中国潮汐能资源评估与开发利用研究进展

武贺，王鑫，李守宏

（国家海洋技术中心，天津 300112）

能源是人类赖以生存和进行生产活动的重要物质基础，在经济发展中占有举足轻重的地位。当前，随着煤、石油、天然气等化石燃料逐渐枯竭和温室气体过量排放引起的全球变暖，发展清洁能源已成为世界发达国家的必然选择，海洋可再生能源作为一类清洁、可再生、不占用沿海稀缺陆地资源的可再生能源，越来越受到世界各沿海国家重视，尤其是英国、德国、法国、美国、加拿大、日本、韩国等沿海发达国家，都出台了一系列法律和优惠政策，如开展海洋能资源调查评估、为能源装备研发制造提供经费补助、实施电力上网补贴、建设海洋能测试服务中心等，使海洋能开发利用得到了快速发展。

我国是一个能源生产和消费大国，同样也面临着能源危机和环境污染问题，一直以来都十分重视可再生能源的发展，其《可再生能源发展“十二五”规划》中指出，预计到2015年，可再生能源年利用量达到4.78 亿吨标准煤，商品化可再生能源年利用量达到4 亿吨标准煤，在能源消费中的比重达到9.5%以上，其中各类海洋能电站5 万千瓦。我国有长达18 000 多公里的大陆海岸线，加上5 000 多个岛屿的14 000 多公里海岸线，共约32 000 多公里的海岸线，在如此辽阔的近岸海域中蕴藏着丰富的潮汐能资源。尽管我国早在20世纪50年代便开始利用潮汐能，但受制于当时技术水平、发电成本、环境变化等诸多因素的影响，潮汐能开发利用技术发展缓慢，随着法国朗斯、我国江厦等潮汐电站的长期成功运行，潮汐能发电技术已成为成熟度等级最高、利用前景广阔的一类海洋可再生能源开发利用技术。为此，本文回顾了我国潮汐能资源调查、评估和示范工程建设的历史和现状，总结了前期工作中的成果和存在的问题，并对未来我国潮汐能开发利用前景进行了展望，以期为我国合理开发利用潮汐能资源提供决策依据。

1 潮汐能的特点和开发形式

潮汐能的主要表现形式是潮汐发电，即利用海湾、河口等有利地形，构建水坝，形成水库，以便大量蓄积海水，并在坝中或坝旁建造水利发电厂房，通过水轮发电机组进行发电。显然，潮汐能开发利用的优点十分明显（王传崑等，2009；程振兴等，2010），主要包括清洁无污染、资源相对稳定，可准确预报、不存在人口迁移、可综合利用，且堤坝不高，也就不会因为战争、自然灾害等因素导致水坝破坏而对下游城市的人民生命和财产安全造成严重影响。此外，潮汐电站还具有运行费用低廉、无须备用机组等特点（方国洪等，1986）。当然，开发利用潮汐能也存在着一些不足之处。例如，较传统能源密度低且出力不稳定、建坝一次性投入较大、一定的生态影响，以及腐蚀和淤积问题（沈东方等，2014）。

尽管如此，随着现代技术水平的不断发展和提高，潮汐发电所存在的上述问题正在逐步得到改善。例如，采用双向或多水库发电、利用抽水蓄能、纳入电网调节等措施；采用现代化浮运沉箱进行施工以节约土建投资；采用不锈钢制作机组、选用乙烯树脂系列涂料等可以克服海水的腐蚀及海洋生物的粘附等。因此，潮汐能开发利用总体上仍是优势大于劣势，著名的法国朗斯潮汐电站长期稳定有效的运行就足以说明这一点。

潮汐能的开发形式较多（张超，2005；李允武，2008），从水库的数目上区分，可分为单库式和双库式两种。其中，双库式又分为高低库和大小库，我国在浙江乐清湾内的茅埏岛上建立的海山潮汐电站便采用了高低双库开发方式；而单库式开发则又可分为单向式和双向式。另外，由于传统的潮汐发电多利用港湾、河口的天然条件建造拦潮坝，对坝内外的水动力和生态环境状况、通航等产生一定影响，因此20 世纪90年代提出了一种无须占用宝贵天然港口或海湾的潮汐发电技术，即泄湖式（lagoon） 潮汐能开发利用技术，我国将其称之为“海上潮汐发电”技术（朱晓红，2003）。近期，许雪峰等（2010；2013） 提出了一种新的潮汐能开发方式，即利用海湾内外的动态水位差进行潮汐发电。其基本原理是，由于海水到达海湾底部和海湾外部的时间（即潮时） 并不一致，这将导致海湾底部潮时的延迟，因而形成了海湾内外的动态水位差，而这一水位差则可作为潮汐发电的水头。数值模拟结果表明，该潮汐能的开发方式是可行的，且能极大地提高潮汐能的利用效率。

李允武（2008） 指出，单库潮汐能开发方式是导致间歇性发电的主要原因，而双库式（高低库和大小库） 则可以弥补其不足。高低库即是将水库分割为高、低双库，其中高库专司在高潮位时蓄水，而低库则只在低潮位时出水。于是，高库终日保持高水位，而低库则终日保持较低水位，两库间总存在着水位差，将水轮发电机布放在两库之间，便可终日发电。但需要指出的是，由于将库容一分为二，库容利用率减半，发电量也随之下降，因而显得不太经济。而大、小双库则是将电站水库分为正常发电水库和补充发电水库两部分，其库容比约为3∶1 左右，使其彼此轮流互补发电，可以达到连续不断的发电效果。与前者相比，大小双库的库容虽同样一分为二，但两库均可以发挥独立发电的效用，其发电量丝毫不比单库的开发方式少，且因小库停机蓄能时间内可以集中较大水位差，使同样体积的水量发出更多的电量，从而使得大小双库的总发电量甚至可能超过单库的发电量。

2 潮汐能资源的估算方法

目前，潮汐能资源的分析和估算方法主要包括两类。一类是基于潮汐势能做功理论的总量简易估算方法，另一类是近期由Xia等（2012；2010） 提出的基于潮汐数值模拟技术的估算方法。

2.1 简易估算方法

尔·勃·伯恩斯坦（1996） 等认为，潮汐电站的能量是由潮汐在一年间每一次涨落周期内所做的功来表示的，因此表达其电站功率的要素不是水利电站所用的流量和水头，而是潮汐水库的面积和潮差。该方法假设海域内在涨落潮中没有水面坡度，即整个海域的水面同时升、降，而且可以瞬时充满、泄尽水库，这样对于正规半日潮海域，潮汐在一次涨落（半个潮周期） 中所做的功E，可用升高和降低的潮水重量×106（kN） 和潮水重心上升高度的A/2 的乘积来表示，即

式中，E 为功（kJ）；A 为平均潮差（m），F 为水库面积（km2），r 为海水容量（ρg），取10.05（kN/m3）。

对于正规半日潮海域，潮汐能的日平均理论功率等于潮汐在一周日内所做的功3.87E 除以一周日的秒数为潮汐在一周日内涨落半周期的数目），即

需要指出的是，N 并不能用来确定潮汐电站的装机容量，因为它在此取的是平均值，但它可以表述为一种“理论”上的平均状态功率值，我们称之为理论装机容量。另外，它还可以用来确定潮汐电站的潮汐能年理论储量E：

2） 与上述推导类似，Xia（2012） 等也引用了与公式（1） 一般无二的理论基础，但Xia 等（2010） 认为式（1） 中所表示的是一个潮周期（两涨两落，正规半日潮） 所蕴藏的势能，因此，推导结果较王传崑（2009） 的结果小一倍，即

同样，一年的潮汐理论发电量也与3.3 式相差一倍，而且，Xia 等（2010） 认为，Eyr 的年发电量还应乘以目前主要水轮机的总转换效率，得到的即是潮汐能资源技术可开发的年发电量，即

为了检验公式（5） 的准确性，Xia 等（2010）利用法国朗斯、加拿大安纳波利斯、我国江厦等现有潮汐电站的装机规模和发电情况与计算结果进行了对比。结果表明，除各电站的水轮机转换效率η所造成的区别外，公式（5） 可以十分准确地估算出研究海域的潮汐能资源蕴藏量（表1），尤其是可以准确给出装机规模和年发电量两个重要参数。

表1 世界各潮汐电站实际发电量与估算发电量

此外，在我国1958年开展的第一次全国潮汐能资源普查中，分别采用公式（6） 和（7） 对各坝址的潮汐能理论装机容量和可开发装机容量（双向发电） 进行了估算，估算值是利用伯恩斯坦公式计算结果的2.67 倍。而且，在经过一系列的潮汐示范电站建设过程中，研究人员发现公式（6） -（7） 的评估结果偏大。在充分研究了我国若干潮汐电站的运行状况后，于1978年开展的第二次全国沿岸潮汐能资源普查中，利用式（8） 作为正规半日潮港潮汐电站装机容量（技术可开发量） 的计算公式。

2.2 数值模拟方法

随着计算机和数值模拟技术的迅速发展，潮波的数值模拟技术已广泛的应用于另外一种潮能——潮流能的资源评估（武贺 等，2011；陈金瑞，2014）研究当中，但对于潮汐能资源评估的应用却鲜有论述。Xia等（2010） 基于一维及更为普遍使用的二维海洋数值模型，提出了一种通过研究拦潮坝口门和水轮机通量与水头关系的潮汐能资源年发电量的方法。该方法需要较为精细的数据基础，包括水深地形、实测潮汐数据、拟建坝址位置及开发形式等相关参数，因此其评估结果更为精准。

为了能够刻画潮汐蓄水、发电的整个开发过程，该方法采用一种特殊的模拟区域分离技术（domain decomposition） 将数值模型的区域分为两个子区域，这两个子区域共用一条内部开边界，即拟建的拦潮坝，而且两区域不相互重叠。

内部开边界，即在坝址口门和涡轮机之间建立了一个表征流量和水头的关系式。于是，透过拦潮坝口门的流量Qs可表达为：

其中，Qs的单位为m3/s，Cd为流量系数，As为过流面积，H=Zu-Zd为拦潮坝内外的水位差，即通过涡轮机前后的水位差。当As为水道最窄处截面面积时，Cd一般取>1.0。从Cd的敏感性试验来看，Cd越大，即拦潮坝所处的水道越窄，虽然可以造成更大功率的输出，但其对年发电量的提升却十分有限。

发电流量Qt和发电功率Pt可表示为：

其中，Qt的单位为m3/s，ηt为水轮机效率，ρ为海水密度，一般取1 025 kg/m3，g 为重力加速度，取9.81 m/s2。夏军强等（2011） 给出了水头、流量和潜在最大功率三要素之间的关系式（图3.1）。图1可以看出，水轮机功率随水头和流量的增加而逐渐增大，当水头达到6.9 m 时，流量和输出功率皆达至最大，分别为730 m3/s 和39 MW，且不再随水头的增长而增大。

图1 水轮机运行特征曲线

2.3 各评估方法的优劣

伯恩斯坦提出的潮汐能总量估算方法操作简单，原理清晰，应用性广。除我国第一次潮汐能普查中使用的参数偏大外，其余普查过程中所采用的方法皆是相同的，但其不足之处主要表现在两方面。一方面，该方法估算的结果较粗，由于该方法是建立在建坝前后的水位变化等动力条件不变的假设之上，因此建坝对水位变化曲线产生的影响必然使潮汐能估算产生一定误差。Nekrasov（2010） 等曾指出，拦潮坝建立后库区内的平均水位将会降低，拦潮坝外的水位将会升高，而且，如果拦潮坝圈出的海域面积过大，还将对数百公里外的海岸线产生影响。另一方面，该评估方法仅能够估算潮汐能理论装机容量总量和年发电量，但无法给出潮汐能随时间变化的状况。相比之下，基于数值模拟技术的潮汐能评估法则弥补了上述的不足，较为准确地预测建坝后的潮汐能资源的总量及其时间变化特征，但却存在着评估条件苛刻、操作困难且存在一定的不确定性等问题。例如，数值模拟的建模需要评估海域精确的水深地形数据、岸线资料、尽可能多的海流水位实测数据、拦潮坝的初设方案作为输入条件；由于目前此类方法一般皆由物理海洋学等专业技术人员使用，应用案例稀少，且无相关标准规程可用，因此存在着模型选择、网格水平分辨率和模型配置的各参数设置，甚至是潮汐能总量的具体算法皆不尽相同等问题，使得其评估结果的可重复性和可对比性较差，影响了该技术的推广。

3 中国潮汐能资源评估现状

截至2010年，中国共开展了4 次较大规模的潮汐能资源调查与评估（表2），潮汐能资源总量估算皆采用了伯恩斯坦提出的估算公式或是在其基础上修改后的公式，评估结果仍属于普查层面上的简单统计。事实上，精确的潮汐能资源评估与其开发形式密切相关。由于潮汐能开发受到库坝类型、发电方向（单向或双向）、水头设计及发电时长等因素的影响，因此以往的潮汐能资源评估方法及评估结果难以反映出不同开发形式间的差异和优劣。

表2 中国历次潮汐能资源普查统计

第一次潮汐能资源调查始于1958年，由水利部勘测设计总局主持开展，采用前苏联的经验公式（6） -（7） 估算了我国近海500 处河口和海湾的潮汐能蕴藏量。普查结果显示，我国沿岸潮汐能年理论储量为2751.6×108kWh，理论装机容量为1.1×108kW。其中，可开发装机容量为3 584×104kW，年发电量为874.3×108kWh。

1978年，在水利部规划设计管理局的领导下，由水电部水利水电规划设计院主持，沿海9 省（市、区） 的水利电力勘测设计院等单位参加，进行了第二次全国沿岸潮汐能资源普查。在此次普查中，潮汐能估算公式中的参数较1958年有了一定的调整，即在潮差和库容面积相同的情况下，评估结果下降为之前的80%。评估结果表明，全国沿岸单坝址装机容量500 kW 以上的156 个海湾和33个河口的总年发电量为618.7×108kWh，而总理论装机容量为2 158×104kW。

第三次大规模潮汐能资源评估系1986年水电部科技司和国家海洋局科技司组织开展的沿海农村海洋能资源区划。在此次调查评估时，采用与第二次相同的潮汐能资源估算公式，重点对我国沿海主要海湾内部200～1 000 kW 的小湾进行了补充调查。评估结果认为，我国近海200 kW 以上坝址的潮汐能装机容量为2179.6×104kW，而年发电量为624.18×108kW。虽然此次评估的坝址数达到426 个，较第二次调查评估增加了184 个，但由于港湾的面积偏小，因此潮汐能估算总量仅增加了约1%。

第四次大规模的潮汐能资源调查评估是908 专项任务“我国近海可再生能源调查与研究”中的一部分。该项目自2004年开始实施，旨在通过对我国近岸海域、潮间带、海岛及沿海地区潮汐能、潮流能、波浪能、风能、温差能、盐差能等海洋可再生能源相关要素的调查，取得全面、系统的第一手数据，经分析处理后，摸清我国近海海洋可再生能源的蕴藏量和分布，同时有针对性地开展调查区域社会经济发展对海洋可再生能源的需求状况及开发利用现状，为海洋可再生能源开发与利用综合评价提供技术支撑。该项目除采用了100 余个潮汐站的水位数据外，还在重要区域增设了潮汐观测站位49 个，估算公式与第三次普查保持一致，项目实施过程中还对拟选坝址位置进行了现场踏勘并进行了可行性分析。研究表明，我国近海潮汐能资源技术可开发装机容量大于500 kW 的坝址（韩家新，2014）共171 个，总技术装机容量为2282.91×104kW，年发电量约626.41×108kW·h（表3）。其中，大部分潮汐能资源主要集中在浙江和福建两省（图2 和表3），其潮汐能技术可开发装机容量为2 067.34×104kW，年发电量为568.48×108 kW·h，分别占全国可开发量的90.5%和90.7%。

表3 我国近海500 kW 以上潮汐能站址资源统计表

图2 我国近海潮汐能功率密度分布

比较而言，第一次潮汐能全国普查多采用较粗略的历史数据进行估算，且没有核计工程的经济性和技术可行性，第二次潮汐能估算总体上较第一次的估算更为科学、细致，但由于评估工作是由不同单位的技术人员完成的，所以在选址标准、评估细节、评估深度等方面存在着的不够统一的问题，第三次潮汐能资源普查是对第二次普查工作的补充，尤其是对装机容量较小的海湾进行了统计分析，进一步明确了我国潮汐能资源的总体概况，而第四次潮汐能资源普查则是对前三次评估结果进行了修订，不仅更新了由于自然变化和海涂围垦等造成的库容面积变化以及坝址的改变，而且采用了更多实测数据，从而提高了估算结果的精度。但这次评估也没有过多地考虑潮汐能装置类型及发电方式。需要指出的是，数次普查结果表明，我国的潮汐能资源总量总体上呈下降趋势，这可能与以下三方面的原因有关。其一是由评估公式中的参数不同引起的。由于第二次和第三次潮汐能资源评估均采用了式（8），即参数由原来的250 改为200，因此得到的潮汐能资源总量较第一次明显减少。其二是由于自然演变或围海造田、海港工程建设等造成的岸线变化，使得港湾面积和潮汐库容面积减小甚至是无建站的可能性。其三是在后来的潮汐能资源评估中使用了精度较高的平均潮差，这对评估结果带来一定的影响。总体而言，我国潮汐能资源调查评估正处于大面普查至工程勘察阶段，评估内容不断增多，评估手段和评估结果的精度进一步提升，可为潮汐能开发利用规划、选址论证提供重要的参考依据，但尚存在着环境影响评价不足等问题（施伟勇等，2011；石洪源等，2012）。为此，中国财政部和海洋局于2010年联合启动了海洋能专项资金项目，并专门成立了海洋能开发利用管理中心，负责在研专项项目的监督管理工作。其间，专项资金先后资助了“潮汐能和潮流能重点开发利用区资源勘查与选划”、“乳山口4 万千瓦级潮汐电站站址勘查及预可研”、“厦门市马銮湾万千瓦级潮汐电站建设的站址勘查、选划及工程预可研”、“福建沙埕港八尺门万千瓦级潮汐电站站址勘查及工程预可研”、“温州瓯飞万千瓦级潮汐电站建设工程预可研”等项目，对潮汐能资源丰富的浙江、福建及山东沿海的重点海湾进行了潮汐能和潮流能工程勘察、选址评估等可行性研究工作。初步结果表明①上述项目多处于执行阶段，尚未结题验收。，浙闽沿海29 个重点港湾的潮汐能理论蕴藏量约为1 331.9×104kW 其中沙埕港八尺门最大理论装机容量超过3 万千瓦，拟装机容量约2.1 万千瓦，温州鸥飞规划装机容量45.1 万千瓦，乳山口最大装机容量为4.5 万千瓦，拟装机容量约为4 万千瓦。

4 中国潮汐能电站运行状况及规模

1958年，我国共建设了40 多座潮汐试验电站，又在20 世纪70年代增建了10 余座潮汐电站。后来，由于种种原因多数潮汐电站已被废弃。截至2011年，我国正在运行发电的潮汐电站共有8 座（表3）：浙江乐清湾的江厦潮汐试验电站、海山潮汐电站（林楚平，1999）、沙山潮汐电站、山东乳山县的白沙口潮汐电站、浙江象山县岳浦潮汐电站、江苏太仓县浏河潮汐电站、广西饮州湾果子山潮汐电站、福建平潭县幸福洋潮汐电站。这8 座潮汐电站总装机容量为6 120 千瓦，年发电量1 000万余度。其中，浙江温岭的江厦潮汐电站（柯友根，2001） 的装机容量为3 200 kW，约占总量的1/2，其余电站的装机容量均较小。

表3 我国仍在运行的潮汐电站及规模

5 总结与讨论

我国近海的潮汐能资源十分丰富，尤其是在福建、浙江沿海地区，具有良好的资源条件、社会条件、施工条件等有利因素（李书桓等，2006），而且，数十年的潮汐试验电站建设运行为我们积累了很多宝贵的潮汐电站建设和运维经验。但应指出的是，目前在潮汐能开发利用方面仍存在着战略部署、法律政策、公共参与等方面的问题（周歆，2014），而且资源评估和环境影响评价技术仍不够完善，能量转换效率尚有待提高，尤其是开发海域的协调使用问题，更是牵扯到诸多方面和相关部门。凡此种种都将对我国的潮汐能开发利用带来一定的困难。针对上述问题，可采取以下解决方案：

（1） 积极借鉴英国、瑞典等潮汐发电技术相对成熟国家的新技术，如新型的潮汐发电装置、水下潮汐电站等，以便提高我国潮汐发电设备的转换效率、稳定性和实用性。

（2） 积极发展潮汐能资源工程勘察和环境影响评价技术。针对潮汐能开发利用的特点，结合现有的潮汐能示范工程建设，建立包括资源条件、发电装置选型、电力输送及并网、生态环境影响和投资收益等在内的综合评价体系，为潮汐电站建设提供有效的技术指导。

（3） 积极推进潮汐能综合开发利用策略。在建设潮汐电站的同时，要因地制宜地开展海上养殖、围涂、旅游和交通等生产活动，以增加对新技术领域的开发资本。同时，政府应加大对潮汐能开发利用的支持力度，制定诸如减免税收、电价补贴等优惠政策，并制定和完善相应的电力竞争机制，从而激发投资者的积极性，开创我国潮汐能资源开发利用工作的新局面。

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