增加水位差连续发电的多机组双库单向式潮汐电站的制作方法

潮汐能发电、清洁能源。

背景技术：

大海每天有两次涨潮和两次落潮，日潮为潮，夜潮为汐。在潮汐涨落中所产生的巨大能量叫潮汐能。目前全世界潮汐能开发很少，原因是潮汐能发电的潮汐能利用率很低，单库单向式潮汐电站(图4)每天发电时间为10-12小时；单库双向式潮汐电站(图5)每天发电时间为16-20小时^[1]。发电时间短，潮力没有充分利用，发电量少(见表1)，开发成本高，使有意开发者望而止步。上世纪70年代末，国家建设了一批较大的潮汐电站，包括江厦、幸福洋、白沙口、海山等潮汐电站，总装机约近6000KW。但现在真正发电运行的仅剩江厦和海山两座潮汐电站。

海山电站目前也处于半运营状态，除江厦潮汐电站外，其它电站或是发展房地产，或是发展养殖业，已经纷纷转行了。

江厦电站站长颜建华曾告诉记者说^[2]，虽然我国的潮汐电站技术世界领先，但发电成本仍然是目前阻碍潮汐电站发展的最重要因素。目前江夏电站的上网电价是2.58元/度，竞争不过光伏与风电。这也是近年来世界上没有上马大型潮汐发电站的主要原因。

图4单库单向式潮汐电站落潮发电示意图

图5单库双向式潮汐电站涨潮和落潮发电示意图

技术实现要素：

为了克服目前单库潮汐电站发电量少成本过高，制约潮汐发电的长足发展。本潮汐电站采用双库、增加水位差和多机组发电的新方法，新工艺，使潮汐电站每天24小时连续发电，发电量成10倍增长。

所谓“增加水位差连续发电的多机组双库单向式潮汐电站”就是增加了水位差发电，每天24小时连续不断发电，海水通过水道单向流入多机组水轮发电机发电的双库潮汐电站。以下简称：多机组双库单向式潮汐电站。

(1)本潮汐电站解决技术问题的方案是(图1)

电站主要有两座水库(下库和上库)，3座水闸，1座水道，水轮发电机组和水泵组。

下库：在有潮汐的海湾或河口筑1条大坝把靠海的河口或海湾与大海隔开，造成1座天然水库，取名下库，它的深度由潮差和发电量来定，其作用是提升电站发电的水位差和存放发电后流入的海水。

上库：在下库旁边的陆地(海滩)上，并于大海相邻修建1个蓄水池，取名上库，(单机组)它的面积是下库的0.5，但多机组上库的面积大于下库的面积，深度等于潮差的高度，大海落潮到波谷时是库底的基础高度，其作用是大海涨潮时蓄水，落潮时放水发电。

水闸：修建3座，甲闸使水道与大海相通，涨潮时，当潮水涨到潮差的一半时闸门开，放海水发电，落潮1米时闸门关，阻止水道内海水流入大海；乙闸使水道与上库相通，涨潮时闸门关，上库蓄水，落潮1米时闸门开，放上库海水发电；丙闸使上库与大海相通，涨潮时闸门开，上库蓄水，水满闸门关。

水道：在上库、下库和大海三者之间的海滩上修建1座3通水道，其作用是让两路海水流向一处，它是海水发电的水路。

水轮发电机组：安装在厂房里，双库单向发电。

水泵组：安装在下库里，其作用是大海每次落潮到波谷时，将下库海水抽入大海。

再增加输配电设备和起吊设备电站建成。

(2)制造水位差发电

a.电站建成后，关闭甲乙两闸门，大海落潮到波谷(DEF)时，大海的水位为0，首先用水泵将下库的水位抽低于本潮汐电站的平均潮差2倍尺寸(即X)见图2。例：平均潮差5米的潮汐电站，要将下库的水位抽低10米(大海每次落潮抽低1米，5天10次落潮抽到位)，使平时下库的水位低于落潮时海平面10米。

为什么要将下库的水位抽低到本电站的平均潮差2倍尺寸呢？

看图3(数据来自表3)。

从图中可以看出潮汐电站下库水位差增加，发电量也在增加，但增速递减，下库水位为0时，潮汐电站年发电量为10×10⁶S，下库水位为-20米(潮差的4倍)时，潮汐电站净年发电量最高，为100×10⁶S是0水位时的10倍，下库水位为-10米(潮差的2倍)时，潮汐电站净年发电量为80×10⁶S是0水位的8倍，水位从-10米降低到-20米也是10米水位，净年发电量从80×10⁶S增加到100×10⁶S，只增加20×10⁶S，为0水位时发电量的2倍，说明水位差的增加和发电量的增加不同步，增加水位差的优势没有充分发挥，为了充分利用下库水位差发电，下库的水位不用抽低到最高净年发电量时的-20米，只要-10米(最高净年发电量时水位的0.5，即x)，也是本潮汐电站的平均潮差2倍尺寸，虽然-10米水位差时的年发电量不是最高，但发电量大，损耗小，此时的下库水位适合多机组(n组)同时发电，所以年发电量不但不减反而成10倍增长，见表4。

发电时，海水流入下库，下库水位上升，为了确保下库水位可控，在发电前，大海落潮到波谷(DEF)时，下库的水位为-10米，再用水泵将下库的水位抽低h米，抽水时开机关机的时间一定要详细的记录，还要记下水泵的型号和数量以备后用。以后大海每次落潮都要将下库的水位抽低h米。

h：为一台水轮发电机组(单机组)12小时流量的海水使下库的水位升高的尺寸。

例：已知下库面积136万平方米，平均潮差5米，一台水轮发电机组流量30立方米/秒。

水轮发电机组12小时的流量为：30×3600×12＝129.6万立方米

则h＝129.6÷136＝0.95米

问：h这个数要多大好呢？

答：h这个数在0.95～1.0之间比较好，不能太小，太小了说明水轮发电机流量小，和下库的面积不匹配，发电量少，h＞1时水泵抽水耗电量大，成本高。实际计算时0.95～1.0之间的数，四舍五入看作1(即h≈1)。下库两次抽低水位，下库的水位低于落潮时海平面11米，涨潮到波峰时，大海和下库有16米水位差。

b.发电(单机组)：涨潮时，打开丙闸门，潮水流入上库，潮水继续上涨，直到波峰(B点)，上库水满关闭丙闸门(备用)；同时当潮水涨到潮差的一半(A点)时，打开甲闸门放海水过水道冲击水轮发电机发电，发电后的海水流入下库，潮水继续上涨直到波峰(B点)，发电继续，过了波峰开始落潮发电还在继续，潮水落1米(C点)时，发电仍然继续不断；这时首先打开乙闸门，放上库的海水继续发电，同时关闭甲闸门，阻止海水流入大海，发电继续，直到上库水位和潮水位一致时转入下一个周期，继续发电。

发电时，下库的水位上升，但上升的高度始终在h的范围之内。

双库单向式潮汐电站(单机组)，不同潮差时的净年发电量见表2。

(3)充分利用下库水位差多机组发电

前面提到多机组(n组)同时发电，年发电量不减反而成10倍增长，这里首先要确定n这个数，n＝x-1，

因为h≈1，x是最高净年发电量时水位的0.5，x等于多少就是多少个h。如果不要最大数，在这个数内根据需要可以任意选一个数。

选择多机组时，发电机组增加几倍，水泵组和上库的面积也要同时增加几倍。

例：平均潮差5米的潮汐电站，n＝9，上库的面积为0.5×9＝4.5，为4.5个下库面积，水轮发电机组和水泵组由单机组变成多机组(9组)。

发电前，大海落潮到波谷时，每一水轮发电机组的水泵再将下库的水位各抽低h米，涨潮时按前述方法发电。

由表4可知，多机组(9组)双库单向式潮汐电站的净年发电量由83.8×10⁶S变成83.8×9×10⁶S＝754.2×10⁶S

目前平均潮差5米的单库单向式潮汐电站年发电量为10×10⁶S(KW·h)见表1

754.2×10⁶S÷10×10⁶S＝75.42

平均潮差5米的多机组(9组)双库单向式潮汐电站的净年发电量是单库单向式潮汐电站年发电量的75倍。

目前潮差5米的单库双向式潮汐电站的年发电量为13.75×10⁶S(KW·h)见表1。

754.2×10⁶S÷13.75×10⁶S＝54.85

平均潮差5米的多机组(9组)双库单向式潮汐电站的净年发电量是单库双向式潮汐电站年发电量的54倍。

(4)多机组双库单向式潮汐电站的造价

多机组双库单向式潮汐电站的规模大，造价比单库潮汐电站的造价高，到底高多少呢？

以5.1米潮差的江厦电站为例，如果有1座水库它的面积和江厦水库一样大，现在要建1座多机组双库单向式潮汐电站造价是多少呢？

江厦电站有水轮发电机组5组约占总造价的50％，水库1座水工建筑在潮汐电站中约占总造价的45％^[1]，加上其它费用占总造价的5％，就是100％(江厦潮汐电站的总造价为1)。

多机组双库单向式潮汐电站有水轮发电机组9组约占总造价的90％(即为0.9)。

下库1座。上库1座，上库的面积是下库的4.5倍(0.5×9)，上下两库的面积之和为5.5座下库。

1座水库水工建筑在潮汐电站中占总造价的45％，5.5座水库水工建筑在潮汐电站中占总造价的248％(即2.48)。

多机组双库单向式潮汐电站中又增加了水泵组9组，水泵组造价按水轮发电机2.5倍造价计算(因为每一机组要在落潮短时间抽掉下库1米深的海水，必须要增加水泵数量)。水泵组的总造价为225％(即为2.25)，加上其它用费占总造价的30％(即为0.3)。

5.1米潮差的多机组双库单向式潮汐电站的总造价为江厦电站的总造价6倍(0.9+2.48+2.25+0.3＝5.93≈6)。

这是其中一例，但机组数量不同，造价不一样，潮差不同，造价也不一样。

(5)和现有潮汐电站相比

a.以江厦电站为例，多机组(9组)双库单向式潮汐电站的总造价是江厦电站的6倍，但多机组(9组)双库单向式潮汐电站的发电量是江厦电站发电量的54倍。

b.潮汐能得到充分利用，同时降低了成本，解决了目前制约潮汐发电成本过高的关键问题。

c.每天24小时连续发电，解决了潮汐电站间断性发电问题，有效解决了电力补偿问题。

d.平均潮差2米以上(包括2米)的海湾都能修建本潮汐电站，使选址建站的地方增加^[3]。

图1增加水位差连续发电的多机组双库单向式潮汐电站结构及布局示意图

图2增加水位差连续发电的多机组双库单向式潮汐电站涨潮和落潮发电运行示意图

图3平均潮差5米的潮汐电站(单机组)下库水位不同获得不同的净年发电量

附图说明

图4.单库单向式潮汐电站，涨潮时不发电，落潮时发电，每天发电10-12小时，发电时间短，水头小(阴影部分)，发电量很少。

图5.单库双向式潮汐电站，涨潮和落潮都发电，每天发电16-20小时，发电时间也短，水头小，发电量少，发电不连续，间断性发电(阴影部分)。

图1.增加水位差连续发电的多机组双库单向式潮汐电站结构及布局示意图。

在海湾筑堤坝修一水库(下库)，在水库旁边的海滩上修一蓄水池取名上库，(单机组)上库的面积是下库面积的0.5。但多机组上库的面积大于下库的面积。

在上库下库和大海三者之间的海滩上修一水道，它是海水发电的水路通道。

水闸三座控制水库的水位和放水发电。

在水道下方的厂房里安装水轮发电机，双库单向发电

在下库安装水泵，落潮时将下库的海水抽入大海。

图2.增加水位差连续发电的多机组双库单向式潮汐电站涨潮和落潮发电运行示意图

图中的曲线是大海中的潮水每天24小时涨落变化的过程，潮水涨到最高位置(B点)为波峰，潮水落到最低位置(DEF点)为波谷。

涨潮时，丙闸开、乙闸关、上库蓄水，潮水涨到波峰时上库水满关闭丙闸门(备用)；同时潮水涨到潮差的一半(A点)时，甲闸开，放海水发电，潮水继续上涨直到波峰(B点)发电继续，过了波峰开始落潮发电还在继续，潮水落1米(C点)时，发电仍然继续不断；这时首先打开乙闸门，甲闸关，上库放水发电直到上库水位和潮水位一致时转入下一个周期，继续发电。

发电时，下库水位上升，但上升的高度始终在h的范围之内。

图3平均潮差5米的潮汐电站(单机组)下库水位不同获得不同的净年发电量

图中0表示大海落潮到波谷时的水位。

-24米表示下库的水位是负24米。

图中的数据是根据中国的经验公式计算的，图中可以看出随着水位差的增加，发电量也在增加，但增速递减，到了-20米的水位时年发电量最高，超过-20米水位发电量不增反而逐步减少。

-20米水位时的净年发电量是目前单库单向式潮汐电站年发电量的10倍。

-10米水位时的净年发电量是目前单库单向式潮汐电站年发电量的8倍。

具体实施方式

例：平均潮差5米的潮汐电站，多机组(n＝9组)同时发电

电站在设计时，第一要根据地形合理布局，从提高发电量考虑，要求水轮发电机、水泵、水闸和输配电设备、起吊设备之间的距离要短，减少线路损耗；第二，采购设备时，如变压器、水轮发电机、水泵等，要求选择损耗小、效率高的优质产品，确保电站综合效率达到80％。这两点很关键。

1.采用增加水位差连续发电的多机组双库单向式潮汐电站(图1)的结构及布局。

下库：在平均潮差5米的海湾和河口筑一条大坝，把靠海的河口或海湾与大海隔开，造成一个天然的水库，水库的深度大于20米。

上库：在下库旁边的陆地(海滩)上，修建一个蓄水池，它的面积是下库面积的4.5倍，大海水位为0时，是库底的基础高度，深度等于潮差(考虑到海面刮大风，防止上库海水流失，适当增加堤坝高度)。

水道：在大海、上库和下库之间的海滩上修建3通水道1座。

水闸：修建3座，甲闸1座使水道与大海相通，乙闸1座使水道和上库相通，丙闸1座使上库与大海相通。

水轮发电机组(9组)：安装在下库厂房里。

水泵组(9组)：安装在下库里。

输配电设备和起吊设备配套，电站建成。

2.制造水位差

电站建成后，大海落潮到波谷(DEF)时，大海的水位为0，关闭甲乙两闸门，首先用水泵将下库的水位抽低10米，使下库的水位低于落潮时海平面10米(即X)。

发电前，大海落潮到波谷(DEF)时，下库的水位为-10米，每一发电机组用水泵再将下库的水位各抽低h米(h≈1)，9组共抽低9米，并作详细记录，以后每次落潮下库水位都抽低9米，作记录。

3.充分利用下库水位差多机组发电

涨潮时，打开丙闸门，潮水流入上库，潮水继续上涨直到波峰(B点)时，上库水满关闭丙闸门(备用)；同时当潮水涨到潮差的一半(A点)时，打开甲闸门放海水过水道冲击水轮发电机发电，发电后的海水流入下库，潮水继续上涨直到波峰(B点)，发电继续，过了波峰开始落潮发电还在继续，潮水落1米(C点)时，发电仍然继续不断，这时首先打开乙闸门，放上库海水继续发电，同时关闭甲闸门，阻止海水流入大海，发电继续直到上库水位和潮水位一致时，转入下一个周期，继续发电。

附表：表1目前潮汐电站年发电量

表2增加水位差连续发电的双库单向式潮汐电站(单机组)不同潮差时的净年发电量

@净年发电量，即减去抽水损耗的发电量。

说明：这里x和h也是水位差，可以和H一样代入公式中。

*计算公式：F＝0.8×10⁶H²S

计算实例：平均潮差2米的潮汐电站 x＝4，h＝1，H＝7，则

F₇＝0.8×10⁶H²S＝0.8×10⁶×7²S＝39.2×10⁶S(潮汐电站年发电量)

1.25F₅＝1.25×0.8×10⁶(x+h)²S＝(4+1)²×10⁶S＝25×10⁶S(抽水年耗电量)

F₂＝F₇-1.25F₅＝39.2×10⁶S-25×10⁶S＝14.2×10⁶S(净年发电量)

表3平均潮差5米的潮汐电站下库水位不同获得不同的净年发电量(单机组)*

说明：这里x也是水位差，可以和H一样代入公式中。

*计算实例：x＝11，H＝16，则

F₁₆＝0.8×10⁶H²S＝0.8×10⁶×16²S＝204.8×10⁶S(潮汐电站年发电量)

1.25F₁₁＝1.25×0.8×10⁶H²S＝1.25×0.8×11²×10⁶S＝121×10⁶S(抽水年耗电量)

F＝F₁₆-1.25F₁₁＝204.8×10⁶S-121×10⁶S＝83.8×10⁶S(净年发电量)

表4增加水位差连续发电的双库单向式潮汐电站(多机组)的净年发电量

说明：表中单机组净年发电量来自表2。

附件1：潮汐电站发电量的计算

潮汐电站发电量一般用经验公式计算，中国经验公式^[1]如下。

(1)单库单向式潮汐电站年发电量E＝0.40×10⁶A²F(KW·h) (1)

式中E-年发电量(KW·h)；

A-平均潮差(m)；

F-水库平均面积(Km²)。

(2)单库双向式潮汐电站年发电量E＝0.55×10⁶A²F(KW·h) (2)

以上两个公式，前者是每天发电10-12小时的年发电量计算公式；后者是每天发电16-20小时的年发电量计算公式。但没有每天24小时发电的年发电量计算公式。本文借用单库单向式潮汐电站年发电量计算公式乘以2来计算每天24小时发电的年发电量。因为本潮汐电站每天24小时发电，发电时间正好是单库单向式潮汐电站的2倍。即

2E＝2×0.40×10⁶A²F(KW·h)

为了简便把公式中2E改为F，2×0.40写成0.80，A改为H，公式中F改为S。

改变后的公式：F＝0.8×10⁶H²S(KW·h) (3)

式中F-年发电量(KW·h)；

H-平均水位差(m)；

S-下库平均面积(Km²)。

解释一下：年发电量2E改为F更简便，符合现代公式写法，公式中F改为S是不让年发电量和水库面积混淆，A是平均潮差，符合单库潮汐电站计算，H是平均潮差A加下库抽低水位X与h之和(H＝A+X+h)，称平均水位差，书中也称潮差为水位差^[3]，所以公式符合要求。

有了年发电量的计算公式还不够。如前所说，大海每次落潮，用水泵将下库的水位抽低h米。抽水是要耗电的，它的损耗是多少呢？

天荒坪抽水蓄能电站的综合效率达到80％以上^[4-6]。由此推测，抽水蓄能的损耗为20％以下(综合效率达不到80％时，发电量大打折扣)。

前面已知海面平均潮差5米，下库面积136万米²，求本潮汐电站净年发电量。首先算出下库每年排水入海的耗电量，下库每年排水入海的耗电量为11米水位差的年发电量(F₁₁)加上20％的损耗(乘以1.25)。即

1.25F₁₁＝1.25×0.8×10⁶H²S＝1.25×0.8×10⁶×11²×1.36＝164.56×10⁶(KW·h)

再利用式(3)算出16米水位差的年发电量(F₁₆)如下。

F₁₆＝0.8×10⁶H²S＝0.8×10⁶×16²×1.36＝278.52×10⁶(KW·h)

本潮汐电站获得的净年发电量(F₅)

F₅＝F₁₆-1.25F₁₁＝278.52×10⁶-164.56×10⁶＝113.96×10⁶(KW·h)

目前，单库单向式潮汐电站年发电量计算如下。根据式(1)，

E_5单＝0.40×10⁶A²F＝0.40×10⁶×5²×1.36＝13.6×10⁶(KW·h)

本潮汐电站获得的净年发电量是目前单库单向式潮汐电站年发电量8倍：

(113.96×10⁶)÷(13.6×10⁶)＝8.38

目前单库双向式潮汐电站年发电量

E_5双＝0.55×10⁶A²F＝0.55×5²×1.36×10⁶＝18.7×10⁶(KW·h)

本潮汐电站获得的净年发电量是目前单库双向式潮汐电站年发电量的6倍：

(113.96×10⁶)÷(18.7×10⁶)＝6.09

平均潮差2m、3m、4m、5m、6m、7m、8m和9m的海平面，按照以上方法均可计算出它们的净年发电量。目前潮汐电站年发电量按照中国经验公式计算如表1。

本潮汐电站(单机组)净年发电量按照公式(3)计算，结果如表2.

对比表1和表2可以看出，本潮汐电站(单机组)净年发电量都是目前单库单向式潮汐电站年发电量的8倍或单库双向式潮汐电站年发电量的6倍。

附件2：潮汐电站附图(见说明书附图)

参考文献：

[1]王长贵，崔容强，周篁，新能源发电技术，中国电力出版社，2003，北京。

[2]肖蔷，潮汐能发电何去何从，中国能源报，2013.4.3.

[3]肖刚，马强，马丽，海洋能——日月与大海的结晶，第5页，104～105页，武汉大学出版社，2013.7，武汉。

[4]互联网，天荒坪抽水蓄能电站建设，华东勘测设计研究院科技信息部。

[5]互联网，天荒坪抽水蓄能电站横空出世，记者史舒频。

[6]互联网，浙江安吉-天荒坪抽水蓄能电站，2010.3.1.