浅海潮汐发电装置的设计与研究

摘 要：通过对国内潮汐发电行业长期跟踪监测，分析国内潮汐发电行业需求、获取能力、产业链和价值链等多方面的内容，潮汐能发电技术是开发最早、规模最大的新能源发电技术。本文介绍了潮汐能发电的工作原理及其优缺点，讨论了中国潮汐电站的发展现状，基于阵列协同效应利用升降装置，对潮汐能发电装置的设想。

关键词：潮汐能;升降装置;阵列协同效应;潮汐发电

引言

国家能源局综合司近日发布关于做好可再生能源发展“十四五”规划编制工作有关事项的通知（国能综通新能〔2020〕29号），明确了可再生能源发展“十四五”规划重点。优先开发当地分散式和分布式可再生能源资源，大力推进分布式可再生电力、热力、燃气等在用户侧直接就近利用，结合储能、氢能等新技术，提升可再生能源在区域能源供应中的比重。在电源侧研究水电扩机改造、抽水蓄能等储能设施建设、火电灵活性改造等措施，提升系统调峰能力。

大海面积辽阔，海水水位总体较为平稳，由于月球、太阳的引力，海水会出现周期性潮汐现象。在大洋深处的潮汐主要表现为横向的海流、海浪运动，纵向升降的幅度很小。但这种潮汐现象在临近海洋边缘的浅海由于大陆架的阻挡，则表现为横向的海流或纵向的水位升降，出现了明显的潮起潮落。这种潮起潮落蕴藏着巨大的能量。有人估算全球潮汐能发电的储量约为2000亿KW，目前已开发的不过才约6亿KW。世界许多沿海国家利用潮汐能发电的例子很多，但多局限于海湾河口，大面积的浅海潮汐能未被开发利用，对其进行开发利用研究很有意义。

1 潮汐能发电原理

潮汐能是一种清洁的可再生能源。潮水每日涨落，能量源源不断，这种特性使其取之不尽、用之不竭。利用潮汐能发电不但可以弥补能源不足的问题，而且可发展成为沿海地區人民生产生活和国防建设的重要补充能源。

潮汐能的主要利用方式为发电。潮汐能发电与水力发电的原理类似，一般是建筑一条带有缺口的大坝，将靠海的河口或海湾与外海隔开形成一个天然水库，在大坝缺口处安装水轮发电机组，涨潮时，水库中的水位低于海水水位，大量海水会通过缺口进入水库，海水中的动能和势能可转化为水轮机的机械能，带动水轮机转动，使发电机组进行发电;退潮时水库中的水位就会高于海水水位，海水由水库注入大海时带动水轮机反方向转动[1]。因此，海水的涨落使发电机组不断地发电。而潮汐能发电与水力发电有一定的差异，主要为水力发电中水位差较大，而潮汐能发电水位差较小，所以潮汐电站中水轮机组为适合较小水位差且流量较大的机组。

2 潮汐发展前景

海浪能作为一种海水动能，其利用不受天气因素的影响，且能量密度高，分布广泛，储存的能量巨大。目前世界代表性的海浪发电装置按照工作原理分为三类：振荡水柱式（oscillating water column）、振荡浮体式（oscillating bodies）和越浪式（overtopping）。国内各高校和研究机构对振荡浮体式研究较为深入，如上海交通大学于2016年研发的一种新型六维海浪发电装置，用并联机构实现六自由度捕捉海浪的最大动能，极具创新性和实用价值。

从实践应用看，英国是目前潮汐能技术研究较为先进的国家。美国、法国、挪威、爱尔兰等海洋资源丰富的国家的潮汐能利用技术水平相对较高。其学术研究也相对完善，研究的角度多有不同，大多集中于潮汐能开发的专业技术、潮汐能开发之于环境的意义、潮汐能开发的安全性等方面。我国关于潮汐能发电的研究主要集中在福建省、浙江省、江苏省、上海市、山东省这些东部沿海省份。基本上在对潮汐能的技术开发、发展前景、资源利用等方面，而对环渤海地区的潮汐能的研究较少。从发展前景方面看，主要有以下研究观点：郭成涛[2]认为，东南沿海地区亟需发展潮汐能。戎晓洪[3]认为，通过分析我国的能源现状，虽然潮汐能发电有一定缺点，但是未来是最有潜力的发电方式之一;在当前制约我国潮汐能的因素之一就是发电成本的问题。表1所示为中国主要潮汐电站。

3 潮汐发电装置的设计

基于之前对于潮汐装置[4]的研究，在选址的海区根据电厂设想的规模建造墩台，墩台必须具有更强的稳定性和足够的承载力。以建厂海区潮高2.5米为例，墩台在海平面（低潮水位时）1.5米以下最好为锥体状，锥体内可充填类重晶石等比重较大物质。锥体以上部分为垂直立柱，立柱顶端在低潮水位时高出水面1.0米，垂直立柱顶端应有凹槽，便于伸缩装置与之稳固对接，以支撑50*50米的沉箱为例，则墩台的中心与相邻墩台的中心间距为50米，墩台的数量与组成电厂的沉箱数量相等。

以轻质高强度材料制作正方形（50*50米）立体框架样沉箱，沉箱中央部位设有竖井，竖井底面是与竖井直径相同的圆孔，圆孔直径应大于墩台立柱的直径。井内与海水贯通，井壁与沉箱牢固密接。井口上部安装倒悬的液压伸缩装置，其伸缩幅度也是1.5米。伸缩装置类油压或水压的大型千斤顶，伸杆端面应有凸起，伸杆与立柱对接时相互嵌合，以增加其稳定性，以托升50*50米的沉箱为例，一个竖井内的顶力应达万吨以上，也可用三个伸杆撑顶，但必须总承载力达到所需的吨位。沉箱底面设有进出水孔，配置水闸并安装水轮机，沉箱底面布置协助沉箱上浮的众多气囊。

沉箱应有统一标准，其构件可在工厂模块化统一制作。运至造船厂批量组装，成品在箱内无水的状态下用拖船浮运至电厂海区，在高潮水位时竖井对准墩台立柱开启沉箱内水闸，气囊亦排除气体，随着海水的进入沉箱会下沉，从而固定到墩台立柱上，伸缩装置及光伏发电等都可在现场吊装。电厂的众多墩台会形成阵列协同效应，从而防止了强风浪条件下电厂会整体漂移或倾覆的可能。具体发电周期的工作流程如表2所示。

4 结语

拟建电厂规模宜大不宜小，只有众多坚固墩台与众多沉箱结合在一起才能形成阵列效应，以抵御风浪灾害。此型发电装置的关键技术是：坚固的墩台立柱及可靠的伸缩升降装置。下一步可先建规模较小的实验性电站或者实验基地，尤其对沉箱规模、水轮机、伸缩装置、竖井、墩台等的理想尺寸及功能都需经过实验来确定，取得经验然后批量建造。

建造一座浅海沉浮式潮汐发电厂是一项庞大工程，即使一座较小型电厂所耗钢材也不亚于建造一艘航母，绝非一个小的单位能够独立承建，也绝非一纸短文能够论述清楚，需要得到国家政策支持。适逢十九届五中全会国家“十四五”规划倡导的对海洋资源大开发战略，经过热心研究人员精心设计与实验，沉浮式潮汐电站才具有可能性。如成现实也将会给装备制造业带来商机，会衍生出许多行业。此文属于设想，望能引起热心潮汐能开发利用的研究者及决策者的兴趣。

参考文献

[1] 张发华.综合开发我国潮汐能的探讨[J].水力发电学报，1996（3）：33-42.

[2] 郭成涛.潮汐能利用的新概念[J].海洋学报：中文版，1994，16（1）：142 -148.

[3] 戎晓洪.潮汐能发电的前景[J].中国能源，2002（5）：40-41.

[4] 李仁科.基于沉浮式潮汐发电装置的设计与研究[J].电力设备，219，04：450.