[科普中國(guó)]-潮汐能發(fā)電

在潮差大的海灣入口或河口筑堤構(gòu)成水庫(kù)，在壩內(nèi)或壩側(cè)安裝水輪發(fā)電機(jī)組，利用堤壩兩側(cè)潮汐漲落的水位差驅(qū)動(dòng)水輪發(fā)電機(jī)組發(fā)電。

釋義在潮差大的海灣入口或河口筑堤構(gòu)成水庫(kù)，在壩內(nèi)或壩側(cè)安裝水輪發(fā)電機(jī)組，利用堤壩兩側(cè)潮汐漲落的水位差驅(qū)動(dòng)水輪發(fā)電機(jī)組發(fā)電。

潮汐發(fā)電方式有單庫(kù)單向式、單庫(kù)雙向式、雙庫(kù)式、發(fā)電結(jié)合抽水蓄能式等。

單庫(kù)單向式只筑一水庫(kù)，安裝單向水輪發(fā)電機(jī)組，在落潮或漲潮時(shí)發(fā)電。因落潮發(fā)電可利用的水庫(kù)容量和水位差比漲潮大，故一般采用落潮發(fā)電方式。在一個(gè)潮汐周期內(nèi)，電站依充水、等候、發(fā)電和等候四個(gè)工況運(yùn)行。①充水工況：停止發(fā)電，開(kāi)啟水庫(kù)，海側(cè)上漲的潮水經(jīng)水閘和水輪機(jī)進(jìn)入水庫(kù)，至庫(kù)內(nèi)外水位齊平為止。②等候工況：關(guān)閉水閘，水輪機(jī)停止過(guò)水，水庫(kù)水位保持不變。海側(cè)水位因落潮逐漸下降，直至水庫(kù)內(nèi)外水位差達(dá)到機(jī)組起動(dòng)水頭。③發(fā)電工況：機(jī)組發(fā)電，水庫(kù)水位逐漸下降至與海側(cè)水位差小于機(jī)組發(fā)電所需的最低水頭。④等候工況：機(jī)組停機(jī)，也不讓過(guò)水。水庫(kù)水位保持不變，海側(cè)水位因漲潮逐漸上升，至水庫(kù)兩側(cè)水位齊平，轉(zhuǎn)入下一周期。

單庫(kù)雙向式只筑一水庫(kù)，安裝漲落潮均可發(fā)電的機(jī)組，或在水工布置上滿足雙向發(fā)電。在一個(gè)潮汐周期內(nèi)，電站依等候、漲潮發(fā)電、充水、等候、落潮發(fā)電和泄水六個(gè)工況運(yùn)行。一般以落潮發(fā)電為主。

雙庫(kù)(高低庫(kù))式建兩個(gè)互相毗連的水庫(kù)，雙向水輪發(fā)電機(jī)組安裝在兩水庫(kù)之間進(jìn)行發(fā)電。其中一水庫(kù)設(shè)有進(jìn)水閘，在潮位較庫(kù)內(nèi)水位高時(shí)引水入庫(kù)。另一水庫(kù)設(shè)有泄水閘，在潮位比庫(kù)內(nèi)水位低時(shí)，泄水出庫(kù)。這樣，前者總是保持較高水位，稱為高庫(kù);后者總是保持較低水位，稱為低庫(kù)。高、低庫(kù)之間終日保持水位差，水輪發(fā)電機(jī)組可連續(xù)發(fā)電。

發(fā)電結(jié)合抽水蓄能式在電站水庫(kù)水位與潮位接近，而且水頭小時(shí)，用電網(wǎng)的電力抽水蓄能。漲潮時(shí)將海水抽入水庫(kù)，落潮時(shí)將庫(kù)內(nèi)水往海中抽，以增加發(fā)電時(shí)的有效水頭，增加發(fā)電量。

按正規(guī)半日周期潮計(jì)，單庫(kù)單向式每晝夜發(fā)電2次，平均日發(fā)電9～11 h;單庫(kù)雙向式每晝夜發(fā)電4次，平均日發(fā)電14～16 h，發(fā)電時(shí)間和發(fā)電量均比單庫(kù)單向式多，但由于要兼顧正反兩向發(fā)電，發(fā)電平均效率比單庫(kù)單向式低，而且機(jī)組結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。目前國(guó)內(nèi)外研究認(rèn)為，雙庫(kù)造價(jià)昂貴，單庫(kù)落潮發(fā)電較好。但何種方式最佳，要根據(jù)當(dāng)?shù)爻毙?、潮差、地形條件、電力系統(tǒng)負(fù)荷要求、發(fā)電設(shè)備的組成、建筑材料和施工條件等技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)進(jìn)行選擇。

潮汐電站工程和設(shè)施潮汐電站工程主要由電站建筑物和機(jī)電設(shè)備組成。電站建筑物主要有堤壩、泄水閘和發(fā)電廠房等， 有通航要求的潮汐電站還應(yīng)設(shè)置船閘。

堤壩用來(lái)將水庫(kù)與外海隔開(kāi)，形成落差。多用海上圍堰法筑黏土心墻壩、堆石壩和土壩。因筑于海上，施工條件惡劣，近年國(guó)外使用預(yù)制混凝土浮運(yùn)沉箱法筑壩建站。

泄水閘用來(lái)對(duì)水庫(kù)泄水和充水。閘型一般采用平原地區(qū)擋潮閘常用的胸墻孔口平底堰閘。近年，中國(guó)發(fā)展了預(yù)制浮運(yùn)閘。這種閘先預(yù)制好各種閘門構(gòu)件，由船浮運(yùn)到建閘地點(diǎn)，定點(diǎn)沉放安裝而成。施工時(shí)不用圍堰或在岸上開(kāi)挖，施工方法簡(jiǎn)單，工程量少，投資少，在中國(guó)沿海大量使用。

發(fā)電廠房包括水輪發(fā)電機(jī)組、輸配電設(shè)備、起重設(shè)備、中央控制室、下層水流通道和閘門等。

水輪發(fā)電機(jī)組對(duì)機(jī)組的要求為：①應(yīng)滿足潮汐低水頭大流量的水力特性。②機(jī)組一般在水下運(yùn)行，對(duì)機(jī)組的防腐、防污、密封和發(fā)電機(jī)的防潮、絕緣、通風(fēng)冷卻、維護(hù)等要求高。③機(jī)組隨潮汐漲落發(fā)電，開(kāi)停機(jī)次數(shù)頻繁。在電氣方面，要選用適應(yīng)頻繁起動(dòng)和停止的開(kāi)關(guān)設(shè)備。④對(duì)雙向發(fā)電機(jī)組，由于正反向旋轉(zhuǎn)，相序也相應(yīng)變換，在設(shè)計(jì)電氣主接線時(shí)，需考慮安裝倒向開(kāi)關(guān)， 使電源接入系統(tǒng)或負(fù)荷時(shí)， 保證相序固定不變。

潮汐電站一般采用貫流式機(jī)組。機(jī)組的特點(diǎn)是：過(guò)流量大，比轉(zhuǎn)速高，高效率區(qū)比較寬廣，在相同容量下，轉(zhuǎn)輪直徑比豎軸有蝸殼的軸流式機(jī)組小， 機(jī)重相對(duì)減輕，可降低機(jī)組投資;機(jī)組為臥式，可布置于潮位變動(dòng)部分的水下，降低了廠房的高度，減少了開(kāi)挖量;水輪機(jī)進(jìn)出水管采用順直水流的流道， 代替蝸殼及彎形尾水管，使機(jī)組間距小，減少了廠房的長(zhǎng)度。貫流式機(jī)組種類很多，主要有燈泡貫流式、全貫流式、豎井貫流式、明槽貫流式和軸伸貫流式。燈泡貫流式和全貫流式是新型機(jī)組。

燈泡貫流式這是20世紀(jì)60年代發(fā)展起來(lái)的新型機(jī)組。水輪機(jī)和發(fā)電機(jī)連成一軸(或中間通過(guò)行星齒輪增速器連接)， 發(fā)電機(jī)安裝于水密封的燈泡體內(nèi)，整個(gè)裝置臥置于廠房下的水流通道中， 水流通過(guò)流道時(shí)，推動(dòng)水輪發(fā)電機(jī)組發(fā)電。它的主要特點(diǎn)是：水流通過(guò)的流道比較直，長(zhǎng)度也較短，水能損失少，發(fā)電效率高;機(jī)組結(jié)構(gòu)緊湊，外形較小，所需廠房規(guī)模也小，故工程量和投資均較少。缺點(diǎn)是：燈泡體耗鋼量大，對(duì)增速要求高。發(fā)電機(jī)的散熱冷卻，靠強(qiáng)迫空氣內(nèi)部循環(huán)流動(dòng)，通過(guò)燈泡體與外界海水接觸來(lái)實(shí)現(xiàn)。法國(guó)朗斯潮汐電站和中國(guó)江廈潮汐試驗(yàn)電站都采用這種機(jī)組。朗斯電站機(jī)組可進(jìn)行正、反向發(fā)電及正、反向供水和正、反向泵水六種工況運(yùn)行。江廈電站機(jī)組可進(jìn)行正、反向發(fā)電和正、反向泄水四種工況運(yùn)行。1

全貫流式也稱葉緣貫流式。它是目前最先進(jìn)、效率最高的機(jī)組。水輪機(jī)安裝在順直的流道上。主要特點(diǎn)是： 將發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子用軟連接方法安裝于水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪的外緣上，定子固定在轉(zhuǎn)輪外圍的流道壁上。發(fā)電機(jī)的定子和轉(zhuǎn)子需加以密封，以防止?jié)B水。機(jī)組可安裝于通道中的混凝土墩內(nèi)，以替代通常所用的燈泡體結(jié)構(gòu)。發(fā)電機(jī)的位置與水輪機(jī)的流道無(wú)關(guān)， 沒(méi)有燈泡式機(jī)組中加長(zhǎng)鐵芯設(shè)計(jì)的困難。但水輪機(jī)密封困難，所以技術(shù)要求高。這類機(jī)組沒(méi)有發(fā)電機(jī)軸、轉(zhuǎn)子輪軸及一些常規(guī)部件，所以較經(jīng)濟(jì)，造價(jià)比燈泡式機(jī)組低，土建投資也少。

潮汐電站工作在海洋環(huán)境中， 金屬材料在海水中腐蝕速度快、生物附著污損大。另外，泥沙淤積于庫(kù)內(nèi)或尾水區(qū)，影響機(jī)組運(yùn)行。所以要解決防腐、防污和防淤、排淤問(wèn)題。防腐一般采用防蝕涂料與外加電流陰極保護(hù)的方法; 防污多采用防污涂料為主并輔以電解海水的方法，也可采用防蝕涂料加人工清污等方法;防淤多設(shè)置沉沙池和筑海堤等;排淤則有集中水頭沖刷(如設(shè)置沖沙閘或高低閘門沖沙)、用耙掀起庫(kù)底泥沙在落潮時(shí)排出和挖淤等方法。

建潮汐電站的目的，主要是獲得電力。但堤壩工程改變了自然條件和周圍環(huán)境，可同時(shí)進(jìn)行圍墾種植、水產(chǎn)養(yǎng)殖、旅游交通等綜合開(kāi)發(fā)。

歷史、現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)1912年德國(guó)在石勒蘇益格—荷爾斯太因州的蘇姆建成世界第一座潮汐電站。以后，潮汐資源豐富的國(guó)家，包括法、蘇、英、美和加拿大等國(guó)，都進(jìn)行了潮汐發(fā)電的開(kāi)發(fā)。目前，世界上已建成的較著名的潮汐電站有：法國(guó)的朗斯潮汐電站，裝機(jī)容量240 MW，年設(shè)計(jì)發(fā)電量5.44億kW·h，1967年投入運(yùn)行，至今已正常運(yùn)行了30多年(參見(jiàn)彩圖插頁(yè)第39頁(yè)71圖);蘇聯(lián)基斯拉雅潮汐試驗(yàn)電站，裝機(jī)400 kW， 1968年投入運(yùn)行;加拿大芬地灣安納波利斯中間試驗(yàn)電站，裝機(jī)20 MW，1984年投入運(yùn)行。中國(guó)于20世紀(jì)70年代先后建成了一批小型潮汐電站。到1998年底，中國(guó)潮汐發(fā)電總裝機(jī)容量為10650 kW，發(fā)電規(guī)模僅次于法國(guó)和加拿大。建成并投入運(yùn)行的電站有浙江溫嶺縣樂(lè)清灣江廈潮汐試驗(yàn)電站，裝機(jī)3200kW，是中國(guó)最大的潮汐試驗(yàn)電站(參見(jiàn)彩圖插頁(yè)第40頁(yè)72圖)。此外，還有山東白沙口、浙江岳浦、江蘇瀏河、廣東甘竹灘、浙江海山、浙江沙山、廣西欽州果子山和福建幸福洋等7座潮汐電站和1座潮洪電站。

目前世界上計(jì)劃建設(shè)的電站不少。如加拿大芬地灣裝機(jī)4000 MW的科比闊特電站， 英國(guó)塞文河的4000 MW電站，韓國(guó)裝機(jī)400 MW的加露林電站，印度卡奇灣電站，俄羅斯盧姆鮑夫電站等，都在進(jìn)行規(guī)劃和建設(shè)。據(jù)聯(lián)合國(guó)《開(kāi)發(fā)論壇》估計(jì)，到2000年世界潮汐發(fā)電量可達(dá)到300～600億kW·h。只要能夠解決海工建筑物的結(jié)構(gòu)型式和施工方法問(wèn)題，松軟壩基的處理和防滲問(wèn)題，建筑物抗臺(tái)風(fēng)問(wèn)題，新型機(jī)組的研制問(wèn)題，防腐、防污、防淤、排淤和綜合利用問(wèn)題，潮汐電站建設(shè)成本將會(huì)進(jìn)一步降低，一批新型的大中型電站將會(huì)陸續(xù)建成。2

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

曹慧慧 - 副教授 - 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)