潮汐位能发电技术
Tidal Power Generation

前面介绍过潮汐能,潮汐能利用可分为两种形式:一是利用潮汐的动能,即直接利用潮流前进的力量来推动水轮机发电,称为潮流发电,但利用潮汐的动能对潮汐能的利用率非常低,目前应用较少。二是建坝利用潮汐的位能发电,是潮汐坝发电技术,也称为称为潮位发电,是目前应用较多的形式。

    潮汐位能发电站的原理

利用潮汐的位能就是营造水头,利用落差发电。在有条件的海湾或潮差大的河口建筑堤坝、闸门和水轮发电机厂房,将海湾(或河口)与外海隔开围成水库,对水闸适当地进行启闭调节,使库侧水位与海侧潮位形成一定的高度差(即工作水头),从而驱动水轮发电机组发电。

图1与图2显示了一个潮汐位能发电站的示意图,图1 是海水涨潮时水位高于水库水位,海水向水库流动推动水轮机运转。

海水涨潮时推动水轮机运转

图1  海水涨潮时推动水轮机运转

图2 是海水退潮时水位低于水库水位,水库水向海洋流动推动水轮机运转。

海水退潮时推动水轮机运转

图2  海水退潮时推动水轮机运转

这个原理与普通水利发电相似,与普通水利发电的差别在于蓄积的海水落差不大,并且呈间歇性,但流量大,所以潮汐发电的水轮机要适合低水头、大流量的特点。

实际上的潮汐位能电站要复杂些,有单库单向电站、单库双向电站和双库连续发电电站三种类型,下面介绍这三种潮汐发电站。

   单库单向电站

在海湾出口或河口处,建造堤坝、发电厂房和水闸,将海湾与外海分隔,形成水库。在涨潮时开启闸门将潮水充满水库,当落潮外海潮位下降时,产生一定落差,利用该落差推动水轮发电机组发电。这种电站只建造一个水库,而且只在落潮时发电,称为单库单向发电。图3左图是单库单向潮汐发电站布置示意图。

单库单向潮汐发电示意图

图3 单库单向潮汐发电示意图

图3右图是单库单向潮汐发电站运行工况示意图,运行工况可分为以下四个步骤:

(a)充水:开启水闸,水轮机停运,库外上涨的潮水经水闸进入水库,至库内外水位齐平为止。

(b)等候:水闸关闭,水轮机停运,水库内水位保持不变,库外水位因退潮差下降,待库内外水位差达到一定水头时,启动水轮机发电。

(c)发电:水库的水向库外流动推动机组发电,水库水位下降,直至与外海潮位的水位差小于机组发电需要的最小水头为止。

(d)等候:水轮机停运,水库水位保持不变,待库内外水位齐平后,转入下一循环。

由于每昼夜涨潮退潮各两次,故单库单向电站每昼夜发电两次,停运两次,平均每日发电约9~11小时。由于采用单向机组,机组结构简单,发电水头较大,机组效率较高。也可采用涨潮时充水发电,退潮时泄水的形式。单库单向电站多用于小型潮汐电站。

    单库双向电站

为了在涨落潮时都能发电,则建造单库双向电站。在海湾出口或河口处,建造堤坝、发电厂房和水闸,采用双向发电的水轮发电机组使涨落潮两向均能发电。图4左图是单库双向潮汐发电站布置示意图。

单库双向潮汐发电示意图

图4 单库双向潮汐发电示意图

图4右图是单库双向潮汐发电站运行工况示意图,运行工况可分为以下六个步骤:

(a)在海水开始涨潮时,库外潮位与水库水位之差不足以发电时,关闭闸门等待潮位上涨。

(b)库外潮位上涨与水库水位之差可以发电时,启动水轮发电机发电,闸门依然关闭。

(c)库外潮位开始退潮,潮位与水库水位之差不足以发电时停止水轮机发电,打开闸门让海水进入水库,直至两者水位相同时关闭闸门。

(d)水库保持水位,直到潮位降至水库水位以下可以发电时 。

(e)开启水轮发电机发电,直到潮位重新上涨与水库水位之差不可以发电时停止发电。

(f)打开闸门把水库中的水泄入海中,直到直至两者水位相同时关闭闸门。

关闭闸门后又进入等待状态,开始下一个循环。

单库双向电站每昼夜发电4次,停电4次,平均每日发电约14~16小时。跟单库单向电站相比,发电小时数约增长1/3,发电量约增加1/5。但由于兼顾正反两向发电,发电平均水头较单向发电小,相应机组单位千瓦造价比单向发电为高。设备制造和操作运行技术要求也高,宜在大中型电站中采用。

这种电站也可以采用单向发电机组,但从水工建筑物布置上要设置流道使涨潮和落潮时,使水流都能按同一方向进入和流出水轮机,从而使涨落潮两向均能发电,由于增加了流道与闸门,操作也麻烦,只在中小电站采用 。

    双库连续发电电站

    在海湾或河口处建造相邻的两个水库,各与外海用一个水闸相通,一个水库(高水库)在涨潮时进水;一个水库(低水库)在退潮时泄水,在两个水库之间有中间堤坝并设置发电厂房相连通,在潮汐涨落中,控制进水闸和出水闸,是高水库与低水库间始终保持一定落差,从而在水流由高水库流向低水库时连续不断发电。图5左图是双库连续潮汐发电站布置示意图。

双库连续潮汐发电示意图

图5 双库连续潮汐发电示意图

图5右图是双库连续潮汐发电站运行工况示意图,首先高水库在涨潮充满水,低水库在退潮时将水位泄至最低,开启水轮发电机发电,然后以四个步骤进行循环:

(a) 当海水水位在高水库水位与底水库水位之间时,关闭进水闸与泄水闸,此间由于水轮机运转,高水库水位逐步下降,低水库水位逐步上升。

(b)当海水涨潮时水位高于高水库水位,打开进水闸,充水到与海水水位相同时关闭进水闸,此间由于水轮机运转,低水库水位继续上升。

(c)海水退潮在水位低于高水库水位与高于低水库水位时,进水闸与泄水闸处关闭状态,由于水轮机运转,高水库水位逐步下降,低水库水位继续上升。

(d)海水退潮至低水库水位以下时,打开泄水闸,将低水库水位泄至海水水位时关闭泄水闸,此间由于水轮机运转,高水库水位逐步下降。

下步又进入(a)步骤继续循环。水闸与电站流量控制要点就是保持高水库与低水库间的落差,使水轮发电机组运转发电。

双库连续发电电站的优点十分明显,但要把一个大海湾或河口分隔成两个水库,使可用水库面积减小,而且工程建筑量大、分散、投资高。只有地形条件不用增建中间堤坝或少建中间堤坝,并利于布置厂房和水闸,才适合建设双库连续发电电站。

    

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