般较狭窄,仅几十米至几百米:淤泥质海岸,主要分布在辽东湾、渤海湾、莱州湾、苏北、长江口、浙江至闽江口以北的港湾和珠江口等岸段。其特征是海岸组成物质较细,一般海滩宽度大坡度小,滩宽几千米至几十千米。

③生物海岸。生物海岸又分为珊瑚海岸和红树林海岸两种。珊瑚海岸是指由珊瑚的骨骸聚积而成的礁石海岸。主要分布于南海诸岛、雷州半岛,海南岛东北和西北部沿岸也有断续分布;红树林海岸主要分布在福建福鼎以南经泉州湾至广东珠江口以西部分岸段,此外广西钦州湾一带也有断续分布。

以上几种海岸以基岩港湾海岸适合作潮汐电站的海湾最多,其次是河口三角洲海岸和沙砾质海岸也有较适宜潮汐电站站址。仅就海岸条件而言,自浙江杭州湾口南岸的镇海至广东雷州半岛东岸和辽东半岛、山东半岛的基岩港湾类海岸最为适合潮汐能的资源开发利用。

(2)潮汐类型分布

我国近海的潮汐主要由太平洋传入的潮波引起,主要分为两个分支,一支经日本九州和我国台湾之间水域进入东海,其中小部分进入台湾海峡,而绝大部分向西北方向传播,引起黄海、渤海的潮振动;另一支通过巴士海峡传入南海,形成南海的潮波。潮波在传播过程中,由于受地球偏转力以及海底轮廓的影响,变得因地而异,所以我国沿岸各地的潮汐类型多样,潮差各异。

我国沿岸的潮汐类型以正规半日潮为主,黄海、东海绝大部分沿岸为正规半日潮,南海、渤海沿岸有不正规半日潮,也有正规全日潮。

(3)潮差分布

我国海域潮差分布的总趋势是东海最大,黄海、渤海其次,南海最小。东海外侧小、内侧大,内侧南部最大;黄海中央小、沿岸大,而且东侧大、西侧小;渤海中央小、湾顶大、湾口小;南海中部小、北部大,北部湾北端最大。

①渤海沿岸。辽东湾顶部潮差最大,营口2.7米;渤海湾顶部潮差次之,塘沽2.5米;其他岸段潮差较小,龙口0.9米;渤海海峡1米左右;秦皇岛附近潮差最小0.7米。

②黄海沿岸。辽东半岛南部沿岸自西向东潮差逐渐增大,大连2.1米,至东端达最大,赵氏沟4.0米;山东半岛北部潮差较小,烟台1.7米,顶部潮差最小,成山头0.7米,南岸自东北向西南潮差逐渐增大,乳山口2.4米,青岛2.8米,石臼所3.0米,至海州湾顶连云港潮差最大3.4米;苏北沿岸潮差北部小,南部大,北部至射阳河口潮差最小,再向南又渐增,弶港至小洋口附近潮差最大,小洋口4.29米,小洋口外最大潮差达9.28米(1980年实测),为我国最大潮差的极值。再向南渐减,至吕四3.82米。

③东海沿岸。由北向南潮差渐增,长江口至石浦潮差中等2.4~3.5米。其中,杭州湾口南岸宁波镇海至舟山群岛的定海一带潮差最小,仅2米左右。杭州湾自湾口向西潮差渐增,金山嘴4.0米、澉浦5.5米,最大潮差达8.93米;浙江的三门湾至福建的泉州湾为我国潮差最大的岸段,一般潮差4.0米以上。其中乐清湾、沙埕港、三都澳、兴化湾顶部均在5.0米以上,最大潮差分别为8.39米、7.80米、8.54米和8.73米;围头湾向南潮差渐小,厦门3.9米、东山2.3米。台湾省沿岸潮差西岸较大,东岸次之,南北两端小;西岸自淡水至新港一带潮差在2米以上,东岸1米左右,南北两端仅在0.8米左右。

④南海沿岸。南海沿岸的潮汐类型较为复杂,以不正规半日潮和正规全日潮为主,有一定范围的不正规全日潮。广东大部分沿岸为不正规半日潮;广西、雷州半岛西岸、海南岛感恩角至新盈港为正规全日潮;海南岛铜鼓咀至莺歌海、东沙、西沙和南沙群岛沿岸为不正规全日潮。

总之,我国沿岸潮差以东海沿岸最大,其次是辽东半岛南岸东部和北部湾东北部沿岸及江苏南部部分岸段。特别是浙江的三门湾至福建的泉州湾一带是我国潮差最大、潮汐能资源最富集的地区,并且有良好的开发环境条件。但我国沿岸的潮差在全世界的潮差中属于中等,我国沿岸平均潮差和最大潮差最大值约为世界潮差最大地区的一半。世界上潮差最大的地区平均潮差和最大潮差可达8~10米和17~18米,而我国东海潮差最大的地区仅 5米和8~9米。

亦喜亦忧的潮汐发电

1.经济条件

潮汐电站的千瓦装机容量的投资费用较高,其成本与潮差的平方成反比。潮汐电站发电的间歇性造成了电站容量因子低,这也是千瓦时成本高的原因之一。堰坝长度与库区面积之比以及堰坝高度都与电站的土建工程成本有着直接的关系。由于各个坝址的上述因素是不一样的,因此,各个电站的投资成本也不尽相同。但是无论如何,潮汐电站都是一种高投资能源。

潮汐电站在经济上是否有生命力,取决于站址的选择以及用电市场中其他能源的成本。这里所讲的生命力并不是要求潮汐发电在各种能源中成本最低,而只是要求它在某些电力市场中是最低廉的。由于水力发电能力有限,而核电又是基本负荷电源,因此潮汐发电的主要竞争对手是煤、油或燃气等热电站。利率是影响潮汐发电成本的重要因素。除了利率和未计入内部成本的社会成本外,碳水化合物燃料的价格及其上涨率和通货膨胀率也是影响竞争力的主要因素。大型项目所受到的制约更大些。大型项目投资大,研制建造周期长,再加上一些其他的隐含因素,因此除了政府部门外,其他单位一般是没有能力为这种大型项目投资的。

2.环境影响与效益

潮汐电站会改变潮差和潮流,还会改变海水温度和水质,其改变程度的大小取决于电站规模与地理位置。据预测,加拿大芬迪湾潮汐电站项目会使几百千米内的沿海潮差受到影响。各个电站的效益和影响因地而异,并且有一部分会相互抵消。拦潮坝对水库区生态既有有利影响,也有不利影响。例如,它会为水产养殖提供适宜的条件,但同时也会对地下水和排水等带来不利影响,并会加剧海岸侵蚀。

3.开发潜力

在某些地区,已对潮汐电站的坝址开展了详细的调查研究,而且对开发潮汐能的兴趣越来越大。在英国,如果建造潮汐电站项目由公用事业部门承担,而且投资成本的年贴现率可达到5%的话,全英国最理想的河口每年至少可以提供约200亿度的电(其成本为3.5~4便士/度,合5~6美分/度)也许每年还可以再提供80亿度的电(其成本低于5便士/度,合7.5美分/度)。但是,大型拦潮坝投资大,建造工期长,因此融资方式对电站发电成本影响很大。如果潮汐电站由私人企业提供资金,并且投资成本的年贴现率为10%,最好的河口潮汐电站的发电成本也将会翻番,即发电成本将会增至7~8便士/度(合10~12美分/度)。这是拦潮坝型电站项目缺乏吸引力的另一个原因。俄罗斯一直在积极评估白海和鄂霍次克海的潮汐能资源开发潜力,并且计划在建造一个试验潮汐电站,用于试验为图古尔站址设计的新型水轮机。古尔图河口将是俄罗斯第一个要开发的大型站址。俄罗斯还计划在2015~2020年期间在梅津河口建造1.5万兆瓦的大型潮汐电站。

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