潮汐能技术利用技术存在的问题研究

潮汐能技术利用技术存在的问题研究

(华北电力大学能源动力与机械工程学院，河北省 保定市 071003)

Study on Existing Problems of Tidal Energy Technology

（School of Energy Engineering，North China Electric Power University，Baoding 071003，Hebei,China）

ABSTRACT: Tidal energy is an important part of the ocean which will be beneficial to the energy demand increasing， reduce greenhouse gas emissions and the energy crisis if rational development and utilization。 Basic form of the main existing three tidal power station： unidirectional single reservoir type， reservoir bidirectional type, double base one-way type。 The basic principle of Tidal energy power is tide in the tidal range and the use of the drives a turbine to generate electricity。This paper summarized the current situation of tidal energy technology at home and abroad and the limitations of tidal energy development。Three conventional turbine units are listed and their main advantages and disadvantages。The effects of tidal power station on the marine ecological environment and the coastal ecological environment of the coastal area are summarized, and the countermeasures and suggestions are given。 Finally， the prospects for the utilization of tidal energy resources in China are discussed。 KEY WORDS： tidal energy;renewable energy；utilization technology；current situation； existing problems

摘要：潮汐能是海洋能重要的组成部分,合理开发利用将对缓解能源需求的不断增加，减少温室气体排放，对即将面临的能源危机有极大的裨益。当前主要存在的三种潮汐能电站的基本形式：单库单向型、单库双向型，双库单向型，其基本原理都是利用潮水的潮差推动水轮机进行发电.本文对当前国内外潮汐能技术利用现状进行总结，并对潮汐能发展过

程中遇到的局限性进行概括。列举了三种常规水轮机组，并指出其主要存在的优缺点。总结了潮汐电站对海洋生态环境以及近海海域沿岸生态环境的影响，并给出解决措施建议。最后对我国潮汐能资源利用进行了展望。

关键词：潮汐能；可再生能源；利用技术；现状;存在问题

0引言：

一直以来我国电力能源一直以煤炭发电为主,

随着煤炭等一次能源的不断减少，国家越来越重视可持续能源的开发利用。“十三五”期间我国将尽快确定能源转型方向，优先发展可持续能源,在总结“十二五\"产业发展经验和充分认识所面临问题的基

础上,提出相应发展目标和保证目标实现［

1]。这一举措给可持续发展能源带来极大推动力。

潮汐能是可持续能源海洋能的重要组成部分，与传统化石能源不同，潮汐能具有储量丰富，分布广泛，清洁无污染,可再生可持续性好，可循环使用,

永不枯竭的特点［3]

。据理论估算全球海洋能源储量高达4×1012kW,可利用的有1。57×1010kW，其中潮汐能约有2.7×1010kW,可利用的潮汐能资源约为5。

4×109kW［2，7］

。我国拥有漫长的海岸线和广阔的海洋领土，理论潮汐能储量约为1.1亿kW，可开发利用的约为2。179×108kW，开发潜力巨大[7]。中国海的潮汐主要由太平洋传入的潮波引起,由太平洋向中国海域传来的潮波，一支经日本九州和我国之间水域进入东海，其中小部分进入海峡，而绝大部分向西北方向传播，引起黄、渤海的潮振动；另一支通过巴士海峡传入南海，形成南海的潮波.潮波在传播过程中由于受到地球偏转力以及海底地形和海岸轮廓的影响,变得因地而异,所以中国

沿海各地的潮汐类型多样，潮差各异［

8]。

潮汐能包括潮差能和潮流能，是海水在月球、太阳等天体的引力作用下做周期性涨、落潮运动所

1

韩文涛：潮汐能技术利用技术存在的问题研究

形成势能和动能的总和,因其出力稳定且可预测而备受关注[4].目前，除传统拦坝式潮汐电站外，国外相关机构正致力于研究开放型潮汐能利用技术,形成了包括潮流发电、泻湖潮汐发电、动态潮汐发电(DTP）等多种形式的潮汐能利用技术。

潮汐能发电技术有诸多优点,首先它是一种清洁的可再生能源，受天体引力作用，涨潮落潮相对稳定可靠,与常规水电不同的是，潮汐能发电不会因为季节因素出现丰水期与枯水期；潮汐电站的建立不需要破坏大量已有的建筑城镇以及淹没大量的农田，相反可以通过建立拦海大坝，促淤围垦建设大片海滩凃,发展水产养殖业，提高经济效益；常规水电一般选址需要水位差较大，建筑高水坝，潮汐能水位差通常最高只有十几米，一般不需建筑高的

水坝[5］

。同时潮汐能电站也存在一些问题，有部分学者分别对潮汐能开发利用所引起的水动力条件、

沉积环境和生态系统的变化进行了研究［

6]。而且随着数值模拟计算软件的不断发展，将数学计算方法与计算机相结合可以从理论上给出对潮汐能数据给出比参考性数据;数值模拟软件可以优化水轮机结构，可以减少实际实验模拟过程的繁琐与经济成本[18]。

1潮汐能发电概述

1.1潮汐能发电基本原理

潮汐能发电技术就是利用海水潮涨潮落及其造成的水位差来推动水轮机，再由水轮机带动发电机发电。潮汐能发电一般借助地形优势,将海湾出口建筑一拦潮坝，在坝上安装水轮机组，涨潮时，海水从大海流进水库，冲击水轮机转动，带动发电机发电,落潮时海水从相反方向带动发电机发电。图1所示为潮汐能发电的基本原理图。

图1潮汐发电原理图

Fig。1 Principle diagram of tidal power generation

1。2潮汐能发电的基本形式

潮汐能电站按照开发形式不同分通常为如下三种形式：

（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。

（2）单库双向式型.向水轮机引水的管道有两套，可控制，在涨潮和落潮时，海水分别从各自的引水管道进入水轮机电电。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，于是高水库始终保持高水位，低库终日保持较低水位，两库间总存在这水位差，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，需要建设两个水库，将原来库容减半，减少发电量，工作水头也有所降低。

2

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图2潮汐电站的三种形式

Fig。2 Three forms of tidal power station

1.3潮汐能发电现状

1。3。1国外潮汐能发电现状

当今法国、英国、加拿大、美国等等国家都对潮汐能发电投入了大量的人力物力，当前世界已建成并投运的发电站装机容量达到26。6万kW,年发电量为6.125亿kWh,主要有法国朗斯潮汐电站，美国阿拉斯加库克湾、加拿大芬地湾、英国

［

赛文河口等潮汐电站5]. 1。3。2国内潮汐能发电现状

截至2010年中国共开展4次较大规模的潮汐能资源调查与评估(详见表1)，潮汐能资源总量估算采用了伯恩斯坦提出的估算公式或者是在其基础上修改后的公式，评估的结果仍属于普查层面的简单统计.潮汐能的开发利用与库坝的类型、发电机组的形式(单向或双向)、水头设计及发电时长等等因素有关，因此以往的评估方法及结果不能很好地反应出不同开发形式间的差异与优劣。

表1 中国历次潮汐能资源调查评估表

Tab 1 A survey of the previous tidal energy resources

in China

序数

实施年份

第一次 第二次 第三次

1958 1978 1986

水利部 水利部 水电部和 海洋局

第四次

2004

海洋局

171

2282.9

广东 广西

主持部门

海湾（河口）数目/个

500 1 426

理论可开发量/104kW

3584.0 2158.0 2179。6

河北＊ 山东 江苏 长江 浙江 福建

海农村资源区划。此次评估采用与第二次相同的

潮汐能源评估公式，重点对沿海主要大海湾内部200~1000kW小海湾进行补充调查.具体结果见表二，此次调查结果海湾个数较第二次增加了184个，但是由于海湾面积偏小，因此潮汐能估算总量仅增加约1％。具体调查结果见表2，从调查结果可以看出我国东部南部沿海潮汐能资源量并不相同，其中浙江与福建省拥有丰富的潮汐能资源，开发利用规模明显大于全国其他省份。

表2 1986年始中国沿海潮汐能各省开发利用情况表

coastal tidal energy provinces in 1986[8]

200～1000kW

省区

装机容

装机容量（104kW）

辽宁

1。2 0.92 0。84 0.11 70。4 2.12 1。69 0。49 1.63 2。7 0.61 12。31

年发电量（106kWh）

32。87 18.3 16.78 5。46 22。8 44.32 44。72 13. 32。24 84。21 12。17 304.61

坝址数

量

（个）

28 19 12 2 1 26 7 23 56 14 242

(104kW) 59.66 1。02 12。42 0。11 70。4 1.39 1033.29 5.62 57.27 39.36 9.06 2179。6

年发电量（108kW) 16.4 0。21 3.75 0。06 22.8 266.9 284.13 1.35 15.2 11.12 2。29 624.21

数(个） 53 20 24 2 1 73 88 17 49 72 27 426

全部潮汐能*＊

坝址

［8]

Tab 2 The development and utilization of China's

随着科技的进步以及测量计算手段的不断创

新，对潮汐能资源评估也越来越准确。从1986年起，由水利部与国家海洋局联合开展了第三次沿

海南 全国

注：*河北内含天津市。＊*全部潮汐能资源为《普

3

韩文涛：潮汐能技术利用技术存在的问题研究

查》和《区划》合计结果,已减去重复部分。

4

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第四次大规模潮汐能评估始于2004年，是由国家海洋局主导的908专项任务“我国近海可再生资源调查与研究”中的一部分。此次调查对我国近海相关海域、岛屿及沿海地区潮汐能、潮流能、波浪能、风能温差能、盐差能等海洋可再生能源相关要素进行调查，获取了当前科技水平下最详近的资料。通过对数据分析,计算出我国海洋能各种能源储量与分布。该项目除采用了100余个潮汐站的水位数据外，还在重要区域增设了潮汐观测站位49个,估算公式与第三次普查保持一致，项目实施过程中还对拟选坝址位置进行了现场踏勘并进行。具体勘测数据见表3，数据表明我国近海潮汐能资源技术

可开发装机容量大于500kW的坝址共171个[11］

，总技术装机容量为2282。91×104kW年发电量约626。41×108kW·h。其中，大部分潮汐能资源依然主要集中在浙江和福建两省，其潮汐能技术可开发装机容量为2067。34×104kW，年发电量为568。48×108kW·h，分别占全国可开发量的90.5％和90.7％.

表3 2004年始中国近海500kW以上潮汐能站址资源统

计表

[9］

Tab 3 The beginning of 2004 more than 500kW Chinese can tide offshore site resources statistics

［9]

占全国

占全国

坝址数

装机容量年发电量地点

比重比重(个）

（104kW） /％ (108kW) /％ 辽宁 24 52.63 2。3 14。48 2.3 河北 1 0.09 0.0038 0。02 0.0027 山东 13 17。99 0。79 3.6 0。58 上海 1 70.91 3。1 19.5 3.1 浙江 19 856.85 37。5 235。6 37.6 福建 1210.46 53 332.87 53。13 广东 23 35。26 1.55 9。7 1。55 广西 16 35.15 1。 9。66 1。 海南 10 3。57 0.16 0。98 0.16 全国

171

2282.91

100

626.41

100

2几种潮汐能发电技术及其主要存在问题

2。1近岸潮汐能技术-潮汐栅栏

潮汐栅栏是一种封闭式的拦河坝（如图3a）,一般可至于小岛之间以及与岛屿之间。由于潮

汐栅栏渠道截面的减小，水流通过涡轮机的流速较高。发电机组与变压器可以至于海平面上，便于维护与操作。缺点是拦河坝对海洋环境造成一定影响[5］

。

技术改进，据英国卫报消息,牛津大学科学工程系技术开发了一种新的潮汐能栅栏（如图3 b)，用于浅海静水水域发电，且发电成本低于近海风电场。新型栅栏是由一系列相互连接的涡轮组成，其横向水力涡轮机的设计与水车的设计相仿，使用最新的碳复合技术.该技术一经完工即可发电，总输出功率为30兆瓦时,每兆瓦时可满足英国约1000

户居民的日常电力使用［12］

.新型潮汐能栅栏技术，使用大孔径旋转涡轮，相互串联的机构可以保证水轮机有更大的输出扭矩，其构造也给海洋水生物提供更多安全洄游空间，从而减少了对海洋环境的影响.

(a）

(b）

图3 两种潮汐栅栏示意图

Fig 3 two schematic diagram of the tidal fence 2.2近岸潮汐能技术—潮汐涡轮技术

潮汐涡轮是安装与水下的涡轮发电装置，如图4所示为潮汐涡轮机原理图。类似于风电机组，由

5

韩文涛：潮汐能技术利用技术存在的问题研究

潮汐涡轮机组成发电机组由于水的密度较风能大，规律性较强，因此可以提高发电效率与相对稳定性。

6

韩文涛：潮汐能技术利用技术存在的问题研究

在流速2~3m/s的海水中，每台发电能力约为150kW［

13]。机组的基本特性如下[16]:

（1） 采用可变速的转矩控制技术代替带有水

下电子器件的变节距装置。

（2） 采用高性能优化的对称断面以及扩大的

性能带宽，实现了双向水流都能发电。该涡轮机的断面类似一台水泵水轮机，它被优化为兼有水泵和水轮机两种模式、以相同的效率运行。该方法避免了采用偏航系统或(近乎)180°可变浆距角叶片.

（3） 直接驱动，以免除齿轮箱的故障，也不需

加齿轮箱润滑油。

（4） 永久磁铁励磁，以避免静态励磁和集电环

传送系统结构的复杂性。

（5） 利用潮汐水流周围的水，直接冷却发电机

定子.

（6） 利用让水以受控方式流过涡轮机，故免除

了旋转轴密封的问题.

（7） 海水润滑轴承，不需要加润滑油脂。 （8） 无油设计,实现了对环境造成的不利影响

最小化.

缺点是叶轮受力面积有限，不能充分利用经过的水动能。

图4 潮汐涡轮电机原理图

Fig 4 Principle diagram of Tidal Turbine

2.3近岸潮汐能技术—灯泡贯流式转轮技术

灯泡贯流式转轮基本结构原理图如图1所示，该结构将水轮机嵌入到坝体内，具有高单位转速、大单位流量及水力效率高等特点,是双向发电的潮汐电站的最佳机型;全贯流水轮机组具有结构更加紧凑、运行更加稳定和运行维护容易等特点，适合

于只要求单向发电的潮汐电站[15］

。

但是该机组造价较高,水轮机组占潮汐电站设

备比重大。降低机组造价有效途径可以通过减少叶片、简化结构、优化布置、替代材料和批量生产等方面。但是进行简化并不是盲目减少叶片数目，而应该在尽量不降低发电效率的基础上进行结构优化。研究表明取消活动导水叶，增设少数固定导水叶，保留转叶调节的水轮机结构，可以大大简化机组结构,显著地降低机组造价，对水轮机的水力特性也不会产生大的影响，至于环量的形成，可借助于固定导水叶造型设计来取得，停机问题也可由桨叶关到一定位置来解决，完全断流问题可利用进口闸门的改进来解决。从水轮发电机组总体布置方式考虑，水轮机通过齿轮增速器与发电机连接,可大大提高发电机转速，缩小尺寸,降低成本；另外，用高转速发电机代替低转速发电机，灯泡体尺寸随之减小，机组轴间间距亦减小，使电站厂房体积减小，从而降低电站造价。水轮机的排列方式也对发电有影响，云集潮汐流数据显示，垂直阵列可以增

加发电减少切入速度［

13]。利用潮汐电站的超低水头属性，为大量采用非金属替代材料以降低原材料费用提供了前提条件。

潮汐发电机共同面临的问题主要集中于一下

几个方面［

15]:

（1） 适应于周期性变化的水流方向,虽然潮汐

能资源高度可预测，发电原理也十分简单，但是发电机运行环境对于其可靠运行依然有一定影响。

（2） 腐蚀性问题，海水具有一定酸碱度、盐度，

海水中的盐类带有腐蚀性,因此发电机组部件要做好防腐措施，选择合适的材料。

（3） 水轮机靠旋转轴带动发电机等一系列齿

轮转动，这些部位一般有润滑油的保护，为减少海水侵入机体，发电机组轴封部件要做好防水措施。当然润滑油泄露会对海洋环境造成污染，因此应着力研发环境友好、理想无润滑油设计。

（4） 发电机最终用海底电缆将电能输送到内

地，海底电缆一旦出现漏电或者断裂，维修难度大；同样对于已经安装好的发电机组，由于长期浸入到海底之中，一旦出现故障，必须先在海底中找到该机组，然后进行维修，维修难度较陆上发电机组难度大.

（5） 潮汐电站一般初期建设费用较高,成本回

收时间长，开发低投资高回报的机组以及建设

7

韩文涛：潮汐能技术利用技术存在的问题研究

堤坝技术也是当前制约潮汐能利用的一大因素。

3潮汐能发电的局限性

大力发展潮汐能发电，就要克服潮汐能发电的

局限性，这主要有［5］

：

（1） 潮差和水头在一日内经常变化，在无特殊

调节措施时，这种间歇性会给用户带来不便.但可按潮汐预报提前制定运行计划，与大电网并网运行，以克服其间歇性。

（2） 潮汐电站建在港湾海口，通常水深坝长，

施工、地基处理及防淤等问题较困难.故土建和机电投资大，造价较高.

（3） 潮汐电站是低水头、大流量的发电形式。

涨落潮水流方向相反，水轮机体积大，耗钢量多,进出水建筑物结构复杂。而且因浸泡在海水中，海水、海生物对金属结构物和海工建筑物有腐蚀作用，需作特殊的防腐和防海生物粘附处理。

4潮汐能发电站对环境的影响分析

4。1对电站周围自然环境的影响

潮汐能电站在施工期间建阻断，该海域部分区域与海洋水质交换，施工期间建筑废料、操作过程

均会影响相关海洋生物生存环境[12］

。电站建成之后潮汐涨落周期与原来涨落周期存有差异，张超时间变短，落潮时间相对延长;同时影响原来的潮流分布，海水仅从水轮机输水渠道流动，流速较快，而其他位置水流速明显降低。水坝建成将导致整体坝内水流速度放缓，原有泥沙动力平衡被破坏，导致广阔海湾底沙重新形成,部分地区出现淤积问题，附近海域生态系统重组。海湾内与外界海域水交换频率的减少，随着内地水源的不断注入，对其本身水环境稳定性造成一定冲击，水库温度、盐度、酸碱度、含沙量值也会出现较大波动,若库区无大径流量与含沙较大河流注入，会导致库水含沙量降低，最终有利于浮游生物与底栖生物的生长。该海域海洋生态变化会造成近海沿岸生态环境的改变，大坝两侧海洋生物洄游经过水轮机时可能造成伤害，海洋生物量减少，以相关海洋生物为食的鸟类等生物量也会减少。

4。2对生态环境影响的解决措施

对于以往采用围堰法隔断水库内外水交换而

带来的影响，可以采用浮运作业方式，使得作业期间，海洋生物依然可以自由来回穿梭.利用改变的潮涨潮落规律，发掘其有利方面，发展创造良好的休闲及同行条件.

利用沿海滩涂发展旅游业、渔业、农业等副产业，充分利用海洋资源。为消除建筑施工期间建筑材料对水质的影响，积极研发相关微溶性材料，降

低建筑材料的溶解性,如使用橡胶坝[16］

，其结构简单、价格低廉、运行方便，可以进一步在我国推广使用。

利用海洋生物独特的音频，通过声呐技术手段驱除水轮机附近洄游生物.

5总结与展望

综上所述，当前潮汐能发电还处于发展阶段，潮汐能属于可再生资源，蕴藏量大，运行成本低；对环境影响较常规水电少，发电无废渣、废水、废气排放，属于洁净能源；潮汐能发电都利用地利优势,依靠海湾、河口建设，不占用耕地,也不需要像常规水电一样需要淹没大量土地;发电不受季节影响；建设坝堤高度较低，容易建造.面临的问题主要有机电设备长期浸入海水之中需要做好防腐处理；潮汐涨落过程海水水位会随之变化，因此潮汐发电的质量不是稳定的；潮汐电站建立会改变潮差和潮流,还会改变海水的温度、盐度、酸碱度等；潮汐电站会对洄游经过水轮机的鱼类带来威胁，对鱼群生殖繁衍带来一定影响，进一步破坏下一级生物链，带来生态系统稳定性问题；潮汐电站初期建设费用较高等.虽然潮汐能发电站有利也有弊，但从能源利用长远角度来看,优势远远大于它的缺点。而且随着科学技术的不断进步，这些问题也将不断解决,降低潮汐能发电技术带来的不利影响。

潮汐能有此巨大的开发前景，相信将来对解决世界性能源问题将发挥越来越大的作用。我国是能源消费大国，能源的多元化已经成为大势所趋，潮汐能的利用对于能源结构转型、可持续发展具有重要意义。因此要全面开发利用潮汐电站从而带来的综合效益，建设海上桥梁、海水养殖、海上观光旅游业等，全面建设生态文明的可再生能源发电新局面。

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