新能源与分布式发电技术04潮汐能与潮汐发电

新能源与分布式发电技术制作人：朱永强,许郁,丁泽俊华北电力大学新能源与分布式发电潮汐能发电§4潮汐能与潮汐发电关注的问题潮汐是怎样形成的？人类从何时开始懂得潮汐能的利用，又是如何利用的？潮汐发电的原理是怎样的？潮汐电站什么样？潮汐发电有什么特点？潮汐发电的发展状况如何？教学目标了解人类认识和利用潮汐历史，了解或掌握潮汐资源的特征及其分布，掌握潮汐发电的基本原理和潮汐电站的构成，了解潮汐发电的发展应用情况。新能源与分布式发电潮汐能发电§4.1人类对潮汐的认识和利用我国古人把白天的海水涨落叫做“潮”，夜间的海水涨落叫做“汐”，合起来称为“潮汐”。§4.1.1人类对潮汐的认识潮汐是由于太阳和月球对地球各处引力的不同所引起的海水有规律的、周期性的涨落现象。太阳和月球引起的海水上涨，分别称为太阳潮和太阴潮。新能源与分布式发电潮汐能发电§4.1人类对潮汐的认识和利用§4.1.1人类对潮汐的认识俗话说：初一、十五涨大潮；初八、二十三，处处见海滩。农历每月初一，太阳和月球位于地球同侧，三者近似在一条直线上，日月的引力方向相同，合力最大，形成大潮。每月十五，日月在地球的两侧，太阳潮和太阴潮也能共同形成大潮（想想：为什么？）当太阳和月球对地成直角方向时，太阳潮的落潮和太阴潮的涨潮，二者共同作用，相互抵消，形成潮势较弱的小潮。趣闻：我们和地心的距离也是变化的？（详见教材）新能源与分布式发电潮汐能发电§4.1.2人类对潮汐的早期利用潮汐是人类最早认识和利用的海洋动力资源。我国对潮汐能的利用最早，可追溯到1300多年前的唐朝。宋代有巧用潮汐建石桥的工程实例（见教材引例故事）6~7世纪，我国就有沿海居民利用潮汐磨来碾磨谷物。近些年在山东蓬莱地区发现了这种早期的潮汐磨。中国最早的潮汐能水轮泵站（详见教材）新能源与分布式发电潮汐能发电§4.1.2人类对潮汐的早期利用10世纪左右，在波斯湾，人们开始以潮汐能为动力驱动水车进行面粉加工。11～12世纪，大西洋沿岸也出现了潮汐磨坊，有些一直沿用到20世纪。英国至今仍保留着一个12世纪的潮汐磨，碾谷子供游客参观。16世纪，俄国沿海居民也使用过类似的潮汐能水磨，18世纪，俄国还出现了以潮汐能为动力的锯木厂。欧洲西海岸的潮汐磨房使早期工业国家走上发财至富的道路，并把它带到美洲新大陆。到了20世纪，潮汐能的魅力达到了高峰，人们开始懂得利用潮差能来发电。新能源与分布式发电潮汐能发电§4.2潮汐能资源§4.2.1潮汐的描述和分类用于描述潮汐的各个要素如图所示。新能源与分布式发电潮汐能发电海面的一涨一落两个过程为一个潮汐循环。相邻的两次高潮（或低潮）间隔的平均时间，称为潮汐的平均周期。按照一个太阴日里有几个涨落周期，潮汐可分为半日潮、全日潮和混合潮三种类型。§4.2.1潮汐的描述和分类新能源与分布式发电潮汐能发电§4.2.2潮汐能资源及其分布海水涨落及潮水流动所产生的动能和势能称为潮汐能。很多时候，将潮水流动所具有的动能称为潮流能，而潮汐能特指海水涨落形成的势能。在各种海洋能资源中，潮汐能不是最多的，但却是目前经济技术条件下最为现实的一种。新能源与分布式发电潮汐能发电§4.2.2.1世界潮汐能资源联合国教科文组织数据，全世界潮汐能的理论蕴藏量约为30亿千瓦，是目前全球发电能力的1.6倍。估计技术上允许利用的约1亿千瓦。中国商业情报网的预测研究报告，数据有所差别，参见教材。潮汐能大小直接与潮差有关，潮差越大，能量也就越大。实践证明，平均潮差≥3m才有经济效益，否则难于实用化。新能源与分布式发电潮汐能发电§4.2.2.2我国的潮汐能资源据初步统计，全国潮汐能蕴藏量约为2.9亿千瓦，年发电量可达2750亿度。《中国新能源与可再生能源1999白皮书》资料显示我国可开发潮汐能资源装机容量达2000多万千瓦，年发电量可达600多亿度。教材中给出了1958年潮汐资源蕴藏量的调查结果，表4.1和表4.2分别沿海各省、市、自治区和各主要河流的潮汐能资源理论蕴藏量。1982年可开发潮汐资源的调查，中国各省可开发利用潮汐能总装机容量如表4.3所示。新能源与分布式发电潮汐能发电§4.3潮汐发电原理和电站构成和内陆河川的水力发电相比，潮汐能的能量密度很低，相当于微水头发电的水平。世界上平均潮差（注意这个概念）的较大值约为13～15m。想想：我国的最大平均潮差会出现在哪里？潮汐发电和水力发电的基本原理是一样的，所用设备也大致相同。新能源与分布式发电潮汐能发电§4.3.1潮汐发电的原理§4.3.1.1潮汐发电的方式广义的潮汐发电，按能量利用的形式分为两种：一种是利用潮汐时流动的海水所具有的动能驱动水轮机带动发电机发电，称为潮流发电；一种是在河口、海湾处修筑堤坝形成水库，利用水库与海水之间的水位差所蓄积的势能来发电，称为潮位发电。潮汐发电（广义）潮流发电潮位发电置于海底，采用类似风力机的水轮机潮汐发电置于水道，采用常规的水轮机=修建堤坝和水库，类似水电站利用动能利用势能（狭义）新能源与分布式发电潮汐能发电§4.3.1.1潮汐发电的方式涨潮和落潮时，潮汐发电的原理如图所示。新能源与分布式发电潮汐能发电§4.3.1.2潮汐电站的装机容量和发电量电站的可能装机容量，理论上可根据潮汐势能大小计算。例如，半日潮的潮汐电站装机容量P，可用公式计算：式中H——平均潮差（m）；S——水库平均面积（km2）。教材中表7.5给出了面积为1km2的水库、落差为3～10米时，可供发电的最大功率。新能源与分布式发电潮汐能发电建潮汐电站时，年发电量可利用下面公式进行计算：式中a——单向发电时取0.40，双向发电时取0.55；可用这个公式估算潮汐能蕴藏量和潮汐电站的年发电量。新能源与分布式发电潮汐能发电§4.3.2潮汐电站的结构潮汐电站的选址：潮汐电站可建在三角洲、河口、海滩或其它的受潮汐影响的海水伸展地带，最好选在“口小肚大”的海湾上，这样只要修建一个短短的大坝，就可以围住很多海水，成为一个大水库。潮汐电站的构成：潮汐能电站是综合的建设工程，主要由拦水堤坝、水闸和发电厂三部分组成。有通航要求的潮汐能电站还应设置船闸。新能源与分布式发电潮汐能发电潮汐电站对水轮发电机组有特殊的要求，例如：1）应满足潮汐低水头、大流量的水力特性；2）在海水中工作时，防腐、防污、密封和发电机防潮；3）需要性能好的开关设备，适应机组随潮汐涨落而频繁启动和停止；§4.3.3潮汐电站的水轮发电机组新能源与分布式发电潮汐能发电根据水轮机的布置和结构型式，潮汐电站所用的水轮发电机组有以下几类：（1）立轴定桨式水轮发电机组。（2）轴伸贯流式水轮发电机组。（3）竖井贯流式水轮发电机组。（4）灯泡贯流式水轮发电机组。（5）全贯流式水轮发电机组。§4.3.3潮汐电站的水轮发电机组新能源与分布式发电潮汐能发电§4.4潮汐电站的类型（1）单库单向潮汐电站新能源与分布式发电潮汐能发电（2）单库双向潮汐电站§4.4潮汐电站的类型新能源与分布式发电潮汐能发电（3）双库连续发电潮汐电站§4.4潮汐电站的类型新能源与分布式发电潮汐能发电§4.5潮汐发电的特点§4.5.1潮汐发电的优点主要包括：（1）潮汐能源可循环再生。（2）潮汐变化有规律，发电输出没有季节性。（3）靠近用电中心，不消耗燃料，运行费用低。（4）潮汐发电不排放有害物质，不会污染环境。（5）潮汐电站建设不需淹地、移民，还可以综合利用。新能源与分布式发电潮汐能发电§4.5.2潮汐发电的不足作为新兴的电力能源，目前也存在一些不足。（1）发电出力有间歇性。（2）水头低，发电效率不高。（3）工程复杂，建设投资大。（4）关于泥沙淤积问题的疑虑。§4.5潮汐发电的特点新能源与分布式发电潮汐能发电§4.6潮汐发电的发展潮汐发电研究已有100多年历史，最早从欧洲开始，德国和法国走在最前面。发电成为潮汐能利用的主要发展方向。19世纪末，法国人提出兴建潮汐能发电站的设想。1912年世界上第一座潮汐能电站建成（参见教材）。1913年法国的潮汐电站成功的进行了发电试验，接着又建了一座容量为1865kW的潮汐电站。§4.6.1世界潮汐发电的发展新能源与分布式发电潮汐能发电直到1960s，潮汐发电才在世界范围内有了较快发展。1967年世界上第一座具经济价值的生产性潮汐发电站，标志着潮汐发电进入了实用阶段。前苏联、英国、美国、加拿大、瑞典、丹麦、挪威、印度等国，也都陆续研究，相继建成一批潮汐发电站。教材表4-5给出了世界上现有的大型潮汐电站。联合国《开发论坛》曾估计，2000年世界潮汐发电可达300至600亿千瓦时，实际进展却没有这么快。初步统计，全世界潮汐电站的总装机为26.5万千瓦(265MW)。预计到2020年，世界潮汐电站发电总量将达120亿到600亿千瓦时。新能源与分布式发电潮汐能发电世界之最：（详见教材）世界上最早的潮汐电站；世界上装机容量最大的潮汐电站；世界上第一座具经济价值的生产性潮汐发电站；世界上单机容量最大的潮汐电站。新能源与分布式发电潮汐能发电§4.6.2我国潮汐发电的发展中国是世界上建造潮汐电站最多的国家。1950s－1970s，先后建了约50座潮汐电站，但据1980s初的统计，其中大多数已经不再使用。例如，1977年初广西曾在钦州果子山建成一座小型的实验性潮汐电站……。我国的潮差偏小，平均潮差都5m，因而潮汐发电的经济效益不会太高，电站设计须着眼于大坝建造所带来的交通、围垦、滩涂等资源的综合利用效益上。新能源与分布式发电潮汐能发电目前，中国有7个潮汐电站仍正常运行发电，总装机容量7245千瓦，每年可发电1000多万千瓦时。其中最大的三个如表所示。新能源与分布式发电潮汐能发电中国之最中国第一座潮汐电站中国最大的潮汐电站新能源与分布式发电潮汐能发电朱永强，[e-mail]华北电力大学电气与电子工程学院本课程的配套教材：《新能源与分布式发电技术》，朱永强主编，北京大学出版社，21世纪创新型人才培养规划教材