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用之不竭的能源潮汐潮汐是怎样产生的?钱塘潮,自古以来为天下奇观。每年的农历八月十八是观潮节,海潮特别大。海潮到来之前,江海共长天一色,钱塘江水静静地向东流动。说来也很奇怪,突然间一阵阵隐隐的雷声传来,举目远望,只见海天之间一道白色的长线滚滚而来,响声越来越大,数米高的潮头排成一线越来越近,最后以万马奔腾之势,自东向西呼啸而过,江面上顿时恶浪翻滚。这惊心动魄的一幕,使人们真正感受到大自然的神奇力量。钱塘潮是一种潮汐现象,人们把白天海面的涨落称为“潮”,把夜间海面的涨落称为“汐”。居住在海岸附近的人们早就发现了这种潮汐现象。那么,潮汐究竟是怎样产生的呢?原来,月亮绕着地球不停地旋转,由于地球和月亮之间存在着万有引力,月亮对地球的引潮力把地球上的海水吸向靠近自己的一边。结果,对着月亮的海水被吸得凸向相反的方向。这样,地球上的海水就向两头凸出,而中间部分的海水就凹下去了。这一凸一凹,随着地球的自转就形成了海水的涨落,一天就出现了两次涨潮,两次落潮。有人要问,太阳不是对地球也有引力吗?是的,太阳的引潮力也会引起地球上海水的涨落,其原理是一样的。不过,太阳离开地球的距离比月亮远得多,对地球的引潮力小,所以它对海水涨落的作用也比月亮小,还不到月亮的一半。日常所见到的海水涨落这种潮汐现象主要就是月亮和太阳的引潮力共同作用的结果。由于这个缘故,每月农历初一和十五,月亮、太阳和地球处于一直线上时,月亮、太阳对地球施加的引潮力所产生的合力最大,这时的海潮就大,称作大潮;每月农历初八和二十三,月亮、太阳和地球三者的位置成一直角,此时它们的引潮力就会相互抵消一部分,合力最小,这时的海潮就小,称作小潮。这样,一个月就会出现两次大潮、两次小潮。另外,由于地球绕太阳公转的轨道呈椭圆形,所以地球离开太阳的距离在一年中是变化的,因而太阳对地球的引潮力也会发生变化,同时,还有其他星球对地球引潮力的影响,所以海水的涨落还有年变化和多年变化。再者,潮汐还受到地理位置和沿海地形的影响。归根到底,是月亮和太阳共同引起了地球上海水大范围的涨落,伟大的法国文学家曾把这种现象形象地比喻为“大海的呼吸”。这种“呼吸”产生的水位差(即潮差)是一种位能,人们称之为潮汐能。据估计,世界海洋潮汐能的总蕴藏量可达27亿千瓦。例如,加拿大的芬地湾,最大潮差可达18.5 米,估计潮汐能有2000万千瓦,英吉利海峡潮差13.5米,潮汐能有8000万千瓦。海洋中蕴藏的如此巨大的潮汐能,多少年来一直引起人们的注意。最大的潮汐世界上最大的潮汐发生在芬地湾。它位于加拿大的新斯科舍半岛,新不伦瑞克省和美国的缅因州之间。在加拿大新斯科省明纳斯湾的本科特海角,最大的潮差平均达14.5米。1953年,在里夫湾更有一次每次海潮涌起达16.6米的潮汐记载。 如何开发潮汐能?怎样开发利用潮汐能呢?人们首先想到的是将海水涨落的水位差所具有的位能转变为动能,若把这种动能再转变为电能,就是潮汐发电。早在1000多年前的唐代,我国沿海的居民就利用潮汐能来碾磨一谷。到了11世纪,法国、西班牙、英国等国沿海的居民也开始利用涨落潮的水位差来带动水轮,碾磨谷物,后来又发展到用它来锯木、提升货物等。可以说,潮汐能是人类开发最早的地种海洋动力资源。1866年,自从德国发明家西门子发明了电机以后,水力发电的美好前景一直鼓舞着人们开发潮汐能。既然河流可以通过筑坝来提高水位发电,那么10多米高的潮汐水位差,岂不是也可以用来发电吗?19世纪末,德国工程师克诺布洛赫提出了建立潮汐发电站的方案。他提出在德国的易北河下游修建蓄水池,在涨潮时蓄积海水进行发电,但末成功。原因是潮汐发电并不像河水水力发电那样简单:潮汐产生的落差远远低于河的差,潮汐水位有明显的日、月变化和年变化,很不固定,有时大、小潮之间的水位差异可达一倍左右;海水还有腐蚀性,易发生生物附着以及水库泥砂淤积等问题。1913年,法国科学家派恩提出在诺德斯特兰岛和法国大陆之间建立一座发电站的设计方案:在岛与大陆之间建造一条2.8千米的大坝:坝上再建造一座试验性发电站。第一次世界大战期间该电站成功地发出了电。这是世界上第一座潮汐发电站,也是人类第一次从海洋里获得电能。它采用的是单向型运动方式,即只有落潮时才能发电,所以每天只能发电10小时左右,未能充分利用潮汐能。为解决这一问题,人们提出了许多种方案,但却一直未能如愿。潮汐电站的兴起直到1967年,法国人才在英吉利海峡的朗斯河口,建造了世界上第一座具有商业规模、发电量市辖区4万千瓦的大型潮汐电站。该电站采用的是单库双向型发电方式,只建一个蓄水库和一条堤坝,涡轮机和了电机组便均能满足正反双向运转的要求。这样,涨落潮时均能发电。朗斯电站的涡轮机组的结构很像电灯泡,所以人们把它称为灯泡型贯流式机组,这种机组在涨落潮时均可发电。需要时,还可以从外边输入电力,把发电机变成电动机,涡轮则起着水泵的抽水作用,以提高水位,增加发电能力。采用灯炮型贯流式机组是朗斯潮汐电站的一项重大技术成就,它成功地解决了潮汐涨落的歇期问题。朗斯潮汐电站的成功增添了人们得利用潮汐发电的信心。一年后,在巴伦支海的基斯洛湾,苏联的第一座潮汐电站投入了运转。这个小型的试验性电站安装了一台400千瓦的双向贯流式水轮机组,采用与其他电站联网供电的办法,不费多少钱,就成功地解决了因潮水涨落带来的潮汐发电电力不稳定这一复杂的问题。比如说,在潮汐电站的发电能力进入高潮时,有关的水电站可以相应地减少发电,把水储存在水库内,以供在潮汐发电低落期作补偿发电用;当其他电站负荷不足,有剩余电力且处于涨潮时,又可以把潮汐电站的机组变成抽水机,利用剩余电力把围堤内的水位提到高于涨潮时的水平,当出现用电高峰时,可用来发电,就不必依赖海潮的涨落了。基斯洛潮电站还创造了一种称为浮动沉箱施工法的工作方法,即采用新的建筑结构,把厂房事先在船坞中造好,然后运往现场,安入在事先准备好的水下基座上,这样做降低了建造费用。加拿大、澳大得亚和英国的一些潮汐在设计上后来都采用了这种浮动沉箱法,使建造费用降低了28%33%。应用基斯洛潮汐电厂的经验,前苏联又在白海海岸的卢姆勃夫建造了一座潮汐电站,其发电量为36万千瓦,比法国的朗斯潮汐电站还要大。为了保证涡轮机能全日发电,前苏联当时还准备以双库单向型的方式建设一座大型潮汐电站。这种电站要建立两个相邻的水库:一个水库仅在涨潮时进水,叫做上水库;另一个则只在落潮时出水,叫做下水库。这样,上水库的水位便始终高于下水库的水位,涡轮发电机便放在两个水库之间的隔坝内,所以涡轮机可全日发电。这种电站因为需造造两个水库,工程量和投资都比较大,经济上并不划算。目前,全世界已建有24座较大型的潮汐电站,一些潮汐能丰富的国家都在进行潮汐能发电的研究,开发技术也日趋成熟,建设成本有所降低。现在已经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方式。在世界能源日益紧张的情况下,不少有条件的国家正在积极建造和规划各种潮汐电站。法国正在圣马诺湾兴建一座巨型潮汐电站,功率为1000万千瓦,相当于朗斯电站的40倍。俄罗斯正计划于梅津湾建造一座功率为1000万千瓦的超大型潮汐电站。美国和加拿大两国联合正在芬地湾建造一座功率为600万千瓦的潮汐电站。美国能源部拟在
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