美洲潮汐發(fā)電園區(qū)的開發(fā)前景

[法國] F．郎佩里埃

美洲潮汐發(fā)電園區(qū)的開發(fā)前景

[法國] F．郎佩里埃

因種種原因，目前開發(fā)利用的潮汐能僅占世界潮汐蘊(yùn)藏總量的極小一部分，而潮汐發(fā)電園區(qū)(TG)提供了一種全新的解決方案。重點(diǎn)分析了在美洲開發(fā)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(qū)具有成本效益，而且在阿根廷這樣的中潮差地區(qū)，甚至在巴西這樣潮差只有3 m的地區(qū)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(xiàn)有傳統(tǒng)技術(shù)方案開發(fā)的潮汐能僅占世界潮汐能蘊(yùn)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(jī)組廠房的土建工程單位發(fā)電成本過高，且其年單位發(fā)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(jī)，其單位發(fā)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(shù)量極為有限。

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

潮汐發(fā)電園區(qū)(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(jī)結(jié)合在一起，使水輪機(jī)的流量、安裝及維護(hù)處于最優(yōu)工況。水輪機(jī)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(yùn)藏量進(jìn)行了粗略評估。首先回顧了潮汐能發(fā)電的優(yōu)勢。

(1) 環(huán)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(fā)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(fēng)電設(shè)施、工業(yè)和旅游設(shè)施。攔海大壩可保護(hù)海岸免遭海洋風(fēng)暴、海嘯及海水上升的破壞，大壩建設(shè)成本可通過發(fā)電收益解決。

2 潮汐能蘊(yùn)藏量評價標(biāo)準(zhǔn)

可用一個簡單的公式來評價TG方案：

E=0.7SHm2。

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

如果平均潮差為3～7 m，水輪機(jī)單位發(fā)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?qū)０缎螤钣刑厥獾囊?，原因是攔海大壩長度與能源供應(yīng)之比應(yīng)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(dāng)?shù)汀?/p>

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(yīng)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(dāng)短的攔海大壩。無論是庫內(nèi)還是庫邊均可安裝蓄能設(shè)施。包括蓄能在內(nèi)的單位發(fā)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(fā)電量為0.7×1 300×7.52 TW·h，意味著年發(fā)電量接近50 TW·h。然而，自然潮差可能會減少，在單位發(fā)電成本大致相同的條件下，實(shí)際發(fā)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(diǎn)。

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(yùn)藏量可達(dá)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(fā)的潛力。

4 美 國

阿拉斯加雖然有較大的潮差，但實(shí)際開發(fā)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(yùn)藏量可超過50 TW·h/a，單位發(fā)電成本100美元/MW·h。盡管該成本對當(dāng)?shù)鼐用襁^高，但仍有可能找到單位發(fā)電成本相同但面積更小、更適合發(fā)電的壩址，或干脆建一座專為重工業(yè)供電的大型電站。

美國可開發(fā)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(fā)潛力十分顯著，原因是離岸20～30 km海域內(nèi)的海深不超過20 m。其潮汐能可開發(fā)面積超過100 000 km2，理論蘊(yùn)藏量為400 TW·h/a。

巴西采用燈泡貫流式機(jī)組、正交機(jī)組或貫流式水輪機(jī)開發(fā)潮汐能不太現(xiàn)實(shí)，但通過TG提供100 TW·h的年發(fā)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(fēng)電、工業(yè)或旅游等收益分?jǐn)?。這一優(yōu)勢可能會極大推動地方潮汐能的開發(fā)。

利用TG控制亞馬遜河下游數(shù)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(qū)，但潮差接近4～5 m的地區(qū)有3個。

(1) 圣安東尼奧(San Antonio)灣是其中一個。由于該地區(qū)海深限制了潮汐能開發(fā)，其年潮汐能發(fā)電量僅為數(shù)TW·h。但令人感興趣的是，該地區(qū)可以開發(fā)一個裝機(jī)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(fā)條件十分有利，其潮汐能蘊(yùn)藏量約30 TW·h/a，單位發(fā)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(yùn)藏量約為50 TW·h/a，但其成本要高于沿海蘊(yùn)藏豐富的風(fēng)電成本。部分近海水庫可考慮綜合開發(fā)潮汐發(fā)電和資源豐富的風(fēng)力發(fā)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(yùn)藏量為10～20 TW·h/a，發(fā)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(yùn)藏量為數(shù)TW·h/a。

9 智 利

部分深水海域有利用貫流式水輪機(jī)的可能，但建立大規(guī)模TG的可能性不大。

(左志安 編譯)

2014-12-26

戰(zhàn)略與規(guī)劃

1006-0081(2015)03-0003-02

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