東南大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院 許 寅 王培紅

0 前言

因月球引力的變化引起潮汐現(xiàn)象，潮汐導(dǎo)致海水平面周期性地升降，因海水漲落及潮水流動(dòng)所產(chǎn)生的能量稱(chēng)為潮汐能。潮汐能是以勢(shì)能形態(tài)出現(xiàn)的海洋能，是指海水潮漲和潮落形成的水的勢(shì)能與動(dòng)能[1]。

在海洋各種能源中，潮汐能的開(kāi)發(fā)利用最為現(xiàn)實(shí)、最為簡(jiǎn)便。與其他形式的可再生能源相比，潮汐能同樣具有不可替代的優(yōu)點(diǎn)。各可再生能源比較如表1所示。

表1 潮汐能與其他可再生能源比較

由表1可以看出，潮汐能具有可靠性高、相對(duì)穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。另外，潮汐能是一種不消耗燃料、沒(méi)有污染、不受洪水或枯水影響、用之不竭的可再生能源,具有很好的利用前景。

1 潮汐能發(fā)電方式及技術(shù)

1.1 潮汐能發(fā)電方式

潮汐能的應(yīng)用主要是發(fā)電。潮汐發(fā)電與普通水利發(fā)電原理類(lèi)似，通過(guò)蓄水庫(kù)，在漲潮時(shí)將海水儲(chǔ)存在水庫(kù)內(nèi)，以勢(shì)能的形式保存，然后，在落潮時(shí)放出海水，利用高、低潮位之間的落差，推動(dòng)水輪機(jī)旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。差別在于海水與河水不同，蓄積的海水落差不大，但流量較大，并且呈間歇性，從而潮汐發(fā)電的水輪機(jī)結(jié)構(gòu)要適合低水頭、大流量的特點(diǎn)[2]。潮汐發(fā)電有以下三種形式。

1）單池單向發(fā)電

即落潮發(fā)電。漲潮時(shí)水池庫(kù)門(mén)打開(kāi)，海水充滿(mǎn)蓄水池；落潮時(shí)庫(kù)門(mén)關(guān)閉，潮水驅(qū)動(dòng)水輪機(jī)發(fā)電。

2）單池雙向發(fā)電

即落潮和漲潮都發(fā)電，且與揚(yáng)水并用。為了保持落差，落潮一開(kāi)始先向蓄水池泵水，然后停機(jī)待機(jī)，直到潮水落到潮差的一半時(shí)才開(kāi)始放水發(fā)電。反之亦然，漲潮一開(kāi)始先將蓄水池剩余的水抽向大海，再停機(jī)待機(jī)一段時(shí)間，直到潮水漲到一半潮差時(shí)再開(kāi)始發(fā)電。盡管如此，用于發(fā)電的時(shí)間遠(yuǎn)超過(guò)泵水和待機(jī)的時(shí)間和。我國(guó)江廈潮汐電站就屬這種類(lèi)型。

3）雙池雙向發(fā)電

上述兩種類(lèi)型都不能在平潮（沒(méi)有水位差）或停潮時(shí)水庫(kù)中水放完的情況下發(fā)出電壓比較平穩(wěn)的電力。若備有上、下兩個(gè)蓄水池，在兩池之間布置水輪發(fā)電機(jī)組，漲潮時(shí)上池被充滿(mǎn)，落潮時(shí)將下池放水，從而形成兩池之間的水位差。利用該水位差可使機(jī)組連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，這就是雙池雙向發(fā)電。這種方式不僅在漲落潮全過(guò)程中都可連續(xù)不斷發(fā)電，還能使電力輸出比較平穩(wěn)。浙江省玉環(huán)縣茅蜒島上的海山潮汐電站就屬這種類(lèi)型。雙池雙向發(fā)電原理圖如圖1所示。

圖1 雙池雙向發(fā)電原理圖

如圖1所示，這種電站建有兩個(gè)相鄰的水庫(kù)，水輪發(fā)電機(jī)組放在兩個(gè)水庫(kù)之間的隔壩內(nèi)。高水位庫(kù)只在漲潮時(shí)進(jìn)水，低水位庫(kù)只在落潮時(shí)泄水；兩個(gè)水庫(kù)之間始終保持有水位差，因此可以全日發(fā)電，不受海水高度影響。

4）分析與比較

雙池雙向發(fā)電方式能夠發(fā)出平穩(wěn)的電量，不會(huì)因?yàn)闈q潮或落潮而間斷，但建造工程復(fù)雜，所需水庫(kù)面積大，且經(jīng)濟(jì)性較差，實(shí)際中很少應(yīng)用。單池雙向發(fā)電需要配備水泵抽水，但其發(fā)電時(shí)間遠(yuǎn)超過(guò)泵水和待機(jī)的時(shí)間和，因此經(jīng)濟(jì)性較好，實(shí)際應(yīng)用較多。單池單向發(fā)電方式建造簡(jiǎn)單，但發(fā)電為間歇性，實(shí)用價(jià)值降低。

1.2 潮汐能發(fā)電技術(shù)

從潮汐能利用原理來(lái)看，潮汐發(fā)電技術(shù)主要有筑壩式發(fā)電和潮汐能流發(fā)電[3]。

1）筑壩式發(fā)電

筑壩式發(fā)電是指建造跨海大壩，在跨海大壩中安裝門(mén)控水閘和低水頭水輪發(fā)電機(jī),利用水壩兩側(cè)的水位差進(jìn)行發(fā)電。這是一種傳統(tǒng)的潮汐能發(fā)電方式。其原理圖如圖2所示。當(dāng)漲潮時(shí)，海面水位高于海灣水位，海水自海洋流向海灣，可驅(qū)動(dòng)水輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)發(fā)電；相反，落潮時(shí)，海面水位低于海灣水位，海水自海灣流向海洋，同樣可驅(qū)動(dòng)水輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)發(fā)電。

2）潮汐能流發(fā)電

潮汐能流發(fā)電是一種目前還處于試驗(yàn)階段的潮汐能發(fā)電技術(shù)。當(dāng)潮汐波浪通過(guò)狹長(zhǎng)的水道時(shí)，會(huì)產(chǎn)生很大的動(dòng)能。通過(guò)在水下安裝潮汐渦輪機(jī)，將潮汐波浪動(dòng)能進(jìn)行轉(zhuǎn)化。潮汐能流發(fā)電技術(shù)的主要設(shè)備是潮汐渦輪機(jī)。潮汐渦輪機(jī)是大型的獨(dú)立渦輪機(jī),其工作原理與風(fēng)電渦輪機(jī)類(lèi)似,但由于海水密度是空氣密度的850倍,因此潮流渦輪機(jī)要承受的能量密度比風(fēng)電渦輪機(jī)高得多。

3）分析與比較

筑壩式發(fā)電不但會(huì)改變海洋潮差和潮流，還會(huì)改變海水溫度和水質(zhì)，改變程度的大小取決于電站規(guī)模與地理位置。攔潮壩對(duì)水庫(kù)區(qū)生態(tài)既有有利影響，也有不利影響。它會(huì)為水產(chǎn)養(yǎng)殖提供適宜的條件，但同時(shí)也會(huì)對(duì)地下水和排水等帶來(lái)不利影響，并會(huì)加劇海岸侵蝕。同時(shí)會(huì)影響鳥(niǎo)類(lèi)生長(zhǎng)環(huán)境及種群的生存，對(duì)海洋生態(tài)影響嚴(yán)重。

潮汐能流發(fā)電通過(guò)在水下安裝潮汐渦輪機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)發(fā)電，不需要在海面筑壩，不會(huì)改變周邊海域的水動(dòng)力環(huán)境，從而不會(huì)導(dǎo)致海洋生物、海水交換和海底地形地貌等發(fā)生改變。同時(shí)，潮汐渦輪機(jī)體積相對(duì)較小，對(duì)海洋魚(yú)類(lèi)影響較小。

筑壩式發(fā)電與潮汐能流發(fā)電技術(shù)對(duì)比如表2所示。

表2 筑壩式發(fā)電與潮汐流能發(fā)電比較

表2表明，潮汐能流發(fā)電技術(shù)在選址、耗材、對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響方面要優(yōu)于筑壩式發(fā)電。但由于潮汐能流發(fā)電技術(shù)還處于試驗(yàn)開(kāi)發(fā)階段，技術(shù)成熟方面劣于筑壩式發(fā)電。

2 長(zhǎng)三角地區(qū)潮汐能資源及利用現(xiàn)狀

2.1 江蘇省潮汐能資源及利用現(xiàn)狀

江蘇省地處我國(guó)東部沿海，位于長(zhǎng)江、淮河下游，東臨黃海，西連安徽，北與山東接壤，南與浙江與上海毗鄰。江蘇海岸線(xiàn)長(zhǎng)954km，海域面積約3.75萬(wàn)km2，占全省土地面積37%。潮汐能資源主要集中在河流入口段，最主要集中在長(zhǎng)江北支，總體裝機(jī)容量約為70.4萬(wàn)kW，發(fā)電量為22.8億kWh。

目前江蘇已建成的潮汐能電站是瀏河潮汐能電站。該電站位于蘇州市太倉(cāng)縣瀏河口。是利用長(zhǎng)江潮汐能量依靠水閘擋落差進(jìn)行雙向發(fā)電的試驗(yàn)電站。于1973年初興建，1976年8月建成。該電站具有水頭低、能量大的特點(diǎn)，最低水頭0.3m，設(shè)計(jì)水頭1.2m，裝有75kW臥軸半貫流式水輪發(fā)電機(jī)組2臺(tái)，總裝機(jī)容量為150kW，設(shè)計(jì)年發(fā)電量為25萬(wàn)kWh，1978年7月并網(wǎng)運(yùn)行。另?yè)?jù)中國(guó)投資咨詢(xún)網(wǎng)出版的《2009年-2012年中國(guó)潮汐發(fā)電行業(yè)投資分析及前景預(yù)測(cè)報(bào)告》中指出，根據(jù)江蘇省遠(yuǎn)景規(guī)劃，江蘇如東正在積極開(kāi)展潮汐發(fā)電項(xiàng)目的前期工作[4]?？傮w而言，江蘇省在潮汐能利用方面規(guī)模較小，未建有大型的潮汐能電站。

2.2 浙江省潮汐能資源及利用現(xiàn)狀

浙江省海域廣闊，海岸線(xiàn)總長(zhǎng)6322km，是我國(guó)潮汐能資源最豐富、開(kāi)發(fā)利用最早、取得業(yè)績(jī)最好的省份之一。浙江省近岸均為強(qiáng)潮區(qū)，沿海平均潮差為4.29m，潮汐能理論裝機(jī)容量為2896萬(wàn)kW，可開(kāi)發(fā)的潮汐能裝機(jī)容量為891萬(wàn)kW，年發(fā)電量可達(dá)263億kWh，約占全國(guó)總量的40%。浙江省的潮汐能利用區(qū)主要有4個(gè)，重點(diǎn)區(qū)域?yàn)槟咸飴u灣潮汐能區(qū)、三門(mén)灣潮汐能區(qū)、江廈潮汐能區(qū)、海山潮汐能區(qū)，開(kāi)發(fā)潛力較大。

浙江省江廈潮汐電站是目前我國(guó)最大、最先進(jìn)的潮汐電站，位于浙江省溫嶺市西南角的江廈港，作為潮汐能開(kāi)發(fā)利用的國(guó)家級(jí)試驗(yàn)項(xiàng)目，被列入國(guó)家863科技攻關(guān)項(xiàng)目。該電站共安裝6臺(tái)雙向貫流式水輪發(fā)電機(jī)組，總裝機(jī)容量為3.9MW。此裝機(jī)容量位列世界第三，亞洲第一，僅次于法國(guó)朗斯潮汐電站和加拿大安娜波利斯潮汐電站。江廈潮汐電站的實(shí)際運(yùn)行為我國(guó)沿海潮汐能資源的開(kāi)發(fā)利用積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。

2.3 上海市潮汐能資源及利用現(xiàn)狀

上海市所處長(zhǎng)江口北支，上承長(zhǎng)江徑流，每日平均由長(zhǎng)江流入的淡水水量約為1.6億m3。北支西起崇頭，東至連興港，全長(zhǎng)約為79km。此河段屬非正規(guī)淺海潮，其中青龍港斷面平均漲潮時(shí)長(zhǎng)為3.6h，平均落潮時(shí)長(zhǎng)8.8h，最大潮差4.81m，平均潮差2.69m；?？跀嗝嫫骄鶟q潮時(shí)長(zhǎng)4.8h，平均落潮時(shí)長(zhǎng)7.6h。三條港最大潮差為5.95m，平均潮差為3.04m[13]。理論統(tǒng)計(jì)，北支潮汐能總裝機(jī)容量為70萬(wàn)kW，年發(fā)電量可達(dá)23億kWh，具有較好的開(kāi)發(fā)利用前景。

表3 大中型潮汐電站規(guī)劃壩址

長(zhǎng)三角地區(qū)，已做過(guò)規(guī)劃設(shè)計(jì),有較好工作基礎(chǔ),需進(jìn)行綜合研究論證的大型電站壩址有3處，具有近期開(kāi)發(fā)條件的中型電站有2處，如表3所示。

3 長(zhǎng)三角地區(qū)潮汐能利用狀況及建議

雖然同處長(zhǎng)三角地區(qū)，但各省市的潮汐能利用狀況差別較大，造成這種差別有如下原因。

1）地理因素。在長(zhǎng)三角地區(qū)中，江蘇省雖然擁有近千公里的海岸線(xiàn)，但絕大多數(shù)海岸為沙岸，港灣不多。先天的地理因素決定了江蘇省的潮汐能資源欠豐富，因此很難大規(guī)模發(fā)展潮汐能電站。就全國(guó)范圍而言，浙江和福建兩省潮汐能資源蘊(yùn)藏量最大，約占全國(guó)潮汐能總資源量的80.9%，并且港灣地形優(yōu)越，潮差較大；

2）政策因素。國(guó)家在《新能源和可再生能源發(fā)展綱要（1996-2010）》中提出：“潮汐能的開(kāi)發(fā)重點(diǎn)以浙江和福建等地區(qū)為主”。加之江蘇省的風(fēng)能、太陽(yáng)能等可再生能源應(yīng)用發(fā)展迅速，使得政府在潮汐能電站方面的政策傾斜相對(duì)較小[4]。

基于長(zhǎng)三角地區(qū)的潮汐能利用現(xiàn)狀及原因的分析，提出以下建議。

1）對(duì)長(zhǎng)三角地區(qū)的潮汐能資源開(kāi)展調(diào)查、試驗(yàn)、研究工作，對(duì)潮汐能資源進(jìn)行科學(xué)的開(kāi)發(fā)和利用；

2）借鑒國(guó)外及國(guó)內(nèi)大型潮汐能電站建設(shè)運(yùn)行的成功經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合本地實(shí)際資源情況，合理規(guī)劃、建設(shè)潮汐能電站，促進(jìn)潮汐能發(fā)電規(guī)?；a(chǎn)業(yè)化發(fā)展；

3）政府應(yīng)加大扶持力度，對(duì)潮汐能這一清潔能源的利用給予政策傾斜，并做好戰(zhàn)略規(guī)劃。

4 結(jié)論

1）與風(fēng)能、太陽(yáng)能等其他可再生能源相比，潮汐能具有儲(chǔ)量大、影響因素少、可靠性高及能量轉(zhuǎn)化效率高等優(yōu)點(diǎn)，利用前景廣闊；

2）潮汐能發(fā)電方式有單池單向發(fā)電、單池雙向發(fā)電、雙池雙向發(fā)電三種。單池雙向發(fā)電經(jīng)濟(jì)性較好，應(yīng)用較多；

3）潮汐能發(fā)電技術(shù)有筑壩式發(fā)電與潮汐能流發(fā)電兩種。筑壩式發(fā)電技術(shù)相對(duì)簡(jiǎn)單、成熟，但對(duì)生態(tài)環(huán)境影響較大；潮汐能流發(fā)電處于實(shí)驗(yàn)階段，但對(duì)生態(tài)環(huán)境影響微小。隨著技術(shù)的日趨成熟,潮汐能流發(fā)電技術(shù)在降低成本、提高經(jīng)濟(jì)效益方面將取得很大進(jìn)展，具有較高的開(kāi)發(fā)價(jià)值。

4）長(zhǎng)三角地區(qū)潮汐能資源豐富，可利用量大。以浙江、長(zhǎng)江北支所占比重較大，其中浙江省潮汐能電站的建設(shè)和運(yùn)行較成熟。由于地理原因，江蘇省潮汐能資源有限，但仍有開(kāi)發(fā)利用價(jià)值。

5）作為一種重要的可再生能源，潮汐能的發(fā)展?jié)摿ο喈?dāng)巨大，且經(jīng)過(guò)多年實(shí)踐，潮汐能發(fā)電的工作原理和總體構(gòu)造已基本成型，可以進(jìn)入大規(guī)模開(kāi)發(fā)利用階段。隨著科技的不斷進(jìn)步和世界能源形勢(shì)的日趨嚴(yán)峻，不遠(yuǎn)的將來(lái)，潮汐能發(fā)電必將取得長(zhǎng)足的進(jìn)步和迅猛的發(fā)展。

[1]Sonal Patel,海洋能源的利用與開(kāi)發(fā)[J].上海電力,2009,01:32-38.

[2]戎曉洪.潮汐能發(fā)電的前景[J].可再生能源,2002,05:40-41.

[3]趙覓,潮汐能利用設(shè)備 [J].中國(guó)設(shè)備,2008,07:83-84.

[4]李全林,新能源與可再生能源[M].南京:東南大學(xué)出版社,2008.

[5]王長(zhǎng)貴,崔容強(qiáng),周篁.新能源發(fā)電技術(shù).北京:中國(guó)電力出版社.2003.

[6]游亞戈,我國(guó)海洋能產(chǎn)業(yè)狀況[J].產(chǎn)業(yè)分論,2008,07:38-41.

[7]趙世明,劉富鈾,張俊海,張智慧,白楊,張榕,我國(guó)海洋能開(kāi)發(fā)利用發(fā)展戰(zhàn)略研究的基本思路[J].海洋技術(shù),2008.09:80-83

[8]張發(fā)華，綜合開(kāi)發(fā)我國(guó)潮汐能的探討[J].水力發(fā)電學(xué)報(bào),1996,03:33-37.

[9]王麗娟,周?chē)?guó)斌.潮汐能發(fā)電站水輪機(jī)調(diào)速設(shè)備若干問(wèn)題的探討[J].水力發(fā)電,2009,01:34-37.

[10]李祖恩,孔建龍.水輪機(jī)與潮汐能發(fā)電原理簡(jiǎn)易裝置的制作[J].實(shí)驗(yàn)方法與實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，2005,03:22-23.

[11] Koh Siong Lee,Lim Yun Seng.Preliminary investigation of the potential of harnessing tidal energy for electricity generation in Malaysia[J].21-24 April 2008:1-7.

[12]蘇亞欣,毛玉如,趙敬德.新能源與可再生能源概論[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2006.

[13]郭成濤,淺談上海應(yīng)開(kāi)發(fā)利用潮汐能源[J].上海：華東電力，2000.05:31-32.