9.3潮漲潮落顯奇能——潮汐能發電
在海灣或河口，可見到海水或江水每天有兩次的漲落現象，早上的稱為潮，晚上的稱為汐。這種現象主要是由月球、太陽的引潮力以及地球自轉效應所造成的。我們都知道著名的錢塘江大潮，它就屬於較大規模的一種潮汐現象。
通過上麵的介紹，我們已經了解到，由於引潮力的作用，使海水不斷地漲潮、落潮。漲潮時，大量海水洶湧而來，具有很大的動能；同時，水位逐漸升高，動能轉化為勢能。落潮時，海水奔騰而歸，水位陸續下降，勢能又轉化為動能。海水在漲潮和落潮時所具有的動能和勢能統稱為潮汐能。潮汐能是一種蘊藏量極大、取之不盡用之不竭、不需開采和運輸、潔淨無汙染的可再生能源。目前潮汐能最成熟的利用形式是潮汐發電。
潮汐發電是水力發電的一種。它是利用海灣、河口等有利地形，建築一座攔水堤壩，形成水庫，以便於大量蓄積海水，並在壩中或壩旁放置水輪發電機組，建造水力發電廠房，利用潮汐漲落時海水水位的升降，海水通過水輪機時推動水輪發電機組發電。
從能量的角度說，潮汐發電就是利用海水的勢能和動能，通過水輪發電機轉化為電能。潮汐發電與普通水力發電原理類似，差別在於海水與河水各自的特點，蓄積的海水落差不大，雖然流量較大，但呈現間歇性，而河水不僅流量較大，而且是連續流動的，這可以驅動水輪機連續地工作。因而潮汐發電的水輪機的結構要具有低水頭、大流量的特點。利用潮汐發電必須具備兩個物理條件：首先潮汐的幅度必須大，至少要有幾米；其次海岸地形必須能儲蓄大量海水，並可進行土建工程。
目前，潮汐能發電相關的技術進步極為迅速，人們已開發出多種將潮汐能轉變為機械能的機械設備，如螺旋槳式水輪機、軸流式水輪機、開敞環流式水輪機等，日本甚至開始利用人造衛星提供潮流信息資料。利用潮汐能發電技術日趨成熟，逐漸進入大規模實用階段。
9.3.1潮汐能發電形式
潮汐發電大體有3種形式：
（1）單庫單向發電。在海灣或河口建造一道堤壩和一個水庫，漲潮時海水進入水庫，落潮時利用水庫與海麵的潮差推動水輪發電機組。這種形式隻能在落潮時發電，它不能連續發電。也有的采用反向形式，即利用漲潮時水流由外海流向水庫時發電，落潮時開閘把庫水放低。
（2）單庫雙向發電。該發電方式同樣是建造一個水庫，隻是采用一定的水工布置形式或采用雙向水輪發電機組保證電站在漲落潮時都能發電。這種發電形式在漲潮與落潮時均可發電，隻是在平潮時不能發電，它大大提高了潮汐能的利用率。廣東省東莞市鎮口潮汐電站及浙江省溫嶺市江廈潮汐電站，就是這種形式。
（3）雙庫雙向發電。在有條件的海灣建造兩個水庫，在漲、落潮過程中兩水庫的水位始終保持一定的落差，水輪發電機組在兩水庫之間，使其連續不斷地發電。說明白點，它是用兩個相鄰的水庫，使一個水庫在漲潮時進水，另一個水庫在落潮時放水，這樣前一個水庫的水位總比後一個水庫的水位高，故稱前者為上水庫，後者為下水庫。水輪發電機組放在兩水庫之間的隔壩內，兩水庫始終保持著水位差，故可以全天發電。
因此，為了使潮汐電站能夠全日連續發電，就必須采用雙水庫的潮汐電站。由雙水庫潮汐電站的特點可知，海水潮汐的水位差遠低於一般水電站的水位差，所以潮汐電站應采用低水頭、大流量的水輪發電機組。目前全貫流式水輪發電機組由於其外形小、重量輕、管道短、效率高已被各潮汐電站廣泛采用。
潮汐能發電是海洋能中技術最成熟和利用規模最大的一種。目前全世界潮汐電站的總裝機容量為265兆瓦，我國為5.64兆瓦。世界上最大的潮汐發電站是法國朗斯的24萬千瓦潮汐電站。世界上第一座潮汐發電站是1913年在德國在北海海岸建立的。我國第一座潮汐發電站是1957年在山東建成的。1980年8月4日我國第一座單庫雙向式潮汐電站──江廈潮汐試驗電站正式發電，裝機容量為3000千瓦，年平均發電1070萬千瓦·時，其規模僅次於法國朗斯潮汐電站，是當時世界第二大潮汐發電站。同時，我國還是世界上建造潮汐電站最多的國家，在20世紀50~70年代，先後建造了近50座潮汐電站。江廈電站是中國最大的潮汐電站，已正常運行近20年。總之，我國的海洋發電技術已有較好的基礎和豐富的經驗，小型潮汐發電技術基本成熟，已具備開發中型潮汐電站的技術條件。但是現有潮汐電站整體規模和單位容量還很小，單位千瓦造價高於常規水電站，水工建築物的施工水平還比較落後，水輪發電機組尚未定型標準化。這些均是我國潮汐能開發中存在的問題。其中，關鍵是中型潮汐電站水輪發電機組技術問題沒有完全解決，電站造價亟待降低。
9.3.2潮汐能發電的優缺點
金無足赤，人無完人。潮汐能發電也有其優點和缺點。以下我們就來全麵了解下潮汐能發電的優缺點，在開發中，我們要趨利避害，發揮潮汐能發電的最大優勢。
（1）潮汐能發電的優點。
1）潮汐能是一種清潔、不汙染環境、不影響生態平衡的可再生能源。潮水每天漲落，周而複始，取之不盡，用之不竭。它完全可以發展成為沿海地區生活、生產和國防需要的重要補充能源。
2）潮汐能是一種相對穩定的可靠能源，很少受氣候、水文等自然因素的影響，全年總發電量穩定，不存在豐水期、枯水期的影響。
3）潮汐能發電站不但不需淹沒大量農田構建水庫，不存在人口遷移、淹沒農田等複雜問題，而且可用攔海大壩，促淤圍墾大片海塗地，把水產養殖、水利、海洋化工、交通運輸結合起來，大力發展綜合利用。這對於人多地少、農田非常寶貴的沿海地區，更是個突出的優點。
4）潮汐電站不需築高水壩，即使發生戰爭或地震等自然災害，水壩受到破壞，也不至於對下遊城市、農田、人民生命財產等造成嚴重災害。
5）潮汐能開發一次能源和二次能源相結合，不用燃料，不受一次能源價格的影響，運行費用低，是一種經濟能源。
6）機組台數多，不用設置備用機組。
（2）潮汐能發電的缺點
1）潮差和水頭在一天內經常變化，在無特殊調節措施時，出力有間歇性，給用戶帶來不便。但可按潮汐預報提前製訂運行計劃，與大電網並網運行，以克服其間歇性。
2）潮汐存在半月變化，潮差可相差兩倍，故保證出力、裝機的年利用小時數也低。
3）潮汐能發電站建在港灣海口，通常水深壩長，施工、地基處理及防淤等問題較困難。故土建和機電投資大，造價較高。
4）潮汐能發電站是低水頭、大流量的發電形式。漲落潮水流方向相反，低水輪機體積大，耗鋼量多，進出水建築物結構複雜。因水輪機長時間浸泡在海水中，海水、海生物對金屬結構物和海工建築物有腐蝕和玷汙作用，故需做特殊的防腐和防海生物黏附處理。
5）潮汐變化周期嚴格來講不是以天為周期，而是以24小時50分鍾為周期，這個時間有個特別的名字叫作一個太陰日。每天潮汐運行周期落後正常的一天約50分鍾，所以與按每天給出用電負荷配合時，會出現配合差。
潮汐發電雖然存在以上不足之處，但隨著現代技術水平的不斷提高，這些技術難題是可以得到解決的。如采用雙向或多水庫發電、利用抽水蓄能、納入電網調節等措施，可以彌補第一個缺點；采用現代化浮運沉箱進行施工，可以節約土建投資；應用不鏽鋼製作機組，選用乙烯樹脂係列塗料，再采用陰極保護，可克服海水的腐蝕及海生物的黏附。
潮汐電站除了發電外還有著廣闊的綜合利用前景，其中最大的效益是圍海造田、增加土地，此外還可進行海產養殖以及發展旅遊。潮汐發電因其廣闊的應用前景已備受世界各國重視。潮汐發電是一項潛力巨大的事業，經過多年來的實踐，在工作原理和總體構造上基本成型，可以進入大規模開發利用階段。
9.4浪花滾滾——波浪能
俗話說：“無風海麵三尺浪。”我們經常能見到大海上滾滾的浪花，從能源的角度看，這些浪花包含著一種能量——波浪能。波浪能是海洋能源中蘊藏最豐富的一種，占整個海洋能的90%以上，是潮汐能蘊藏量的幾十倍。
從能量角度來講，波浪能是指海洋表麵波浪所具有的動能和勢能。波浪能與波高的平方、波浪的運動周期以及迎波麵的寬度成正比。波浪能是海洋能源中能量最不穩定的一種能源。波浪能是由風把能量傳遞給海水而產生的，實質上是海水吸收了風能而形成的。能量傳遞速率和風速有關，也和風與水相互作用的距離有關。波浪可以用波高、波長和波周期等特征來描述。
波浪能具有能量密度高、分布麵廣等優點。它是一種取之不竭的可再生清潔能源。尤其是在能源消耗較大的冬季，可利用的波浪能的能量也是最大的。目前研究的波能利用技術大都源於以下幾種基本原理：利用物體在波浪作用下的升沉和搖擺運動將波浪能轉換為機械能，利用波浪的爬升將波浪能轉換成水的勢能等。波浪能可以用於發電抽水、供熱、海水淡化以及製氫等，其中波浪發電是波浪能利用的主要方式。小功率的波浪能發電，已在導航浮標、燈塔等獲得推廣應用。我國有廣闊的海洋資源，波浪能的理論存儲量為7000萬千瓦左右，沿海波浪能能流密度為每米2~7千瓦。在能流密度高的地方，每米海岸線外波浪的能流就足以為20個家庭提供照明。可見波浪能發電的儲量是巨大的。
波浪能利用的關鍵是波浪能轉換裝置。通常波浪能要經過三級轉換：第一級為受波體，它將大海的波浪能吸收進來；第二級為中間轉換裝置，它優化第一級轉換，產生出足夠穩定的能量；第三級為發電裝置，其與其他發電裝置結構一致。波浪能發電方式數以千計，按能量中間轉換環節主要分為機械式、氣動式和液壓式三大類。
9.4.1機械式波浪能發電
機械式波浪能發電是通過傳動機構，實現波浪能從往複運動到單向旋轉運動的傳遞來驅動發電機發電的方式。采用齒條、齒輪和齒輪機構的機械式裝置。這種發電方式是在大海中裝一個浮子，齒條連在浮子上。隨著波浪的起伏，浮子上下浮動，齒條跟浮子一起升降，驅動與之齧合的左右兩隻齒輪做往複旋轉。齒輪各自以齒輪機構與軸相連。齒條上升，左齒輪驅動其軸做逆時針旋轉運動，右齒輪則順時針空轉。通過後麵一級齒輪的傳動，驅動發電機順時針旋轉發電。機械式裝置多是早期的設計，往往結構笨重，可靠性差，未獲實用。
9.4.2氣動式波浪能發電
這種發電方式實際上不是波浪本身去推動發電機運轉，而是通過空氣來實現的。其原理主要是將波浪能轉換為壓縮空氣來驅動空氣透平發電機發電。當波浪上升時，波浪將空氣室中的空氣頂上去，被壓空氣穿過正壓水閥室進入正壓氣缸，並驅動發電機軸伸端上的空氣透平使發電機發電；當波浪落下時，空氣室內形成負壓，大氣中的空氣被吸入氣缸並驅動發電機另一軸伸端上的空氣透平使發電機發電，其旋轉方向不變。
氣動式裝置使緩慢的波浪運動轉換為汽輪機的高速旋轉運動，機組縮小，且主要部件不和海水接觸，提高了可靠性。
9.4.3液壓式波浪能發電
通過某種泵液裝置將波浪能轉換為液體（油或海水）的壓力能或位能，再由油壓泵或水輪機驅動發電機發電的方式。常見的是“點頭鴨”液壓式波浪能發電裝置。
“點頭鴨”液壓式波浪能發電，工作過程像一隻鴨子在點頭一樣，波浪運動產生的流體壓力使靠近鴨嘴的浮動前體升沉並繞相對固定的回轉軸往複旋轉，驅動油壓泵工作，將波浪能轉換為油的壓能，經油壓係統輸送，再驅動油壓發電機組發電。點頭鴨裝置有較高的波浪能轉換效率，但結構複雜，海上工作安全性差，未獲實用。
我們常說“你就像大海中的一盞明燈，指引著我前進的方向”。可見，在茫茫大海上，一盞指示燈有著多麼重要的意義，要是能有像陸地上的紅綠燈一樣的指示燈就好了。這個問題已經成功地由波浪能發電技術解決了。波浪能發電技術應用的一個成功地裝置叫航標燈。20世紀60年代，日本首先研製成功航標燈用波能發電裝置，目前該裝置已經商品化，在沿海海域航標和大型燈船上推廣應用。
波浪能發電技術興起於20世紀80年代初，西方海洋大國利用新技術優勢紛紛展開實驗。我國波浪能發電技術研究始於20世紀70年代。我國波浪發電雖起步較晚，但發展很快，目前我國是世界上主要的波能研究開發國家之一，其中微型波發電技術已經成熟，小型岸式波力發電技術已進入世界先進行列。從80年代初開始，我國主要對固定式和漂浮式振蕩水柱波能裝置以及擺式波能裝置等進行研究。1985年中國科學院廣州能源研究所開發並成功製作了利用對稱翼透平的航標燈，這種航標燈所需的電能就是用波浪發電裝置產生的。經過十多年的發展，已有60~450瓦的多種型號產品並多次改進，目前已累計生產了600多台，在中國沿海使用，並出口到日本等國家。