潮汐海流能发电

1、海洋中所蕴藏的可再生自然能源称为海洋能，源于太阳和月亮对地球的引力变化以及太阳辐射给予海洋巨大的能量。只要太阳、月球等天体与地球共存，这种能源就会再生，就会取之不尽，用之不竭。潮汐现象就是海水在月球和太阳引力作用下所产生的周期性运动，潮汐的潮差又引起潮流。潮差与潮流的能量都可以用来发电。海洋能Ocean Energy海洋能源主要指海洋中所蕴藏的可再生的自然能源，主要为潮汐能、波浪能、海流能、海水温差能和海水盐差能。究其成因，潮汐能和潮流能来源于太阳和月亮对地球的引力变化，其他均源于太阳辐射。海洋能具有可再生性。海洋能来源于太阳辐射能与天体间的万有引力，只要太阳、月球等天体与地球共存，这种能源就

2、会再生，就会取之不尽，用之不竭。海洋能总蕴藏量高达天文数字，但单位体积、单位面积、单位长度所拥有的能量较小。这就是说，要想得到大能量，就得从大量的海水中获得。 潮汐能潮汐现象是海水在月球和太阳引力作用下所产生的周期性运动，由于月亮离地球较近，月球与太阳引潮力之比为11：5，引起海洋潮汐主要是月亮。月球的引力使地球向月面和背月面的水位升高。通常，将白天海水上涨叫“潮”，晚上海水上涨叫“汐”，合称“潮汐”。由于太阳的引潮力也不小，月亮与太阳在不同位置引起潮汐也不同,图1与图2是月亮与太阳在不同位置引起潮汐的示意图，图中地球周围的蓝色代表潮汐，为能看清夸张的进行表现。 图1 潮汐形成的示意图（一）在

3、农历每月的初一太阳和月球在地球的一侧，两者引潮力相加，会引起较高的潮差，称之为“大潮”； 在农历的初八太阳与月亮相对地球的位置垂直，太阳的引潮力在垂直方向吸引海水，削弱了月亮引起的潮汐，使潮差减至最小，称之为“小潮”。图2 潮汐形成的示意图（二）在农历每月的十五或十六附近，太阳和月亮在地球的两侧，太阳和月球的引潮力你推我拉也会引起较高的潮差，也称之为“大潮”。在农历每月的二十三太阳与月亮相对地球的位置垂直，太阳的引潮力削弱了月亮的引潮力，引起的潮差也最小，也称之为“小潮”。在其他日子潮差在大潮与小潮之间。在涨潮的过程中，汹涌而来的海水具有很大的动能，随着海水水位的升高，就把大量海水的动能转化为

4、势能；在退潮过程中，海水又奔腾而去，水位逐渐降低，大量的势能又转化为动能，海水的往复流动又称为潮流。海水在涨潮、退潮的运动中所包含的大量动能和势能，称统为潮汐能，一般平均潮差在3m以上就有实际应用价值。我国有漫长曲折的海岸线，蕴藏着十分丰富的潮汐能资源。理论蕴藏量达1.1亿千瓦，可开发利用量约2100万千瓦，其中浙江、福建两省蕴藏量最大，相当可观。 波浪能太阳照射在不同地区的产生的温度不平衡产生了风，海洋占地球表面的70%，是最大的风能吸收器。风吹过海面时，把一部分能量传给了海水，形成了起伏运动的波浪，波浪具有一定的动能和势能。动能以海水粒子的运动速度描述，势能是偏离于平均海平面的海水质量的函

5、数。当风速大、与海水作用的流程长传给海水的能量就大，波浪的波长越长，波浪运动越快。波浪的能量与波高的平方、波浪的运动周期以及迎波面的宽度成正比。波浪能储量巨大，但波浪能也是海洋能源中能量最不稳定的一种能源。 海流能海流也称为洋流。如同空气一样，海水也不是固定的，它受地球转动、太阳月亮运动使海水流动、固定风向持续吹过海面使海水流动，另外海水温度、盐度及所含悬浮物的差异也会形成海水流动。海水总是在流动着，就像江河的水流一样，携带着巨大的能量。在海底水道和海峡中较为稳定的海水流动与由于潮汐引起的有规律的海水流动是最有利于价值的海流能。海流能主要是指海水流动的动能，海流能的能量与流速的平方和流量成正比

6、。古代的水手们都懂得借助海流行船，现代人则要利用海流发电。人们形象地把海流发电装置比喻成水下风车。几乎任何一个风力发电方式都可以用于海流发电。海流的动能非常大，著名的佛罗里达洋流所具有的动能，约为全球所有河流具有的总能量的50倍。 海水温差能海洋的表面把太阳的辐射能的大部分转化成为热水并储存在海洋的上层。另一方面，接近冰点的海水大面积地在不到1000m的深度从极地缓慢地流向赤道。这样，就在许多热带或亚热带海域终年形成20以上的垂直海水温差。海水温差能就是因深部海水与表面海水的温度差而产生能量，利用这一温差可以实现热力循环并发电。 盐度差能海水中含有大量的矿物盐，海水含盐浓度远大于江河水，形成了

7、盐度差。当两种不同浓度的溶液混合在一起时，淡的溶液就会向浓的方向渗透，直至浓度平衡为止，这种渗透就带有压差。 利用化学渗透膜隔开浓、淡水，构成盐度差能电站，目前盐度差能发电还处于试验阶段，预计21世纪将取得实质性的突破。潮汐位能发电技术Tidal Power Generation前面介绍过潮汐能，潮汐能利用可分为两种形式：一是利用潮汐的动能，即直接利用潮流前进的力量来推动水轮机发电，称为潮流发电，但利用潮汐的动能对潮汐能的利用率非常低，目前应用较少。二是建坝利用潮汐的位能发电，是潮汐坝发电技术，也称为称为潮位发电，是目前应用较多的形式。 潮汐位能发电站的原理利用潮汐的位能就是营造水头，利用落差

8、发电。在有条件的海湾或潮差大的河口建筑堤坝、闸门和水轮发电机厂房，将海湾（或河口）与外海隔开围成水库，对水闸适当地进行启闭调节，使库侧水位与海侧潮位形成一定的高度差（即工作水头），从而驱动水轮发电机组发电。 图1与图2显示了一个潮汐位能发电站的示意图，图1 是海水涨潮时水位高于水库水位，海水向水库流动推动水轮机运转。图1 海水涨潮时推动水轮机运转图2 是海水退潮时水位低于水库水位，水库水向海洋流动推动水轮机运转。图2 海水退潮时推动水轮机运转这个原理与普通水利发电相似，与普通水利发电的差别在于蓄积的海水落差不大，并且呈间歇性，但流量大，所以潮汐发电的水轮机要适合低水头、大流量的特点。 实际上的

9、潮汐位能电站要复杂些，有单库单向电站、单库双向电站和双库连续发电电站三种类型，下面介绍这三种潮汐发电站。 单库单向电站在海湾出口或河口处，建造堤坝、发电厂房和水闸，将海湾与外海分隔，形成水库。在涨潮时开启闸门将潮水充满水库，当落潮外海潮位下降时，产生一定落差，利用该落差推动水轮发电机组发电。这种电站只建造一个水库，而且只在落潮时发电，称为单库单向发电。图3左图是单库单向潮汐发电站布置示意图。图3 单库单向潮汐发电示意图图3右图是单库单向潮汐发电站运行工况示意图，运行工况可分为以下四个步骤： （a）充水：开启水闸，水轮机停运，库外上涨的潮水经水闸进入水库，至库内外水位齐平为止。 （b）等候：水闸

10、关闭，水轮机停运，水库内水位保持不变，库外水位因退潮差下降，待库内外水位差达到一定水头时，启动水轮机发电。 （c）发电：水库的水向库外流动推动机组发电，水库水位下降，直至与外海潮位的水位差小于机组发电需要的最小水头为止。 （d）等候：水轮机停运，水库水位保持不变，待库内外水位齐平后，转入下一循环。 由于每昼夜涨潮退潮各两次，故单库单向电站每昼夜发电两次，停运两次，平均每日发电约911小时。由于采用单向机组，机组结构简单，发电水头较大，机组效率较高。也可采用涨潮时充水发电，退潮时泄水的形式。单库单向电站多用于小型潮汐电站。 单库双向电站为了在涨落潮时都能发电，则建造单库双向电站。在海湾出口或河口

11、处，建造堤坝、发电厂房和水闸，采用双向发电的水轮发电机组使涨落潮两向均能发电。图4左图是单库双向潮汐发电站布置示意图。图4 单库双向潮汐发电示意图图4右图是单库双向潮汐发电站运行工况示意图，运行工况可分为以下六个步骤： （a）在海水开始涨潮时，库外潮位与水库水位之差不足以发电时，关闭闸门等待潮位上涨。 （b）库外潮位上涨与水库水位之差可以发电时，启动水轮发电机发电，闸门依然关闭。 （c）库外潮位开始退潮，潮位与水库水位之差不足以发电时停止水轮机发电，打开闸门让海水进入水库，直至两者水位相同时关闭闸门。 （d）水库保持水位，直到潮位降至水库水位以下可以发电时 。（e）开启水轮发电机发电，直到潮位

12、重新上涨与水库水位之差不可以发电时停止发电。 （f）打开闸门把水库中的水泄入海中，直到直至两者水位相同时关闭闸门。 关闭闸门后又进入等待状态，开始下一个循环。 单库双向电站每昼夜发电4次，停电4次，平均每日发电约1416小时。跟单库单向电站相比，发电小时数约增长1/3，发电量约增加1/5。但由于兼顾正反两向发电，发电平均水头较单向发电小，相应机组单位千瓦造价比单向发电为高。设备制造和操作运行技术要求也高，宜在大中型电站中采用。 这种电站也可以采用单向发电机组，但从水工建筑物布置上要设置流道使涨潮和落潮时，使水流都能按同一方向进入和流出水轮机，从而使涨落潮两向均能发电，由于增加了流道与闸门，操作

13、也麻烦，只在中小电站采用 。 双库连续发电电站 在海湾或河口处建造相邻的两个水库，各与外海用一个水闸相通，一个水库（高水库）在涨潮时进水；一个水库（低水库）在退潮时泄水，在两个水库之间有中间堤坝并设置发电厂房相连通，在潮汐涨落中，控制进水闸和出水闸，是高水库与低水库间始终保持一定落差，从而在水流由高水库流向低水库时连续不断发电。图5左图是双库连续潮汐发电站布置示意图。图5 双库连续潮汐发电示意图图5右图是双库连续潮汐发电站运行工况示意图，首先高水库在涨潮充满水，低水库在退潮时将水位泄至最低，开启水轮发电机发电，然后以四个步骤进行循环： （a） 当海水水位在高水库水位与底水库水位之间时，关闭进水

14、闸与泄水闸，此间由于水轮机运转，高水库水位逐步下降，低水库水位逐步上升。 （b）当海水涨潮时水位高于高水库水位，打开进水闸，充水到与海水水位相同时关闭进水闸，此间由于水轮机运转，低水库水位继续上升。 （c）海水退潮在水位低于高水库水位与高于低水库水位时，进水闸与泄水闸处关闭状态，由于水轮机运转，高水库水位逐步下降，低水库水位继续上升。 （d）海水退潮至低水库水位以下时，打开泄水闸，将低水库水位泄至海水水位时关闭泄水闸，此间由于水轮机运转，高水库水位逐步下降。 下步又进入（a）步骤继续循环。水闸与电站流量控制要点就是保持高水库与低水库间的落差，使水轮发电机组运转发电。 双库连续发电电站的优点十分

15、明显，但要把一个大海湾或河口分隔成两个水库，使可用水库面积减小，而且工程建筑量大、分散、投资高。只有地形条件不用增建中间堤坝或少建中间堤坝，并利于布置厂房和水闸，才适合建设双库连续发电电站。单库双向潮汐发电站Single Basin Double-Way Tidal Power本节介绍最多采用的潮汐电站形式单库双向潮汐发电站，在上节中介绍了单库双向潮汐发电站的基本组成与布置。下面主要介绍电站部分。 由于潮汐电站水头很低，只有小型潮汐电站可能使用立轴水轮机，大部分都采用贯流式水轮机，贯流式水轮机有三种基本形式，都可以实现双向运行，可根据情况选用一种。 轴伸贯流式水轮发电机组的水轮机置于流道中，发

16、电机置于陆地上，有检修方便、效率较高等优点，适用于潮差5以下的中小型机组。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，具有运行方便、发电机通风冷却条件较好等优点，竖井贯流式水轮发电机组在中小型潮汐电站机组中应用较多。 对于大中型潮汐电站主要采用灯泡贯流式水轮发电机组。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，图1是采用灯泡贯流式水轮发电机组的潮汐电站示意图。图1 采用灯泡贯流式水轮发电机组的潮汐电站(一)电站厂房就在大坝内,坝顶又是公路。灯泡式水轮发电机组主要由发电机、导叶、转轮、灯泡组成：灯泡是发电机的流线型外壳，发电机安装在

17、灯泡壳内；导叶既可控制水轮机运行时水流量的大小，也要在停机时切断水流；在灯泡式水轮机两侧有闸门在检修或特殊情况时关闭。 转轮与发电机为双向运行设计，两个方向的水流都可高效发电；根据需要也可选用可逆机组，在必要时做水泵使用。有关灯泡贯流式水轮机的结构与原理参考“水轮机”栏目“贯流式水轮机”章节。 图1是潮汐电站的充水发电工况示意图，潮位高时水从海洋流向水库，推动发电机组发电，图中蓝色箭头线是进入灯泡贯流式水轮机的水流走向。 图2是潮汐电站的泄水发电工况示意图，潮位低时水从水库流向海洋，也推动发电机组发电，图中蓝色箭头线是进入灯泡贯流式水轮机的水流走向。图2 采用灯泡贯流式水轮发电机组的潮汐电站(

18、二)下面是采用灯泡贯流式水轮发电机组的潮汐电站运行动画，动画前段是是潮汐电站的充水发电工况，动画后段是潮汐电站的泄水发电工况。目前世界上运行的大型潮汐电站均采用灯泡贯流式水轮发电机组。其中法国朗斯潮汐电站是最大的潮汐电站，采用单库双向发电方式。装机24台，单机功率10MW，1967年投运。朗斯电站机组为可逆式灯泡贯流发电机组，除正向发电、反向发电、正向泄水和反向泄水外，还能正向泵水和反向泵水，在必要时进行抽水蓄能。图3是该潮汐电站的照片。图3 法国朗斯潮汐电站（照片来自网络）我国在运行的最大潮汐电站是浙江温岭江夏潮汐电站，采用单库双向发电方式。电站装机6 台，总装机容量为3200kW，1985

19、年底投运，后来加装1台700kW 全贯流式机组，总装机容量达到3900kW。图4是该潮汐电站的厂房剖面图，图5是该潮汐电站的照片。图4 江厦潮汐电站厂房剖面图(图片来自教科书)图5 江厦潮汐电站（照片来自网络）潮流能发电技术（一）Tidal Current Power Generation(1)在浅海、海峡、海湾或河口一带，涨潮与退潮会引起较强的潮流，水流速度较高，可直接利用潮流前进的动能来推动水轮机发电，方法类似于风力发电机，称之为潮流发电机。风力机可用的形式基本上都可用于潮汐动能发电，比较典型的的是采用与水平轴风力机相似的结构与原理，下面举两个例子介绍一下。 敞水型水平轴桨叶潮流发电装置图

20、1是一种潮汐动能发电机示意图，与顺风式风力机工作原理相同，也叫桨叶式潮流发电机。转轮的叶片与风力机类似，由于水的密度约为空气的800多倍，相同功率下的叶片面积与长度可大大缩小，不过潮汐水流速一般没有风速快。叶轮通过增速齿轮箱与发电机连接，一同安装在机舱内，机舱安装在支柱上，可绕支柱旋转，支柱固定在海底,属坐底式安装。水流推动叶轮旋转，并保持叶轮面与水流方向垂直。由于叶轮在敞开的水中旋转，属敞水式结构。图1 桨叶式潮流发电机桨叶式潮流发电机可安装多个组成潮流发电站，图2是六个桨叶式潮流发电机的水下模拟图。图2 水下的桨叶式潮流发电机桨叶式潮流发电机在国外已有成功的产品，比较典型的是英国研制的一种

21、桨叶式潮流发电机，名为“SeaGen”，形似倒置的风车，由一对涡轮组成，每个涡轮直径20米，容量1200千瓦。涡轮安装在柱桩上，柱桩固定在海底。图3是该潮流发电机的图片。图3 SeaGen桨叶式潮流发电机（图片来自网络） 扩张型涡轮潮流发电装置还有一种是把叶轮安装在水平扩张导流管内，扩张导流管在风力机中称为扩散器，利用导流管对水流进行加速，可明显提高叶轮的输出功率。叶轮由多个叶片组成，这是一种导流管增速涡轮机结构，或称为导流管增速水轮机，见图4。图4 导管涡轮式潮流发电机图中浅蓝色箭头线表示水流走向，水流推动发电机发电，涡轮机采用双向对称结构，反方向水流同样推动发电机发电，适用于潮流发电。导流

22、管增速涡轮发电机可安装多个组成潮流发电站，图5是五个导管涡轮式潮流发电机水下模拟图。图5 水下的导管涡轮式潮流发电机导管涡轮式潮流发电机在国外也有成功的产品，图6是在加拿大已商业化应用的涡轮发电机，机组功率1000千瓦，重400吨。从图中看这是直驱式导管涡轮发电机，直驱发电机的定子安装在导管内壁，发电机转子安装在转轮叶片的外缘。图6 直驱式导管涡轮发电机（图片来自网络）潮流发电机一般直接固定在海底，可避免台风的破坏，也可采用漂浮式结构。利用潮流前进的动能来推动水轮机发电不用建堤坝与相关设施，投资少，不影响生态环境，但涡轮的面积比起潮流的截面是很微小的，所以对整个潮汐能的利用率非常低，要求潮汐要

23、形成足够的水流速度来保证发电量。潮流能发电技术（二）Tidal Current Power Generation(2)上节介绍了利用潮流前进的动能来推动水轮机发电，采用的是水平轴风力发电机技术，风力机可用的形式基本上都可用于潮汐动能发电，下面介绍两个采用垂直轴风力机技术的例子。能量转换采用垂直轴风力机风轮结构，是H型垂直轴升力叶轮，由3个叶片组成，见图1。叶轮（水轮）主轴上端连接到直驱永磁发电机，发电机固定在机舱内，机舱也就是船舱，机舱安装在两个浮筒上（图1仅显示右边一个浮筒）。图1 漂浮式立轴潮流发电机组成图2是该潮流发电机的外观图，发电机安装在两个浮筒之间。潮流发电机是漂浮在海面上，浮筒上

24、的红线就是吃水线，潮流发电机由钢缆（钢链）牵引固定，钢缆另一端连接海底的桩或锚上。发电系统的支撑载体可以是上述的双体船式或趸船形式，也可以是其他结构形式，称之为漂浮式支撑载体。当海水流动时，安装在支撑载体下方的叶轮被水推动旋转，同时带动上面的发电机发出电能。由于叶轮的转轴是与水面垂直的，故称为竖轴或立轴潮流发电机。图2 漂浮式立轴潮流发电机外观下面介绍的是具有扩张导流管的立轴潮流发电机，扩张导流管在风力机中称为扩散器。在扩张导流管内有H型垂直轴升力叶轮，是5叶片叶轮。在叶轮的上下左右被扩张导流管包围。扩张导流管的左右壁由空心舱体组成，见图3。扩张导流管与风力机中的扩散器工作原理是一样的，通过扩

25、张导流管中部的水流速度会得到明显的提高，可明显增加叶轮的输出功率。图3 扩张导流管与5叶片水轮图4是导流管竖轴潮流发电机的组成图，扩张导流管的下面也是钢板组成的空心体，上方的船舱也就是扩张导流管的上壁，直驱永磁发电机安装在船舱内，与下方的叶轮同轴。图4 扩张导流管立轴潮流发电机组成把左导流舱安装好，图5是整个扩张导流管立轴潮流发电机的外观图。右导流舱、左导流舱是空心密封舱，与船舱一同构成发电系统的支撑载体，使发电机系统漂浮在海面，图中红线是吃水线，该图没有显示拖牵钢缆。图5 扩张导流管立轴潮流发电机外观立轴潮流发电机的叶片是直叶片，有利于采用可变桨距角技术，通过控制桨距角在不同的流速获得较大的

26、功率。 扩张导流管立轴潮流发电机可做成坐底式结构，就是直接固定在海底，可以减小暴风、巨浪的破坏。以上立轴潮流发电机参考海洋能源开发一书，据报道哈尔滨工程大学研制的几台试验样机都取得了成功，新的大型扩张导流管立轴潮流发电站也进入试验运行阶段。扩张导流管立轴潮流发电机可做成坐底式结构，就是直接固定在海底，可以减小暴风、巨浪的破坏,图6是安装在海底的3台扩张导流管立轴潮流发电机组的示意图。图6 安装在水底的扩张导流管立轴潮流发电机组海流能发电Ocean Current Energy海流也称为洋流，海流主要是因为太阳对海面照射不同或海水盐度不均产生的对流现象，从一个海域长距离地流向另一个海域，是海洋和

27、海峡中有较为稳定的海水流动，就像江河的水流一样，携带着巨大的能量。海流能主要是海水流动的动能，其能量与流速的平方和流量成正比。海流发电与潮汐动能发电(潮流能发电)原理相同，不同的是海流发电装置工作位置的海水较深。人们把海流发电装置比喻成水下风车，几乎任何一个风力发电方式都可以用于海流发电，所以海流发电装置也是五花八门，下面就工作原理择主介绍。 浮筒水下风车浮筒水下风车转轮由几片桨叶组成，工作原理与水平轴风力机相似，利用水流对桨叶产生的升力推动转轮旋转，类似于顺风式风力机，图1是该发电机示意图。图1 浮筒水下风车浮筒水下风车转轮通过增速齿轮箱与发电机连接，一同安装在机舱内，机舱通过支柱与上方浮筒

28、固定连接，浮筒与机舱共同产生浮力，使浮筒略浮出海面即可。浮筒水下风车通过钢缆牵向海底的固定锚桩，可随水流飘向水流下方，保持转轮面与水流方向垂直。钢缆与发电机输出电缆合为一体，通过海底电网向陆地送电。图2是安装在水下的浮筒水下风车。图2 浮筒水下风车在海中 水下发电风筝 有些时候海面下一定深度的海水流速会更快些，把发电机转轮放在水下一定深度会得到更好的效果。而且不会影响航道。瑞典汽车制造商萨博公司（Saab）研制出一种水下发电风筝，见图3。图3 水下发电风筝（图片来自网络）据报道水下发电风筝是一种带翅膀的涡轮机，涡轮机采用带导管的转轮，功率500千瓦，风筝翅膀长为12米，放在水面下20米处，用一

29、根约1000米长的缆绳拴到海底，缆绳包含电缆，通过海底电网向陆地送电。水下发电风筝通过对翅膀的控制，使风筝左右摆动飞行，犹如我们看到的风筝在空中画8字飞一样。使涡轮机得到10倍洋流的水速，高速旋转的涡轮可直接驱动发电机，并获得更大的功率，发电风筝的原理可参考高空风筝风力发电机课件。 浮动水车发电浮动水车发电设备的转轮与传统水车很相似，是利用转轮叶片对水的阻力推动转轮旋转，是一个浮动的大水车。图4是水车的浮筒部分，由两个浮筒组成，通过连板固定连接。图4 浮筒体在浮筒中部安装转轮，转轮由弧形叶片组成，见图5。图5 转轮与浮筒浮动水车漂浮在海面上，用的缆绳拴到海底固定锚桩，缆绳包含电缆，通过海底电网

30、向陆地送电。浮动水车只有下方的叶片浸在水中，上方不受水力作用，水流推动转轮旋转，见图6。图6 浮动水车原理图图7是浮动水车在海面的模拟图，为防止大风影响转轮的运转，在转轮上方加装遮罩。图7 浮动水车在海洋水面上浮动水车的体积应该足够大，以保证在风浪中稳定。摆线式直叶水轮机Oscillatory Line Turbine摆线式直叶水轮机的工作原理与叶片角度可变的垂直轴风力机工作原理相类似，只是其叶片摆动控制是基于一种摆线原理，图1是摆线式直叶水轮机控制原理示意图。叶片绕水轮轴O逆时针旋转，虚线圆圈是叶片运动轨迹，叶片长度方向与轴O平行，叶片有自己的转轴（叶片转轴）与叶片长度方向平行，叶片在绕水轮轴旋转时也可绕叶片转轴转动。P是一个固定点，称为偏心点，过叶片转轴并与叶片弦线垂直的一条点