美洲潮汐發電園區的開發前景

[法國] F．郎佩里埃

美洲潮汐發電園區的開發前景

[法國] F．郎佩里埃

因種種原因，目前開發利用的潮汐能僅占世界潮汐蘊藏總量的極小一部分，而潮汐發電園區(TG)提供了一種全新的解決方案。重點分析了在美洲開發TG的可行性，證明了TG不僅在加拿大或阿拉斯加這樣的高潮差地區具有成本效益，而且在阿根廷這樣的中潮差地區，甚至在巴西這樣潮差只有3 m的地區也同樣具有成本效益。

潮汐;潮汐水電站；美洲

1 概 述

迄今為止，利用現有傳統技術方案開發的潮汐能僅占世界潮汐能蘊藏總量的極小一部分，其原因如下：

(1) 對可用的低水頭而言，燈泡貫流式機組廠房的土建工程單位發電成本過高，且其年單位發電量限制在2 GW·h/MW。

(2) 潮汐水電站采用俄羅斯正交式水輪機，其單位發電成本雖然較低，但仍然偏高。其中潮差大于6 m的壩址除外，但這類壩址數量極為有限。

(3) 貫流式水輪機(in-stream turbine)的工作原理雖然有吸引力，但全球滿足水輪機流量和施工條件的壩址不多，且維護和聯網成本較高。

潮汐發電園區(TG)提供了一種全新的解決方案，它將大型近海水庫與貫流式水輪機結合在一起，使水輪機的流量、安裝及維護處于最優工況。水輪機被置于水庫和海洋之間的潮汐水道(見圖1與圖2)。

本文對美洲潮汐能的潛在蘊藏量進行了粗略評估。首先回顧了潮汐能發電的優勢。

(1) 環境有利，原因是可保持沿岸自然潮汐條件(如圖3所示，切換時間為2 h)，避免大波浪及異常高水位。

(2) 即使在自然潮差為3～4 m的條件下，也可維持較低的單位發電成本。

(3) 近海水庫面積大，水面平靜，用于抽水蓄能的水面面積較小。此外，還有利于興建成本低廉的風電設施、工業和旅游設施。攔海大壩可保護海岸免遭海洋風暴、海嘯及海水上升的破壞，大壩建設成本可通過發電收益解決。

2 潮汐能蘊藏量評價標準

可用一個簡單的公式來評價TG方案：

E=0.7SHm2。

式中，E為年發電量,GW·h；S為水庫面積,km2；Hm為平均潮差,m。電站總裝機容量為0.2SHm2MW。

如果平均潮差為3～7 m，水輪機單位發電成本和潮道的成本差別不大。但Hm值越低，則要求水庫的面積越大，或對海岸形狀有特殊的要求，原因是攔海大壩長度與能源供應之比應保持在一個可接受的范圍。因此全球Hm值低于3 m的潮汐電站，其成本效益相當低。

由于攔海大壩成本隨海洋深度顯著提高，因此大壩全長的大部分應建在海深不超過20 m或25 m的地方。有些潮位很高的國家，如哥倫比亞，因海水過深而并沒有太多合適的壩址。

3 加拿大

著名的芬迪(Fundy)潮汐電站可用于修建TG，該電站海深適中，可修建相當短的攔海大壩。無論是庫內還是庫邊均可安裝蓄能設施。包括蓄能在內的單位發電成本總計約為100萬美元，或許會更低。對于一個面積1 300 km2、潮差約7.5 m的TG而言，其理論發電量為0.7×1 300×7.52 TW·h，意味著年發電量接近50 TW·h。然而，自然潮差可能會減少，在單位發電成本大致相同的條件下，實際發電量可能約為40 TW·h。該壩址距魁北克500 km，距美國紐約1 000 km。可先建一個幾百兆瓦的小型示范點。

昂加瓦(Ungava)海灣容量巨大，特別是海灣西部的自然潮差高，海深適中。潮汐能蘊藏量可達100 TW·h/a。但電力輸往蒙特利爾或紐約的成本可能接近150美元/MW·h，原因是攔海大壩較長，施工條件差，輸電成本過高。加拿大西海岸潮汐能幾乎沒有開發的潛力。

4 美 國

阿拉斯加雖然有較大的潮差，但實際開發時，大部分地方海水過深。但在安克雷奇(Anchorage)附近有一處極佳的壩址，海深適中，可建較短的攔海大壩。其潮汐能蘊藏量可超過50 TW·h/a，單位發電成本100美元/MW·h。盡管該成本對當地居民過高，但仍有可能找到單位發電成本相同但面積更小、更適合發電的壩址，或干脆建一座專為重工業供電的大型電站。

美國可開發潮汐能的海域不多，除了東海岸靠近加拿大邊境有大約10 TW·h/a的潛力外，其他地方幾乎沒有潮汐能資源。

5 巴 西

巴西平均潮差很低，其東海岸潮差為2 m，北部圣路易斯(St Luis)和圭亞那(Guyana)間潮差為3 m。盡管如此，巴西的潮汐能開發潛力十分顯著，原因是離岸20～30 km海域內的海深不超過20 m。其潮汐能可開發面積超過100 000 km2，理論蘊藏量為400 TW·h/a。

巴西采用燈泡貫流式機組、正交機組或貫流式水輪機開發潮汐能不太現實，但通過TG提供100 TW·h的年發電量是一種低成本的方式，特別是在圣路易斯西海岸。

攔海大壩的部分成本可由水庫的儲能、風電、工業或旅游等收益分攤。這一優勢可能會極大推動地方潮汐能的開發。

利用TG控制亞馬遜河下游數百千米的水位及鹽度在理論上是可行的，另外還有利于減少海平面上升的影響。

6 阿根廷

阿根廷沒有潮差很大的地區，但潮差接近4～5 m的地區有3個。

(1) 圣安東尼奧(San Antonio)灣是其中一個。由于該地區海深限制了潮汐能開發，其年潮汐能發電量僅為數TW·h。但令人感興趣的是，該地區可以開發一個裝機幾百兆瓦的試驗電站。

(2) 新(Nuevo)灣的海灣面積為3 000 km2，潮差約為4 m，海水較淺，適合修建較短的攔海大壩，因此潮汐能開發條件十分有利，其潮汐能蘊藏量約30 TW·h/a，單位發電成本低于100美元/MW·h。對鯨魚的干擾問題可通過提供專門的通道來解決。

(3) 巴塔哥尼亞(Patagonia)灣潮汐能蘊藏量約為50 TW·h/a，但其成本要高于沿海蘊藏豐富的風電成本。部分近海水庫可考慮綜合開發潮汐發電和資源豐富的風力發電。

7 巴拿馬

巴拿馬帕里塔(Parita)灣可利用潮差接近6 m，潮汐能蘊藏量為10～20 TW·h/a，發電成本約為100美元/MW·h。

8 哥倫比亞

哥倫比亞潮差大，但由于近海水深非常大，并沒有太多的利用空間。在成本合理的條件下，其潮汐能蘊藏量為數TW·h/a。

9 智 利

部分深水海域有利用貫流式水輪機的可能，但建立大規模TG的可能性不大。

(左志安 編譯)

2014-12-26

戰略與規劃

1006-0081(2015)03-0003-02

P731.23;TV744

A