摘?要：通過對(duì)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(jià)值鏈等多方面的內(nèi)容，潮汐能發(fā)電技術(shù)是開發(fā)最早、規(guī)模最大的新能源發(fā)電技術(shù)。本文介紹了潮汐能發(fā)電的工作原理及其優(yōu)缺點(diǎn)，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(yīng)利用升降裝置，對(duì)潮汐能發(fā)電裝置的設(shè)想。

關(guān)鍵詞：潮汐能;升降裝置;陣列協(xié)同效應(yīng);潮汐發(fā)電

引言

國家能源局綜合司近日發(fā)布關(guān)于做好可再生能源發(fā)展“十四五”規(guī)劃編制工作有關(guān)事項(xiàng)的通知（國能綜通新能〔2020〕29號(hào)），明確了可再生能源發(fā)展“十四五”規(guī)劃重點(diǎn)。優(yōu)先開發(fā)當(dāng)?shù)胤稚⑹胶头植际娇稍偕茉促Y源，大力推進(jìn)分布式可再生電力、熱力、燃?xì)獾仍谟脩魝?cè)直接就近利用，結(jié)合儲(chǔ)能、氫能等新技術(shù)，提升可再生能源在區(qū)域能源供應(yīng)中的比重。在電源側(cè)研究水電擴(kuò)機(jī)改造、抽水蓄能等儲(chǔ)能設(shè)施建設(shè)、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(huì)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(yùn)動(dòng)，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(yùn)藏著巨大的能量。有人估算全球潮汐能發(fā)電的儲(chǔ)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(duì)其進(jìn)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(bǔ)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(shè)的重要補(bǔ)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(gè)天然水庫，在大壩缺口處安裝水輪發(fā)電機(jī)組，漲潮時(shí)，水庫中的水位低于海水水位，大量海水會(huì)通過缺口進(jìn)入水庫，海水中的動(dòng)能和勢能可轉(zhuǎn)化為水輪機(jī)的機(jī)械能，帶動(dòng)水輪機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，使發(fā)電機(jī)組進(jìn)行發(fā)電;退潮時(shí)水庫中的水位就會(huì)高于海水水位，海水由水庫注入大海時(shí)帶動(dòng)水輪機(jī)反方向轉(zhuǎn)動(dòng)[1]。因此，海水的漲落使發(fā)電機(jī)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(jī)組為適合較小水位差且流量較大的機(jī)組。

2 潮汐發(fā)展前景

海浪能作為一種海水動(dòng)能，其利用不受天氣因素的影響，且能量密度高，分布廣泛，儲(chǔ)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(jī)構(gòu)對(duì)振蕩浮體式研究較為深入，如上海交通大學(xué)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(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)六自由度捕捉海浪的最大動(dòng)能，極具創(chuàng)新性和實(shí)用價(jià)值。

從實(shí)踐應(yīng)用看，英國是目前潮汐能技術(shù)研究較為先進(jìn)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(shù)水平相對(duì)較高。其學(xué)術(shù)研究也相對(duì)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(shù)、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(guān)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?duì)潮汐能的技術(shù)開發(fā)、發(fā)展前景、資源利用等方面，而對(duì)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(diǎn)：郭成濤[2]認(rèn)為，東南沿海地區(qū)亟需發(fā)展潮汐能。戎曉洪[3]認(rèn)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(diǎn)，但是未來是最有潛力的發(fā)電方式之一;在當(dāng)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(shè)計(jì)

基于之前對(duì)于潮汐裝置[4]的研究，在選址的海區(qū)根據(jù)電廠設(shè)想的規(guī)模建造墩臺(tái)，墩臺(tái)必須具有更強(qiáng)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(tái)在海平面（低潮水位時(shí)）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(shí)高出水面1.0米，垂直立柱頂端應(yīng)有凹槽，便于伸縮裝置與之穩(wěn)固對(duì)接，以支撐50*50米的沉箱為例，則墩臺(tái)的中心與相鄰墩臺(tái)的中心間距為50米，墩臺(tái)的數(shù)量與組成電廠的沉箱數(shù)量相等。

以輕質(zhì)高強(qiáng)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(shè)有豎井，豎井底面是與豎井直徑相同的圓孔，圓孔直徑應(yīng)大于墩臺(tái)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(yīng)有凸起，伸桿與立柱對(duì)接時(shí)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(gè)豎井內(nèi)的頂力應(yīng)達(dá)萬噸以上，也可用三個(gè)伸桿撐頂，但必須總承載力達(dá)到所需的噸位。沉箱底面設(shè)有進(jìn)出水孔，配置水閘并安裝水輪機(jī)，沉箱底面布置協(xié)助沉箱上浮的眾多氣囊。

沉箱應(yīng)有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，其構(gòu)件可在工廠模塊化統(tǒng)一制作。運(yùn)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(yùn)至電廠海區(qū)，在高潮水位時(shí)豎井對(duì)準(zhǔn)墩臺(tái)立柱開啟沉箱內(nèi)水閘，氣囊亦排除氣體，隨著海水的進(jìn)入沉箱會(huì)下沉，從而固定到墩臺(tái)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(tái)會(huì)形成陣列協(xié)同效應(yīng)，從而防止了強(qiáng)風(fēng)浪條件下電廠會(huì)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(jiān)固墩臺(tái)與眾多沉箱結(jié)合在一起才能形成陣列效應(yīng)，以抵御風(fēng)浪災(zāi)害。此型發(fā)電裝置的關(guān)鍵技術(shù)是：堅(jiān)固的墩臺(tái)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(shí)驗(yàn)性電站或者實(shí)驗(yàn)基地，尤其對(duì)沉箱規(guī)模、水輪機(jī)、伸縮裝置、豎井、墩臺(tái)等的理想尺寸及功能都需經(jīng)過實(shí)驗(yàn)來確定，取得經(jīng)驗(yàn)然后批量建造。

建造一座淺海沉浮式潮汐發(fā)電廠是一項(xiàng)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(gè)小的單位能夠獨(dú)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(huì)國家“十四五”規(guī)劃倡導(dǎo)的對(duì)海洋資源大開發(fā)戰(zhàn)略，經(jīng)過熱心研究人員精心設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)，沉浮式潮汐電站才具有可能性。如成現(xiàn)實(shí)也將會(huì)給裝備制造業(yè)帶來商機(jī)，會(huì)衍生出許多行業(yè)。此文屬于設(shè)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(xiàn)

[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(xué)報(bào)，1996（3）：33-42.

[2]?郭成濤.潮汐能利用的新概念[J].海洋學(xué)報(bào)：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(shè)計(jì)與研究[J].電力設(shè)備，219，04：450.