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潮汐现象及应用

发布时间：2012-08-23 09:54:28 来源：文档文库

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潮汐现象及应用

摘要：潮汐能是一种洁净无污染、蕴藏量丰富的可再生新能源。我国海岸线漫长曲折, 蕴藏着丰富的潮汐能资源。开发和利用潮汐能,进行潮汐发电对于缓解我国能源危机具有重大意义。本文从潮汐形成的原因分析了潮汐现象，介绍几种潮汐的应用，重点介绍了潮汐发电。在可支配的资源日益匮乏的今天, 探索和开发潮汐发电, 是解决未来世界能源危机的有效办法之一。

关键词：潮汐现象；潮汐应用；潮汐发电

The tide phenomenon and application

Abstract：Tidal energy is a clean, pollution-free, abundant renewable and new energy. Our country has long and tortuous coastline which is rich in tidal energy resource. With the development and utilization of tidal energy, tidal power generation is of major significance for alleviating China's energy crisis. This article has analyzed the tidal phenomenon from the cause of the tides, introduced several applications of tidal, focusing on tide power. Today, due to the increasing scarcity of the resources at their disposal, the exploration and exploitation of tidal power is one of the effective ways to solve the world's future energy crisis.

Key words：tidal phenomena；tidal applications；tidal power generation

1 前言

波涛汹涌的大海，在太阳和月亮万有引力的作用下，时而潮高百尺，时而悄然隐退,海水夜以继日、年复一年、有规律的起起落落，宛如大海在有节奏的进行“呼吸”，这就是人们常说的潮汐现象[1]。潮汐天天发生，循环不已，永不停息，为人们的航海、捕捞和晒盐提供了方便。随着科学技术的进步，潮汐发电给人类带来了光明和动力。在满足用电需求的同时，降低石油等非再生资源的消耗，减少环境污染，开发新型环保电站迫在眉睫。我国至今开发的潮汐能不足可开发量的1‰，潮汐能作为一种清洁、可再生能源，开发潜力巨大。

2 潮汐现象

2.1 潮汐现象的定义

潮汐是海水的一种周期性涨落运动。“潮者, 据朝来也；汐者, 言夕至也”( 葛洪,公元281-361,东晋),即一昼夜中两次涨起、两次跌落。白天上涨的叫做“潮”, 晚上上涨的叫做“汐”,合称“潮汐”。在潮汐涨落的期内, 当水位上涨到最高位置时, 叫做高潮;当水位下降到最低位置时, 叫做低潮。相邻高潮与低潮的水位差叫做潮差。从低潮到高潮的过程中,水位逐渐上升,叫做涨潮;从高潮到低潮的过程中, 水位逐渐下降, 叫做落潮[2]。我国钱塘江入海口就是世界两大观潮胜地之一(另一为亚马逊河北河口),惊心动魄的自然界景观很早就引起人们的关注。中国公元前2世纪早期的文献已记载月望(满月)之日十分壮观的海潮。东汉王充在论衡中写道“涛之起也,随月盛衰,大小、满损不齐同”, 指出潮汐与月球的依赖关系。封演的见闻记精确地记述了涨潮时间的逐日变化。其后更有余靖、张君房、燕肃、沈括、郭守敬等人对潮汐观测的精确描述。李约瑟(1900-1995)曾说:“在近代以前,中国对潮汐现象的了解与兴趣,总的来说多于欧洲”。近代潮汐的研究, 是利用牛顿提出的万有引力定律, 后又经伯努利、欧拉及拉普拉斯等人的工作而趋于完善。20世纪以来, 大型电子计算机的应用使潮汐的研究结合实际海陆分布、深海、浅海等不同因素, 数据更加精确。根据牛顿的理论分析, 潮汐现象是由于太阳、月球的引力在地球上分布的差异产生的。

2.2 潮汐的分类

潮汐现象是指海水在天体（主要是月球和太阳）引潮力作用下所产生的周期性运动，事实上潮汐有多种，就海洋潮汐而言，就有根据太阳、月亮、地球排列位置分的“大潮”和“小潮” [3]；根据月球与地球距离分的“近地潮”和“远地潮”；根据引潮力方向分的“顺潮”和“对潮”。

以一昼夜高、低潮出现次数的不同又可分为以下几类：半日潮，是指一昼夜内出现两次高潮和两次低潮；全日潮，是指一昼夜内只有一次高潮和一次低潮；混合潮，是指一个月内有些日子出现两次高潮和两次低潮，有些日子出现一次高潮和一次低潮。所以潮汐现象不仅仅是一昼夜中海水的两涨两落现象。

3 潮汐形成的原因

3.1 月球对海水的引潮力

地球在绕着太阳高速运动的同时，也绕着地球的轴在自转，所以地球是一个非惯性系[4]。在非惯性系中，存在一个惯性力。随着地球的自转而旋转的海水，一方面受到惯性力的作用，同时也受到月球对海水的万有引力的作用。月球对海水的万有引力跟月球距海水的距离有关，致使月球对海水的引力不均匀，所以不同处海水受到的惯性力与月球对海水的万有引力的合力就不同。我们把海水的惯性力与月球对海水的万有引力的合力叫引潮力。正是由于月球和太阳对海水的引潮力引起了海水的涨落，形成了潮汐现象[5]。

3.2 月球的引潮力公式

以地月两球心的连线为平面坐标系的Z轴，垂直于地月连线的直线为Y轴，以

地心为坐标系的原点。则对地心有，其中为月球对地球的万有引力，为地球的惯性力。由此式得：，式中、分别表示地、月两球的质量，r表示地月两球球心间的距离[6]。

对于地球上任意处的海水来说，不论哪个方位的海水，其受到的惯性力是，同样对于地球上任意方位的海水，其受到月球的万有引力是[7]，是的海水到月球的距离[7]，所以海水的引潮力为：。

海水的引潮力在、轴上的分力分别为：

， (1)

， (2)

，

所以，，

又因为，

所以，。 (3)

根据泰勒级数： [8]，所以。

整理得：。 (4)

由(2)(4)两式得月球对海水的引潮力有：

，

所以， [9] 。

3.3 太阳对海水的引潮力公式

同理，太阳对海水的引潮力有：

，

[10] 。

3.4 月球和太阳对潮汐现象的影响

由月球、太阳的引潮力公式可知：月球和太阳对近月、近日一侧海水的引大小分别为：

，

[11] 。

根据已知的数据：

，，，，

代入可得：

[12] 。

可见，月球的引潮力比太阳的引潮力大，月球对潮汐现象的贡献比太阳的大。所以说月球对潮汐的大小起主要影响。

4 潮汐的应用

潮汐是所有海洋现象中较先引起人们注意的海水运动现象，它与人类的关系非常密切。人们已经在很多地方运用到潮汐，如海港工程，航运交通，军事活动，渔、盐、水产业，近海环境研究与污染治理，都与潮汐现象密切相关。尤其是，永不休止的海面垂直涨落运动蕴藏着极为巨大的能量，这一能量的开发利用也引起人们的兴趣。

我们重点对潮汐发电进行研究。1974年能源会议统计，全球海洋中所蕴藏的潮汐能约有30亿,可供开发的约占2%，即约400万。全球电力市场在2000年已达8000亿美元并继续呈上升趋势，但是，仍有2亿人的用电需求得不到满足，发展中国家的用电量以每8年翻一番的速度在增长。在满足用电需求的同时[13]，降低石油等非再生资源的消耗，减少环境污染，开发新型环保电站迫在眉睫，我国至今开发的潮汐能很少，潮汐能作为一种清洁可再生能源，开发潜力巨大[14]。

5 潮汐发电

5.1 潮汐发电的原理

潮汐发电的工作原理与常规水力发电的原理类似, 它是利用潮水的涨、落产生的水位差所具有的势能来发电。差别在于海水与河水不同, 蓄积的海水落差不大, 但流量较大, 并且呈间歇性, 从而潮汐发电的水轮机的结构要适合低水头、大流量的特点[15]。具体地说, 就是在有条件的海湾或感潮河口建筑堤坝、闸门和厂房, 将海湾(或河口)与外海隔开围成水库, 并在闸坝内或发电站厂房内安装水轮发电机组。海洋潮位周期性的涨落过程曲线类似于正弦波。对水闸适当地进行启闭调节, 使水库内水位的变化滞后于海面的变化,水库水位与外海潮位就会形成一定的高度差(即工作水头),从而驱动水轮发电机组发电。从能量的角度来看,就是将海水的势能和动能,通过水轮发电机组转化为电能的过程。由于潮水的流动方向是不断改变的, 因此就使得潮汐发电出现不同的类型, 即单库单向型、单库双向型和双库单向型3种。

5.2 潮汐发电的现状和应用前景

5.2.1 海洋潮汐能的开发现状

潮汐能发电是利用海水涨、落潮的能量转变为电能。潮汐能发电是在海洋能中发展最早、规模最大和技术最成熟的一种。19世纪末和2O世纪初人们就开始研究利用潮汐发电，1913年法国建成了世界第一座实验性潮汐发电站。目前世界上潮汐发电的设备日臻完善、技术日趋成熟，将潮汐发电于电网并网的经济可行性得到证明，美国、日本和英国等国家正积极建设经济性完好的大型潮汐发电站。我国海洋能开发已有近几十年的历史，迄今已建成潮汐电站8座，但是现有潮汐电站整体规模和单位容量还很小，单位千瓦造价高于常规水电站。自1985年起，华东地区的浙江、福建对几个万千瓦级潮汐电站址进行了考察、勘测和规划设计并做了可行性研究等大量的前期准备工作。由于技术水平方面的原因，目前我国现仍停留于小型潮汐电站水平上，尚不能制造新型5000以上适于潮汐发电的高效能机组，从而使潮汐发电的单千瓦造价仍略高于常规能源[16]。目前存在的关键问题是：中型潮汐电站水轮发电机组技术问题没有完全解决；水轮发电机组尚未定型标准化；海水工程建筑物的施工技术还比较落后。如果解决了这些问题，潮汐能将是一个重要补充能源。

5.2.2 潮汐发电开发意义和应用前景

我国幅员辽阔，但能源资源并不丰富，且人均资源占有率低。中国人口占世界的20%，而已探明的煤炭储量只占世界的11%，原油占2.2%，天然气占1.2%；人均煤炭资源为世界平均值的42.5%，人均石油资源为17.1%，人均天然气资源为13.2%，人均能源资源占有量不到世界平均水平的50%。伴随着中国经济的快速增长，中国的能源储量与未来几十年的发展需求之间的缺口将越来越大。目前国内能源缺口量约1亿标准煤，2030年约为2.5亿标准煤。按照专家的估算我国煤炭剩余可采量为1900亿t，可供开采不足百年；石油剩余可采量为23亿，可供开采不足20年；天然气剩余可采量为6310亿，可供开采不足40年。在我国能源的品种构成中，优质能源比例很低。目前，煤炭消费量已经占我国一次能源消费总量的75%以上，相当于世界同类平均值3倍。煤烟型污染成为我国大气污染的主要部分，燃煤电厂排放的二氧化硫和氮氧化物是造成酸雨的主要原因。2005年我国二氧化碳排放量占全球总量的18%，居全球第二，并呈增长趋势[17]。专家预测，不久以后我国二氧化碳排放量将超过美国居全球第一，成为全球最大的温室气体排放国。如何在经济发展的同时，抑制住矿物能源消耗的急剧增长，对我国将是严峻的考验。《中华人民共和国国民经济和社会发展第十一个五年规划纲要》明确提出“十一五”期间单位国内生产总值能耗降低20%左右，主要染物排放总量减少10%的约束性指标。因此，在满足用电需求的同时,降低石油等非再生资源的消耗,减少环境污染,开发新型环保电站迫在眉睫。潮汐能是一种不会给未来地球人类带来污染和灾难的能源，在有条件利用潮汐能的沿海国家和地区,建设潮汐电站不失为缓解能源危机的一种有效方案。

我国的海域辽阔、海岸线长，大陆海岸线长达18000，加上6500多个海岛的岸线，岸线长度在32000以上[18]。据对全国可开发装机容量200以上的424 处港湾坝址的调查资料表明，我国的潮汐能蕴藏量为1.1亿，可开发总装机容量为2179万，年发电量624亿，容量在500以上的站点共191处,可开发总装机容量为2158万[19]。20世纪90年代，在化石能源消耗殆尽、关切减缓温室效应、减少环境危害影响的驱动下，各国都总结潮汐电站运行的经验，论证其综合效应及采用新技术，实行鼓励新能源和绿色能源开发的政策以降低潮汐电站成本，于是又掀起了新一轮开发潮汐电站的热潮。可以说，潮汐发电前景广阔。

6 结束语

潮汐现象是一种自然现象, 潮汐的分析、计算及预报对沿海农田水利、港务业、捕劳、盐业等建设及潮汐能利用都有很重要的作用。随着其它能源的减少, 开发潮汐能已引起了人们的重视, 巨大的潮汐能如太阳能一样, 正等待人们去开发。一方面电力供应不足是制约我国国民经济发展的重要因素,尤其是在东部沿海地区。另一方面我国海岸线漫长曲折,蕴藏着丰富的潮汐能资源。潮汐能发电具有可再生性、清洁性、可预报性等优点。经过多年来对潮汐电站建设的研究和试点,不仅在技术上日趋成熟,而且在降低成本,提高经济效益方面也取得了很大进展。潮汐能发电技术前景广阔，我国应全力发展潮汐发电。