增加水位差連續發電的多機組雙庫單向式潮汐電站的製作方法
2023-05-26 20:39:21 1
潮汐能發電、清潔能源。
背景技術：
大海每天有兩次漲潮和兩次落潮，日潮為潮，夜潮為汐。在潮汐漲落中所產生的巨大能量叫潮汐能。目前全世界潮汐能開發很少，原因是潮汐能發電的潮汐能利用率很低，單庫單向式潮汐電站(圖4)每天發電時間為10-12小時；單庫雙向式潮汐電站(圖5)每天發電時間為16-20小時[1]。發電時間短，潮力沒有充分利用，發電量少(見表1)，開發成本高，使有意開發者望而止步。上世紀70年代末，國家建設了一批較大的潮汐電站，包括江廈、幸福洋、白沙口、海山等潮汐電站，總裝機約近6000KW。但現在真正發電運行的僅剩江廈和海山兩座潮汐電站。
海山電站目前也處於半運營狀態，除江廈潮汐電站外，其它電站或是發展房地產，或是發展養殖業，已經紛紛轉行了。
江廈電站站長顏建華曾告訴記者說[2]，雖然我國的潮汐電站技術世界領先，但發電成本仍然是目前阻礙潮汐電站發展的最重要因素。目前江夏電站的上網電價是2.58元/度，競爭不過光伏與風電。這也是近年來世界上沒有上馬大型潮汐發電站的主要原因。
圖4單庫單向式潮汐電站落潮發電示意圖
圖5單庫雙向式潮汐電站漲潮和落潮發電示意圖
技術實現要素：
為了克服目前單庫潮汐電站發電量少成本過高，制約潮汐發電的長足發展。本潮汐電站採用雙庫、增加水位差和多機組發電的新方法，新工藝，使潮汐電站每天24小時連續發電，發電量成10倍增長。
所謂「增加水位差連續發電的多機組雙庫單向式潮汐電站」就是增加了水位差發電，每天24小時連續不斷發電，海水通過水道單向流入多機組水輪發電機發電的雙庫潮汐電站。以下簡稱：多機組雙庫單向式潮汐電站。
(1)本潮汐電站解決技術問題的方案是(圖1)
電站主要有兩座水庫(下庫和上庫)，3座水閘，1座水道，水輪發電機組和水泵組。
下庫：在有潮汐的海灣或河口築1條大壩把靠海的河口或海灣與大海隔開，造成1座天然水庫，取名下庫，它的深度由潮差和發電量來定，其作用是提升電站發電的水位差和存放發電後流入的海水。
上庫：在下庫旁邊的陸地(海灘)上，並於大海相鄰修建1個蓄水池，取名上庫，(單機組)它的面積是下庫的0.5，但多機組上庫的面積大於下庫的面積，深度等於潮差的高度，大海落潮到波谷時是庫底的基礎高度，其作用是大海漲潮時蓄水，落潮時放水發電。
水閘：修建3座，甲閘使水道與大海相通，漲潮時，當潮水漲到潮差的一半時閘門開，放海水發電，落潮1米時閘門關，阻止水道內海水流入大海；乙閘使水道與上庫相通，漲潮時閘門關，上庫蓄水，落潮1米時閘門開，放上庫海水發電；丙閘使上庫與大海相通，漲潮時閘門開，上庫蓄水，水滿閘門關。
水道：在上庫、下庫和大海三者之間的海灘上修建1座3通水道，其作用是讓兩路海水流向一處，它是海水發電的水路。
水輪發電機組：安裝在廠房裡，雙庫單向發電。
水泵組：安裝在下庫裡，其作用是大海每次落潮到波谷時，將下庫海水抽入大海。
再增加輸配電設備和起吊設備電站建成。
(2)製造水位差發電
a.電站建成後，關閉甲乙兩閘門，大海落潮到波谷(DEF)時，大海的水位為0，首先用水泵將下庫的水位抽低於本潮汐電站的平均潮差2倍尺寸(即X)見圖2。例：平均潮差5米的潮汐電站，要將下庫的水位抽低10米(大海每次落潮抽低1米，5天10次落潮抽到位)，使平時下庫的水位低於落潮時海平面10米。
為什麼要將下庫的水位抽低到本電站的平均潮差2倍尺寸呢？
看圖3(數據來自表3)。
從圖中可以看出潮汐電站下庫水位差增加，發電量也在增加，但增速遞減，下庫水位為0時，潮汐電站年發電量為10×106S，下庫水位為-20米(潮差的4倍)時，潮汐電站淨年發電量最高，為100×106S是0水位時的10倍，下庫水位為-10米(潮差的2倍)時，潮汐電站淨年發電量為80×106S是0水位的8倍，水位從-10米降低到-20米也是10米水位，淨年發電量從80×106S增加到100×106S，只增加20×106S，為0水位時發電量的2倍，說明水位差的增加和發電量的增加不同步，增加水位差的優勢沒有充分發揮，為了充分利用下庫水位差發電，下庫的水位不用抽低到最高淨年發電量時的-20米，只要-10米(最高淨年發電量時水位的0.5，即x)，也是本潮汐電站的平均潮差2倍尺寸，雖然-10米水位差時的年發電量不是最高，但發電量大，損耗小，此時的下庫水位適合多機組(n組)同時發電，所以年發電量不但不減反而成10倍增長，見表4。
發電時，海水流入下庫，下庫水位上升，為了確保下庫水位可控，在發電前，大海落潮到波谷(DEF)時，下庫的水位為-10米，再用水泵將下庫的水位抽低h米，抽水時開機關機的時間一定要詳細的記錄，還要記下水泵的型號和數量以備後用。以後大海每次落潮都要將下庫的水位抽低h米。
h：為一臺水輪發電機組(單機組)12小時流量的海水使下庫的水位升高的尺寸。
例：已知下庫面積136萬平方米，平均潮差5米，一臺水輪發電機組流量30立方米/秒。
水輪發電機組12小時的流量為：30×3600×12＝129.6萬立方米
則h＝129.6÷136＝0.95米
問：h這個數要多大好呢？
答：h這個數在0.95～1.0之間比較好，不能太小，太小了說明水輪發電機流量小，和下庫的面積不匹配，發電量少，h＞1時水泵抽水耗電量大，成本高。實際計算時0.95～1.0之間的數，四捨五入看作1(即h≈1)。下庫兩次抽低水位，下庫的水位低於落潮時海平面11米，漲潮到波峰時，大海和下庫有16米水位差。
b.發電(單機組)：漲潮時，打開丙閘門，潮水流入上庫，潮水繼續上漲，直到波峰(B點)，上庫水滿關閉丙閘門(備用)；同時當潮水漲到潮差的一半(A點)時，打開甲閘門放海水過水道衝擊水輪發電機發電，發電後的海水流入下庫，潮水繼續上漲直到波峰(B點)，發電繼續，過了波峰開始落潮發電還在繼續，潮水落1米(C點)時，發電仍然繼續不斷；這時首先打開乙閘門，放上庫的海水繼續發電，同時關閉甲閘門，阻止海水流入大海，發電繼續，直到上庫水位和潮水位一致時轉入下一個周期，繼續發電。
發電時，下庫的水位上升，但上升的高度始終在h的範圍之內。
雙庫單向式潮汐電站(單機組)，不同潮差時的淨年發電量見表2。
(3)充分利用下庫水位差多機組發電
前面提到多機組(n組)同時發電，年發電量不減反而成10倍增長，這裡首先要確定n這個數，n＝x-1，
因為h≈1，x是最高淨年發電量時水位的0.5，x等於多少就是多少個h。如果不要最大數，在這個數內根據需要可以任意選一個數。
選擇多機組時，發電機組增加幾倍，水泵組和上庫的面積也要同時增加幾倍。
例：平均潮差5米的潮汐電站，n＝9，上庫的面積為0.5×9＝4.5，為4.5個下庫面積，水輪發電機組和水泵組由單機組變成多機組(9組)。
發電前，大海落潮到波谷時，每一水輪發電機組的水泵再將下庫的水位各抽低h米，漲潮時按前述方法發電。
由表4可知，多機組(9組)雙庫單向式潮汐電站的淨年發電量由83.8×106S變成83.8×9×106S＝754.2×106S
目前平均潮差5米的單庫單向式潮汐電站年發電量為10×106S(KW·h)見表1
754.2×106S÷10×106S＝75.42
平均潮差5米的多機組(9組)雙庫單向式潮汐電站的淨年發電量是單庫單向式潮汐電站年發電量的75倍。
目前潮差5米的單庫雙向式潮汐電站的年發電量為13.75×106S(KW·h)見表1。
754.2×106S÷13.75×106S＝54.85
平均潮差5米的多機組(9組)雙庫單向式潮汐電站的淨年發電量是單庫雙向式潮汐電站年發電量的54倍。
(4)多機組雙庫單向式潮汐電站的造價
多機組雙庫單向式潮汐電站的規模大，造價比單庫潮汐電站的造價高，到底高多少呢？
以5.1米潮差的江廈電站為例，如果有1座水庫它的面積和江廈水庫一樣大，現在要建1座多機組雙庫單向式潮汐電站造價是多少呢？
江廈電站有水輪發電機組5組約佔總造價的50％，水庫1座水工建築在潮汐電站中約佔總造價的45％[1]，加上其它費用佔總造價的5％，就是100％(江廈潮汐電站的總造價為1)。
多機組雙庫單向式潮汐電站有水輪發電機組9組約佔總造價的90％(即為0.9)。
下庫1座。上庫1座，上庫的面積是下庫的4.5倍(0.5×9)，上下兩庫的面積之和為5.5座下庫。
1座水庫水工建築在潮汐電站中佔總造價的45％，5.5座水庫水工建築在潮汐電站中佔總造價的248％(即2.48)。
多機組雙庫單向式潮汐電站中又增加了水泵組9組，水泵組造價按水輪發電機2.5倍造價計算(因為每一機組要在落潮短時間抽掉下庫1米深的海水，必須要增加水泵數量)。水泵組的總造價為225％(即為2.25)，加上其它用費佔總造價的30％(即為0.3)。
5.1米潮差的多機組雙庫單向式潮汐電站的總造價為江廈電站的總造價6倍(0.9+2.48+2.25+0.3＝5.93≈6)。
這是其中一例，但機組數量不同，造價不一樣，潮差不同，造價也不一樣。
(5)和現有潮汐電站相比
a.以江廈電站為例，多機組(9組)雙庫單向式潮汐電站的總造價是江廈電站的6倍，但多機組(9組)雙庫單向式潮汐電站的發電量是江廈電站發電量的54倍。
b.潮汐能得到充分利用，同時降低了成本，解決了目前制約潮汐發電成本過高的關鍵問題。
c.每天24小時連續發電，解決了潮汐電站間斷性發電問題，有效解決了電力補償問題。
d.平均潮差2米以上(包括2米)的海灣都能修建本潮汐電站，使選址建站的地方增加[3]。
圖1增加水位差連續發電的多機組雙庫單向式潮汐電站結構及布局示意圖
圖2增加水位差連續發電的多機組雙庫單向式潮汐電站漲潮和落潮發電運行示意圖
圖3平均潮差5米的潮汐電站(單機組)下庫水位不同獲得不同的淨年發電量
附圖說明
圖4.單庫單向式潮汐電站，漲潮時不發電，落潮時發電，每天發電10-12小時，發電時間短，水頭小(陰影部分)，發電量很少。
圖5.單庫雙向式潮汐電站，漲潮和落潮都發電，每天發電16-20小時，發電時間也短，水頭小，發電量少，發電不連續，間斷性發電(陰影部分)。
圖1.增加水位差連續發電的多機組雙庫單向式潮汐電站結構及布局示意圖。
在海灣築堤壩修一水庫(下庫)，在水庫旁邊的海灘上修一蓄水池取名上庫，(單機組)上庫的面積是下庫面積的0.5。但多機組上庫的面積大於下庫的面積。
在上庫下庫和大海三者之間的海灘上修一水道，它是海水發電的水路通道。
水閘三座控制水庫的水位和放水發電。
在水道下方的廠房裡安裝水輪發電機，雙庫單向發電
在下庫安裝水泵，落潮時將下庫的海水抽入大海。
圖2.增加水位差連續發電的多機組雙庫單向式潮汐電站漲潮和落潮發電運行示意圖
圖中的曲線是大海中的潮水每天24小時漲落變化的過程，潮水漲到最高位置(B點)為波峰，潮水落到最低位置(DEF點)為波谷。
漲潮時，丙閘開、乙閘關、上庫蓄水，潮水漲到波峰時上庫水滿關閉丙閘門(備用)；同時潮水漲到潮差的一半(A點)時，甲閘開，放海水發電，潮水繼續上漲直到波峰(B點)發電繼續，過了波峰開始落潮發電還在繼續，潮水落1米(C點)時，發電仍然繼續不斷；這時首先打開乙閘門，甲閘關，上庫放水發電直到上庫水位和潮水位一致時轉入下一個周期，繼續發電。
發電時，下庫水位上升，但上升的高度始終在h的範圍之內。
圖3平均潮差5米的潮汐電站(單機組)下庫水位不同獲得不同的淨年發電量
圖中0表示大海落潮到波谷時的水位。
-24米表示下庫的水位是負24米。
圖中的數據是根據中國的經驗公式計算的，圖中可以看出隨著水位差的增加，發電量也在增加，但增速遞減，到了-20米的水位時年發電量最高，超過-20米水位發電量不增反而逐步減少。
-20米水位時的淨年發電量是目前單庫單向式潮汐電站年發電量的10倍。
-10米水位時的淨年發電量是目前單庫單向式潮汐電站年發電量的8倍。
具體實施方式
例：平均潮差5米的潮汐電站，多機組(n＝9組)同時發電
電站在設計時，第一要根據地形合理布局，從提高發電量考慮，要求水輪發電機、水泵、水閘和輸配電設備、起吊設備之間的距離要短，減少線路損耗；第二，採購設備時，如變壓器、水輪發電機、水泵等，要求選擇損耗小、效率高的優質產品，確保電站綜合效率達到80％。這兩點很關鍵。
1.採用增加水位差連續發電的多機組雙庫單向式潮汐電站(圖1)的結構及布局。
下庫：在平均潮差5米的海灣和河口築一條大壩，把靠海的河口或海灣與大海隔開，造成一個天然的水庫，水庫的深度大於20米。
上庫：在下庫旁邊的陸地(海灘)上，修建一個蓄水池，它的面積是下庫面積的4.5倍，大海水位為0時，是庫底的基礎高度，深度等於潮差(考慮到海面颳大風，防止上庫海水流失，適當增加堤壩高度)。
水道：在大海、上庫和下庫之間的海灘上修建3通水道1座。
水閘：修建3座，甲閘1座使水道與大海相通，乙閘1座使水道和上庫相通，丙閘1座使上庫與大海相通。
水輪發電機組(9組)：安裝在下庫廠房裡。
水泵組(9組)：安裝在下庫裡。
輸配電設備和起吊設備配套，電站建成。
2.製造水位差
電站建成後，大海落潮到波谷(DEF)時，大海的水位為0，關閉甲乙兩閘門，首先用水泵將下庫的水位抽低10米，使下庫的水位低於落潮時海平面10米(即X)。
發電前，大海落潮到波谷(DEF)時，下庫的水位為-10米，每一發電機組用水泵再將下庫的水位各抽低h米(h≈1)，9組共抽低9米，並作詳細記錄，以後每次落潮下庫水位都抽低9米，作記錄。
3.充分利用下庫水位差多機組發電
漲潮時，打開丙閘門，潮水流入上庫，潮水繼續上漲直到波峰(B點)時，上庫水滿關閉丙閘門(備用)；同時當潮水漲到潮差的一半(A點)時，打開甲閘門放海水過水道衝擊水輪發電機發電，發電後的海水流入下庫，潮水繼續上漲直到波峰(B點)，發電繼續，過了波峰開始落潮發電還在繼續，潮水落1米(C點)時，發電仍然繼續不斷，這時首先打開乙閘門，放上庫海水繼續發電，同時關閉甲閘門，阻止海水流入大海，發電繼續直到上庫水位和潮水位一致時，轉入下一個周期，繼續發電。
附表：表1目前潮汐電站年發電量
表2增加水位差連續發電的雙庫單向式潮汐電站(單機組)不同潮差時的淨年發電量
@淨年發電量，即減去抽水損耗的發電量。
說明：這裡x和h也是水位差，可以和H一樣代入公式中。
*計算公式：F＝0.8×106H2S
計算實例：平均潮差2米的潮汐電站 x＝4，h＝1，H＝7，則
F7＝0.8×106H2S＝0.8×106×72S＝39.2×106S(潮汐電站年發電量)
1.25F5＝1.25×0.8×106(x+h)2S＝(4+1)2×106S＝25×106S(抽水年耗電量)
F2＝F7-1.25F5＝39.2×106S-25×106S＝14.2×106S(淨年發電量)
表3平均潮差5米的潮汐電站下庫水位不同獲得不同的淨年發電量(單機組)*
說明：這裡x也是水位差，可以和H一樣代入公式中。
*計算實例：x＝11，H＝16，則
F16＝0.8×106H2S＝0.8×106×162S＝204.8×106S(潮汐電站年發電量)
1.25F11＝1.25×0.8×106H2S＝1.25×0.8×112×106S＝121×106S(抽水年耗電量)
F＝F16-1.25F11＝204.8×106S-121×106S＝83.8×106S(淨年發電量)
表4增加水位差連續發電的雙庫單向式潮汐電站(多機組)的淨年發電量
說明：表中單機組淨年發電量來自表2。
附件1：潮汐電站發電量的計算
潮汐電站發電量一般用經驗公式計算，中國經驗公式[1]如下。
(1)單庫單向式潮汐電站年發電量E＝0.40×106A2F(KW·h) (1)
式中E-年發電量(KW·h)；
A-平均潮差(m)；
F-水庫平均面積(Km2)。
(2)單庫雙向式潮汐電站年發電量E＝0.55×106A2F(KW·h) (2)
以上兩個公式，前者是每天發電10-12小時的年發電量計算公式；後者是每天發電16-20小時的年發電量計算公式。但沒有每天24小時發電的年發電量計算公式。本文借用單庫單向式潮汐電站年發電量計算公式乘以2來計算每天24小時發電的年發電量。因為本潮汐電站每天24小時發電，發電時間正好是單庫單向式潮汐電站的2倍。即
2E＝2×0.40×106A2F(KW·h)
為了簡便把公式中2E改為F，2×0.40寫成0.80，A改為H，公式中F改為S。
改變後的公式：F＝0.8×106H2S(KW·h) (3)
式中F-年發電量(KW·h)；
H-平均水位差(m)；
S-下庫平均面積(Km2)。
解釋一下：年發電量2E改為F更簡便，符合現代公式寫法，公式中F改為S是不讓年發電量和水庫面積混淆，A是平均潮差，符合單庫潮汐電站計算，H是平均潮差A加下庫抽低水位X與h之和(H＝A+X+h)，稱平均水位差，書中也稱潮差為水位差[3]，所以公式符合要求。
有了年發電量的計算公式還不夠。如前所說，大海每次落潮，用水泵將下庫的水位抽低h米。抽水是要耗電的，它的損耗是多少呢？
天荒坪抽水蓄能電站的綜合效率達到80％以上[4-6]。由此推測，抽水蓄能的損耗為20％以下(綜合效率達不到80％時，發電量大打折扣)。
前面已知海面平均潮差5米，下庫面積136萬米2，求本潮汐電站淨年發電量。首先算出下庫每年排水入海的耗電量，下庫每年排水入海的耗電量為11米水位差的年發電量(F11)加上20％的損耗(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米水位差的年發電量(F16)如下。
F16＝0.8×106H2S＝0.8×106×162×1.36＝278.52×106(KW·h)
本潮汐電站獲得的淨年發電量(F5)
F5＝F16-1.25F11＝278.52×106-164.56×106＝113.96×106(KW·h)
目前，單庫單向式潮汐電站年發電量計算如下。根據式(1)，
E5單＝0.40×106A2F＝0.40×106×52×1.36＝13.6×106(KW·h)
本潮汐電站獲得的淨年發電量是目前單庫單向式潮汐電站年發電量8倍：
(113.96×106)÷(13.6×106)＝8.38
目前單庫雙向式潮汐電站年發電量
E5雙＝0.55×106A2F＝0.55×52×1.36×106＝18.7×106(KW·h)
本潮汐電站獲得的淨年發電量是目前單庫雙向式潮汐電站年發電量的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，按照以上方法均可計算出它們的淨年發電量。目前潮汐電站年發電量按照中國經驗公式計算如表1。
本潮汐電站(單機組)淨年發電量按照公式(3)計算，結果如表2.
對比表1和表2可以看出，本潮汐電站(單機組)淨年發電量都是目前單庫單向式潮汐電站年發電量的8倍或單庫雙向式潮汐電站年發電量的6倍。
附件2：潮汐電站附圖(見說明書附圖)
參考文獻：
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[5]網際網路，天荒坪抽水蓄能電站橫空出世，記者史舒頻。
[6]網際網路，浙江安吉-天荒坪抽水蓄能電站，2010.3.1.