潮汐能与潮汐发电.ppt

新能源与分布式发电技术,第4章 潮汐与潮汐能发电,主讲人 朱晓荣,4 潮汐能与潮汐发电,关注的问题 潮汐是怎样形成的？ 人类从何时开始懂得潮汐能的利用，又是如何利用的？ 潮汐发电的原理是怎样的？ 潮汐电站什么样？ 潮汐发电有什么特点？ 潮汐发电的发展状况如何？ 教学目标 了解人类认识和利用潮汐历史， 了解或掌握潮汐资源的特征及其分布， 掌握潮汐发电的基本原理和潮汐电站的构成， 了解潮汐发电的发展应用情况。,4.1 人类对潮汐的认识和利用,我国古人把白天的海水涨落叫做“潮”，夜间的海水涨落叫做“汐”，合起来称为“潮汐”。, 4.1.1 人类对潮汐的认识,潮汐是由于太阳和月球对地球各处引力的不同所引起的海水有规律的、周期性的涨落现象。 太阳和月球引起的海水上涨，分别称为太阳潮和太阴潮。,4.1 人类对潮汐的认识和利用, 4.1.1 人类对潮汐的认识,俗话说：初一、十五涨大潮；初八、二十三，处处见海滩。 农历每月初一，太阳和月球位于地球同侧，三者近似在一条直线上，日月的引力方向相同，合力最大，形成大潮。 每月十五，日月在地球的两侧，太阳潮和太阴潮也能共同形成大潮（想想：为什么？） 当太阳和月球对地成直角方向时，太阳潮的落潮和太阴潮的涨潮，二者共同作用，相互抵消，形成潮势较弱的小潮。, 4.1.2 人类对潮汐的早期利用,潮汐是人类最早认识和利用的海洋动力资源。 我国对潮汐能的利用最早，可追溯到1300多年前的唐朝。 宋代有巧用潮汐建石桥的工程实例：洛阳桥，是一座长834米，宽7米跨江接海的大石桥，建于北宋年间。几十吨重的大石梁，怎么架到桥墩上去的呢？工匠发现当地高达6米的潮差可利用，涨潮时，将石料放在木排上，将木排引入两个桥墩之间，潮水上涨，慢慢高过桥墩；潮水下落，石料就落在石墩上了。 67 世纪，我国就有沿海居民利用潮汐磨来碾磨谷物。近些年在山东蓬莱地区发现了这种早期的潮汐磨。, 4.1.2 人类对潮汐的早期利用,10 世纪左右，在波斯湾，人们开始以潮汐能为动力驱动水车进行面粉加工。 1112 世纪，大西洋沿岸也出现了潮汐磨坊，有些一直沿用到20 世纪。 英国至今仍保留着一个12 世纪的潮汐磨，碾谷子供游客参观。 16 世纪，俄国沿海居民也使用过类似的潮汐能水磨，18 世纪，俄国还出现了以潮汐能为动力的锯木厂。,欧洲西海岸的潮汐磨房使早期工业国家走上发财至富的道路，并把它带到美洲新大陆。 到了20 世纪，潮汐能的魅力达到了高峰，人们开始懂得利用潮差能来发电。, 4.2 潮汐能资源 4.2.1 潮汐的描述和分类,用于描述潮汐的各个要素如图所示。,潮位基本点,海面的一涨一落两个过程为一个潮汐循环。 相邻的两次高潮（或低潮）间隔的平均时间，称为潮汐的平均周期。 按照一个太阴日（24小时50分钟）里有几个涨落周期，潮汐可分为半日潮、全日潮和混合潮三种类型。 半日潮：在一个太阴日里海面有两涨两落，半日完成一个周期。世界上多数海区的潮汐都是半日潮。 全日潮：在一个太阴日里只有一涨一落，一日完成一个周期。 混合潮：每日涨落两次和涨落一次混杂出现的潮汐。又分为不规则半日潮和不规则全日潮。, 4.2.1 潮汐的描述和分类, 4.2.2 潮汐能资源及其分布,海水涨落及潮水流动所产生的动能和势能称为潮汐能。 很多时候，将潮水流动所具有的动能称为潮流能，而潮汐能特指海水涨落形成的势能。 在各种海洋能资源中，潮汐能不是最多的，但却是目前经济技术条件下最为现实的一种。,4.2.2.1 世界潮汐能资源,联合国教科文组织数据，全世界潮汐能的理论蕴藏量约为30 亿千瓦，是目前全球发电能力的1.6 倍。估计技术上允许利用的约1 亿千瓦。 潮汐能大小直接与潮差有关，潮差越大，能量也就越大。在深海大洋中的潮差一般较小，潮汐能量并不大；而浅海、狭窄的海湾和某些河口区潮差较大。 实践证明，平均潮差3m 才有经济效益，否则难于实用化。,4.2.2.2 我国的潮汐能资源,据初步统计，全国潮汐能蕴藏量约为2.9 亿千瓦（比10个三峡电站还要多），年发电量可达2750 亿度，可供应一亿个城市家庭用电。 中国新能源与可再生能源1999 白皮书资料显示我国可开发潮汐能资源装机容量达2000 多万千瓦，年发电量可达600 多亿度。,据1982年可开发潮汐资源调查数据，福建、浙江可开发的潮汐能装机容量为1913万千瓦，年发电量为547亿千瓦时，占全国可开发利用潮汐能总装机容量的88.65%。,4.3 潮汐发电原理和电站构成,和内陆河川的水力发电相比，潮汐能的能量密度很低，相当于微水头发电的水平。 世界上平均潮差（多次潮差的平均值）的较大值约为1315m。 我国的最大平均潮差为8.9m，出现在浙江杭州的湾瞰浦。 潮汐发电和水力发电的基本原理是一样的，所用设备也大致相同。,4.3.1 潮汐发电的原理4.3.1.1 潮汐发电的方式,广义的潮汐发电，按能量利用的形式分为两种：一种是利用潮汐时流动的海水所具有的动能驱动水轮机带动发电机发电，称为潮流发电；一种是在河口、海湾处修筑堤坝形成水库，利用水库与海水之间的水位差所蓄积的势能来发电，称为潮位发电。,4.3.1.1 潮汐发电的方式,涨潮和落潮时，潮汐发电的原理如图所示。,4.3.1.2 潮汐电站的装机容量和发电量,电站的可能装机容量，理论上可根据潮汐势能大小计算。 例如，半日潮的潮汐电站装机容量P，可用公式计算：,式中 H 平均潮差（m）； S 水库平均面积（km2）。 若水面积为1 km2的水库、落差为3米时，可供发电的最大功率为1800kW；落差为7米时，可供发电的最大功率9800kW；落差为10米时，可供发电的最大功率20000kW 。,建潮汐电站时，年发电量可利用下面公式进行计算：,式中 a单向发电时取0.40，双向发电时取0.55； 可用这个公式估算潮汐能蕴藏量和潮汐电站的年发电量。,4.3.2 潮汐电站的结构,潮汐电站的选址： 潮汐电站可建在三角洲、河口、海滩或其它的受潮汐影响的海水伸展地带， 最好选在“口小肚大”的海湾上，这样只要修建一个短短的大坝，就可以围住很多海水，成为一个大水库。 潮汐电站的构成： 潮汐能电站是综合的建设工程，主要由拦水堤坝、水闸和发电厂三部分组成。 有通航要求的潮汐能电站还应设置船闸。,潮汐电站对水轮发电机组有特殊的要求，例如： 1）应满足潮汐低水头、大流量的水力特性； 2）在海水中工作时，防腐、防污、密封和发电机防潮； 3）需要性能好的开关设备，适应机组随潮汐涨落而频繁启动和停止；,4.3.3 潮汐电站的水轮发电机组,根据水轮机的布置和结构型式，潮汐电站所用的水轮发电机组有以下几类： （1）立轴定桨式水轮发电机组:水轮机和发电机的轴竖向连接，垂直于水面。水轮机置于混凝土水涡壳内，发电机置于厂房上部，厂房面积较大，工程投资偏高，进水管和尾水管弯曲较多，水能损失大，效率低。 （2）轴伸贯流式水轮发电机组：机组的轴卧置，发电机置于厂房内。进水管短，进水管和尾水管的弯度大大减小，因而厂房结构简单，水流能量损失较少。但尾管仍很长，所以需要厂房也较长。,4.3.3 潮汐电站的水轮发电机组,（3）竖井贯流式水轮发电机组：发电机置于具有流线型断面的竖井中。优点：运行方便，发电机通风冷却条件好。 （4）灯泡贯流式水轮发电机组：水轮机、发电机全部放在一个密封的混凝土灯泡体内，只有水轮机桨叶露在外面。灯泡体置于发电机厂房的水流道内。缺点：安装操作不方便，占用水道太多。 （5）全贯流式水轮发电机组：发电机定子置于水流道的周壁，水轮机和发电机转子则装在水流通道中的一个密闭体内。优点：体积较小，操作运行方便。缺点：定子和转子间的动密封难度大，设备不易制造。,4.3.3 潮汐电站的水轮发电机组,4.4 潮汐电站的类型,（1）单库单向潮汐电站,4.4 潮汐电站的类型,（1）单库单向潮汐电站,水流只在落潮时单方向通过水轮发电机组发电。 运动方式：涨潮时打开水库充水，到平潮时关闭闸门，落潮时打开水轮机阀门，使水通过水轮机组发电。 整个潮汐周期内，电站的运行按4个工况运行： (a) 充水工况(潮位高于水库水位)：电站停止发电，开启水闸，潮水进入水库，直至水库内外水位平齐为止。 (b) 等候工况(水库水位高于潮位，但水位差未达到水轮机组启动水头)：关闭水闸，保持水库水位不变，海洋侧因落潮而水位下降。 (c) 发电工况：水轮机组发电，水库水位下降，直至水库内外水位差小于发电所需最小水头。,4.4 潮汐电站的类型,（1）单库单向潮汐电站,(d) 等候工况：水轮机组停止运行，保持水库水位不变，海洋侧水位因涨潮而上升，直至水库内外水位平齐，转入下一个周期。 单方向发电，每日发电时间短，发电量较少。半日潮的地方，平均每天仅发电1012h，潮汐能不能充分利用，电站效率仅为22%。 优点是结构简单，投资较少。 我国多数小型潮汐电站采用这种形式。例如，浙江的岳浦潮汐电站和山东的白沙口潮汐电站。,（2）单库双向潮汐电站,4.4 潮汐电站的类型,4.4 潮汐电站的类型,（2）单库双向潮汐电站,只有一个水库，但在涨潮时或落潮时都可发电。只有水库内外水位相平时，才不能发电。 整个潮汐周期内，电站有等候、涨潮发电、充水、等候、落潮发电、泄水6个工况运行。 结构上较单库单向潮汐电站复杂，但每日发电时间长，发电量较多，一般每天可发电1620h，能较为充分的利用潮汐的能量。 适宜于大中型电站。浙江温岭的江厦潮汐电站（1980年建，总装机容量3.2MW），江苏太仓浏河潮汐电站（1976年建，总装机容量150kW ）采用这种形式。,（3）双库连续发电潮汐电站,4.4 潮汐电站的类型,4.4 潮汐电站的类型,（3）双库连续发电潮汐电站,有两个水库，一个专门进潮（称为上水库），一个水库专门出潮（称为下水库），在两个水库之间设置发电厂房并相连通。 涨潮时潮位高于上库水位，上水库打开闸门进水，水位增高；下水库闸门关闭，水位不变。 上、下水库的水位达到一定落差时，开启电站阀门，水从上水库流向下水库，驱动发电机发电。 过了高潮，当潮位降到与上水库水位相等时，关闭上水库闸门。由于上、下水库仍保持一定落差，可以继续发电。,4.4 潮汐电站的类型,（3）双库连续发电潮汐电站,当潮位降低到低于下水库水位时，打开下水口的闸门，下水库水位下降，使上下水库之间保持一定的落差，从而继续发电。 海面经过低潮后开始回升，当潮位与下水库水位相等时，关闭下水库闸门。 在潮汐涨落中，通过控制进水阀和出水阀，使高水库和低水库间始终保持一定落差，从而实现连续发电。 效率较单库单向形式提高34%，但建筑物多，工程投资高，经济上不合算，实际应用不多。,4.5 潮汐发电的特点,4.5.1 潮汐发电的优点,主要包括： （1）潮汐能源可循环再生。 （2）潮汐变化有规律，发电输出没有季节性。 （3）靠近用电中心，不消耗燃料，运行费用低。 （4）潮汐发电不排放有害物质，不会污染环境。 （5）潮汐电站建设不需淹地、移民，还可以综合利用。,4.5.2 潮汐发电的不足,作为新兴的电力能源，目前也存在一些不足。 （1）发电出力有间歇性。 （2）水头低，发电效率不高。 （3）工程复杂，建设投资大。 （4）关于泥沙淤积问题的疑虑。,4.5 潮汐发电的特点,4.6 潮汐发电的发展,潮汐发电研究已有 100 多年历史，最早从欧洲开始，德国和法国走在最前面。发电成为潮汐能利用的主要发展方向。 19 世纪末，法国人提出兴建潮汐能发电站的设想。 1912 年世界上第一座潮汐能电站（布苏姆潮汐电站）建成于德国，装机容量5kW，第一次世界大战期间遭破坏。 1913 年法国的潮汐电站成功的进行了发电试验，接着又在布列塔尼岛建了一座容量为1865kW 的潮汐电站。,4.6.1 世界潮汐发电的发展,直到1960s，潮汐发电才在世界范围内有了较快发展。 1967 年，法国建成朗斯电站（装机240MW，平均潮差8.5m），是世界上第一座具经济价值的生产性潮汐发电站，标志着潮汐发电进入了实用阶段。 前苏联、英国、美国、加拿大、瑞典、丹麦、挪威、印度等国，也都陆续研究，相继建成一批潮汐发电站。 联合国开发论坛曾估计，2000 年世界潮汐发电可达300 至600 亿千瓦时，实际进展却没有这么快。初步统计，全世界潮汐电站的总装机为26.5 万千瓦(265MW)。 预计到2020 年，世界潮汐电站发电总量将达120 亿到600 亿千瓦时。,世界之最： 世界上最早的潮汐电站：1921年，德国布苏姆潮汐电站，装机容量5kW。 世界上装机容量最大的潮汐电站：法国朗斯潮汐电站，装机容量240MW，共有24台10MW的水轮机和可逆式灯泡发电机组。 世界上第一座具经济价值的生产性潮汐发电站：法国朗斯潮汐电站，1967年。 世界上单机容量最大的潮汐电站：加拿大安纳波利斯潮汐实验电站。建成于1984年，采用单库单向形式，采用20MW的全贯流水轮发电机组。,4.6.2 我国潮汐发电的发展,中国是世界上建造潮汐电站最多的国家。 1950s1970s，先后建了约50 座潮汐电站，但据1980s初的统计，其中大多数已经不再使用。 例如，1977年初广西曾在钦州果子山建成一座小型的实验性潮汐电站，那里平均潮差只有2m，发电量不大，1983年发电机坏了后，就停止了发电，改用水轮机粉碎饲料，变成了潮汐动力站，而其蓄水库后来改为虾塘。 我国的潮差偏小，平均潮差都5m，因而潮汐发电的经济效益不会太高，电站设计须着眼于大坝建造所带来的交通、围垦、滩涂等资源的综合利用效益上。,目前，中国有7 个潮汐电站仍正常运行发电，总装机容量7245 千瓦，每年可发电1000 多万千瓦时。 其中最大的三个如表所示。,(MW),中国之最,中国第一座潮汐电站:浙江临海的西桥村潮汐电站，建于1959年，安装了2台60kW的机组。 中国最大的潮汐电站：浙江温岭的江厦潮汐电站，现在总装机容量3.9MW，世界排名第三。电站采用单库双向运行方式，采用双向贯流灯泡式机组，水库面积1.58km2,平均潮差5m，最大潮差8.4m，潮汐基本属于半日潮。,中国之最,