[法國]F.朗佩里耶

潮汐電站的開發(fā)潛力及前景

[法國]F.朗佩里耶

潮汐電站在設計、發(fā)電設備、施工方法、運行方式及對環(huán)境影響等方面與傳統(tǒng)的水電站有很大區(qū)別,因此在研究潮汐能時,必須對許多已經(jīng)建立的概念進行重新評價。通過與其他可再生能源在成本方面的對比分析,闡述了潮汐電站的市場和潛力,主要內容包括潮汐電站特有的優(yōu)缺點,以及技術、經(jīng)濟及環(huán)境因素等。

潮汐電站;水電站設計;發(fā)電設備;施工方法;水電站運行;環(huán)境影響評價

目前,全世界的電能需求為 20萬億 kW·h/a,到2040年,很可能會達到 50萬億 kW· h/a。在 2020年以前,火力發(fā)電量會持續(xù)增長,但為防止氣候變化,到2040年,火力發(fā)電量有望減少至 10萬億 kW·h/a以下。核電發(fā)電量目前為 3萬億 kW·h/a,而到 2040年,很可能會因為鈾原料的減少而被限制在 5萬億kW·h/a。由水能、地熱與生物能生產的最大發(fā)電量在 2040年以前不會超過 10萬億 kW·h/a,其中大約一半的電能需求將會由風能和太陽能來滿足,相應供電成本在 5～10美分/kW·h之間(按 2010年的美元實值計算)。潮汐能是否具有應用前景決定于其投資成本能否控制在 10美分/kW·h以下(即每年投資低于 1美元/(kW·h/a)),同時對環(huán)境的影響要在一定的允許范圍內。過去利用天然氣、當?shù)孛禾?或者最好的水電項目發(fā)電,成本都低于 5美分/kW·h,而潮汐能投資成本通常會高于這個值,但隨著潮汐發(fā)電技術進步而帶來相關費用的降低,潮汐能的經(jīng)濟性現(xiàn)已受到歡迎。

1 潮汐能的開發(fā)潛力

全球潮汐能的理論蘊藏量大約在 20～30萬億kW·h/a,相當于所有河川水力發(fā)電總量,但可供開發(fā)程度比較低,不同國家情況不一。初期研究表明:全球經(jīng)濟型潮汐電站年供電能力在 1萬億 kW·h左右,最高為 2萬億 kW·h,但這僅僅只占未來電力需求的一小部分。河川水力發(fā)電潛力較低,大約是1 000億 kW·h/a。本文主要針對潮汐電站進行分析。

大多數(shù)潮汐地的潮汐形式都為半日潮,本文中有關的潮汐數(shù)據(jù)都屬此類。一次潮汐持續(xù)時間為12 h 25min、面積為 S(以 km2計)、潮差為 H(以 m計)的一次潮汐潛能等于平均水頭為0.5H的水體SH的能量的 2倍。每次潮汐單位 km2面積上的理論蘊藏量(以 kW·h計)為:其中 ρ=1.03,為海水密度,那么每年 706次潮汐的理論蘊藏量接近于 2H2GW·h(H表示平均潮差)。事實上,潮汐電站能量的轉化率僅有 25%～40%,這意味著潮差在 5～7 m之間,單位面積(km2)潮汐水庫的發(fā)電量為 15～40 GW·h/a。年發(fā)電量為 1萬億kW·h的潮汐電站將需要面積為 4萬 km2的蓄潮水庫(年發(fā)電量為 3萬億 kW·h的水電站則需要構筑面積為 30萬 km2的水庫)。

2 具體數(shù)據(jù)

由于潮差在為期兩周的時間內是變化的,一周內產生的能量可能是另外一周的 3倍。因此潮汐能的最佳蓄能不應局限于一次潮汐,而應該力求在 2個星期的時段內都能做到有效蓄能。

與風能和太陽能相比,潮汐能早就被人類所認知,風能和太陽能多半需要通過抽水蓄能電站(目前在電網(wǎng)中用于調峰)進行儲存。如果需要的話,潮汐電站同樣也可與抽水蓄能電站聯(lián)合工作。

月潮汐能量年內分布均勻,年供電量比大多數(shù)的傳統(tǒng)水電要可靠得多。

潮差大,海水深度在 20m左右,海床為沙子、礫石或巖石的感潮區(qū)域是修建潮汐電站的理想站址。但由于岸邊海浪較大,會對電站和擋潮堤產生較大沖擊,故擋潮堤高度不宜過高,可允許有適當?shù)臐B漏,但是運行水頭較低,會給水輪機的設計、發(fā)電效率以及費用等帶來一系列問題。

3 水輪機

用于潮汐電站的水輪機特性如下:

(1)在咸水中運行,但可以解決防腐等有關問題,正如 40 a來法國拉朗斯(La Rance)工程所遇到的相關問題一樣。

(2)在一個相當?shù)偷乃^下運行,水頭通常為2～4 m,但每次潮汐中水頭變幅比較大。

(3)容量比較低,通常在 10～30 MW之間,但每個發(fā)電場可安裝幾百個,當然也可以用大尺寸部件建造,并用海上船用起重機安裝。

(4)制造、運輸、裝配流程與傳統(tǒng)的大型水電站只裝備少數(shù)大容量機組的情況完全不同。

(5)有些方案要求雙向運行和/或可作抽水用。

3.1 燈泡貫流式水輪發(fā)電機組

雙向燈泡貫流式水輪機是為法國拉朗斯電站開發(fā)的,該電站共安裝有 24臺機組,均可作為水輪機和水泵雙向運行,且已成功地運行了 40 a。但是,在多數(shù)情況下,它們只作單向水輪機運行。這些機組容量大小為 10 MW,直徑為5.5m。最近已為韓國西赫瓦(Sihwa)潮汐電站制造了 10臺直徑大于 8 m的更大更簡單的 25 MW燈泡貫流式機組,但這些機組將只作單向運行,沒有抽水設備。

燈泡貫流式機組已被應用到許多徑流式電站中,實踐證明效果很好,并且在某些方面還可作進一步改進。如實行變頻優(yōu)化,可以提高發(fā)電效率至90%,但目前由于發(fā)電效率隨著水頭的變化而變化,且反向運行或作為水泵工作時,效率非常低,另外低水頭運行每 kW的單位造價會上升。

3.2 全貫流式水輪發(fā)電機組

加拿大安納波利斯(Annapolis)潮汐電站安裝了一臺全貫流式水輪機,該水輪機有一個水平軸,類似于燈泡貫流式水輪機。這類機組就單向運行而言,在一定程度上可以與燈泡貫流式水輪發(fā)電機媲美,但它不具備抽水功能,目前關于此類機組的研究報道很少。

3.3 正交式水輪機

正交式水輪機具有一個垂直軸,關于它的研究與測試已經(jīng)歷了幾十年的發(fā)展,這方面的工作主要在俄羅斯進行。該類水輪機具有以下優(yōu)點:

(1)外型較水平軸水輪機簡單得多,平均每kW單位造價可大幅降低。

(2)工業(yè)生產流程非常簡單,可在近海的專門工廠或者船廠中使用。

(3)機組容量可適應各種海水深度。

(4)齒輪傳動裝置有利于高速運行,發(fā)電機造價低廉。

(5)泄流能力較大,在大多數(shù)情況下,可減少或者不設水閘,有利于施工末期水庫合圍。

按照目前的設計方式,該類水輪機不具備抽水功能,與燈泡貫流式機組 90%的最優(yōu)效率相比,該機組的缺陷是效率較低,一般只能達到 70%～75%,但隨著發(fā)電水頭的變化,效率值變化幅度不大,且保持雙向一致。由此看來,正交式水輪發(fā)電機組如果單向運行,其平均效率低于燈泡貫流式機組,但如果雙向運行,其效率將接近甚至優(yōu)于燈泡貫流式機組。

正交式水輪機具有廣闊的應用前景,使平均潮差為 5 m以下的場所建立潮汐電站的可能性擴大。盡早在一些很小的初步試點工程中應用這種機組將有助于對機組進行優(yōu)化,以便在 2020年以后大規(guī)模應用。

4 土建工程

土建工程的結構和施工方法與傳統(tǒng)的水電站方案不同。

4.1 堤 防

堤防建筑通常在較低水頭情況下運行,允許適當?shù)臐B漏(允許最大滲漏速率為 1 L/(s·m2))。堤防的高度大約為 30 m,部分在水面以下。海浪產生的荷載比水頭差產生的大,堤防潰決所產生的影響比水電站潰壩的影響小,不會危及人類的生命?？赡軙性S多設計方案,這主要取決于可用的當?shù)夭牧稀６咽w、混凝土塊、預制沉箱可用來做防浪堤和水壩,也可以用來修建連接潮汐電站的交通道路。

另一種辦法是,可以先建一道傳統(tǒng)的低防浪堤,在春潮期間,存在高浪漫過堤頂?shù)目赡?。然后可利用大型海上挖泥機在平靜的水中用海底沙和礫石再建一道擋潮堤,這樣造價比較低,且可作為電站的對外交通道路。

擋潮堤與防浪堤之間大概有 100 m的距離,區(qū)間用于停泊帆船和漁船。用沙子和碎石建堤防,其寬度根據(jù)需要來決定。與修建一條可以抵御大海浪、能防滲且能用作道路的結構更為復雜的單一堤防建筑物的造價相比,防浪堤和擋潮堤的總造價更低廉。

4.2 電 站

對于小型工程,發(fā)電站可在圍堰內的干場地上建筑,例如拉朗斯和西赫瓦工程。然而對于具有 5 km或 10 km長度的大型電站而言,預制鋼筋混凝土沉箱的造價會比較低,且耗時也較短。長度達 100 m、重約 10萬 t的沉箱可以在距潮汐電站站址幾百公里的地方建造。機械設備可在沉箱預制期間安裝或以后在電站現(xiàn)場安裝,該方案特別適合正交式水輪機的潮汐電站。

上述施工方法非常適用于建在偏遠和/或比較寒冷地區(qū)的潮汐發(fā)電工程。

5 主要成本要素

每 kW·h的運行和維修費用較低,對于大型潮汐電站來說,該優(yōu)勢尤為明顯。最關鍵的問題是可以減少 kW·h/a的投資成本,主要是降低電站、堤防、水閘以及各種減沖擊措施等費用。

電站每 kW成本與水輪機的設計、潮差、土建工程以及當?shù)氐慕?jīng)濟條件有關。該成本通常在 1 000美元/kW左右,年利用時間為 2 000～4 000 h。這意味著 kW·h/a的投資成本為0.25～0.5美元。

每公里防浪堤成本較高,約為 5千萬 ～1億美元。堤防長度與發(fā)電量比值必須低。如:每平方公里的潮汐水庫每年的發(fā)電量為 25 GW·h,堤防費用為 7 500萬美元,每平方公里潮汐水庫長0.1 km堤防的成本將為0.3美元。具體計算公式如下:

成本合算的潮汐電站站址為河口、有利的海灣、或沿海岸線的大型潮汐盆地。

在某些潮汐電站運行設計中,需要在外海與潮汐水庫之間設置水閘,每平方米鋼閘門的直接成本不高,但是相關的土建工程費用高得多,因為它們要在圍堰內或利用預制沉箱建造。因此最好采用不設置閘門或少設閘門的運行方法。

種類繁多的費用開銷是必須的,特別是對于用來減少一些負面的環(huán)境影響更是如此。如設置船閘維持通航,為過魚需要而建立相關設施等。

6 對環(huán)境和人類的影響

需要強調的是,關于潮汐電站對環(huán)境與人類的影響應該進行大量研究。就同等的能源供給來講,應該將潮汐能源與其他能源進行比較,除此之外,不應忘記潮汐電能的正面影響。

從視覺影響考慮,在居住區(qū)或旅游區(qū)堤防和潮汐電站過長是不受歡迎的,這主要是針對擋潮堤靠近海岸布置的小型潮汐發(fā)電工程而言。但是高度為10m的堤,如果它們離海岸的距離達20 km,則很難被看到,因而它們的視覺影響遠低于相同電能出力的海上風力發(fā)電場。平均每公里堤防的潮汐發(fā)電能力相當于兩座中型水電站。

大幅度地改變潮汐水庫內的天然水位和流量在居住區(qū)是不被允許的,而通過選擇電站的調度方式,則可以避免這種影響的發(fā)生,至少可以最大限度地降低由此造成的影響。潮汐電站將會對沉積物產生影響,特別是對泥沙,這些影響或許是有利的(減緩泥沙在潮汐水庫內的運動),或許是不利的(泥沙沉積需疏浚)。

對潮汐水庫中捕魚的真實影響很難進行精確地評估,但是用合適的建筑物解決過魚問題,低水頭的堤防情況比高水頭的壩相對容易些。為了適應船舶通航,大型電站工程需要修建船閘,并應投資需要用于改善現(xiàn)存港口設施或者沿擋潮堤修建新的港口設施。

修建潮汐電站的有利方面主要表現(xiàn)為:

(1)避免水庫內出現(xiàn)高海浪,有利于當?shù)睾竭\和水產養(yǎng)殖,減少海岸防護的投入。

(2)避免出現(xiàn)超高海平面的情況,緩解世界海平面的上升。

(3)在偏遠地區(qū)修建大型潮汐電站有利于大型港口、工業(yè)、甚至城市的發(fā)展。

另外,與傳統(tǒng)水電站相比,潮汐電站還有 2個非常重要的優(yōu)點:一是不需要移民,二是如果發(fā)生潰堤,后果不嚴重。

7 水庫布置和運行方式

進行方案之間對比時,需著重考慮以下因素:

(1)所有工程都應沿著海岸線而建,完全離岸的工程造價更高,這是因為每 kW·h的堤防更長,對外交通更貴?？紤]泥沙淤積因素,一些環(huán)礁應該在離岸較遠、且水深比較大的地方。

(2)不同方案對于海岸的環(huán)境影響是不同的。

(3)每 kW·h造價和水輪機效率隨著方案的不同而不同,這是因為平均發(fā)電水頭可能不同以及雙向運行方式可能對燈泡式水輪機的成本和工作效率有影響。

(4)具有抽水設施的機組可能會增大供電能力及帶來運行的靈活性。然而增加的費用可能會抵消這些優(yōu)勢,因而每 kW·h成本可能不會減少。

(5)為了滿足一次潮汐期供電的需要,采用 2～3座水庫的辦法可能是合適的,從而減少了蓄能的需要。但這些辦法不能將一周大潮的過剩能量轉移給一周小潮。

(6)對于大型工程,潮流不應集中在一個或幾個狹窄的地方。

以下 3種基本方案是可行的,可以或者不與蓄能設施聯(lián)合。

(1)單一水庫;

(2)水庫之間具有電力聯(lián)系;

(3)水庫之間具有水力聯(lián)系。

7.1 單一水庫

單一水庫具有以下 2種基本的運行方式:

(1)在外海和一座高水庫或低水庫之間的單向運行,簡稱單向單庫(SESS)。

(2)雙向運行,簡稱雙向單庫(DESS)。一次潮汐的潮汐水位過程如圖 1所示。

如果在低水頭下實施雙向運行,DESS方案供電能力比較強,機組一次持續(xù)運行的時段也更長。使用正交式水輪機,最有吸引力的方案似乎是 DESS,在這種運行方式下,正交式機組的效率接近于燈泡貫流式機組的平均效率,且單位 kW造價低,無需設置閘門。水庫中的水位和流量接近于天然狀態(tài),且3 h左右變換一次?？傃b機容量按照單位 kW成本最低原則來確定,裝機年利用小時數(shù)可達 4 000 h。最好能適當增大容量,由此而增加的成本較小,但操作的靈活性和潮差接近于天然情況等優(yōu)勢明顯,即使在大潮中也是如此。其他 3種方案是:雙向單庫運行的燈泡貫流式機組、單向單庫運行的燈泡貫流式機組以及正交式機組,這 3種運行情況下的單位kW成本相近,均比正交式機組的 DESS方案造價高。

圖1 潮汐水庫的 2種基本運行方式

如果采用單向運行,建筑高庫會比低庫造價低,供電能力更強(采用低庫與地形以及海水水位上升及下降的速度差相關)。但在西赫瓦工程中使用低庫有利于濱海清除污染和降低河口處的洪水水位(利用 DESS方案同樣可以達到)。

應用單一水庫的所有方案具有一個嚴重的缺陷,即不能持續(xù)供電。如果利用幾座水庫可部分地減少這種不利影響,若配置抽水蓄能電站蓄能,則可以完全消除這種影響,抽水蓄能電站的布置最好接近于潮汐電站。

7.2 兩座水庫之間的電力聯(lián)結

將一座高水庫與一座低水庫(每座水庫單向運行)聯(lián)合運行,可以使電站一次潮汐供電時間持續(xù) 8～9 h,如果采用單一水庫的單向運行,供電時間為4～5 h。通過部分電能損失,使潮汐電站在電力調峰需求最緊張的時刻供電成為可能。利用抽水設備,電站運行的靈活性可以得到改善。每 kW·h的總成本與單一水庫單向運行方式大致相同(堤防較長,但是輸電線路較少)。

對于這種方案,燈泡貫流式機組單向運行的效率比正交式水輪發(fā)電機組要高得多,但與正交式機組的成本相比,其超出的成本將會抵消,該項效率優(yōu)勢至少會部分抵消。

7.3 高低庫方案

聯(lián)合兩座水庫的較好方案為高低庫方案(VHALS)。在高水頭時,發(fā)電機組以水輪機的形式工作;在低水頭時,以泵的形式工作。將一個很高的水庫用電力方式與一個很低的水庫聯(lián)結。兩座水庫均未設閘門。水庫與外海之間的水體交換采用同樣的機組作為水輪機或水泵運行的辦法來完成。

用兩座單獨的水庫實現(xiàn)全時段供電目標的前提是每一座水庫都能在每次 12 h的潮汐時段內持續(xù)供電至少 6 h(為簡化計算,設理論上的一次潮汐時間是 12 h,實際為 12 h 25 min)。例如,只要高水庫的平均水位高于外海最高水位,就有可能實現(xiàn)這一目標。需要用泵抽水填充處于這種高水位狀態(tài)的水庫,靠重力自流來填充的幾率是非常有限的,因而閘門幾乎不起作用。

對于歷時達 12 h的一次天然潮汐,潮差為 H,大致可以 4 h為一個時段,將其劃分成 3個時段,如圖 2所示。

圖2 高低庫方案

(1)高海水位時段,即潮峰前后各 2 h,平均海水位在最高海水水位0.08H以下。在 VHALS方案中,這段時間內,低庫的機組會在高水頭下負荷供電,而高庫的機組可利用海水位與高庫之間較低的水頭,抽取盡可能更多的海水到高庫內,這需要消耗掉低庫機組所發(fā)的一部分電能。

(2)低海水位時段,即潮谷前后各 2 h,平均海水水位在最低海水位0.08H以上,高庫機組滿發(fā)供電,低庫機組從水庫中抽取盡可能更多的水到外海中,所需電力由高庫機組發(fā)出的一部分供給。

(3)中間海水位時段,即外海水位介于平均海水水位上下0.25H之間。這段時間不利于機組運行,抽水將會受到限制,甚至根本不需要,機組全時段只能以半出力的方式運行。

以電力方式聯(lián)合兩座水庫有諸多優(yōu)勢:

(1)在整個潮汐期內可提供同樣多的總凈電力;

(2)可增加峰荷期間的電力;

(3)可實行夜晚儲存電量,供白天負荷需求高峰期使用;

(4)任何時間都可蓄能,并且在高、低海水位的兩個 4 h內,如果停止抽水或者減少抽水,或者在中間海水位的 4 h時段內,假如要增大供電(但此時出力通常低于該電站的機組裝機容量),還有可能顯著增加總的凈電力供應。

方案的高效性建立在對發(fā)電機組的充分利用(50%的時間作為水輪機工作,40%的時間作為水泵工作)和運行方式靈活性的基礎上。

電站的裝機容量選擇空間比較大,最優(yōu)容量值C(以 MW/km2計)0.3～0.4Ha2,Ha以 m為單位,代表潮差的平均值。發(fā)電機組通常在水庫內,平均潮差 h大約為0.7～0.8Ha的情況下運行。每年向電網(wǎng)凈供電量相當于 2 000 h的電站裝機滿負荷發(fā)電量。

當電站在高水頭(約等于 H)下運行時,裝機可達到 30～60 MW,每 kW投資小于 1 000美元,即kW·h/a的投資小于0.5美元。不需要閘門。

每 kW·h的成本可能高于 DESS方案,但是該方案具有吸引力:運行靈活,對保證電網(wǎng)安全和供電質量有利。在 VHALS方案中,水庫水位與天然情況下的水位差別很大。該方案可能在陡崖或無人居住區(qū)比較適宜,但并不適合在所有地方建設。

7.4 水庫之間的水力聯(lián)結

對于水庫之間的水力聯(lián)結已做了大量理論方面的研究。但方案之間的比較尚有未充分考慮到的因素,如對機組造價和效率的影響、運行的細節(jié)等。各種布置方式見圖 3。

圖3 水庫水力聯(lián)結的布置

(1)最簡單的方案是將電站機組放置于高庫與低庫之間,并用水閘將水庫與外海連接。

(2)在每座水庫與外海之間,以及兩座水庫之間通過電站機組連接。

(3)圖 3(c)給出了一個需要用到很多水閘的方案,電站機組可以安裝在水庫和水庫之間或者在每座水庫與外海之間。為了避免大型工程潮流過于集中,可以按圖 3(b)的辦法用電廠聯(lián)結。

(4)圖 3(d)給出的方案是采用 3座水庫。對于大型工程,還需要采用與外海直接連接的電站,如圖 3(b)所示。

對于以上所有方案,機組若采用單向運行,其單位 kW·h的成本相近,燈泡貫流式機組造價較高、效率也較高,正交式水輪發(fā)電機組造價相對較低。

以上所有布置方式均需要設許多水閘。

7.5 方案選擇

本文介紹了諸多方案及其產生的影響,但方案的選擇是比較困難的,按照目前所掌握的知識和條件,有兩種方案比較有應用前景。

(1)正交式機組單一水庫雙向運行(DESS)方案。該種方案對環(huán)境影響小,且單位 kW·h直接成本低。但可能需要大量蓄能設備,另外正交式機組的應用經(jīng)驗并不像燈泡貫流式機組那樣成熟。

(2)一座很高水庫和一座很低水庫(VHALS)之間的電力聯(lián)結方案,是以成熟的燈泡貫流式機組的應用技術為基礎,在成本控制和運行性能方面可進一步優(yōu)化。對電網(wǎng)供電有利,相對于 DESS方案,需要的蓄能設施較少。

兩種方案均不需設置水閘,機組設備沿著堤防布置,以便使潮流擴散。

將這兩個方案用在同一電網(wǎng)中,或在同一個站址處聯(lián)結可能會很有意義。

8 蓄能的必要性、潛力和成本

目前,唯一有效的大型蓄能設施是在兩座水庫之間運行的抽水蓄能電站。全世界抽水蓄能電站裝機容量為 100 GW,還有 70 GW處于在建或規(guī)劃階段。抽水蓄能電站每 kW投資通常在 1000～2000美元之間。水頭在 100～1 000 m之間變化 。因此將外?；蛞粋€潮汐水庫作為下庫,并在海岸線附近的向岸地帶修建一個較高的水庫作為上庫,同樣可以作為抽水蓄能電站運行,且成本相近。甚至可以將高水庫布置離海岸較遠的陸地上,以一個可以接受的成本建一座大容量的蓄能電站。

DESS方案存在一些時段發(fā)不出電的現(xiàn)象,但在許多國家,可將其與其他能源如水電或火電聯(lián)合運行。但是對于大型潮汐電站,考慮到未來火電能源的使用率較低,配備一個裝機容量接近于潮汐電能平均供給能力(相當于每年電能供給的萬分之一)的抽水蓄能電站是非常有必要的。一座抽水蓄能電站的每kW投資為 1 500美元,其他一些額外的年投資為1.5美分/kW·h,相關的補充投資接近1.5美分/kW·h。用于蓄能需要消耗近 20%的電量,也就是說,可能會得到 30%～50%的直接能源。如果有必要的話,應將用于蓄能的額外總費用限制在 2美分/kW·h內。

對于 VHALS方案,需要儲存的能量應當限于將一周大潮的一部分能量轉移到下一周使用。對于蓄能的成本,也應將其控制在 DESS方案的一半以內,大約為 1美分 /kW·h。

潮汐電站配置蓄能裝置,使其供電的靈活性和質量比其他能源方式(水電除外)更好。

9 其他因素

為了興建各種各樣河川式潮汐電站,現(xiàn)在正在進行大量的研究工作。有些電站很可能會成功,甚至是成本合理的。其中有很多優(yōu)點,但同時也可能是缺點,如裝機容量通常十分有限,在世界范圍內的實際潛力,比普通潮汐電站要小得多。鑒于目前兩種方案間的電能供給不同步,若能在當?shù)芈?lián)合運用起來,會更具有吸引力。

在海岸或者近海地區(qū)的風力比內陸風力大,有著大量聯(lián)合利用潮汐能和風能的機會。兩種能源每km2的供電能力是相近的。在潮汐電站堤防上或平靜的水庫內安裝風力發(fā)電機組,或使用總蓄能量較低的抽水蓄能電站可能會很有意義。

利用支持波能裝置的潮流建筑物如電廠和堤防是比較有前途的,從俄羅斯國家研究中發(fā)現(xiàn),現(xiàn)在正在涌現(xiàn)各種大有希望的可能辦法,除了構造上的聯(lián)合以外,利用共同的蓄能裝置的優(yōu)勢也是非常重要的,如同風能一樣。

10 各國潮汐能開發(fā)實例

(1)俄羅斯。俄羅斯現(xiàn)實的潮汐能總蘊藏量為每年幾千億 kW·h,位于西伯利亞東北部的鄂霍次克海(Okhotsk Sea)的潮汐潛能最大,可實現(xiàn)向中國和日本供電。關于沿北方海岸線利用潮汐能的可能性還沒有進行充分的研究,但對于莫斯科以北 1 000 km的梅津(Mezen)灣的一個具有吸引力的潮汐電站的站址已進行了詳細的研究,并用將來可能采用的機組進行了試驗。

在梅津灣站址,一個裝有容量為 8 GW的正交式直流機組的電站,其年供電量可以超過 350億kW·h。水庫面積為 2 000 km2,建設堤防長度需達80 km,平均潮差接近5.5 m。通過在近岸陸地或離岸建筑一座高水庫,利用抽水電能,在未來某一階段會很有意義,并可減少向莫斯科或者圣彼德堡輸電線路的費用。

(2)法國。法國潮汐能的理論蘊藏量每年超過1萬億 kW·h。成本合算的年供電量為 1 000億kW·h,相當于法國電力需求的 1/5。

位于喬瑟(Chausy)島的潮汐電站的地理位置可能是最好的,這里擁有 1 200 km2的水庫,潮差為7.5m,55 km長的堤防,以及理想的地基和海水深度。采用正交式機組,總裝機容量為 12～15GW,年均供電能力可達 500億 kW·h(相當于全部現(xiàn)有的法國水電站供電量,或風電計劃量)。

該座巨型電站位于旅游勝地,由于堤防離海岸線 25 km,因此從現(xiàn)有的海灘可能很難看到它,采用單一水庫雙向運行可保持庫內水位和潮流量接近天然狀態(tài)。利用建于潮汐水庫北部的高水庫,通過配置抽水裝置可實施蓄能。

另一座位于迪耶普(Dieepe)和布洛涅(Boulogne)之間的潮汐電站,水庫面積為 1 500 km2,潮差為6.5 m,年供電量可超過 400億 kW·h。

(3)英國。在英國,關于潮汐電站的大多數(shù)研究工作是在河口內完成的(主要是在賽文(Severn)河口),試驗研究以燈泡貫流式機組從單一的高水庫向外海單向運行的概念為基礎。沿著海岸線布置其他大型電站大概也是可行的。對于所有項目而言,采用正交式機組雙向運行,可以降低造價和維持天然水位及流量。

在賽文(Severn)河口,要得到年供電量大于300億 kW·h的潮汐能,有許多方案好像都是可行的。沿著賽文河口的北岸配置蓄能設施進行蓄能似乎也是可行的。英國過去對風電實施了蓄能。

沿著澤西島(Jersey)東海岸線布置一個成本合算的、年供電量為幾十億 kW·h的潮汐電站似乎是可行的。

(4)印度。印度有 3處適合建設潮汐電站的站址。

對艾哈邁德阿巴德(Ahmadabad)南面 100 km的卡爾帕薩(Kalpasar)海域開展研究工作已有 10多年,在這里有一塊面積為 700 km2,潮差為6.5m的感潮域可用于建設潮汐電站,可安裝正交式水輪機和修建較短的堤防,按 DESS方案運行。該電站每年可提供200億 kW·h電能,但是設計相對復雜,主要是因為潮汐水庫必須與一片淡水水庫相聯(lián)。

卡奇(Kutch)沼澤地是比較有開發(fā)價值的,這片區(qū)域可安裝大型的太陽能電站,沿著卡奇海灣,可通過建設抽水蓄能電站來完成電能存儲。

在孟加拉,可建設一些大型工程利用潮汐和波浪來發(fā)電,對于受臺風或全球海平面上升影響的一些大型居住區(qū),這些工程會在防洪中起到重要作用。

(5)加拿大。在加拿大,最適合建設潮汐電站的是芬迪(Fundy)灣,對于該區(qū)域是否適合作為潮汐電站站址的研究已有很長一段時間。該區(qū)域潮差比較高,堤防無需太長。這里有兩座可能的水庫,采用燈泡貫流式機組的 VHALS方案是可行的。但是采用正交式水輪機的 DESS方案,并配合抽水蓄能電站一起使用,造價會更低廉,并能保持天然水位和流量狀態(tài)。

該工程年供電量可達 1 000億 kW·h,可向加拿大本國和美國東北部供電。一些初步考慮的電廠可建在兩座水庫之間。在赫德森(Hudson)海灣和溫哥華(Vancouver)北部存在大力發(fā)展潮汐電站的可能性。

(6)中國。在中國,成本合算的潮汐能蘊藏量每年超過 1 000億 kW·h,許多適合建設潮汐電站的海灣均坐落于上海的南部。沿著平坦的海岸到上海北部,修建距海岸線 15 km的堤防,用來圍成潮汐水庫,可以防止那些可能受不斷上升的海平面影響的近海平坦地區(qū)被淹,同時也可以減輕淮河下游洪水的影響。

(7)韓國。韓國一直積極致力于潮汐電站的開發(fā)利用,如西赫瓦項目。但是總的來說,韓國開發(fā)潮汐電站的潛力不大。

(8)拉丁美洲。在拉丁美洲建設潮汐電站的可能性很高,比如墨西哥(加利福尼亞海灣)、智利、阿根廷。其中阿根廷有一些適合建設大型潮汐電站的場地。

(9)澳大利亞。在澳大利亞,有很多地方可以建設潮汐電站。位于東部的潮汐電站,發(fā)電量可供本國使用,西北部的潮汐電站可在爪哇島建造,并供電于爪哇島。

在其他一些國家,也存在建造潮汐電站的可能性,如美國的阿拉斯加、愛爾蘭、緬甸等。

11 結 語

一批成本合算、年供電總量為 1萬億 kW·h的大型潮汐電站(單座電站年供電量在 100億 kW·h以上)在未來幾年中即將開始建設,特別是在 2015年之后。對于同樣的電能產量,在對環(huán)境影響方面,潮汐電站項目似乎比其他傳統(tǒng)的水電項目更受歡迎。潮汐電站的另外一項優(yōu)勢是不需要移民?？傊?潮汐電站可提供穩(wěn)定的電力,月和年供電量可得到保證。

潮汐電站建設在技術方面是成熟且安全的,但應該首先建設一些初步的試點工程,以便能夠對發(fā)電設備和施工方法作進一步優(yōu)化,對環(huán)境的影響進行準確評估。為此,修建年供電量為 10億 kW·h的工程可能更為適宜,與將來的大型工程相比,這種規(guī)模的電站,其堤防所承擔的每 kW·h的造價可能更高些。

國家之間通過合作,聯(lián)合開發(fā)潮汐電站可能會非常有益。

李安強 譯自英刊《水電與大壩》2009年增刊

趙樹湘 校

TV 744

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2010-07-25

(編輯:趙秋云)