1、第第4章章 潮汐能潮汐能潮汐潮汐l海洋水位的升高和降低稱為潮汐海洋水位的升高和降低稱為潮汐。l在地球上不同的在地球上不同的地方，潮汐地方，潮汐發生的周期是發生的周期是一天，即一天，即24h，或，或大約大約半天，即半天，即12h25min。l在我國，稱在我國，稱早晨海水上漲為早晨海水上漲為潮潮，黃昏，黃昏上漲上漲為為汐汐，即，即古人所謂的古人所謂的“朝生為朝生為潮，夕潮，夕生為生為汐汐”，故，故合稱為合稱為潮汐潮汐。潮汐能潮汐能l連續的連續的高、低潮產生的高度差高、低潮產生的高度差(潮差潮差)稱為稱為潮潮汐的汐的幅度幅度。l漲潮和落潮的水位差漲潮和落潮的水位差(潮差潮差)形成的形成的勢能勢能稱為

2、稱為潮汐能潮汐能。l潮汐能的大小與潮量和潮差成正比潮汐能的大小與潮量和潮差成正比。l潮汐能主要集中在淺海和狹窄海灣地帶，潮汐能主要集中在淺海和狹窄海灣地帶，如英吉利海峽、馬六甲海峽、芬蘭灣，我如英吉利海峽、馬六甲海峽、芬蘭灣，我國的浙江、福建沿海和黃海的港灣與江河國的浙江、福建沿海和黃海的港灣與江河入海口等。入海口等。l潮汐能的利用主要是潮汐能的利用主要是發電發電，與水力發電相，與水力發電相似，只是似，只是水頭微小水頭微小而已而已。l用用圍堰或堤壩將漲潮的海水圍在港灣或盆圍堰或堤壩將漲潮的海水圍在港灣或盆地內，形成儲水庫，則這些潮水在理論上地內，形成儲水庫，則這些潮水在理論上可以獲得的可以獲得

3、的平均功率平均功率為為l其中其中：l為水的密度，為水的密度，kg/m3；lA為儲水庫的面積，為儲水庫的面積，m2；lR為潮汐的幅度，為潮汐的幅度，m；l為潮汐的周期，為潮汐的周期，s。l設海水的密度設海水的密度=1030kg/m3，如果，如果A=10km2，R=4m，=12h25min，則，則P18MW。l潮汐的產生及其漲落規律與潮汐的產生及其漲落規律與月球和地球月球和地球、太陽太陽和地球和地球之間的萬有引力及三者之間的運行軌跡之間的萬有引力及三者之間的運行軌跡密切相關密切相關。l由由月球和太陽引起的潮汐分別稱為月球和太陽引起的潮汐分別稱為月亮潮月亮潮和和太太陽潮陽潮，實際的海水潮汐是二者綜合

4、的結果。，實際的海水潮汐是二者綜合的結果。一、月亮一、月亮潮潮l為了說明月亮潮的成因，使用一個最簡單為了說明月亮潮的成因，使用一個最簡單的的地月系統模型地月系統模型。l月亮在地球赤道平面上圍繞地球旋轉，如月亮在地球赤道平面上圍繞地球旋轉，如圖所示。圖所示。l 圖中圖中M、M分別為月亮和地球的質量，各為分別為月亮和地球的質量，各為7.351022kg和和5981022kg；D是地月距離是地月距離(假設地、假設地、月 的 質 量 中 心 位 于 它 們 的 幾 何 中 心月 的 質 量 中 心 位 于 它 們 的 幾 何 中 心 ) ， 為， 為384106m；L和和L分別是月亮和地球的質心至地分

5、別是月亮和地球的質心至地月系統質心的距離月系統質心的距離。l 根據根據系統以其質心為中心各部分的系統以其質心為中心各部分的質量矩平衡質量矩平衡的的原理，有如下關系式：原理，有如下關系式：l ML=MLl ML=M(D- L)l ML=MLl ML=M(D- L)l 因此，因此，有有l 解得解得L=4662km，小于地球的半徑，小于地球的半徑r=6380km，即，即地月系統的質心在地球的內部地月系統的質心在地球的內部。l 地、月間受萬有引力的作用，從月亮不被地球吸地、月間受萬有引力的作用，從月亮不被地球吸引靠近過來可知，地球和月亮是圍繞穿過系統質引靠近過來可知，地球和月亮是圍繞穿過系統質心的軸線

6、互相旋轉的，以達到離心力和引力的平心的軸線互相旋轉的，以達到離心力和引力的平衡，才能保持地月系統的穩定衡，才能保持地月系統的穩定。l 因為因為地月系統的質心在地球的內部，所以從宏觀地月系統的質心在地球的內部，所以從宏觀上看月亮是繞著地球轉的，成了地球的衛星。上看月亮是繞著地球轉的，成了地球的衛星。l 月球和地球受到的萬有引力和離心力大小相等、月球和地球受到的萬有引力和離心力大小相等、方向相反，即方向相反，即l 其中，其中，G為萬有引力系數，為為萬有引力系數，為6.6710-11m3/(kgs2)；為地月系統繞其質心旋轉的角速度，為地月系統繞其質心旋轉的角速度，1/s。l 在地月系統中，地球上在

7、地月系統中，地球上x處和處和y處的物質受到的萬處的物質受到的萬有引力和離心力是不同的有引力和離心力是不同的。l 在在最靠近月亮的點最靠近月亮的點x處，指向月球的萬有引力增加，處，指向月球的萬有引力增加，離心力減小離心力減小(因為實際的繞行半徑是因為實際的繞行半徑是r-L)，但也指，但也指向月球向月球。l 在在y點，萬有引力減小，離心力增加，方向都是背點，萬有引力減小，離心力增加，方向都是背離月球。離月球。l 考慮考慮x點和點和y點質量為點質量為m的海水受力，可得的海水受力，可得l 因為因為rD，用泰勒級數將，用泰勒級數將展開，可得展開，可得l 對在地心對在地心E點點m質量的物質，有質量的物質，

8、有l 將上面兩式代入前面兩式，可以得到將上面兩式代入前面兩式，可以得到l 上式表明，上式表明，x處和處和y處處m質量的物質受到的力大小質量的物質受到的力大小相等，方向都是垂直地表向外，稱為相等，方向都是垂直地表向外，稱為引潮力引潮力。l 由于由于地球表面的液體物質比固體物質易于移動，地球表面的液體物質比固體物質易于移動，在引潮力的作用下，海面發生凸起，即產生了潮在引潮力的作用下，海面發生凸起，即產生了潮汐汐。l 需要需要注意，地球自轉產生的離心力對起潮和潮差注意，地球自轉產生的離心力對起潮和潮差沒有明顯影響。沒有明顯影響。l 當月球在地球的赤道平面上，最靠近和最遠離月當月球在地球的赤道平面上，

9、最靠近和最遠離月球的點球的點x和和y處的海水受到的引潮力最大，海水發處的海水受到的引潮力最大，海水發生的堆積最為顯著，形成的是生的堆積最為顯著，形成的是半日潮半日潮(圖圖(a)；l 當當月球不在地球的赤道平面上時，則赤道平面兩月球不在地球的赤道平面上時，則赤道平面兩側的海水受到的引潮力較小，有的地帶形成的是側的海水受到的引潮力較小，有的地帶形成的是一日潮一日潮(圖圖(b)。l 地月系統產生的引潮力是影響起潮和潮差大小的地月系統產生的引潮力是影響起潮和潮差大小的決定性因素，但不是唯一的因素決定性因素，但不是唯一的因素。l 潮汐潮汐還與太陽對地球的萬有引力以及當地的海流、還與太陽對地球的萬有引力以

10、及當地的海流、海峽、港灣、河口的地理條件等因素有關。海峽、港灣、河口的地理條件等因素有關。二、太陽導致的潮汐及綜合效果二、太陽導致的潮汐及綜合效果l 圖中的圖中的(a)，(b)，(c)是太陽、月亮、地球的是太陽、月亮、地球的3種相種相對位置關系，假設月球在地球的赤道平面上，地對位置關系，假設月球在地球的赤道平面上，地球赤道平面與繞太陽公轉的軌道平面重合球赤道平面與繞太陽公轉的軌道平面重合。l Ms，Mm，Me分別是太陽、月球和地球的質量分別是太陽、月球和地球的質量；l Ds，Dm分別是太陽和月球的中心到地心的距離分別是太陽和月球的中心到地心的距離；l r是地球的半徑是地球的半徑；l A，B是地

11、球赤道平面的兩點是地球赤道平面的兩點。l 已知已知Ms=1.991030kg，Ds=1.5108km。1、太陽、太陽-地球系統的質心地球系統的質心l 設質心距地心為設質心距地心為L，則則l 即即太陽太陽-地球系統的質心在太陽內部地球系統的質心在太陽內部，所以在系統，所以在系統繞質心旋轉時，表現為地球繞太陽公轉。繞質心旋轉時，表現為地球繞太陽公轉。2、太陽的、太陽的引潮力引潮力l 先考慮情況先考慮情況(a)。太陽對。太陽對A處單位質量物質的引力是處單位質量物質的引力是l A處單位質量物質繞太陽旋轉的離心力是處單位質量物質繞太陽旋轉的離心力是l 二者方向相反，引力朝向太陽，離心力背向太陽。二者方向

12、相反，引力朝向太陽，離心力背向太陽。太陽在太陽在A處產生的引潮力為處產生的引潮力為l 因為因為LDs，上式可簡化為，上式可簡化為l 顯然，在顯然，在A處太陽產生的引潮力起處太陽產生的引潮力起加強加強月亮潮的作用。月亮潮的作用。l 綜上分析可知，月球對綜上分析可知，月球對A處單位質量物質產生的處單位質量物質產生的引潮力為引潮力為l 月亮和太陽在月亮和太陽在A處產生的引潮力的比值是處產生的引潮力的比值是l 這說明，月球在這說明，月球在A處產生的引潮力遠大于太陽產處產生的引潮力遠大于太陽產生的引潮力，可以說潮汐的產生是由月亮引起的。生的引潮力，可以說潮汐的產生是由月亮引起的。l 太陽對太陽對B處單位

13、質量物質的引力是處單位質量物質的引力是l 太陽對太陽對B處單位質量物質的引力是處單位質量物質的引力是l 二者的方向相反，引力朝向太陽，離心力背向太二者的方向相反，引力朝向太陽，離心力背向太陽。太陽在陽。太陽在B處產生的引潮力為處產生的引潮力為l 因為因為LDs，上式可簡化為，上式可簡化為l 顯然，顯然，B處太陽產生的引潮力與處太陽產生的引潮力與A處大小相等，方處大小相等，方向相反向相反。l 與與A處一樣，在處一樣，在B處太陽的引潮力也是起加強月亮處太陽的引潮力也是起加強月亮潮的作用，但是月球的引潮力遠大于太陽的引潮潮的作用，但是月球的引潮力遠大于太陽的引潮力，太陽的引潮力對潮汐的影響是很小的。

14、力，太陽的引潮力對潮汐的影響是很小的。l 根據同樣的道理推理，在情況根據同樣的道理推理，在情況(b)中，太陽對中，太陽對A點點和和B點產生的引潮力和情況點產生的引潮力和情況(a)是相同的是相同的；l 在在情況情況(c)中，太陽對地球兩極的引潮力最大，而中，太陽對地球兩極的引潮力最大，而且是垂直地表向外的，而對且是垂直地表向外的，而對A，B處的最小，而且處的最小，而且是指向地球內部的。是指向地球內部的。l 可見，當太陽、地球和月亮在同一直線上，月亮可見，當太陽、地球和月亮在同一直線上，月亮潮和太陽潮同相，產生潮汐的幅度最大；這是潮和太陽潮同相，產生潮汐的幅度最大；這是大大潮潮(子午潮子午潮)，每

15、月發生，每月發生兩次兩次，分別發生在滿月和，分別發生在滿月和新月的時候新月的時候。l 當當太陽太陽-地球的方向與月亮地球的方向與月亮-地球的方向垂直時，地球的方向垂直時，潮的幅度最小；這是潮的幅度最小；這是小潮小潮，也是每個月發生，也是每個月發生兩次兩次。三、潮汐的功率三、潮汐的功率l 設設港灣儲水庫的面積為港灣儲水庫的面積為A，在低潮時也有水。，在低潮時也有水。l 在漲潮時，水圍在儲水庫內，圍住的海水質量為在漲潮時，水圍在儲水庫內，圍住的海水質量為AR，重心在低潮水位之上，重心在低潮水位之上R/2處。若儲水庫里的處。若儲水庫里的水降到低潮水位，則水降到低潮水位，則l 將該能量在潮汐周期內進行

16、平均，得到將該能量在潮汐周期內進行平均，得到一個潮汐一個潮汐內的平均功率內的平均功率l 潮汐的幅度每個月從大潮時的最大值潮汐的幅度每個月從大潮時的最大值Rs到小潮時到小潮時的最小值的最小值Rn變化變化。l 下下圖表示了該變化的輪廓，是以平均潮高為水平圖表示了該變化的輪廓，是以平均潮高為水平對稱軸、周期為對稱軸、周期為半個半個太陰月太陰月的的正弦曲線正弦曲線。l 在在一個一個太陰月太陰月的周期的周期T內內(T=29.53d)，任意時刻，任意時刻t的的幅度由下式給出幅度由下式給出l 若若Rn=Rs，為小于為小于1的常數，則幅度為的常數，則幅度為取均方根，有取均方根，有可以得到可以得到l 所以一個月

17、所以一個月(太陰月太陰月)的平均功率為的平均功率為若若0.5，則則四、潮汐發電四、潮汐發電l 用潮汐能發電，實質上是利用用潮汐能發電，實質上是利用潮差勢能潮差勢能的水力發的水力發電電。l 潮汐潮汐發電是發電是19世紀末發展起來的，初期都是很小世紀末發展起來的，初期都是很小的電站，隨著工業的發展和技術的進步，到現代的電站，隨著工業的發展和技術的進步，到現代才有為數不多的大型潮汐電站才有為數不多的大型潮汐電站。l法國朗斯潮汐電站法國朗斯潮汐電站1961年開始興建，年開始興建，1967年年底全部機組投運，裝機容量年年底全部機組投運，裝機容量240MW，是迄今世界上是迄今世界上最大最大的潮汐電站的潮汐

18、電站。l該該站址的最大潮差站址的最大潮差13.4m，平均潮差，平均潮差8.0m；采用采用單庫雙向發電方式單庫雙向發電方式；庫區面積；庫區面積17km2，最高海平面時為最高海平面時為22km2，平均海平面時為，平均海平面時為12km2；大壩總長；大壩總長750m，安裝了，安裝了24臺直徑臺直徑為為5.35m的可逆轉水輪機的可逆轉水輪機。l 我國從我國從20世紀世紀50年代開始，在山東、江蘇、浙江、年代開始，在山東、江蘇、浙江、福建、廣東、廣西沿海陸續建設了一批小型潮汐福建、廣東、廣西沿海陸續建設了一批小型潮汐電站，其中電站，其中江廈潮汐試驗電站江廈潮汐試驗電站位于浙江省溫嶺縣位于浙江省溫嶺縣樂清

19、灣末端的江廈港上樂清灣末端的江廈港上。l 該該電站電站1972年開工建設，年開工建設，1986年年底全部建成投年年底全部建成投產，裝機為產，裝機為1500kW+1600kW+3700kW，總，總容量容量3.2MW；最大潮差；最大潮差8.39m，多年平均潮差，多年平均潮差5.08m；采用；采用單庫雙向發電方式單庫雙向發電方式，庫區面積，庫區面積2km2；壩址全長壩址全長670m，土石壩結構，土石壩結構。l 江廈江廈潮汐電站兼有圍墾、養殖和交通等綜合效益，潮汐電站兼有圍墾、養殖和交通等綜合效益，其庫區內圍墾的其庫區內圍墾的267km2可耕地已全部開發，可耕地已全部開發，160km2水面用于魚、蝦和

20、貝類養殖，壩頂公路連水面用于魚、蝦和貝類養殖，壩頂公路連接港區兩岸，經濟和社會效益顯著。接港區兩岸，經濟和社會效益顯著。l 與陸地水庫的高水頭和水頭相對平穩不同，潮汐與陸地水庫的高水頭和水頭相對平穩不同，潮汐電站的海水潮差要電站的海水潮差要低一個數量級低一個數量級，而且，而且呈周期性呈周期性的變化的變化；l 此外此外，海洋中特定地點的潮差大小完全取決于當，海洋中特定地點的潮差大小完全取決于當地的地理環境，同時海水和空氣鹽霧具有很強的地的地理環境，同時海水和空氣鹽霧具有很強的腐蝕性腐蝕性。l 因此，在潮汐發電的技術開發中會遇到一些特殊因此，在潮汐發電的技術開發中會遇到一些特殊問題，主要是：問題，

21、主要是：l (1)月亮潮的周期月亮潮的周期12h25min或或24h50min與太陽潮的與太陽潮的周期周期24h都是有固定規律的，潮汐發電的功率曲線都是有固定規律的，潮汐發電的功率曲線與終端用戶的功率曲線往往與終端用戶的功率曲線往往不一致不一致，如果潮汐電，如果潮汐電站不聯網，就需要采取站不聯網，就需要采取負荷匹配負荷匹配的技術措施；的技術措施；l (2)潮汐幅度的變化導致潮汐幅度的變化導致電功率的變化電功率的變化；l (3)大功率潮汐電站需要大量低水頭的水，要求的大功率潮汐電站需要大量低水頭的水，要求的儲水庫面積大，以及許多特殊設計的水輪機和其儲水庫面積大，以及許多特殊設計的水輪機和其他機電

22、設備；他機電設備；l (4)潮汐電站的初投資較大；潮汐電站的初投資較大；l (5)可能對儲水庫區的生態環境產生不良影響可能對儲水庫區的生態環境產生不良影響。l 潮汐發電工程建設的大致過程是：在地形條件好、潮汐發電工程建設的大致過程是：在地形條件好、潮汐水位落差大的海灣或河口，建筑帶閘門的攔潮汐水位落差大的海灣或河口，建筑帶閘門的攔水壩，形成水庫，并在電站廠房中安裝水輪發電水壩，形成水庫，并在電站廠房中安裝水輪發電機組機組。l 利用利用漲潮和落潮在水庫內外形成一定的水位差漲潮和落潮在水庫內外形成一定的水位差水頭水頭，使具有一定水頭的潮水沖擊安裝在大壩，使具有一定水頭的潮水沖擊安裝在大壩內的水輪機

23、，使之旋轉做功內的水輪機，使之旋轉做功。l 潮水潮水流動的特點是隨著潮水的漲落而周期性地變流動的特點是隨著潮水的漲落而周期性地變化方向，這就決定了潮汐發電的具體過程有別于化方向，這就決定了潮汐發電的具體過程有別于水力發電，也使潮汐發電出現了幾種不同的方式。水力發電，也使潮汐發電出現了幾種不同的方式。(1)單庫單向型單庫單向型l 只建一個儲水庫，在水庫大壩上分別建一個進水只建一個儲水庫，在水庫大壩上分別建一個進水閘門和一個排水閘門，水輪發電機安裝在進水閘閘門和一個排水閘門，水輪發電機安裝在進水閘門或者排水閘門處，分漲潮發電和落潮發電兩種門或者排水閘門處，分漲潮發電和落潮發電兩種形式。形式。l 圖

24、圖(a)是是漲潮發電漲潮發電。當當海水漲潮時，打開進水閘門積蓄海水，同時由于海海水漲潮時，打開進水閘門積蓄海水，同時由于海水水位高，在海水從進水閘門流入時就會沖擊水輪機，水水位高，在海水從進水閘門流入時就會沖擊水輪機，帶動發電機發電。落潮時，關上進水閘門，打開排水帶動發電機發電。落潮時，關上進水閘門，打開排水閘門放水閘門放水。l 圖圖(b)是是落潮發電落潮發電。單單庫單向式的水輪發電機組結構簡單、成本較低，但庫單向式的水輪發電機組結構簡單、成本較低，但只能在漲潮或落潮時發電，發電時間短，因而發電量只能在漲潮或落潮時發電，發電時間短，因而發電量較小。較小。(2)單庫雙向型單庫雙向型l 也是只建一

25、個水庫，但安裝了既能順轉又能倒轉也是只建一個水庫，但安裝了既能順轉又能倒轉的水輪機，并配上能正反轉的發電機的水輪機，并配上能正反轉的發電機。l 這樣這樣，除平潮，除平潮(即水庫內外水位相平即水庫內外水位相平)外，不管漲外，不管漲潮還是落潮均能發電潮還是落潮均能發電。l 因而因而發電時間較長，一般發電時間較長，一般1天能發電天能發電1620h，發，發電量有較大增加電量有較大增加。l 缺點缺點是結構比較復雜，并且仍有發電間斷的缺陷。是結構比較復雜，并且仍有發電間斷的缺陷。(3)雙庫雙向型雙庫雙向型l 建造一高一低兩個水庫，把發電機組安裝在高低水庫之間建造一高一低兩個水庫，把發電機組安裝在高低水庫之

26、間。l 漲潮漲潮時，打開上水庫進水閘適當充水，抬高水位，同時關時，打開上水庫進水閘適當充水，抬高水位，同時關閉下水庫排水閘，水從上水庫通過電站流向下水庫時帶動閉下水庫排水閘，水從上水庫通過電站流向下水庫時帶動水輪發電機發電水輪發電機發電；l 落潮落潮時，關閉上水庫的進水閘，打開下水庫的排水閘時，關閉上水庫的進水閘，打開下水庫的排水閘。l 在漲落潮的過程中始終使兩個水庫之間保持一定在漲落潮的過程中始終使兩個水庫之間保持一定的水位差，這樣就可以不間歇地全日發電了的水位差，這樣就可以不間歇地全日發電了。l 這種這種發電方式的缺點是只能利用約一半的潮差能發電方式的缺點是只能利用約一半的潮差能量和庫容，發電功率較小；還需要建造兩個水庫，量和庫容，發電功率較小；還需要建造兩個水庫，投資較大。投資較大。(4)發電槽發電發電槽發電l 當漲潮時，海水從一