五千年(敝帚自珍)

主题:【翻译】可再生能源--消除温室效应 1序 -- hwd99

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家园 14 潮汐

14 潮汐

月亮绕地球转动,又一起绕太阳转动,每年转一圈。而月亮绕地球转动,每28天转一圈。地球每天绕自转周旋转一周。这些旋转受万有引力和旋转产生的惯性作用控制,处于平衡。但是,也会存在局部的不平衡。它们导致潮汐现象。

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,通常月亮产生的引力比太阳大三倍以上。因此,太阳和月亮是否排列成线对潮汐影响较大。满月和新月时,两种排列成线,相互加强,导致大潮,每2周发生一次。在两个时间中间,不平衡相互抵消,潮汐较小。称为小潮。大潮强度约等于小潮2倍:潮差相差2倍,潮流也相差2倍。

为什么每天有2个高潮,和2个低潮。如何地球是一个完美的球体,被海上覆盖。则月亮引力会导致地表水的形状向橄榄球形状改变。住在赤道上人会感到每天二次水位上升和下降:一次是月亮与橄榄球头,另一次是与橄榄球尾接近。实际有些差别。地球不是光滑球体,覆盖在地球表面的水也不均匀。由于陆地阻挡,两部分高潮水也不会聚集起来。因此,实际潮汐行为很复杂。在大西洋这样的庞大水体,虽然形成高潮和低潮,但不会绕地球移动。在北大西洋,两次高潮和两次低潮会逆时针绕大西洋每天转动 一次。我们在英国,不能直接看到大西洋高潮和低潮。我们被大陆架阻隔了。

潮汐移动速度与海水深度有关。水浅速度慢。在外海,潮高仅1-2英尺。到达欧洲河口,潮高可达到4米。在北半球,由于科尼奥尼力作用,使潮波向右偏移。例如,英国河口潮汐比法国大。进入北海的潮汐涌现到英国海岸thames河口,而不是左转到荷兰。

潮汐能量主要来自月亮。一部分能量来自地球自转,潮汐使地球自转速率下降。我们能得到多少潮汐能?

潮汐能估算

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图:人工潮汐池塘

在估算潮汐能时,我们可以假设一个人工池塘,与大海相连,有一个叶轮将池塘充水和排水。G章将估算这样的潮汐池塘所拥有的潮汐能。假设4米潮差,最大人工潮汐池塘,在高潮时充满,低潮时排空,可在排空和充满时产生能量,能量密度是3W/m2。这个能量与风能密度相近。我们知道,风能所能起的作用。需要整个国家的土地来建风能电站,才有明显作用。与此类似,为了让潮汐能起作用,我们需要的潮汐池塘面积应与英国面积相近。

英国北海就是这样一个天然池塘。如果我们在合适地点安装发电机,这个发电机类似风力发电机安装在水下。由于水的密度是空气密度1000倍,同样水流能量将是风能1000倍。我们先讨论英国周围所含有的潮汐能量。

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图 英国北海构成一个天然潮汐水池

英国潮汐能估算

英国周围潮汐是一个天然潮汐波,在大西洋上形成的大潮以每小时70公里速度,从Scilly岛方向向东进入英国河流和海峡,向普利茅斯和多佛涌来。在北边,高潮沿顺时针到达苏格兰,进入北海,从Wick到Berwich和Hull,时速达到100公里。它们在泰晤士河会合。这两股潮水到达时,时间上略有差距,伦敦每天有两次高潮。

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图 英国潮汐能测量结果是250GW

我们能够获得的潮汐能不会超过来自大西洋的潮汐波所含有的能量。测量潮汐波所含有能量是250GW,能为每个英国人每天提供100kWh能量。假设我们能够获得10%潮汐能,转化效率是50%,则实际每个人每天能得到5kWh能量。

这是一个猜想。没有从技术方面进行考虑。让我们从三种方案来讨论潮汐能量。

直接来自潮汐流

类似风力电站,直接在海中建发电站,使用海流发电机,一只叶轮发电机,例如,2003年安装在挪威Hammerfest市北部,功率300kW。但是,还未见到实际发电量数据。我们只能从物理原理来预测它能发多少电。假设它们类似风力发电机,效率与最好的风力发电机相近。估算结果参见表

速度 m/s 功率 W/m2

0.5 1

1 8

2 60

3 200

4 500

5 1000

通常水流速率为2-3节,在英国周围有很大海洋,单位面积潮汐能量超过6W/m2。该能量密度介于风力(2-3W/m2)和太阳能光伏发电(5-10W/m2)之间。

大坝

建潮汐大坝是成熟技术。法国郎斯建成一个大坝,潮差约8米,自1966年以来,平均发电功率为60MW。

英国severn海湾的潮差范围大,在Cardiff,潮差在大潮时达到11.3米,在小潮时也达到5.8米。如果在海湾进口建大坝(从Weston-super-Mare 到Cardiff),将获得500平方公里潮汐湖。这个湖面积比法国郎斯大得多。潮汐在这个湖产生的功率是多少?根据上表理论计算可以得到,当潮差为11.3米时,功率为14.5GW,等于每个人每天获得5.8kWh。当潮差为5.8米时,功率为3.9GW,等于每个人每天获得1.6kWh。这些数字假定仅是是在高潮潮峰是一个脉冲进入潮汐湖,离开潮汐湖也是一个脉冲。实际上,潮汐进水和出水都需要几小时,使能获得能量减少。目前建议只能获得一个方向能量,使实际得到能量减半。工程师估算,这个潮汐发电系统,将为每个英国人每天提供0.8kWh。此外,还保护沿岸不受潮汐侵扰,价值1.2亿英镑。

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图 Severn潮汐发电建议

人工潮汐湖

在海中建墙围出一个湖,类似人工海湾。主要要求水比较浅,潮差大,从而比较经济,发电成本降低。英国有两个地点,可建这样的潮汐湖,东海岸Wash和西海岸Blackpool。其他地点包括北威尔士,林肯郡、南威尔士和东Sussex。

设想两个面积400平方公里潮汐湖,分别在Blackpool和Wash。

在同一个地点建两个潮汐湖,可以使用下面方案获得储能能力。将两个潮汐湖分别叫高位湖和低位湖。在低潮时,从高位湖排出水获得的能量,一部分用来排空低位湖,使其水位低于低潮时水位。消耗的能量在高潮时得到补偿:当潮水进入低位湖时,会产生更多电能。高潮时方法类似,使用低位湖能量,将过量水打入高位湖。这样我们就能够储存电网多余发电能力。

英国人工潮汐湖平均能量密度是4.5W/m2。如果我们能建成800平方公里人工潮汐湖,可为每个人每天提供1.5kWh能量。

美丽的潮汐

总计以上三种方案,潮汐能为每个人每天提供11kWh电能。英国还没有建成工业规模的潮汐电厂,因此,我们还不知道其经济性。潮汐叶轮发电是否存在很多问题,如腐蚀、淤塞、漂浮废弃物缠绕等。但是,英国潮汐发电在以下七个方面有优势。1、潮汐发电比较有规律,不象风电和太阳能发电依赖天气,不稳定。潮汐发电在一年内,每天都稳定工作,使用潮汐人工湖还能储存能量,使用时在输出。2、英国周围不同地点,如Anglesey, Islay, Orkney和多佛等地高潮和低潮时间错开,从而可以得到比较均匀的发电能力。3 潮汐能会持续百万年。4 它不需要使用高价格设施。5 能量密度大于风能,设备体积小于同功率风力发电机,因而会比较便宜。6 水下比较平静,不会象风力发电,易受风暴影响,安全设计比较简单。7人们住在陆地,看不到水下设备,因而对潮汐发电设备的反对,不会象风力发电那么强烈。

错误观点

潮汐发电,虽然清洁无污染,但是不可再生。从潮汐中获得能量,将减缓地球自转,我们不能长期使用潮汐发电

错误:自然存在的潮汐市地球自转减慢。地球自转能量损失是3TW。由于潮汐存在,每百年地球自转减慢,使每天增加2.3毫秒。潮汐能电厂抽出的能量是潮汐中摩擦损失的能量,不影响潮汐。潮汐能会持续几十亿年。

关键词(Tags): #可再生能源(当生)#潮汐(当生)

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