潮汐能发电技术 - 潮汐能技术

一、绪论

1. 1 我国能源发展的趋势

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世界经济的现代化，得益于化石能源，如石油、天然气、煤炭与核裂变能的广泛的投入应用，因而它是建筑在化石能源基础之上的一种经济。然而，由于化石能源属于不可再生资源，随着其量的减少，能源供应的链条将会出现中断，这必将导致世界经济危机和冲突的加剧，最终葬送现代市场经济。事实上，近10年来，中东及海湾地区与非洲的战争都是由化石能源的重新配置与分配而引发。现今全球变暖、臭氧层空洞等环境问题日益突出，化石燃料的使用对环境的破环效应也日益受到人们的关注，同时世界各国为解决环境问题，大力倡导绿色经济、可持续发展经济。我国作为一个能源消耗大国，近年来一直努力减少对化石燃料的依赖，寻求可替代性能源，同时积极改变经济增长模式，降低环境污染，走可续发展道路。

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1. 2海洋能与潮汐能

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海洋占地球面积的71%,它接受来自太阳的辐射能比陆地要大得多。根据联合国教科文组织提供的材料表明，全世界海洋能的可再生能量近800亿kW,浩瀚的大海蕴藏着巨大的可再生能源，包括波浪能、海流能、潮沙能、温差能和盐差能等。在诸多形式的海洋能中，海洋潮汐能含量巨大，并且开发技术比较成熟，是日前最具有开发潜力的新能源之一。

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1. 3潮汐能的成因

潮汐能是在月球和太阳等引力作用下形成周期性海水涨落而产生的能量，它包括海面周期性的垂直升降和海水周期性的水平流动。垂直升降部分为潮汐的位能，被称为潮差（Tidal Range)能，其富集点出现在可以使潮汐波发生放大的，长30km以上的河口或海湾的端部：水平流动部分为潮汐的动能，被称为潮流（Tidal Stream)能，其富集点多出现在群岛地区的海峡、水道及海湾的狭窄入口处，由于海岸形态和海底地形等因素的影响，流速会受到影响。

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1. 4潮汐能的应用

现代潮汐能的利用，主要是潮汐能发电。日前成熟的潮汐能发电形式为水库式，即在海湾或海潮河口建筑堤坝、闸门和厂房，将海湾或河口与外海隔开围成水库，并安装机组进行发电。针对水库式潮汐能发电技术的诸多缺陷，近年欧美国家兴起了无库式潮汐能发电技术。这一技术在欧美国家得到了大力支持。无水库式潮汐能发电技术为潮汐能的开发提供了新的手段，也代表了未来技术的发展趋势。

二、水库式潮汐能发电

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2. 1水库式潮汐能发电站的类型

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水库式潮汐发电，即在海湾或海潮河口建筑堤坝、闸门和厂房，将海湾或河口与外海隔开围成水库，并安装机组进行发电。水库式潮汐电站有三种可选择的方案。

第一，单库单向型，在涨潮时将储水库闸门打开，向水库充水，平潮时关闸落潮后，待储水库与外海有一定水位差时开闸，驱动水轮发电机组发电。这种方案的优点是设备结构简单，投资少：缺点是潮汛能利用率低，发电不连续。

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第二，单库双向型，利用两套阀门控制两条向水轮机引水的管道。在涨潮和落潮时，海水分别从各自的引水管道进入水轮机，使水轮机旋转带动发电机，这种方案适应天然潮汐过程，潮汐能利用率高，但投资大。

第三，双库单向型，采用两个水力相联的水库。涨潮时，向高储水库充水；落潮时，由低储水库排水，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。该方案可实现连续发电，但是要建两个水库，投资大且工作水头低。

水库式潮汐能发电方式存在诸多缺陷建立发电厂时的建坝等工程需要巨大投资，泥沙冲淤问题难以解决，拦潮坝对水库区生态有影响，海岸遭侵蚀。

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2. 2水库式潮汐发电国内外发展现状

潮汐发电的实际应用开始于1921年德国胡苏姆兴建的一座小型潮汐电站。1961年，朗斯电站正式开工建设，当年首台10MW可逆式灯泡贯流机组正式发电，1962年12月，全部24台10MW机组同时起动，电站建成。1968年，前苏联在基斯洛湾建成一座试验性潮汐电站，采用了法国Nerrpic 公司产400kW双向灯泡式机组。1979年，加拿大开始在芬地湾（Bay of Foundy)的安那波利斯（Annapolis)建设潮汐电站，1984年8月，该电站的一台17. 4MW全贯流式机组投产发电。与此同时，许多国家对潮汐电站进行了大量研究、论证工作。目前，潮汐能开发的趋势是偏向大型化，如俄罗斯计划的美晋潮汐电站设计能力为1500x104kW,英国塞文电站为720万kW,加拿大芬地湾电站为380x104kW.预计到2030年，世界潮汐电站的年发电总量将达600x108kwh

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我国利用潮汐能源发电大致经历了三个阶段。20世纪50年代是我国开发利用潮汐能发电的第一个阶段。1956年，我国第一座小型潮汐电站在福州市泼边建成。1958年，掀起潮汐办电的高潮。据1958年10月召开的“全国第一次潮汐发电会议”统计，全国兴建了41座潮汐电站，总装机容583kW.其中最大容量电站为144kW,最小的仅5kW.这一时期建设的潮汐电站由于选址不当、施工粗糙，设备简陋，管理不善等原因，以后大部分相继废弃。

20世纪70年代是我国开发利用潮汐能发电的第二个阶段。在这个阶段，人们总结、汲取了20世纪50年代潮汐办电的经验和教训，注重科学和施工质量，建成了一批较好的潮汐电站。1973年4月还正式动工兴建了我国最大的潮汐电站－位于浙江温岭的江厦潮汐电站。

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1980年至今是我国开发利用潮汐能发电的第三个阶段。在这个阶段，建成了江厦潮汐电站（已装机3200kW)和幸福洋电站（1280kW);对以前建设的潮汐电站及其设备进行了治理和改造；完成了对全国潮汐能源的重新普查；完成了一批大中型潮汐电站的论证规划和选址工作，开展了大型潮汐电站的设计研究和前期科研工作。

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三、无水库式新型潮汐能发电

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3. 1无水库式新型潮潮汐能发电机组的类型

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无库式潮汐能发电设备的发电原理突破了常规发电的概念，是借鉴风能发电原理，同时考虑海流和风的密度等条件的不同设计开发而成的，因而此类水轮机

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作统有库式机组的结构形式大不相同。根据机组结构形式不同，目前的潮沙能发电机组总体可分为两类。max.book118.com预览自海底风车式机组无水印

图1s为“海流（Seaflow)”风车式发电机组。“海流”是无库式潮汐能设备发展的标志性工程，项目初期投资600万欧元，由MCT公司联合BankInvest,EDF－energy等5家公司共同开发。2003年5月于英国西海岸布里斯托尔海面下20m深处安装并试验成功，首批装机容量为单台300kW、最近又安装了单台为适应海水涨落的变化，竖塔有5-10m露在海面上。每个竖塔两侧各有一个转子，以节约成本，提高潮汐能利用率。与一般的水平轴式风力发电机不同，“海流”的每个转子上有2个叶片，叶片通过变桨轴承与转子连接，通过伺服系统实现桨距控制，桨距角在电动机驱动下随海流变化，避免过载破坏。由于海水流体以械制动系统以便坚创制动。机组委途箱和发电机构成一个整体单元，浸没在海水中，因此不需要额外的冷即系统，降在宁数障率。是由挪威HammerfesiStrom与Stetoil,Rolls-Royce,ABB4家公司共同设计开发的水平轴风车式发电机（Tideverk).Tileverk的结构形式与水平轴式风力发电机相同，机组每个转子装有3个叶片，直径15m,全反桨距控制，可实现涨、退潮发电。Tideverk在海底的受力形式也与水平轴式风力发电机相同。京批Tideverk在海底的固定方案与“海流”不同，试验样机已于2007年在挪威Hammerfest 附近的sbe域安器，单机学机容量为300kW,为异步发电机。

（2)全贯流式机组

美国海军研究中心支持佛罗里达水电公司于1995年开始设计了一种中心开放式无库容潮汐能发电机组，并于2005年完成了样机制作，如图2a所示。样机直径6m,单机容量120kW,目前在欧洲Orkney潮汐能技术中心试验。该机组显著特点是中心开放而无轴及桨叶，采用滑动轮帆型转子，水流贯穿通过有一定斜度的帆叶，带动转子旋转发电。发电机和转子轴承设计为整体结构，适于高效直流环绕发电机。该机组适于中深水域，发电电压为中等电压。

英国 Lunar Energy 公司联合E.ON公司于2007年设计开发了一种新型水平轴双向发电潮汐能涡轮机（Rotech),见图2b,Rotech 已在Glasgow 大学试验成功。Rotech机组外壳为一喇叭口状管道，直径15m,长19. 2m,以捕获更多的潮水并提高水流速度。机组设有偏航系统，调整机组方向，使海流垂直冲击叶片，提高水轮机效率。机组高度模块化，可单独吊起检修和维护。该机组固定时靠配重的重力作用置于海底，水轮机直径11. 5m,单机容量1MW,适于水深40m的深水水域，发电电压为中低电压。

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无库式潮汐电站无需在入海口建坝，可直接在近海浅水区安装潮汐能机组进行发电。这种发展概念省去了传统潮汐电站土建项目的巨额投资，降低了对气候的依赖，不占用河道，极大地减小了对生态的不利影响。该项目的成功应用将极大地降低潮汐能发电的介入门槛。

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3. 2我国无水库式新型潮汐发电技术现状

我国无水库式发电研究始于20世纪70年代末，发电试验最早是1978年由一位浙江农民进行的。他制作的螺旋桨式水轮机，通过液压传动装置带动发电机，在舟山群岛西候门潮流流速3m/s条件下，发出了5. 7kW的电力。后来在舟山海域进行了8kW潮流发电机组原理性试验。进入21世纪以来，随着国家的支持与重视，我国潮汐能开发利用出现了新的局面，哈工程、中国海洋大学、东北师大和浙江大学进行了多次原理性试验研究和样机试运行，总体上处于样机试验和示范阶段，装机容量在百千瓦以下，无论从发展阶段还是装机容量上与国外均有较大差距。目前我国无水库式潮汐能装置研发取得了如下进展。

1)哈尔滨工程大学研制了世界上第一个漂浮式潮汐能试验电站，功率为70kW. 该装置采用漂浮结构形式，主要包括电站载体、双转子水轮机、锚固系统、液压恒频发电与控制系统等部分，工作流速范围为1. 6~4. 0m/s,抗风能力10级，耐波高度3m,锚固适应潮差4m.在流速2~2. 5m/s时，平均发电功率5~20kW.偏心机构使转子保持正迎水流，叶片采用变倾角控制方式，自传运动由连杆滑块机构执行。这种直叶片摆线式可变攻角水轮机具有较高的获能能力和自起转能力。电控部分主要由定量泵、变量电动机、减速器、发电机和控制柜等组成，液压调速实现了发电系统稳频稳压，系统同时具有蓄电池充电控制、并网控制和相关的保护功能。此外，在国家科技部“十五”863计划的支持下，哈尔滨工程大学研制出了40kW的海底固定式垂直轴潮汐能装置。日前哈尔滨工程大学和意大利 Ponie diArchimede公司正在合作研制250kW 水面漂浮式垂直轴潮汐发电装置。

2)在国家科技部“十一五”863探索类项目的支持下，浙江大学于2009年12月研制出5kW固定式水平轴潮流能装置，如图3a所示。东北师范大学在2008年12月研制出1kW水下漂浮式水平轴潮汐能发电装置，如图3b所示。中国海洋大学研制出柔性叶片潮汐能发电水轮机，如图3c所示，并于2008年11~12月，在青岛市胶南斋堂岛水道成功进行了海试。

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四、总结

我国潮汐能发电技术已经取得了很大进展，以后的研究重点应该从以下几方而入手：首先，做好先期规划工作，主要有潮汐能调查、坝址选择、社会可行性分析等，在电站建设之前充分论证其可行性。其次，提高电站建设的质量及经营管理水平等主观因素，提高电站的运行寿命。再次，要加大对国外已有潮汐能发电技术的研究及开发潮汐能利用的新技术，我国可以借鉴俄罗斯、英国等潮汐发电技术先进国家的先进技术和经验，学以致用，在此基础之上，积极研发自主技术，力求我国跻身于潮汐发电技术先进国家行列。最后，积极拓展潮汐电站的其他功能，分担潮汐电站建设成本，例如开展水产养殖、旅游等，充分利用电站。

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虽然潮汐能开发利用未形成规模且依旧面临诸多待解决问题，但随着人类社会的发展，化石能源将会逐步消失，同时人类对新能源的要求将会越加趋向环保化，以此维护人类赖以生存的环境。在这样的背景下，我国应该积极总结潮汐电站的运行经验，充分借鉴国外的先进经验和技术，同时，政府应该发挥主导作用，重视潮汐能的开发利用，可以设立专项基金用于潮汐能开发利用研究工作以及相关人员培训工作，同时应该给予潮汐能开发利用的优惠条件，制定相应的扶持政策，如税收减免和电价补贴等来吸收投资者，并制使投资者更注重技术和管理的改革，从而使潮汐电站得以定和完善相应的电力竞争制度，健康发展。总之，潮汐能开发利用是未来能源利用的必然趋势，前景广阔。

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