潮汐能发电技术

机械工程创新与实践InnovationandPracticeofMechanicalEngineering潮汐能发电技术脱浩虎1（1.中国石油大学（北京）机械与储运工程学院）摘要：潮汐能作为一种洁净可再生的能源，很早就引起人们注意，其目前一个主要的用途为潮汐发电。文中介绍了潮汐能发电的基本原理、潮汐发电的类型、发电机组的种类及特点以及潮汐发电的关键技术，对潮汐发电这一技术进行一个基本的了解，而且潮汐发电在我国有着可观的应用前景。关键词：潮汐能潮汐发电发电机组技术问题TidalpowergenerationtechnologyTUOHaohu1（1.ChinaUniversityofPetroleum（Beijing）CollegeofmechanicalandTransportationEngineering）Abstract：Tidalenergy,asacleanandrenewableenergy,hasattractedpeople'sattentionveryearly.Presently，Tidalpowergener-ationisamajorpurposefortidalpowerapplication.Inthispaper，thewriterdescribedthebasicprincipleoftidalpower,turbinetypesandcharacteristicsandthetypeoftidalpowergeneration,keytechnologiesoftidalpowertogetabasicunderstandingfortidalpow-ergeneration.Keywords:TidalenergyTidalpowergenerationGeneratorsetTechnicalproblem引言凡在海边上生活过的人都知道，海水时进时退，海面时涨时落。海水的这种自然涨落现象就是人们常说的潮汐。潮汐是由月球和太阳的引力对海水的作用形成的。据理论计算，月球的引潮力可使海面升高0.246m，在两者的共同作用下，潮汐的最大上升幅度约为0.8m。所以，一般海区的潮汐现象并不明显。但受地形等因素的影响,如在某些海湾，河口及窄浅的海峡,潮差可达7～8m,有的甚至达10余m。例如,中国杭州湾的钱塘潮,最大潮差为8.9m；北美芬迪湾蒙克顿港最大潮差竟达19m。据计算,世界海洋潮汐能蕴藏量约为27亿kW,若全部转换成电能，每年发电量大约可达1.2万亿kW·h。潮汐发电严格地讲应称为“潮汐能发电”,潮汐能发生仅是海洋能发电的一种,但是它是海洋能利用中发展最早、规模最大、技术较成熟的一种。现代海洋能源开发主要就是指利用海洋能发电，利用海洋能发电的方式很多,其中包括波力发电、潮汐发电、潮流发电、海水温差发电和海水含盐浓度差发电等,而国内外已开发利用海洋能发电主要是潮汐发电[1-3]。1潮汐能发电概述1.1基本原理潮汐能是月球和太阳等天体的引力使海洋水位发生潮汐变化而产生的能量。由于电能具有易于生产，便于传输，使用方便，利用率高等一系列优点，因而利用潮汐的能量来发电目前已成为世界各国利用潮汐能的基本方式。潮汐发电就是利用海水涨落及其所造成的水位差来推动水轮机，再由水轮机带动发电机发电[4]。其发电原理与一般的水力发电原理差别不大。潮汐发电从能量转换的角度来说，潮汐发电首先是把潮汐的动能和位能通过水轮机转变成机械能，然后由水轮机带动发电机，把机械能转变为电能[5]。具体地说,就是有条件的海湾或感潮河口建筑堤坝、闸门和厂房,将海湾(或河口)与外海隔开围成水库,并在闸坝内或发电站厂房内安装水轮发电机械工程创新与实践2机组。海洋潮位周期性的涨落过程曲线类似于正弦波[6]。对水闸适当地进行启闭调节,使水库内水位的而驱动水轮发电机组发电。从能量的角度来看,就是将海水的势能和动能,通过水轮发电机组转化为电能的过程。如果建筑一条大坝，把靠海的河口或海湾隔开，造成一个天然的水库，在大坝中间留一个缺口，并在缺口中安装上水轮发电机组，那么在涨潮时，海水从大海通过缺口流进水库，冲击水轮机旋转，从而带动发电机发电；而在落潮时，海水又从水库通过缺口流入大海，又可以从相反的方向打动发电机组发电。这样，海水一涨一落，电站就可源源不断地发电，潮汐发电的原理见图1、图2[7]。图1潮汐发电原理图图2潮汐发电示意图1.2潮汐发电分类潮汐电站在发电时贮水库的水位和海洋的水位都是变化的（海水由贮水库流出，水位下降，同时，海洋水位也因潮汐的作用而变化）。因此，潮汐电站是在变功况下工作的，水轮发电机组和电站系统的设计要考虑变功况，低水头、大流量以及防海水腐蚀等因素，远比常规的水电站复杂，效率也低于常规水电站。由于潮水的流动方向是不断改变的,因此就使得潮汐发电出现不同的类型,即单库单向型、单库双向型和双库单向型3种,图3[8]。图3潮汐发电类型示意图单库单向型：在涨潮时将贮水库闸门打开,向水库充水,平潮时关闸；落潮后,待贮水库与外海有一定水位差时开闸,驱动水轮发电机组发电。其优点是设备结构简单,投资少；缺点是潮汐能利用率低,发电不连续。单库双向型：利用两套阀门控制两条向水轮机引水的管道。在涨潮和落潮时,海水分别从各自的引水管道进入水轮机,使水轮机旋转带动发电机。特点是适应天然潮汐过程,潮汐能利用率高,投资较大。双库单向型：采用两个水力相联的水库。涨潮时,向高贮水库充水；落潮时,由低贮水库排水,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。特点是可实现连续发电。缺点是要建两个水库,投资大且工作水头降低。1.3发电条件潮汐能发电作为一种洁净、无污染、可在生的发电型式，日益受到人们关注，然而在当代技术条件下，并不是任何地方的潮汐能都可被用来发电，只有满足一定的条件才可。利用潮汐发电必须具备几个物理条件[9-11]：首先潮汐的幅度必须大，至少要有几米；其次海岸地形必须能储蓄大量海水，并可进行土建工程，即区域蕴有足够大的潮汐能是十分重要的；再者一般说来，平均潮差在3m以上才具有实际应用价2015年7月3日潮汐能发电技术3值。理想的潮电站址要求地基稳定、地震烈度低于6度、潮差大、风浪小、陆域海域来沙少、水库淤积轻微、海湾腹大口小、工程量小等条件。湾中湾、河口湾是理想的地貌位置。潮汐能普查计算的方法是，首先选定适于建潮汐电站的站址，再计算这些地点可开发的发电装机容量，叠加起来即为估算的资源量。2发电机组简介海洋潮汐发电机组属于低水头水电机组，除了海水,与传统的淡水江河用低水头发电机组没有根本区别，目前主要有以下几类。2.1立轴定桨式水轮发电机组立轴定桨式水轮机结构简单，运行可靠。但由于潮汐电站水头很低，立轴水轮机只适用于小型潮汐电站机组[12,13]。2.2轴伸贯流式水轮发电机组轴伸贯流式水轮发电机组中，水轮机置于流道中，发电机置于陆地上，其间用长轴传动或采用齿轮增速器使发电机增速，具有可以合理选择发电机转速、检修方便、效率较高等特点。轴伸贯流式机组适用于潮差5m以下的中小型机组[14]。图4轴伸贯流式水轮发电机2.3竖井贯流式水轮发电机组竖井贯流式水轮发电机组是将发电机置于具有流线形断面的竖井中，与安装在流道中的水轮机直接或通过增速齿轮装置相连。这种机型具有运行方便、发电机通风冷却条件较好等优点。竖井贯流式水电机组在中小型潮汐电站机组中应用较多。图5竖井贯流式水轮发电机2.4灯泡贯流式水轮发电机组与立轴桨式机组相比，灯泡贯流式机组具有流道顺直、水头损失小、单位流量大、效率较高、体积较小及厂房空间较小等优点，适合用作低水头的大中型潮汐电站机组。目前世界上运行和在制的潮汐电站机组多采用灯泡贯流式机组。如图6。图6灯泡贯流式水轮发电机2.5全贯流式水轮发电机组全贯流式水轮发电机组的典型特点是水轮机转轮的外轮缘构成了发电机转子的磁轭，发电机定子同心地布置在转子外面，并固定在基础上。全贯流式机组具有发电机GD2大(这对水头连续变化的潮汐电站十分有利)、发电机布置方便、机组紧凑、经济性较好等优点。图7为一种带皮带轮增速的全贯流式水轮发电机，该水轮机的转环随转轮一道旋转。将轮环外圈作为主动皮带轮，增速后带动发电机发电。机械工程创新与实践4发电机布置在水轮机上方，可以避免海水的浸泡。图7带皮带轮增速的全贯流式水轮发电机图7为一种带皮带轮增速的全贯流式水轮发电机，该水轮机的转环随转轮一道旋转。将轮环外圈作为主动皮带轮，增速后带动发电机发电。发电机布置在水轮机上方，可以避免海水的浸泡。2.6正交流水轮机图8为某种双叶片正交流水轮机原理图。水轮机转轴既可立式安装，又可卧式安装。在这两种布置中，水流均横过转轴，即水流方向与转轴正交，故称为正交流水轮机，又称横向冲击式水轮机。正交流水轮机和贯流式水轮机一样，均为具有顺流流道的水轮机，但正交流水轮机结构简单，没有贯流式机组灯泡结构复杂等缺陷。而且，正交流水轮发电机机组的发电机可以布置在流道外，发电机尺寸和外形不受流道和灯泡的限制，可按低转速设计制造，从而可以取消增速装置。正交流水轮机结构简单，叶片数目少，机组轻（在同样转轮直径下，约为轴流式机组的一半），电站厂房小。虽然叶片断面形状必须呈流线性，比较复杂，但叶片呈直线性，长度方向的断面形状完全一样，制造比较方便。图8双叶片正交流水轮机2.7双击式水轮机双击式水轮机的结构如图9所示。矩形射流从圆周形转轮的周边流向转轮的中心，然后再从中心流出转轮，两次冲击转轮叶片，完成能量转换过程。双击式水轮机结构简单、制造维修方便、运行效率曲线平坦。近年来国内外对双击水轮机进行研究，开发出了一些适应极低水头的机型，可以用于潮汐电站，甚至可以用于潮流发电中。双击式水轮机的运行效率较低，可用作300kw及以下的潮汐电站机组。图9双击式水轮机3潮汐发电的主要技术问题潮汐发电目前存在的主要技术问题有:工程投资较大,机组造价较高；水头低,机组耗钢多；发电不连续；在工程技术上有泥沙淤积问题,机组金属结构和海工建筑物易被海水及海生物腐蚀及污黏问题,需要进一步研究解决[15]。3.1降低潮汐能发电站造价降低潮汐能发电站的造价首先要降低轮发电机组的造价,水轮发电机组的造价约占电站总造价的一半,而且机组的设计制造安装制约着电站的建设工期。水工建筑的造价约占电站总造价的45％,也是降低潮汐能发电站造价的重要因素。水工建筑传统的方法是采用重力结构的钢筋混凝土坝或当地材料坝,造价较高,工程量也较大。目前有一种预制浮运钢筋混凝土沉箱的结构的方法,可以减少程量,降低造价,前苏联的基斯拉雅潮汐能发电站采用了这种方法,效果很好。我国2015年7月3日潮汐能发电技术5一些潮汐能发电站也采用这种方法建造了一些设施,如水闸等,效果也不错。3.2提高潮汐能发电站运行水平提高潮汐能发电站的运行水平可以降低电站运行成本。如何有效利用海面与水库的水位差,有效的提高电站出力是一项水平要求较高的技术。有一种叫泵唧的技术,朗斯潮汐能发电站采用这种技术可使电站的年发电量增加约10%。泵唧的工作过程是,在单库双向电站中,退潮发电刚结束之后,用泵把库面水位抽低lm左右,从而增加涨潮发电的水头。由于泵唧是在很低的水头下进行的,而其后的发电则是在高的水头下进行的,所以提高水头增加的发电量远大于抽水的耗电量,因而可以得到很大的净能量收益。3.3防治泥沙淤积潮汐电站一般建设在海湾或临近大海的河口。海湾底部或大海的泥沙,容易被潮流和风浪翻起带到海湾的库区,也有一些泥沙由河流从上游带来。这些泥沙都会淤积在库区内,从而使水库的容积减小,发电量减少,并且加重对水轮机叶片的磨损,使其寿命减少,对正常运行影响很大。因此必须根据当地泥沙的含量、类型、运动方向、沉降速度等,研究泥沙的运动规律,找出防治泥沙淤积的有效措施。3.4水工结构物的防腐蚀和防海洋生物附着潮汐电站的水工结构物长期浸泡在海水中,海水对水工结构物中的金属部分腐蚀非常严重。同时,海水中的生物也会附着在水工结构上,如牡蛎等,有的厚度可达10cm,这些附着物不会被水冲掉。附着物会使水工结构流通部分的流通面