1、潮汐能發(fā)電系統(tǒng)研究報告王毓騏(同濟大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院) 摘 要：潮汐發(fā)電具有許多優(yōu)點，因此具有較為廣闊的發(fā)展前景。本文闡述了有關(guān)潮汐發(fā)電方面的四個問題, 即: 能源開發(fā)與潮汐發(fā)電; 潮汐發(fā)電的機組控制策略及水輪發(fā)電機組的工作原理; 潮汐發(fā)電的經(jīng)濟分析; 我國開發(fā)潮汐電站的前途。經(jīng)過多年來對潮汐電站建設(shè)的研究和試點，不僅在技術(shù)上日趨成熟，而且在降低成本、提高經(jīng)濟效益方面也取得了很大進展。 關(guān)鍵詞：潮汐能；控制策略；水輪機組；新能源；發(fā)展趨勢0 引言全球海洋中所蘊藏的潮汐能約有27億kW，可供開發(fā)的約占2%，即約5400萬kW。全球電力市場到2000年已達8000億美元并繼續(xù)呈上升趨勢。但是

2、，仍有2億人的用電需求得不到滿足，發(fā)展中國家的用電量以每8年翻一番的速度在增長。在滿足用電需求的同時，降低石油等非再生資源的消耗，減少環(huán)境污染，開發(fā)新型環(huán)保電站迫在眉睫。潮汐能是一種不會給地球上未來人類帶來污染和災(zāi)難的能源。前蘇聯(lián)的伯恩斯坦也指出利用這種晝夜間斷斷續(xù)續(xù)、一個月內(nèi)波動起伏的潮汐能發(fā)電可以獲得能量。在有條件利用潮汐能的沿海國家和地區(qū)，建設(shè)潮汐電站不失為緩解能源危機的一種方案。1 潮汐發(fā)電基本原理潮汐能是月球和太陽等天體的引力使海洋水位發(fā)生潮汐變化而產(chǎn)生的能量。潮汐能利用的主要方式是發(fā)電。潮汐發(fā)電的工作原理與常規(guī)水力發(fā)電的原理類似，它是利用潮水的漲落產(chǎn)生的水位差所具有的勢能來發(fā)電。差

3、別在于海水與河水不同，蓄積的海水落差不大，但流量較大，并且呈間歇性，從而潮汐發(fā)電的水輪機的結(jié)構(gòu)要適合低水頭、大流量的特點。具體地說，就是在有條件的海灣或感潮河口建筑堤壩、閘門和廠房，將海灣（或河口）與外海隔開圍成水庫，并在閘壩內(nèi)或發(fā)電站廠房內(nèi)安裝水輪發(fā)電機組。海洋潮位周期性的漲落過程曲線類似于正弦波。對水閘適當(dāng)?shù)剡M行啟閉調(diào)節(jié)，使水庫內(nèi)水位的變化滯后于海面的變化，水庫水位與外海潮位就會形成一定的高度差（即工作水頭），從而驅(qū)動水輪發(fā)電機組發(fā)電（圖1）的角度來看，就是將海水的勢能和動能，通過水輪發(fā)電機組轉(zhuǎn)化為電能的過程。圖1 潮汐發(fā)電示意圖2 潮汐水輪電站機組工作原理及控制策略潮汐電站采取了單庫雙向

4、的開發(fā)方式，水輪發(fā)電機組能夠?qū)崿F(xiàn)正向和反向的發(fā)電過程，正向發(fā)電是指水流通過水庫流至海洋進行發(fā)電；反向發(fā)電是指海洋流動到水庫的過程中進行發(fā)電。雙向潮汐發(fā)電水輪機組受到漲朝和落朝的影響，水流動的雙向流動使水輪發(fā)電機組有許多工況，并且工況轉(zhuǎn)換比較頻繁。潮汐電站的整個調(diào)度期間，包括多種動態(tài)因素，例如：正向和反向發(fā)電、正向和反向抽水、漲潮和落潮等。潮汐發(fā)電水輪機組的工作次序為：正向發(fā)電正向放水水輪機組關(guān)閉反向發(fā)電反向放水水輪機組關(guān)閉，并且按照這個順序循環(huán)進行。為了能夠提高雙向潮汐發(fā)電水輪機組的工作效率，將模糊PID控制器應(yīng)用于其控制之中（圖2）。圖2 雙向潮汐發(fā)電機組PID控制系統(tǒng)示意圖一般而言，可以將

5、誤差e與誤差變化率ec作為模糊PID控制器的輸入，利用模糊推理的方式調(diào)節(jié)PID控制器的基本參數(shù)，分別為比例因子Kp、Ki、Kd進行調(diào)節(jié)，可以利用Kp、Ki、Kd輸出調(diào)整PID控制器的參數(shù)。模糊PID控制器三個基本參數(shù)的作用可總結(jié)為：比例因子Kp提高雙向潮汐發(fā)電水輪機組控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度、隨著比例因子Kp的增加，控制系統(tǒng)的響應(yīng)隨之加快，從而使調(diào)節(jié)精度增加，同時也會帶來一定的弊端，容易出現(xiàn)過大的超調(diào)量，隨著比例因子Kp的降低，系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度隨之減少，從而延緩系統(tǒng)的響應(yīng)速度。積分因子Ki可以消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，隨著積分因子Ki的增大，將帶來過高的超調(diào)量，隨著積分因子Ki的降低，則控制系統(tǒng)的靜態(tài)誤差不

6、易消除，進而使控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度下降。微分因子Kd可以控制偏差的變化方向，但是當(dāng)微分因子Kd過大時，將增加系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時間，并且使控制系統(tǒng)的抗干擾能力降低。4 潮汐電站的經(jīng)濟適用性分析及比較我國華東沿海是全國工農(nóng)業(yè)最發(fā)達地區(qū)，但缺煤，少油，水力資源也不多，能源嚴(yán)重缺乏，而擁有全國92的潮汐能資源，其開發(fā)利用可促進該地區(qū)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展，帶來顯著的社會效益。潮汐電站的興建對提高我國臨海邊遠地區(qū)人民的生活水平具有重要意義。如已建成的一些小型潮汐電站，大都建在邊遠鄉(xiāng)村或海島，為農(nóng)村解決照明、提水、加工、廣播及村辦企業(yè)的用電，對鄉(xiāng)村經(jīng)濟發(fā)展起到了良好的作用。潮汐能具有的可再生、潔凈能源屬性，使在獲得電能

7、的同時，不會污染生態(tài)環(huán)境，而且會凈化、美化環(huán)境，增添旅游景點，如法國朗斯潮汐電站每年旅游收益超過了發(fā)電效益。電站供電可靠性是評價電站經(jīng)濟優(yōu)越性的條件之一。因電站的突然停機造成的損失，不僅是電站本身電量不能輸出的電價損失，更主要的是由于停電而使用戶打亂生產(chǎn)秩序，其經(jīng)濟損失遠大于電價損失。潮汐電能的可預(yù)見性，使電站供電具備了較大的能源可靠性，還由于潮汐能電站每天有確定時間停機，可安排檢修，可靠性更強。在感潮河口建造潮汐電站，可以控制進、出庫水量，提高沿岸農(nóng)田抗旱、除澇、蓄淡、防坍等多方面功能。電站大壩還可阻擋臺風(fēng)暴潮的侵襲，提高庫區(qū)沿岸堤防防御標(biāo)準(zhǔn)。電站水庫還可為漁船和運輸船只提供良好的避風(fēng)港。與

8、其他傳統(tǒng)能源相比，潮汐能源的利用具有顯著的經(jīng)濟優(yōu)勢。與火電相比，潮汐發(fā)電不受一次能源分布不均，儲量有限等問題的限制；不排放各種有害廢物及氣體，無大氣污染、酸雨和水環(huán)境污染問題，節(jié)省相應(yīng)的治污費用；可減少水力排灰廢水和溫排水等對水域的污染；不需運輸煤炭，無運輸成本。與水電相比，潮汐電站不需移民，不淹沒農(nóng)田，不會破壞生態(tài)環(huán)境，而且可結(jié)合圍墾、水生養(yǎng)殖和海洋化工發(fā)展綜合利用。如江廈潮汐電站促淤圍墾5600畝土地，其中可耕地為4700畝，種植了水稻、棉花、油菜和柑桔等多種作物，年產(chǎn)值達411萬元；在該電站水庫內(nèi)，養(yǎng)殖了對蝦、青蟹、蟶子、花蚶等水產(chǎn)品，年產(chǎn)值高達3 270萬元。種植、養(yǎng)殖2項凈收入776

9、萬元。某些情況下，潮汐電站還可替代造橋，方便交通。如法國朗斯潮汐電站的750 m長的大壩已成為交通要道，平均每天有2萬多輛車通過。新建潮汐電站，可提高水庫內(nèi)水位，增大庫區(qū)航深和航運能力。在發(fā)生地震或軍事襲擊等不可抗力引起的堤壩決口時，潮汐電站不存在水電那樣淹沒下游城市和農(nóng)田等的危險，也不會像常規(guī)水力發(fā)電那樣受氣候條件變化的影響。5 潮汐能源技術(shù)的發(fā)展前景a潮汐電站的選型應(yīng)根據(jù)站址的實際情況，并綜合考慮經(jīng)濟、技術(shù)和生態(tài)環(huán)境保護等因素來選擇。我國采用單庫雙向式已較為成熟，但仍有雙向式技術(shù)的發(fā)展為潮汐能技術(shù)的更高效利用提供了新思路。b潮汐電站的水輪發(fā)電機，目前常用的是燈泡貫流式。但隨著科技的進步，全

10、貫流式機組將是我國未來潮汐電站的首選機型。c興建潮汐電站的施工方法現(xiàn)大多采用浮運法施工，但成本較高。技術(shù)發(fā)展方向為多向浮運法，從而降低電站的工程造價。d潮汐電站的金屬部件和水工建筑需采用綜合性的防腐防污技術(shù)，隨著材料科學(xué)的不斷進步，工程部件的使用壽命和安全程度已將大幅上升。6 結(jié)語電力供應(yīng)不足是制約我國國民經(jīng)濟發(fā)展的重要因素，尤其是在東部沿海地區(qū)。另一方面我國海岸線漫長曲折，蘊藏著豐富的潮汐能資源。潮汐能發(fā)電具有可再生性、清潔性、可預(yù)報性等優(yōu)點。經(jīng)過多年來對潮汐電站建設(shè)的研究和試點，不僅在技術(shù)上日趨成熟，而且在降低成本，提高經(jīng)濟效益方面也取得了很大進展。潮汐能發(fā)電技術(shù)前景廣闊。參考文獻1 魏長寶，田進華，基于遺傳算法的雙向潮汐發(fā)電，大電機技術(shù)，2014（6）2 李書恒，郭 偉，朱大奎，潮汐發(fā)電技術(shù)的現(xiàn)狀與前景，海洋科學(xué)，2006.30(12)3 易長松，吳希再，陸繼明，毛承雄，王丹，潮汐發(fā)電機組勵磁控制系統(tǒng)的特點與運行實踐，中國可再生能源學(xué)會海洋能專業(yè)委員會第一屆學(xué)術(shù)討論會文集，2008（4）4 刁利， 譚忠富,