潮汐能发电系统研究报告

1、潮汐能发电系统研究报告王毓骐(同济大学 电子与信息工程学院) 摘 要：潮汐发电具有许多优点，因此具有较为广阔的发展前景。本文阐述了有关潮汐发电方面的四个问题, 即: 能源开发与潮汐发电; 潮汐发电的机组控制策略及水轮发电机组的工作原理; 潮汐发电的经济分析; 我国开发潮汐电站的前途。经过多年来对潮汐电站建设的研究和试点，不仅在技术上日趋成熟，而且在降低成本、提高经济效益方面也取得了很大进展。 关键词：潮汐能；控制策略；水轮机组；新能源；发展趋势0 引言全球海洋中所蕴藏的潮汐能约有27亿kW，可供开发的约占2%，即约5400万kW。全球电力市场到2000年已达8000亿美元并继续呈上升趋势。但是

2、，仍有2亿人的用电需求得不到满足，发展中国家的用电量以每8年翻一番的速度在增长。在满足用电需求的同时，降低石油等非再生资源的消耗，减少环境污染，开发新型环保电站迫在眉睫。潮汐能是一种不会给地球上未来人类带来污染和灾难的能源。前苏联的伯恩斯坦也指出利用这种昼夜间断断续续、一个月内波动起伏的潮汐能发电可以获得能量。在有条件利用潮汐能的沿海国家和地区，建设潮汐电站不失为缓解能源危机的一种方案。1 潮汐发电基本原理潮汐能是月球和太阳等天体的引力使海洋水位发生潮汐变化而产生的能量。潮汐能利用的主要方式是发电。潮汐发电的工作原理与常规水力发电的原理类似，它是利用潮水的涨落产生的水位差所具有的势能来发电。差

3、别在于海水与河水不同，蓄积的海水落差不大，但流量较大，并且呈间歇性，从而潮汐发电的水轮机的结构要适合低水头、大流量的特点。具体地说，就是在有条件的海湾或感潮河口建筑堤坝、闸门和厂房，将海湾（或河口）与外海隔开围成水库，并在闸坝内或发电站厂房内安装水轮发电机组。海洋潮位周期性的涨落过程曲线类似于正弦波。对水闸适当地进行启闭调节，使水库内水位的变化滞后于海面的变化，水库水位与外海潮位就会形成一定的高度差（即工作水头），从而驱动水轮发电机组发电（图1）的角度来看，就是将海水的势能和动能，通过水轮发电机组转化为电能的过程。图1 潮汐发电示意图2 潮汐水轮电站机组工作原理及控制策略潮汐电站采取了单库双向

4、的开发方式，水轮发电机组能够实现正向和反向的发电过程，正向发电是指水流通过水库流至海洋进行发电；反向发电是指海洋流动到水库的过程中进行发电。双向潮汐发电水轮机组受到涨朝和落朝的影响，水流动的双向流动使水轮发电机组有许多工况，并且工况转换比较频繁。潮汐电站的整个调度期间，包括多种动态因素，例如：正向和反向发电、正向和反向抽水、涨潮和落潮等。潮汐发电水轮机组的工作次序为：正向发电正向放水水轮机组关闭反向发电反向放水水轮机组关闭，并且按照这个顺序循环进行。为了能够提高双向潮汐发电水轮机组的工作效率，将模糊PID控制器应用于其控制之中（图2）。图2 双向潮汐发电机组PID控制系统示意图一般而言，可以将

5、误差e与误差变化率ec作为模糊PID控制器的输入，利用模糊推理的方式调节PID控制器的基本参数，分别为比例因子Kp、Ki、Kd进行调节，可以利用Kp、Ki、Kd输出调整PID控制器的参数。模糊PID控制器三个基本参数的作用可总结为：比例因子Kp提高双向潮汐发电水轮机组控制系统的响应速度、随着比例因子Kp的增加，控制系统的响应随之加快，从而使调节精度增加，同时也会带来一定的弊端，容易出现过大的超调量，随着比例因子Kp的降低，系统的调节精度随之减少，从而延缓系统的响应速度。积分因子Ki可以消除系统的稳态误差，随着积分因子Ki的增大，将带来过高的超调量，随着积分因子Ki的降低，则控制系统的静态误差不

6、易消除，进而使控制系统的调节精度下降。微分因子Kd可以控制偏差的变化方向，但是当微分因子Kd过大时，将增加系统的调节时间，并且使控制系统的抗干扰能力降低。4 潮汐电站的经济适用性分析及比较我国华东沿海是全国工农业最发达地区，但缺煤，少油，水力资源也不多，能源严重缺乏，而拥有全国92的潮汐能资源，其开发利用可促进该地区工农业生产的发展，带来显著的社会效益。潮汐电站的兴建对提高我国临海边远地区人民的生活水平具有重要意义。如已建成的一些小型潮汐电站，大都建在边远乡村或海岛，为农村解决照明、提水、加工、广播及村办企业的用电，对乡村经济发展起到了良好的作用。潮汐能具有的可再生、洁净能源属性，使在获得电能

7、的同时，不会污染生态环境，而且会净化、美化环境，增添旅游景点，如法国朗斯潮汐电站每年旅游收益超过了发电效益。电站供电可靠性是评价电站经济优越性的条件之一。因电站的突然停机造成的损失，不仅是电站本身电量不能输出的电价损失，更主要的是由于停电而使用户打乱生产秩序，其经济损失远大于电价损失。潮汐电能的可预见性，使电站供电具备了较大的能源可靠性，还由于潮汐能电站每天有确定时间停机，可安排检修，可靠性更强。在感潮河口建造潮汐电站，可以控制进、出库水量，提高沿岸农田抗旱、除涝、蓄淡、防坍等多方面功能。电站大坝还可阻挡台风暴潮的侵袭，提高库区沿岸堤防防御标准。电站水库还可为渔船和运输船只提供良好的避风港。与

8、其他传统能源相比，潮汐能源的利用具有显著的经济优势。与火电相比，潮汐发电不受一次能源分布不均，储量有限等问题的限制；不排放各种有害废物及气体，无大气污染、酸雨和水环境污染问题，节省相应的治污费用；可减少水力排灰废水和温排水等对水域的污染；不需运输煤炭，无运输成本。与水电相比，潮汐电站不需移民，不淹没农田，不会破坏生态环境，而且可结合围垦、水生养殖和海洋化工发展综合利用。如江厦潮汐电站促淤围垦5600亩土地，其中可耕地为4700亩，种植了水稻、棉花、油菜和柑桔等多种作物，年产值达411万元；在该电站水库内，养殖了对虾、青蟹、蛏子、花蚶等水产品，年产值高达3 270万元。种植、养殖2项净收入776

9、万元。某些情况下，潮汐电站还可替代造桥，方便交通。如法国朗斯潮汐电站的750 m长的大坝已成为交通要道，平均每天有2万多辆车通过。新建潮汐电站，可提高水库内水位，增大库区航深和航运能力。在发生地震或军事袭击等不可抗力引起的堤坝决口时，潮汐电站不存在水电那样淹没下游城市和农田等的危险，也不会像常规水力发电那样受气候条件变化的影响。5 潮汐能源技术的发展前景a潮汐电站的选型应根据站址的实际情况，并综合考虑经济、技术和生态环境保护等因素来选择。我国采用单库双向式已较为成熟，但仍有双向式技术的发展为潮汐能技术的更高效利用提供了新思路。b潮汐电站的水轮发电机，目前常用的是灯泡贯流式。但随着科技的进步，全

10、贯流式机组将是我国未来潮汐电站的首选机型。c兴建潮汐电站的施工方法现大多采用浮运法施工，但成本较高。技术发展方向为多向浮运法，从而降低电站的工程造价。d潮汐电站的金属部件和水工建筑需采用综合性的防腐防污技术，随着材料科学的不断进步，工程部件的使用寿命和安全程度已将大幅上升。6 结语电力供应不足是制约我国国民经济发展的重要因素，尤其是在东部沿海地区。另一方面我国海岸线漫长曲折，蕴藏着丰富的潮汐能资源。潮汐能发电具有可再生性、清洁性、可预报性等优点。经过多年来对潮汐电站建设的研究和试点，不仅在技术上日趋成熟，而且在降低成本，提高经济效益方面也取得了很大进展。潮汐能发电技术前景广阔。参考文献1 魏长宝，田进华，基于遗传算法的双向潮汐发电，大电机技术，2014（6）2 李书恒，郭 伟，朱大奎，潮汐发电技术的现状与前景，海洋科学，2006.30(12)3 易长松，吴希再，陆继明，毛承雄，王丹，潮汐发电机组励磁控制系统的特点与运行实践，中国可再生能源学会海洋能专业委员会第一届学术讨论会文集，2008（4）4 刁利， 谭忠富,