中国潮汐能概述

李晓超，乔超亚，2，王晓丽，谢威威，张浩，郑建喆

（1.华北水利水电大学，河南 郑州 450045；2.浙江水力水电学院 水力与海洋工程研究所，浙江杭州 310018；3.中国民航大学，天津 300300；4.河南天池抽水蓄能有限公司，河南 南阳 474664；5.中铁十五局集团第五工程有限公司，天津 300133）

0 引言

众所周知，地球可以称之为“水球”，地球上海洋的覆盖率大约达到了71%，而陆地大约仅占总面积的29%。随着地球人口数量的不断增长，有限的陆地资源渐渐显得匮乏起来，伴随着人类文明的不断进步，人类在不断地加快探索世界的步伐。科技水平的日益提高，使人类的探索视野逐渐从陆地放眼到了更加广阔的海洋，海洋当中蕴含着巨大的能量。海洋能主要有盐差能、潮汐能、温差能、波浪能和海流能。其中除了潮汐能源自天体引力外，其他均来源于太阳的辐射能，可以这样说，只要太阳、月亮等天体与地球共存，这种能量就会一直存在，日复一日，年复一年，生生不息。

1 潮汐能的形成原理

由于月球绕地一周的时间是一个月，一个月内会有两次太阳、地球与月球三者处于一条直线上，当出现这样的情况时，万有引力和离心力方向重合，作用叠加，这时候二力结合称为潮力，这也是地球受到潮力最大的时候，为大潮现象，大潮现象一般是每月的农历初一和农历十五。除了大潮，当月亮与太阳对地球的引力方向相互垂直时，此时合力最小，就会形成小潮现象，小潮的产生时间是每月的农历初八和农历二十三。

由于月亮的引潮力占主导地位，对地球上同一地点而言，一天会有两次离月亮最近或最远的时候，此时地球所受的引潮力为一天内最大，于是就形成了一天出现两次的涨潮，即白天涨潮的“潮”和夜晚涨潮的“汐”的现象。

潮水在水位变化时，会产生很大的能量，而且这种能量是绿色无污染的、可再生的能量。当海水涨潮时，水的流动会蕴含很大的动能，随着海水的水位上涨，其本身的动能就转化为势能。等到海水落潮，水位会变低，其中蕴含的势能再次转化成动能。

潮差即潮水涨落的水位差值，这是衡量一个地区潮汐能丰富与否的一个重要指标，如果平均潮差达到3 m，该地区的潮汐能就具备了实际应用价值。地球上潮差较大的地区潮差甚至能够达到13～15 m，如果能很好的利用潮汐能，这将给生活带来很大的福祉。

2 潮汐能的特点

随着国家十四五规划的开篇布局，保护生态环境的重要性愈加突出，习总书记说过：绿水青山就是金山银山。清洁能源才是人类所需要的，传统的化石能源污染大且不可持续，所以终将被清洁能源代替。潮汐能就是清洁能源的一种，它主要有三个特点：①无污染可再生。显而易见，潮汐能随着每天的涨潮退潮，蕴含着无穷的能量，它是可持续的、可再生的清洁能源。对于沿海地区，使用潮汐能发电不仅能应对能源不足的问题，而且对生态影响非常小，还能成为沿海地区国防建设和人民生产生活的重要补充能源。②实用可靠。潮汐电站一般都是建设在海口港岸等人烟罕至的地方，不仅不会造成移民、毁田等问题，还可促进水产养殖等企业落地，助力当地经济发展。潮汐能水头不大，建筑水坝不高，遇到地震等自然灾害时，即使水坝被破坏，也不会产生严重灾害。③稳定。潮汐能依据天体运动产生，能量不随月圆月缺变化，也不存在丰水枯水季，不论风吹雨打，或晴或阴，总是如约而至，周期涨落，十分稳定。

虽然潮汐能具有以上众多优点，但是在实际应用中，因港口海岸地貌特殊，而潮汐电站选址对地形要求较高，所以潮汐电站施工难度很大；虽然潮汐能是和众多新能源一样是一次性投资，但其水轮机是低水头、大流量型，体积庞大，如果双向发电，再加上兼具泵水功能，结构会更复杂，投资将会更大，而且潮汐电站的海水腐蚀、泥沙淤积等问题较为棘手，更使潮汐电站的开发难上加难。在不同的区域，潮汐系统也会有所区别，它们都有着独特的特点。目前对于潮汐领域探索不深，潮汐领域出现的问题比较难解决，但是潮汐能电站已经可以做到准确的预报，在潮汐能发电上也获益匪浅，不需要辅助其他运输成本，相信以后随着探索越来越深，能让潮汐能完全被掌控，用来造福人类。但是潮汐能电站建设的成本太大，比传统的火力发电站的成本高得多，它与水电站相似，属于一次性成本大、发电的成本低这一块类型。如果潮汐发电站能够使用的时间足够长，那它的经济效益也是很可观的，能缓解人类的能源压力。

3 中国潮汐能的特点

①潮汐能蕴藏量十分丰富。国家的海岸线很漫长，这也注定了中国的潮汐能源不会贫乏。从地域上而言东南沿海地区潮汐能资源丰富，尤其以闽、浙地区的蕴藏量最大。中国潮汐能的理论蕴藏量大约为1.10亿kW，其中可以开发的利用量大概有2 100亿kW。

②潮汐能地理分布不均。潮汐现象由江河湖海中的水受到引力所致，故多集中在大江大河处，虽然内地的江河湖海原理上和大海大洋无一例外的都会受到引潮力，但由于其水量、面积较海洋相差甚远，其潮差微乎其微，达不到利用程度，而这些河流却可以发挥大海大洋所不具备的地理位置优势，利用其较大的落差进行发电。中国的潮汐能源主要分布在沿海地区，尤其是东南沿海地区的潮汐能可开发量能占到中国的88%，如福建、浙江、上海等地。但在沿海地区潮汐，因潮差不一样又有所区别，东海最大，黄海次之，南海及渤海南部最小。

③潮汐能开发较复杂。平原型和港湾型是中国东边沿海区域的主要地形。平原型地形的潮差比较小，它的土地构成主要是淤沙和淤泥，其地形平坦，海岸线也比较平直，广泛分布于中国杭州湾以北地区，该地形不适合电站选址；但在杭州湾南部，其地势险峻、坡陡水深、潮差较大，且拥有很多适合用作潮汐电站坝址的港湾等地形条件，但是，其泥沙淤积非常严重，是开发潮汐能路上的一只拦路虎，中国于20 世纪兴建的潮汐电站，很多因泥沙淤积问题致使电站无法运行被迫关停。因此，想要大力发展潮汐能，还有大量工作要做。

4 潮汐能电站的工作原理

如何将潮水中蕴含的能量收集利用起来？潮汐能主要有两种利用形式。其中一种是将潮水的动能利用起来。由于涨潮与退潮时的水流流速很高，如果直接利用潮流这种巨大的动能推动水力机组发电，就是潮流发电，风力发电方式也是利用动能，与该发电原理类似。但如果仅利用潮水中蕴含的动能，就会造成潮汐能源的浪费。这是因为潮水的涨落不但拥有强大的动能，还有位能、压能等势能，正是这些能量的共同作用，才使水流拥有了摧枯拉朽的力量。因此就潮流发电而言，目前应用较少。另外一种就是建造大坝，通过大坝蓄水，利用落差发电，这种重点利用潮汐的位能、压能等势能的发电方式即潮位发电，其发电原理与水力发电中的抽水蓄能原理类似，但抽水蓄能电站一般为正向做水轮机发电运行，反向为水泵耗电运行；潮汐电站的水力机组则兼具正反向发电、泵水功能，既可双向发电也可在需要时两向泵水。潮汐电站是在涨潮时，水库中的水位低于海水水位，大量海水会通过机组流道进入水库，海水冲击水轮机，水流蕴含的动能和势能就转化为了水轮机的机械能，而水轮机又带动发电机旋转发电，最终产生电能；退潮时，水库中的水位高于河海的水位，海水由水库注入大海时又带动水轮发电机组转动。通过海水的不断涨落，从而使发电机组不停地发电。根据具体发电方式的差异，又有单库单向电站、单库双向电站和双库连续发电电站三种类型。表1是各国最具有代表性的潮汐电站。

表1 各国最具代表性的潮汐能电站统计表

5 中国潮汐能开发现状与展望

中国潮汐能开发与利用，经历了以下三个时期。第一是20世纪50年代。修建了很多潮汐电站，大都因选址不当、施工粗糙、经营不善等原因相继废弃。第二是20世纪70年代。总结吸收了上一时期潮汐发电的教训和经验，对潮汐电站的动工与建设，进行了科学论证、合理选址，且更加注重潮汐电站的工程质量。江厦潮汐电站这一中国截至目前最大装机容量的潮汐电站就是在这个时期修建的。第三是1980年至今。对已建成的潮汐电站出现的问题进行了治理和相关改造，还顺利建成了江厦潮汐电站、幸福洋潮汐电站等工程。同时，完成了中国潮汐资源新一轮的普查工作，并经科学论证，规划了部分潮汐电站。

中国仅有江厦潮汐电站在运行发电，浙江海山电站还在升级改造中，其他潮汐电站大多因无法实现盈利而相继关停。中国的潮汐电站无论是开发利用程度、建设规模还是单机容量均有待进一步提高，潮汐电站的发展还仅位于初级阶段，潮汐能开发量远远没有达到中国潮汐能实际可开发利用量，潮汐能开发利用技术需进一步完善。潮汐能源是清洁能源，绿色无污染，但要开发潮汐能还有诸多限制，主要有以下几个方面：①地理条件要求高。潮汐电站的选址要结合海湾、河口的天然构造，首先从外形上观察地区是否具备进行潮汐发电的可能性，然后要结合该地区的地质情况，考察地基、泥沙含量等等，要先选择合理的大坝建址，最后才能进行施工，开发利用潮汐能。如果该地区有一个天然的环形港口，水库的修建就会省去很多人力物力，而且大坝的长度也可以依托有利的现有地形适当减少，要是该地区的地质好，泥沙含量低，在后续的电站运行过程中，就不会造成严重的泥沙淤积和繁琐的清淤工作。②目前的发电成本较高。潮汐电站除了一次性投资大之外，目前潮汐能的上网电价很高。有学者指出江夏潮汐电站的上网电价达到了2.58元/（kW·h），比其他发电的电价高出很多。原材料是免费的海水，这是不计成本的，但潮汐电站电价之高其实是由于运行技术水平不高所致，潮汐电站在一天之内水头变幅很大，这就需要潮汐电站运行部门设计出科学、合理的运行方案，使发电效益最大化，而目前的潮汐电站运行技术还不够成熟，使得潮汐发电产生不连续性和波动性。其次就是潮汐电站的大部分部件都是暴露在海水中的，海水比普通的河流腐蚀性大得多，这就增加了后期的设备维护成本，这也是使潮汐电站上网电价较高的一个因素。③材料技术水平的限制。海水不像陆地的淡水河流，海水里含着高强度的金属盐成分，会对发电设备产生化学、电化学等腐蚀性作用，而且海洋当中孕育着多种多样的生物，这些生物有的也会产生对潮汐电站发电设备具有腐蚀作用的物质，而且还有微生物的附着，这更加考验材料的生产工艺制造水平，而目前中国的材料技术虽然取得了巨大的进展，但是仍然有很多工作需要努力，建议未来着重以下方面的研究：一是科学的选择潮汐电站建址。选择适当的地形条件不仅会大大降低对生态环境的影响，而且还会节省很多不必要的投资。二是根据实际生产经验不断总结规律，研究更加科学合理的运行方案，更好的使设备运行，降低运行成本，从而降低上网电价，促进潮汐电站的发展。三是加快中国材料工艺的发展，减轻设备的维护成本，进一步助力潮汐电价的降低。四是潮汐电站涉及水文、水电、材料等多学科知识，需要重点培养交叉性学术人才。

6 结语

众所周知，中国地大物博，资源丰富，但由于人口数量庞大，造成人均占有资源量很低，落后于众多国家。对中国而言，煤炭销量占到全国一次能源消费的75%以上，燃烧煤炭时会产生会很多有害气体，比如：二氧化硫和二氧化碳等，这会严重污染空气，可能会形成酸雨，也会加剧温室效应，最后引起地球气候改变。随着国家十四五规划的谋篇布局，对生态环境的重视愈加突出，切实贯彻可持续发展观，对生存具有重要意义，因此新能源必将在不久的将来取得更大的进展，占据能源结构的主导地位。随着中国海上力量的不断增强，向大洋进发的进程大大加快，陆地资源日益减少，也使得中国探索海洋的脚步会越迈越大，越走越快。并且中国海岸线漫长，有18 000 km 的大陆海岸线及6 500多个海岛海岸线，岸线总长度超过32 000 km，蕴藏着丰富的海洋能资源。据联合国教科文组织的数据显示，中国沿岸和近海及毗邻海域的潮汐能资源理论总储量约为1.10×108kW，技术可利用量约为2.179×107kW。即使目前存在诸多困难，但相信随着社会和科技的不断发展进步，潮汐电站的发电成本会进一步降低，潮汐电站生产的电能质量也会越来越高，潮汐发电技术的大规模商业化应用也会在不久的将来变成现实！