潮汐能发电技术与前景_张斌

2 潮汐发电的现状及主要技术问题 2.1 潮汐发电的现状
潮汐发电实际开始于２０世纪初，德国 建 造 了 胡 苏 姆 潮 汐 电 站 。１ ９ ６ ６ 年 １ 月 在 法 国 圣马洛附近朗斯河口建造的朗斯潮汐电 站，１９６７年全部竣工投入运行，朗斯潮汐发 电站是当时最大的潮汐电站，该电站装机 ２４台，每台容量１万ｋＷ，总装机容量为２４万 ｋ Ｗ ， 现 年 均 发 电 能 力 约 为 ６ 亿 ｋ Ｗ·ｈ 。近 几 年，潮汐能开发朝大容量发展，如俄罗斯的 美晋潮汐电站设计容量为１５００万ｋＷ，英国 塞汶河河口电站的设计容量为７２０万ｋＷ， 加拿大东南沿海的芬地湾潮汐电站设计容 量为３ ８ ０万ｋ Ｗ 。预计到２ ０ ３ ０年， 世 界 潮 汐 电 站 的 年 发 电 能 力 将 达 ６ ０ ０ 亿 ｋ Ｗ·ｈ 。我 国 潮 汐能发电始于５０年代后期，迄今建成潮汐 电站８座，总装６１２０ ｋＷ，其中最大的是浙江 江 厦 潮 汐 试 验 电 站 ， 为 ３ ９ ０ ０ ｋＷ 。我 国 自 己 研制了单机容量５００ ｋＷ和７００ ｋＷ的灯泡贯 流式水轮发电机组。表１ 列出世界各国已建 和研究中的大型潮汐电站概况。 2 .2 潮汐发电的主要技术问题
DOI:10.16661/j.cnki.1672-3791.2014.09.008
高 新 技 术
科技资讯 ２０１４ ＮＯ．０９
ＳＣＩＥＮＣＥ ＆ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ ＩＮＦＯＲＭＡＴＩＯＮ
潮汐能发电技术与前景
张斌 (国网技术学院 山东泰安 271 000)
摘 要：近年来我国经济高速发展，用电量增速很快，但环境恶化日益严重。潮汐能作为一种蕴藏量丰富且无污染的可再生能源，对其开
单库单向 单库单向
电 。单 库 双 向 式 潮 汐 能 发 电 站 不 管 是 在 涨 潮 时 或 是 在 落 潮 时 均 可 发 电 。优 点 是 潮 汐 能利用率高，缺点是投资较大。
（ ３ ）双库单向式型。需要两个水力相联 的水库，涨潮时，海水进入高水库；落潮时， 水由低水库排入大海，利用两水库间的水 位差，使水轮发电机组连续单向旋转发电。 优点是可实现连续发电；缺点是投资大需 要两个水库，工作水头有所降低。
潮汐能电站又可按其开发方式的不同 分为如下三种型式。
（ １ ） 单 库 单 向 型 。涨 潮 时 打 开 水 库 闸 门 ， 海水进入水库，平潮时关闸；落潮后，当外 海与水库有一定水位差时打开闸门，驱动 水 轮 发 电 机 组 发 电 。海 水 仅 在 落 潮 时 单 方 向 通 过 水 轮 发 电 机 组 发 电 。优 点 是 设 备 简 单，投资较少，缺点是潮汐能利用率低，发 电有间断。
1 潮汐发电概述 1. 1 潮汐发电原理
潮汐发电，就是利用海水涨落及其所 造成的水位差来推动水轮机，再由水轮机 带动发电机发电。假如建一条大坝， 把大海 与临近的海湾隔开，形成一个水库，安装上
水轮发电机组，那么涨潮时，海水从大海流 进水库，冲击水轮机转动，从而带动发电机 发电；而在落潮时，海水又从水库流入大 海，则又可从相反的方向带动发电机组发 电 。这 样 ， 海 水 一 涨 一 落 ， 电 站 就 可 源 源 不 断地发出电来。 1.2 潮汐发电的形式
２．２．５ 有效解决电力的补偿问题 在潮汐电站运行时，电站的发电出力 会 随 着 潮 汐 的 涨 、落 而 变 化 。当 潮 位 涨 到 顶 峰或落到低谷时，潮位与水库内的水位差 大，电站的发电出力就大；当潮位接近于库 内水位时，电站便停止发电，造成间断性的 发 电 。目 前 有 如 下 一 些 途 径 解 决 间 断 性 发 电问题：（１）采用双水库；（２）在潮汐能发电 站附近另建一座抽水蓄能电站；（３）在潮汐 能发电站内另外配置相当容量的火力发电 机组；（４）使潮汐能发电站与其他有相当容 量的河川水电站联合运行；（５）使潮汐能发 电站与较大的电力系统联通；（６）调整某些 可以适应间断性供电的用电负荷，以适应 潮 汐 能 发 电 的 特 性 。以 上 这 些 方 式 在 技 术 上已经成熟并有成功应用的实例，因此，各 潮汐能发电站可以根据自身情况，通过综 合分析比较，研究采用。
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计 制 造 安 装 制 约 着 电 站 的 建 设 工 期 。法 国 朗斯电站采用的灯泡贯流式机组属于潮汐 发电中的第一代机型，单机容量为１０ ＭＷ。 １９８４年加拿大研制成功了新型的全贯流式 水轮机组，安装于安那波利斯潮汐电站，较 灯泡贯流式机组造价节省了１７％，运行效率 达９ ５ ％。全贯流式机组比灯泡贯流式机组的 体 积 小 、质 量 轻 、管 道 短 、效 率 高 ， 已 被 广 泛 采 用 。全 贯 流 式 机 组 比 灯 泡 贯 流 式 机 组 的 造 价 可 降 低 １ ５ ％ ～ ２ ０ ％ 。总 的 来 讲 ， 目 前 潮 汐能发电机组的技术已经成熟，朗斯潮汐 能发电站的机组已正常运行达３５年，江厦 潮 汐 能 发 电 站 的 机 组 也 已 工 作 达 ２ ０ 年。而 这些机组都是基于２０世纪６０、７０年代的技术 制造的， 今后利用更先进的制造技术、材料 技术和控制技术以及流体动力技术设计， 潮汐能发电机组的技术性能必将有很大的 改进和提高，其成本将会进一步下降，效率 也将会有进一步地提高。
（ ２ ）单库双向式型。向水轮机引水的管 道有两套，可独立控制，在涨潮和落潮时， 海水分别从各自的引水管道进入水轮机发
（a ）单库单向型
（b ）单库双向型
（c ）双库单向型
图 1 潮汐能电站的 3 种形式
表 1 世界上已建和研究中的大型潮汐电站
国家
Hale Waihona Puke Baidu
站址
年平均潮差 （ｍ ）
法国 前苏联 加拿大 中国 中国 中国 俄罗斯 英国 加拿大 澳大利 亚 韩国 阿根廷
潮汐发电目前存在的主要技术问题 有：工程投资较大，机组造价较高；水头低， 机组耗钢多；发电不连续；在工程技术上有 泥沙淤积问题，机组金属结构和海工建筑 物易被海水及海生物腐蚀及污黏问题，需 要进一步研究解决。
２．２．１ 降低潮汐能发电站造价 降低潮汐能发电站的造价首先要降低 水轮发电机组的造价，水轮发电机组的造 价约占电站总造价的一半，而且机组的设
必 须 根 据 当 地 泥 沙 的 含 量 、类 型 、运 动 方 向 、沉 降 速 度 等 ， 研 究 泥 沙 的 运 动 规 律 ， 找 出防治泥沙淤积的有效措施。
２．２．４ 水工结构物的防腐蚀和防海洋 生物附着
潮汐电站的水工结构物长期浸泡在海 水中，海水对水工结构物中的金属部分腐 蚀非常严重。同时， 海水中的生物也会附着 在水工结构上，如牡蛎等，有的厚度可达 １０ ｃ ｍ ，这 些 附 着 物 不 会 被 水 冲 掉 。附 着 物 会使水工结构流通部分的流通面积减小、 阻塞， 活 动 部 分 卡 涩 或 失 灵 。因 此 ， 必 须 重 视 对 这 些 问 题 的 研 究 。对 金 属 结 构 物 防 腐 蚀问题，有的电站采用外加电流阴极保护 措施， 取得了很好的效果。防止海洋生物附 着问题， 这与当地的地理条件、海洋生物种 类及生活规律有关，应具体问题具体分析， 研究有效的防治措施。
２．２．２ 提高潮汐能发电站运行水平 提高潮汐能发电站的运行水平可以降 低 电 站 运 行 成 本 。如 何 有 效 利 用 海 面 与 水 库的水位差，有效的提高电站出力是一项 水 平 要 求 较 高 的 技 术 。有 一 种 叫 泵 唧 的 技 术，朗斯潮汐能发电站采用这种技术可使 电站的年发电量增加约１ ０ ％。泵唧的工作过 程是，在单库双向电站中，退潮发电刚结束 之后，用泵把库面水位抽低ｌ ｍ左右，从而增 加 涨 潮 发 电 的 水 头 。由 于 泵 唧 是 在 很 低 的 水头下进行的，而其后的发电则是在高的 水头下进行的，所以提高水头增加的发电 量远大于抽水的耗电量，因而可以得到很 大的净能量收益。 ２．２．３ 防治泥沙淤积 潮汐电站一般建设在海湾或临近大海 的河口。海湾底部或大海的泥沙， 容易被潮 流和风浪翻起带到海湾的库区，也有一些 泥 沙 由 河 流 从 上 游 带 来 。这 些 泥 沙 都 会 淤 积在库区内，从而使水库的容积减小，发电 量减少，并且加重对水轮机叶片的磨损，使 其 寿 命 减 少 ， 对 正 常 运 行 影 响 很 大 。因 此 ，
年发电量 （×１０８ ｋＷ ·ｈ） ５．４４ ０．０２３ ０．５０ ０．１１ ０．０３２ ０．００３１ ５００ １４４ １２７ ３０
４８．０ ４９５
１２０ １２０
发电型式
单库双向 单库双向 单库单向 单库双向 单库单向 单库单向 单库双向 单库单向 单库单向 单库双向
其次，水工建筑的造价约占电站总造 价的４５％，也是降低潮汐能发电站造价的 重 要 因 素 。水 工 建 筑 传 统 的 方 法 是 采 用 重 力结构的钢筋混凝土坝或当地材料坝，造 价较高， 工程量也较大。目前有一种预制浮 运钢筋混凝土沉箱的结构的方法，可以减 少工程量，降低造价，前苏联的基斯拉雅潮 汐能发电站采用了这种方法， 效果很好。我 国一些潮汐能发电站也采用这种方法建造 了一些设施，如水闸等，效果也不错。
发 利 用 不 会 给 人 类 带 来 污 染 和 灾 难 。本 文 介 绍 了 潮 汐 能 发 电 的 原 理 及 形 式， 总结了潮汐能发电的主要技术问题并介绍了我国潮汐能发电
的发展前景。
关键词： 新能源 潮汐能发电 主要技术问题 前景
中图分类号：ＴＭ６２
文献标识码：Ａ
文章编号：１６７２－３７９１（２０１４）０３（ｃ）－０００３－０２
高 新 技 术
近几年经济发展迅速，但环境污染加 重，在保证电力供应的同时，开发新能源发 电，降低石油等非再生资源的消耗，减少环 境污染，是解决目前能源和环境问题的有 效方法。潮汐能作为一种可再生资源， 蕴藏 量大，运行成本低，对环境影响小，发电没 有 废 气 、废 渣 、废 水 的 排 放 ， 对 其 开 发 利 用 不 会 给 人 类 带 来 污 染 和 灾 难 。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和减少环境污染的 一种有效方案。
全球海洋中潮汐能的理论蕴藏量约有 ２７ 亿 ｋＷ， 可 开 发 利 用 的 约 为 ５ ４ ０ ０ 万 ｋＷ 。我 国潮汐能资源丰富，理论蕴藏量约为１．１亿 ｋ Ｗ ， 可 开 发 利 用 的 约 为 ２ １ ７ ９ 万 ｋ Ｗ 。近 几 年 我国经济高速发展，用电量增速很快，最高 增速１ ５ ％以上。尤其近两年全国大范围频发 雾霾，环境恶化严重，在保证电力供应的同 时，开发新能源发电，降低石油等非再生资 源的消耗，减少环境污染，是解决目前能源 和 环 境 问 题 的 有 效 方 法 。潮 汐 能 是 一 种 蕴 藏量丰富且无污染的可再生能源，对其开 发利用不会给人类带来污染和灾难。
3 我国潮汐能发电的发展前景 开 发 潮 汐 能 一 般 在 水 深 ２０ ｍ 、３０ ｍ 、距
海岸一千米以内的近海海域。我国幅员辽阔 海岸线长，有长达１８０００ ｋｍ的大陆海岸线和 ６５００多个海岛海岸线，岸线长度超过 ３２０００ ｋｍ。我国沿海地区海岸分两种，一种 是平原型海岸，主要由厚而松散的粉砂或淤 泥组成，潮差较小，岸线较平直，适合潮汐发 电的坝址较少，此类海岸一般分布在杭州 湾以北（除山东半岛和辽东半岛）；另一种是 基岩港湾型海岸，水深潮大，海岸坡度陡， 岸线曲折，有适合潮汐发电的坝址，一般分 布在杭州湾以南，可建万ｋＷ级电站的港址 有 杭 州 湾 、象 山 湾 等 数 十 处 。
朗斯 基斯洛 安纳波利斯 江厦 幸福洋 海山 美晋湾 塞汶河口 芬地湾 金伯利湾
８．５５ ２．３ ６．４ ５．１ ４．２ ４．９ ５．６６ ８．４ １１．８ ８．４
加露林湾 圣何塞湾
４．７ ６．５
装机容量 （×１０４ ｋ Ｗ ）
２４．０ ０．０４ １．７８ ０．３９ ０．１２８ ０．０１５ １５００ ６００ ３８０ ９０