淺海潮汐發(fā)電裝置的設計與研究

摘?要：通過對國內(nèi)潮汐發(fā)電行業(yè)長期跟蹤監(jiān)測，分析國內(nèi)潮汐發(fā)電行業(yè)需求、獲取能力、產(chǎn)業(yè)鏈和價值鏈等多方面的內(nèi)容，潮汐能發(fā)電技術是開發(fā)最早、規(guī)模最大的新能源發(fā)電技術。本文介紹了潮汐能發(fā)電的工作原理及其優(yōu)缺點，討論了中國潮汐電站的發(fā)展現(xiàn)狀，基于陣列協(xié)同效應利用升降裝置，對潮汐能發(fā)電裝置的設想。

關鍵詞：潮汐能;升降裝置;陣列協(xié)同效應;潮汐發(fā)電

引言

國家能源局綜合司近日發(fā)布關于做好可再生能源發(fā)展“十四五”規(guī)劃編制工作有關事項的通知（國能綜通新能〔2020〕29號），明確了可再生能源發(fā)展“十四五”規(guī)劃重點。優(yōu)先開發(fā)當?shù)胤稚⑹胶头植际娇稍偕茉促Y源，大力推進分布式可再生電力、熱力、燃氣等在用戶側(cè)直接就近利用，結(jié)合儲能、氫能等新技術，提升可再生能源在區(qū)域能源供應中的比重。在電源側(cè)研究水電擴機改造、抽水蓄能等儲能設施建設、火電靈活性改造等措施，提升系統(tǒng)調(diào)峰能力。

大海面積遼闊，海水水位總體較為平穩(wěn)，由于月球、太陽的引力，海水會出現(xiàn)周期性潮汐現(xiàn)象。在大洋深處的潮汐主要表現(xiàn)為橫向的海流、海浪運動，縱向升降的幅度很小。但這種潮汐現(xiàn)象在臨近海洋邊緣的淺海由于大陸架的阻擋，則表現(xiàn)為橫向的海流或縱向的水位升降，出現(xiàn)了明顯的潮起潮落。這種潮起潮落蘊藏著巨大的能量。有人估算全球潮汐能發(fā)電的儲量約為2000億KW，目前已開發(fā)的不過才約6億KW。世界許多沿海國家利用潮汐能發(fā)電的例子很多，但多局限于海灣河口，大面積的淺海潮汐能未被開發(fā)利用，對其進行開發(fā)利用研究很有意義。

1 潮汐能發(fā)電原理

潮汐能是一種清潔的可再生能源。潮水每日漲落，能量源源不斷，這種特性使其取之不盡、用之不竭。利用潮汐能發(fā)電不但可以彌補能源不足的問題，而且可發(fā)展成為沿海地區(qū)人民生產(chǎn)生活和國防建設的重要補充能源。

潮汐能的主要利用方式為發(fā)電。潮汐能發(fā)電與水力發(fā)電的原理類似，一般是建筑一條帶有缺口的大壩，將靠海的河口或海灣與外海隔開形成一個天然水庫，在大壩缺口處安裝水輪發(fā)電機組，漲潮時，水庫中的水位低于海水水位，大量海水會通過缺口進入水庫，海水中的動能和勢能可轉(zhuǎn)化為水輪機的機械能，帶動水輪機轉(zhuǎn)動，使發(fā)電機組進行發(fā)電;退潮時水庫中的水位就會高于海水水位，海水由水庫注入大海時帶動水輪機反方向轉(zhuǎn)動[1]。因此，海水的漲落使發(fā)電機組不斷地發(fā)電。而潮汐能發(fā)電與水力發(fā)電有一定的差異，主要為水力發(fā)電中水位差較大，而潮汐能發(fā)電水位差較小，所以潮汐電站中水輪機組為適合較小水位差且流量較大的機組。

2 潮汐發(fā)展前景

海浪能作為一種海水動能，其利用不受天氣因素的影響，且能量密度高，分布廣泛，儲存的能量巨大。目前世界代表性的海浪發(fā)電裝置按照工作原理分為三類：振蕩水柱式（oscillating water column）、振蕩浮體式（oscillating bodies）和越浪式（overtopping）。國內(nèi)各高校和研究機構(gòu)對振蕩浮體式研究較為深入，如上海交通大學于2016年研發(fā)的一種新型六維海浪發(fā)電裝置，用并聯(lián)機構(gòu)實現(xiàn)六自由度捕捉海浪的最大動能，極具創(chuàng)新性和實用價值。

從實踐應用看，英國是目前潮汐能技術研究較為先進的國家。美國、法國、挪威、愛爾蘭等海洋資源豐富的國家的潮汐能利用技術水平相對較高。其學術研究也相對完善，研究的角度多有不同，大多集中于潮汐能開發(fā)的專業(yè)技術、潮汐能開發(fā)之于環(huán)境的意義、潮汐能開發(fā)的安全性等方面。我國關于潮汐能發(fā)電的研究主要集中在福建省、浙江省、江蘇省、上海市、山東省這些東部沿海省份?；旧显趯Τ毕艿募夹g開發(fā)、發(fā)展前景、資源利用等方面，而對環(huán)渤海地區(qū)的潮汐能的研究較少。從發(fā)展前景方面看，主要有以下研究觀點：郭成濤[2]認為，東南沿海地區(qū)亟需發(fā)展潮汐能。戎曉洪[3]認為，通過分析我國的能源現(xiàn)狀，雖然潮汐能發(fā)電有一定缺點，但是未來是最有潛力的發(fā)電方式之一;在當前制約我國潮汐能的因素之一就是發(fā)電成本的問題。表1所示為中國主要潮汐電站。

3 潮汐發(fā)電裝置的設計

基于之前對于潮汐裝置[4]的研究，在選址的海區(qū)根據(jù)電廠設想的規(guī)模建造墩臺，墩臺必須具有更強的穩(wěn)定性和足夠的承載力。以建廠海區(qū)潮高2.5米為例，墩臺在海平面（低潮水位時）1.5米以下最好為錐體狀，錐體內(nèi)可充填類重晶石等比重較大物質(zhì)。錐體以上部分為垂直立柱，立柱頂端在低潮水位時高出水面1.0米，垂直立柱頂端應有凹槽，便于伸縮裝置與之穩(wěn)固對接，以支撐50*50米的沉箱為例，則墩臺的中心與相鄰墩臺的中心間距為50米，墩臺的數(shù)量與組成電廠的沉箱數(shù)量相等。

以輕質(zhì)高強度材料制作正方形（50*50米）立體框架樣沉箱，沉箱中央部位設有豎井，豎井底面是與豎井直徑相同的圓孔，圓孔直徑應大于墩臺立柱的直徑。井內(nèi)與海水貫通，井壁與沉箱牢固密接。井口上部安裝倒懸的液壓伸縮裝置，其伸縮幅度也是1.5米。伸縮裝置類油壓或水壓的大型千斤頂，伸桿端面應有凸起，伸桿與立柱對接時相互嵌合，以增加其穩(wěn)定性，以托升50*50米的沉箱為例，一個豎井內(nèi)的頂力應達萬噸以上，也可用三個伸桿撐頂，但必須總承載力達到所需的噸位。沉箱底面設有進出水孔，配置水閘并安裝水輪機，沉箱底面布置協(xié)助沉箱上浮的眾多氣囊。

沉箱應有統(tǒng)一標準，其構(gòu)件可在工廠模塊化統(tǒng)一制作。運至造船廠批量組裝，成品在箱內(nèi)無水的狀態(tài)下用拖船浮運至電廠海區(qū)，在高潮水位時豎井對準墩臺立柱開啟沉箱內(nèi)水閘，氣囊亦排除氣體，隨著海水的進入沉箱會下沉，從而固定到墩臺立柱上，伸縮裝置及光伏發(fā)電等都可在現(xiàn)場吊裝。電廠的眾多墩臺會形成陣列協(xié)同效應，從而防止了強風浪條件下電廠會整體漂移或傾覆的可能。具體發(fā)電周期的工作流程如表2所示。

4 結(jié)語

擬建電廠規(guī)模宜大不宜小，只有眾多堅固墩臺與眾多沉箱結(jié)合在一起才能形成陣列效應，以抵御風浪災害。此型發(fā)電裝置的關鍵技術是：堅固的墩臺立柱及可靠的伸縮升降裝置。下一步可先建規(guī)模較小的實驗性電站或者實驗基地，尤其對沉箱規(guī)模、水輪機、伸縮裝置、豎井、墩臺等的理想尺寸及功能都需經(jīng)過實驗來確定，取得經(jīng)驗然后批量建造。

建造一座淺海沉浮式潮汐發(fā)電廠是一項龐大工程，即使一座較小型電廠所耗鋼材也不亞于建造一艘航母，絕非一個小的單位能夠獨立承建，也絕非一紙短文能夠論述清楚，需要得到國家政策支持。適逢十九屆五中全會國家“十四五”規(guī)劃倡導的對海洋資源大開發(fā)戰(zhàn)略，經(jīng)過熱心研究人員精心設計與實驗，沉浮式潮汐電站才具有可能性。如成現(xiàn)實也將會給裝備制造業(yè)帶來商機，會衍生出許多行業(yè)。此文屬于設想，望能引起熱心潮汐能開發(fā)利用的研究者及決策者的興趣。

參考文獻

[1]?張發(fā)華.綜合開發(fā)我國潮汐能的探討[J].水力發(fā)電學報，1996（3）：33-42.

[2]?郭成濤.潮汐能利用的新概念[J].海洋學報：中文版，1994，16（1）：142 -148.

[3]?戎曉洪.潮汐能發(fā)電的前景[J].中國能源，2002（5）：40-41.

[4]?李仁科.基于沉浮式潮汐發(fā)電裝置的設計與研究[J].電力設備，219，04：450.