中國潮汐能資源評估與開發利用研究進展

武賀，王鑫，李守宏

（國家海洋技術中心，天津 300112）

能源是人類賴以生存和進行生產活動的重要物質基礎，在經濟發展中占有舉足輕重的地位。當前，隨著煤、石油、天然氣等化石燃料逐漸枯竭和溫室氣體過量排放引起的全球變暖，發展清潔能源已成為世界發達國家的必然選擇，海洋可再生能源作為一類清潔、可再生、不占用沿海稀缺陸地資源的可再生能源，越來越受到世界各沿海國家重視，尤其是英國、德國、法國、美國、加拿大、日本、韓國等沿海發達國家，都出臺了一系列法律和優惠政策，如開展海洋能資源調查評估、為能源裝備研發制造提供經費補助、實施電力上網補貼、建設海洋能測試服務中心等，使海洋能開發利用得到了快速發展。

我國是一個能源生產和消費大國，同樣也面臨著能源危機和環境污染問題，一直以來都十分重視可再生能源的發展，其《可再生能源發展“十二五”規劃》中指出，預計到2015年，可再生能源年利用量達到4.78 億噸標準煤，商品化可再生能源年利用量達到4 億噸標準煤，在能源消費中的比重達到9.5%以上，其中各類海洋能電站5 萬千瓦。我國有長達18 000 多公里的大陸海岸線，加上5 000 多個島嶼的14 000 多公里海岸線，共約32 000 多公里的海岸線，在如此遼闊的近岸海域中蘊藏著豐富的潮汐能資源。盡管我國早在20世紀50年代便開始利用潮汐能，但受制于當時技術水平、發電成本、環境變化等諸多因素的影響，潮汐能開發利用技術發展緩慢，隨著法國朗斯、我國江廈等潮汐電站的長期成功運行，潮汐能發電技術已成為成熟度等級最高、利用前景廣闊的一類海洋可再生能源開發利用技術。為此，本文回顧了我國潮汐能資源調查、評估和示范工程建設的歷史和現狀，總結了前期工作中的成果和存在的問題，并對未來我國潮汐能開發利用前景進行了展望，以期為我國合理開發利用潮汐能資源提供決策依據。

1 潮汐能的特點和開發形式

潮汐能的主要表現形式是潮汐發電，即利用海灣、河口等有利地形，構建水壩，形成水庫，以便大量蓄積海水，并在壩中或壩旁建造水利發電廠房，通過水輪發電機組進行發電。顯然，潮汐能開發利用的優點十分明顯（王傳崑等，2009；程振興等，2010），主要包括清潔無污染、資源相對穩定，可準確預報、不存在人口遷移、可綜合利用，且堤壩不高，也就不會因為戰爭、自然災害等因素導致水壩破壞而對下游城市的人民生命和財產安全造成嚴重影響。此外，潮汐電站還具有運行費用低廉、無須備用機組等特點（方國洪等，1986）。當然，開發利用潮汐能也存在著一些不足之處。例如，較傳統能源密度低且出力不穩定、建壩一次性投入較大、一定的生態影響，以及腐蝕和淤積問題（沈東方等，2014）。

盡管如此，隨著現代技術水平的不斷發展和提高，潮汐發電所存在的上述問題正在逐步得到改善。例如，采用雙向或多水庫發電、利用抽水蓄能、納入電網調節等措施；采用現代化浮運沉箱進行施工以節約土建投資；采用不銹鋼制作機組、選用乙烯樹脂系列涂料等可以克服海水的腐蝕及海洋生物的粘附等。因此，潮汐能開發利用總體上仍是優勢大于劣勢，著名的法國朗斯潮汐電站長期穩定有效的運行就足以說明這一點。

潮汐能的開發形式較多（張超，2005；李允武，2008），從水庫的數目上區分，可分為單庫式和雙庫式兩種。其中，雙庫式又分為高低庫和大小庫，我國在浙江樂清灣內的茅埏島上建立的海山潮汐電站便采用了高低雙庫開發方式；而單庫式開發則又可分為單向式和雙向式。另外，由于傳統的潮汐發電多利用港灣、河口的天然條件建造攔潮壩，對壩內外的水動力和生態環境狀況、通航等產生一定影響，因此20 世紀90年代提出了一種無須占用寶貴天然港口或海灣的潮汐發電技術，即泄湖式（lagoon） 潮汐能開發利用技術，我國將其稱之為“海上潮汐發電”技術（朱曉紅，2003）。近期，許雪峰等（2010；2013） 提出了一種新的潮汐能開發方式，即利用海灣內外的動態水位差進行潮汐發電。其基本原理是，由于海水到達海灣底部和海灣外部的時間（即潮時） 并不一致，這將導致海灣底部潮時的延遲，因而形成了海灣內外的動態水位差，而這一水位差則可作為潮汐發電的水頭。數值模擬結果表明，該潮汐能的開發方式是可行的，且能極大地提高潮汐能的利用效率。

李允武（2008） 指出，單庫潮汐能開發方式是導致間歇性發電的主要原因，而雙庫式（高低庫和大小庫） 則可以彌補其不足。高低庫即是將水庫分割為高、低雙庫，其中高庫專司在高潮位時蓄水，而低庫則只在低潮位時出水。于是，高庫終日保持高水位，而低庫則終日保持較低水位，兩庫間總存在著水位差，將水輪發電機布放在兩庫之間，便可終日發電。但需要指出的是，由于將庫容一分為二，庫容利用率減半，發電量也隨之下降，因而顯得不太經濟。而大、小雙庫則是將電站水庫分為正常發電水庫和補充發電水庫兩部分，其庫容比約為3∶1 左右，使其彼此輪流互補發電，可以達到連續不斷的發電效果。與前者相比，大小雙庫的庫容雖同樣一分為二，但兩庫均可以發揮獨立發電的效用，其發電量絲毫不比單庫的開發方式少，且因小庫停機蓄能時間內可以集中較大水位差，使同樣體積的水量發出更多的電量，從而使得大小雙庫的總發電量甚至可能超過單庫的發電量。

2 潮汐能資源的估算方法

目前，潮汐能資源的分析和估算方法主要包括兩類。一類是基于潮汐勢能做功理論的總量簡易估算方法，另一類是近期由Xia等（2012；2010） 提出的基于潮汐數值模擬技術的估算方法。

2.1 簡易估算方法

爾·勃·伯恩斯坦（1996） 等認為，潮汐電站的能量是由潮汐在一年間每一次漲落周期內所做的功來表示的，因此表達其電站功率的要素不是水利電站所用的流量和水頭，而是潮汐水庫的面積和潮差。該方法假設海域內在漲落潮中沒有水面坡度，即整個海域的水面同時升、降，而且可以瞬時充滿、泄盡水庫，這樣對于正規半日潮海域，潮汐在一次漲落（半個潮周期） 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 的乘積來表示，即

式中，E 為功（kJ）；A 為平均潮差（m），F 為水庫面積（km2），r 為海水容量（ρg），取10.05（kN/m3）。

對于正規半日潮海域，潮汐能的日平均理論功率等于潮汐在一周日內所做的功3.87E 除以一周日的秒數為潮汐在一周日內漲落半周期的數目），即

需要指出的是，N 并不能用來確定潮汐電站的裝機容量，因為它在此取的是平均值，但它可以表述為一種“理論”上的平均狀態功率值，我們稱之為理論裝機容量。另外，它還可以用來確定潮汐電站的潮汐能年理論儲量E：

2） 與上述推導類似，Xia（2012） 等也引用了與公式（1） 一般無二的理論基礎，但Xia 等（2010） 認為式（1） 中所表示的是一個潮周期（兩漲兩落，正規半日潮） 所蘊藏的勢能，因此，推導結果較王傳崑（2009） 的結果小一倍，即

同樣，一年的潮汐理論發電量也與3.3 式相差一倍，而且，Xia 等（2010） 認為，Eyr 的年發電量還應乘以目前主要水輪機的總轉換效率，得到的即是潮汐能資源技術可開發的年發電量，即

為了檢驗公式（5） 的準確性，Xia 等（2010）利用法國朗斯、加拿大安納波利斯、我國江廈等現有潮汐電站的裝機規模和發電情況與計算結果進行了對比。結果表明，除各電站的水輪機轉換效率η所造成的區別外，公式（5） 可以十分準確地估算出研究海域的潮汐能資源蘊藏量（表1），尤其是可以準確給出裝機規模和年發電量兩個重要參數。

表1 世界各潮汐電站實際發電量與估算發電量

此外，在我國1958年開展的第一次全國潮汐能資源普查中，分別采用公式（6） 和（7） 對各壩址的潮汐能理論裝機容量和可開發裝機容量（雙向發電） 進行了估算，估算值是利用伯恩斯坦公式計算結果的2.67 倍。而且，在經過一系列的潮汐示范電站建設過程中，研究人員發現公式（6） -（7） 的評估結果偏大。在充分研究了我國若干潮汐電站的運行狀況后，于1978年開展的第二次全國沿岸潮汐能資源普查中，利用式（8） 作為正規半日潮港潮汐電站裝機容量（技術可開發量） 的計算公式。

2.2 數值模擬方法

隨著計算機和數值模擬技術的迅速發展，潮波的數值模擬技術已廣泛的應用于另外一種潮能——潮流能的資源評估（武賀 等，2011；陳金瑞，2014）研究當中，但對于潮汐能資源評估的應用卻鮮有論述。Xia等（2010） 基于一維及更為普遍使用的二維海洋數值模型，提出了一種通過研究攔潮壩口門和水輪機通量與水頭關系的潮汐能資源年發電量的方法。該方法需要較為精細的數據基礎，包括水深地形、實測潮汐數據、擬建壩址位置及開發形式等相關參數，因此其評估結果更為精準。

為了能夠刻畫潮汐蓄水、發電的整個開發過程，該方法采用一種特殊的模擬區域分離技術（domain decomposition） 將數值模型的區域分為兩個子區域，這兩個子區域共用一條內部開邊界，即擬建的攔潮壩，而且兩區域不相互重疊。

內部開邊界，即在壩址口門和渦輪機之間建立了一個表征流量和水頭的關系式。于是，透過攔潮壩口門的流量Qs可表達為：

其中，Qs的單位為m3/s，Cd為流量系數，As為過流面積，H=Zu-Zd為攔潮壩內外的水位差，即通過渦輪機前后的水位差。當As為水道最窄處截面面積時，Cd一般取>1.0。從Cd的敏感性試驗來看，Cd越大，即攔潮壩所處的水道越窄，雖然可以造成更大功率的輸出，但其對年發電量的提升卻十分有限。

發電流量Qt和發電功率Pt可表示為：

其中，Qt的單位為m3/s，ηt為水輪機效率，ρ為海水密度，一般取1 025 kg/m3，g 為重力加速度，取9.81 m/s2。夏軍強等（2011） 給出了水頭、流量和潛在最大功率三要素之間的關系式（圖3.1）。圖1可以看出，水輪機功率隨水頭和流量的增加而逐漸增大，當水頭達到6.9 m 時，流量和輸出功率皆達至最大，分別為730 m3/s 和39 MW，且不再隨水頭的增長而增大。

圖1 水輪機運行特征曲線

2.3 各評估方法的優劣

伯恩斯坦提出的潮汐能總量估算方法操作簡單，原理清晰，應用性廣。除我國第一次潮汐能普查中使用的參數偏大外，其余普查過程中所采用的方法皆是相同的，但其不足之處主要表現在兩方面。一方面，該方法估算的結果較粗，由于該方法是建立在建壩前后的水位變化等動力條件不變的假設之上，因此建壩對水位變化曲線產生的影響必然使潮汐能估算產生一定誤差。Nekrasov（2010） 等曾指出，攔潮壩建立后庫區內的平均水位將會降低，攔潮壩外的水位將會升高，而且，如果攔潮壩圈出的海域面積過大，還將對數百公里外的海岸線產生影響。另一方面，該評估方法僅能夠估算潮汐能理論裝機容量總量和年發電量，但無法給出潮汐能隨時間變化的狀況。相比之下，基于數值模擬技術的潮汐能評估法則彌補了上述的不足，較為準確地預測建壩后的潮汐能資源的總量及其時間變化特征，但卻存在著評估條件苛刻、操作困難且存在一定的不確定性等問題。例如，數值模擬的建模需要評估海域精確的水深地形數據、岸線資料、盡可能多的海流水位實測數據、攔潮壩的初設方案作為輸入條件；由于目前此類方法一般皆由物理海洋學等專業技術人員使用，應用案例稀少，且無相關標準規程可用，因此存在著模型選擇、網格水平分辨率和模型配置的各參數設置，甚至是潮汐能總量的具體算法皆不盡相同等問題，使得其評估結果的可重復性和可對比性較差，影響了該技術的推廣。

3 中國潮汐能資源評估現狀

截至2010年，中國共開展了4 次較大規模的潮汐能資源調查與評估（表2），潮汐能資源總量估算皆采用了伯恩斯坦提出的估算公式或是在其基礎上修改后的公式，評估結果仍屬于普查層面上的簡單統計。事實上，精確的潮汐能資源評估與其開發形式密切相關。由于潮汐能開發受到庫壩類型、發電方向（單向或雙向）、水頭設計及發電時長等因素的影響，因此以往的潮汐能資源評估方法及評估結果難以反映出不同開發形式間的差異和優劣。

表2 中國歷次潮汐能資源普查統計

第一次潮汐能資源調查始于1958年，由水利部勘測設計總局主持開展，采用前蘇聯的經驗公式（6） -（7） 估算了我國近海500 處河口和海灣的潮汐能蘊藏量。普查結果顯示，我國沿岸潮汐能年理論儲量為2751.6×108kWh，理論裝機容量為1.1×108kW。其中，可開發裝機容量為3 584×104kW，年發電量為874.3×108kWh。

1978年，在水利部規劃設計管理局的領導下，由水電部水利水電規劃設計院主持，沿海9 省（市、區） 的水利電力勘測設計院等單位參加，進行了第二次全國沿岸潮汐能資源普查。在此次普查中，潮汐能估算公式中的參數較1958年有了一定的調整，即在潮差和庫容面積相同的情況下，評估結果下降為之前的80%。評估結果表明，全國沿岸單壩址裝機容量500 kW 以上的156 個海灣和33個河口的總年發電量為618.7×108kWh，而總理論裝機容量為2 158×104kW。

第三次大規模潮汐能資源評估系1986年水電部科技司和國家海洋局科技司組織開展的沿海農村海洋能資源區劃。在此次調查評估時，采用與第二次相同的潮汐能資源估算公式，重點對我國沿海主要海灣內部200～1 000 kW 的小灣進行了補充調查。評估結果認為，我國近海200 kW 以上壩址的潮汐能裝機容量為2179.6×104kW，而年發電量為624.18×108kW。雖然此次評估的壩址數達到426 個，較第二次調查評估增加了184 個，但由于港灣的面積偏小，因此潮汐能估算總量僅增加了約1%。

第四次大規模的潮汐能資源調查評估是908 專項任務“我國近海可再生能源調查與研究”中的一部分。該項目自2004年開始實施，旨在通過對我國近岸海域、潮間帶、海島及沿海地區潮汐能、潮流能、波浪能、風能、溫差能、鹽差能等海洋可再生能源相關要素的調查，取得全面、系統的第一手數據，經分析處理后，摸清我國近海海洋可再生能源的蘊藏量和分布，同時有針對性地開展調查區域社會經濟發展對海洋可再生能源的需求狀況及開發利用現狀，為海洋可再生能源開發與利用綜合評價提供技術支撐。該項目除采用了100 余個潮汐站的水位數據外，還在重要區域增設了潮汐觀測站位49 個，估算公式與第三次普查保持一致，項目實施過程中還對擬選壩址位置進行了現場踏勘并進行了可行性分析。研究表明，我國近海潮汐能資源技術可開發裝機容量大于500 kW 的壩址（韓家新，2014）共171 個，總技術裝機容量為2282.91×104kW，年發電量約626.41×108kW·h（表3）。其中，大部分潮汐能資源主要集中在浙江和福建兩省（圖2 和表3），其潮汐能技術可開發裝機容量為2 067.34×104kW，年發電量為568.48×108 kW·h，分別占全國可開發量的90.5%和90.7%。

表3 我國近海500 kW 以上潮汐能站址資源統計表

圖2 我國近海潮汐能功率密度分布

比較而言，第一次潮汐能全國普查多采用較粗略的歷史數據進行估算，且沒有核計工程的經濟性和技術可行性，第二次潮汐能估算總體上較第一次的估算更為科學、細致，但由于評估工作是由不同單位的技術人員完成的，所以在選址標準、評估細節、評估深度等方面存在著的不夠統一的問題，第三次潮汐能資源普查是對第二次普查工作的補充，尤其是對裝機容量較小的海灣進行了統計分析，進一步明確了我國潮汐能資源的總體概況，而第四次潮汐能資源普查則是對前三次評估結果進行了修訂，不僅更新了由于自然變化和海涂圍墾等造成的庫容面積變化以及壩址的改變，而且采用了更多實測數據，從而提高了估算結果的精度。但這次評估也沒有過多地考慮潮汐能裝置類型及發電方式。需要指出的是，數次普查結果表明，我國的潮汐能資源總量總體上呈下降趨勢，這可能與以下三方面的原因有關。其一是由評估公式中的參數不同引起的。由于第二次和第三次潮汐能資源評估均采用了式（8），即參數由原來的250 改為200，因此得到的潮汐能資源總量較第一次明顯減少。其二是由于自然演變或圍海造田、海港工程建設等造成的岸線變化，使得港灣面積和潮汐庫容面積減小甚至是無建站的可能性。其三是在后來的潮汐能資源評估中使用了精度較高的平均潮差，這對評估結果帶來一定的影響。總體而言，我國潮汐能資源調查評估正處于大面普查至工程勘察階段，評估內容不斷增多，評估手段和評估結果的精度進一步提升，可為潮汐能開發利用規劃、選址論證提供重要的參考依據，但尚存在著環境影響評價不足等問題（施偉勇等，2011；石洪源等，2012）。為此，中國財政部和海洋局于2010年聯合啟動了海洋能專項資金項目，并專門成立了海洋能開發利用管理中心，負責在研專項項目的監督管理工作。其間，專項資金先后資助了“潮汐能和潮流能重點開發利用區資源勘查與選劃”、“乳山口4 萬千瓦級潮汐電站站址勘查及預可研”、“廈門市馬鑾灣萬千瓦級潮汐電站建設的站址勘查、選劃及工程預可研”、“福建沙埕港八尺門萬千瓦級潮汐電站站址勘查及工程預可研”、“溫州甌飛萬千瓦級潮汐電站建設工程預可研”等項目，對潮汐能資源豐富的浙江、福建及山東沿海的重點海灣進行了潮汐能和潮流能工程勘察、選址評估等可行性研究工作。初步結果表明①上述項目多處于執行階段，尚未結題驗收。，浙閩沿海29 個重點港灣的潮汐能理論蘊藏量約為1 331.9×104kW 其中沙埕港八尺門最大理論裝機容量超過3 萬千瓦，擬裝機容量約2.1 萬千瓦，溫州鷗飛規劃裝機容量45.1 萬千瓦，乳山口最大裝機容量為4.5 萬千瓦，擬裝機容量約為4 萬千瓦。

4 中國潮汐能電站運行狀況及規模

1958年，我國共建設了40 多座潮汐試驗電站，又在20 世紀70年代增建了10 余座潮汐電站。后來，由于種種原因多數潮汐電站已被廢棄。截至2011年，我國正在運行發電的潮汐電站共有8 座（表3）：浙江樂清灣的江廈潮汐試驗電站、海山潮汐電站（林楚平，1999）、沙山潮汐電站、山東乳山縣的白沙口潮汐電站、浙江象山縣岳浦潮汐電站、江蘇太倉縣瀏河潮汐電站、廣西飲州灣果子山潮汐電站、福建平潭縣幸福洋潮汐電站。這8 座潮汐電站總裝機容量為6 120 千瓦，年發電量1 000萬余度。其中，浙江溫嶺的江廈潮汐電站（柯友根，2001） 的裝機容量為3 200 kW，約占總量的1/2，其余電站的裝機容量均較小。

表3 我國仍在運行的潮汐電站及規模

5 總結與討論

我國近海的潮汐能資源十分豐富，尤其是在福建、浙江沿海地區，具有良好的資源條件、社會條件、施工條件等有利因素（李書桓等，2006），而且，數十年的潮汐試驗電站建設運行為我們積累了很多寶貴的潮汐電站建設和運維經驗。但應指出的是，目前在潮汐能開發利用方面仍存在著戰略部署、法律政策、公共參與等方面的問題（周歆，2014），而且資源評估和環境影響評價技術仍不夠完善，能量轉換效率尚有待提高，尤其是開發海域的協調使用問題，更是牽扯到諸多方面和相關部門。凡此種種都將對我國的潮汐能開發利用帶來一定的困難。針對上述問題，可采取以下解決方案：

（1） 積極借鑒英國、瑞典等潮汐發電技術相對成熟國家的新技術，如新型的潮汐發電裝置、水下潮汐電站等，以便提高我國潮汐發電設備的轉換效率、穩定性和實用性。

（2） 積極發展潮汐能資源工程勘察和環境影響評價技術。針對潮汐能開發利用的特點，結合現有的潮汐能示范工程建設，建立包括資源條件、發電裝置選型、電力輸送及并網、生態環境影響和投資收益等在內的綜合評價體系，為潮汐電站建設提供有效的技術指導。

（3） 積極推進潮汐能綜合開發利用策略。在建設潮汐電站的同時，要因地制宜地開展海上養殖、圍涂、旅游和交通等生產活動，以增加對新技術領域的開發資本。同時，政府應加大對潮汐能開發利用的支持力度，制定諸如減免稅收、電價補貼等優惠政策，并制定和完善相應的電力競爭機制，從而激發投資者的積極性，開創我國潮汐能資源開發利用工作的新局面。

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