2018年第11期2018Number11水电与新能源HYDＲOPOWEＲANDNEWENEＲGY第32卷Vol．32DOI：10．13622/j．cnki．cn42－1800/tv．1671－3354．2018．11．001收稿日期：2018－08－10作者简介：刘邦凡，男，博士，教授、博士生导师，从事能源管理研究。通讯作者：栗俊杰，女，讲师，从事公共管理研究。基金项目：河北省高等学校人文社会科学研究项目“河北省经济绿色发展模式的动态评估模型和政策研究”（SD181015），河北省科技厅软科学研究及科普专项“雄安新区水环境的价值及其体系研究”（18454202D）。我国潮汐能发电的研究与发展刘邦凡1，栗俊杰2，王玲玉1（1．燕山大学公共管理学院，河北秦皇岛066004；2．邢台职业技术学院，河北邢台054000）摘要：随着对环境污染越来越重视，很多国家都加紧潮汐能发电的研发。通过对国内外潮汐能研究现状的梳理，基于我国潮汐能研究和开发现状，认为我国潮汐能发电的技术动力不足，政策支持力度不够，一方面需要促进国内外合作，实现技术突破；另一方面需要政府提供更加优惠的政策环境。关键词：潮汐能；潮汐能发电；生态效益中图分类号：TM619文献标志码：A文章编号：1671－3354（2018）11－0001－06ＲesearchandDevelopmentofTidalPowerGenerationinChinaLIUBangfan1，LIJunjie2，WANGLingyu1（1．CollegeofPublicAdministration，YanshanUniversity，Qinhuangdao066004，China；2．XingtaiPolytechnicCollege，Xingtai054000，China）Abstract：Withthedeteriorationofglobalpollutionproblem，thedevelopmentofcleanenergyhasbecomeakeyenergystrategyaroundtheworld．Asoneofthenewenergysource，tidalpowerhasattractedmuchattentioninmanycountries．Inthispaper，thecurrentstatusofresearchworkontidalpowerissummarized．Also，theresearchanddevelopmentsit-uationoftidalpowergenerationinChinaisintroduced．ItshowsthatthetechnicaldrivingforcebehindthetidalpowerdevelopmentinChinaisunsatisfactoryandthepolicysupportisinsufficient．Thus，itisnecessarytopromotetheinter-nationalcooperationtoachievetechnicalbreakthroughs．And，thegovernmentshouldprovidemorefavorablepolicyenvi-ronment．Keywords：tidalpower；tidalpowergeneration；ecologicalbenefit随着在全球范围内的污染越来越严重，传统能源的劣势越加凸显，而以环保著称的诸多新能源其优势地位也凸显出来。同时，在过去的一百年，人类对于以黑色能源为主的传统能源的采掘与消耗已经接近枯竭，寻找替代性能源已经成为人类发展未来的重要主题。我们所处的地球是一个蓝色海洋的星球，海洋是人类发展的重要未来，海洋所提供的能源更是我们人类未来能源的重要选项，其中海洋潮汐所承载的能源就是一个持续环保的无尽能源。因此，从新能源、替代能源和人类发展未来等多个角度看，我们应该高度重视潮汐能的开发与应用。1潮汐能的国内外研究现状1．1国外研究现状查阅美国EI收录文献，以“tidalenergy”为题名或关键词的文献有4800多篇，从1969持续到2019年，每年都有新的文献被收录。1969年收录的文献只有7篇，例如查理尔等［1－5］，查理尔的两篇文章直接论述到潮汐能的应用与开发，从1970年开始每年收录文献逐年增加，尤其是进入本世纪以来，收录文献每年都200篇以上，一些年份接近400篇之多。而最新收录文献年份已经到了2019年，例如，马丁等人在《可再生能1水电与新能源2018年第11期源》发表的文章［6］，该文提出了一种用于研究屈曲膜潮汐能转换器性能的解析线性模型。可见国外对于潮汐能的研究，时间上已经持续了半个多世纪，学术上已经形成潮汐能研究学术圈。从实践应用看，英国是目前潮汐能技术研究较为先进的国家。美国、法国、挪威、爱尔兰等海洋资源丰富的国家的潮汐能利用技术水平相对较高。其学术研究也相对完善，研究的角度多有不同，大多集中于潮汐能开发的专业技术、潮汐能开发之于环境的意义、潮汐能开发的安全性等方面，列举代表性学者的论述和观点如下：弗洛克等人［7］认为，要提高潮汐能的应用开发，关键就要提高和改善潮汐涡轮机技术，而这一技术并没有成熟起来；同时由于安装、维护、电力传输、负载条件和环境等方面的影响，潮流水轮机的研发与应用也很迟缓。约翰斯通等人［8］也认为影响潮汐能发电技术研发的影响因子是多方面，包括：发电成本、发电厂对需求的响应、资源供应安全性、环境影响和执行风险。也有学者从潮汐能开发的可行性分析入手，分析潮汐能发电的利弊，例如埃利诺．丹尼［9］从经济学的角度对比了煤炭发电与潮汐发电的成本，认为潮汐能发电是不经济的。而帕特里克［10］对北爱尔兰安装的世界上第一个潮汐能转换器附近的2个村的271名居民进行的问卷调查分析，结果表明大多居民是肯定潮汐能存在价值的，当然这些价值可能把环境价值考虑了进去。穆西尔［11］从清洁能源的角度审视，认为海洋能源资源是全球范围内的，没有一个单一的能源将能够独立实现节能减排，清洁能源应该同时发展，以期达到未来减排目标。在具体探讨国别潮汐能开发与应用时，一些国家的学者进行多角度探讨。例如，格拉贝［12］等人在探讨挪威潮汐能开发应用时，认为挪威潮汐能发电在地理位置、海洋条件都很优越，未来，挪威可能会成为电力的主要输出国；绵延的海岸线，众多的海湾、岛屿使得挪威的潮汐能流量巨大；由于潮汐和潮汐相位在地理位置上的滞后，亦缓解了潮汐能本身的间歇特性，有利于合理地分配潮汐能负荷时间。又如，费兰［13］认为在美国东北部的缅因州地区潮汐能的开发潜力巨大，能够发展形成潮汐工业产业，从而进行集群发展，这样的产业集群会对缅因州产生广泛的效益。再如，哈斯和凯文［14］认为美国具有广泛的潮汐能开发潜力，应该建构起一个美国潮汐流能源数据库和潮汐流能地理信息系统工具，着力推进潮汐能转换技术研发。综上所述，可以看出，国外关于潮汐能研究的持续时间长、涉及领域广泛，技术相对成熟，总体而言，英国和美国的潮汐能研究则更为成熟，相关文献数量庞大。1．2国内研究现状我国关于潮汐能发电的研究主要集中在福建省、浙江省、江苏省、上海市、山东省这些东部沿海省份。基本上在对潮汐能的技术开发、发展前景、资源利用等方面，而对环渤海地区的潮汐能的研究较少。从发展前景方面看，主要有以下研究观点：郭成涛［15］认为，东南沿海地区亟需发展潮汐能。戎晓洪［16］认为，通过分析我国的能源现状，虽然潮汐能发电有一定缺点，但是未来是最有潜力的发电方式之一；在当前制约我国潮汐能的因素之一就是发电成本的问题。张发华［17］认为影响我国潮汐发电主要是电价成本问题，可以通过综合开发，主要包括在周围发展交通、养殖、旅游等来达到降低发电成本的目的。王旭冉、李国栋、鲁笑笑［18］认为可以借鉴其他国家的潮汐能技术，包括新型的潮汐发电装置、水下潮汐电站等，从而达到经济性目的。邹健健、赵丽萍［19］对潮汐能发电电价进行了分析，他们认为可以优先考虑年发电量指标较大的方案，再通过其他经济因素，以达到最大经济性。张勇、崔蓓蓓、邱宇晨［20］认为我国潮汐能源开发潜力巨大，但是发展速度相对较慢，认为应该从政策角度加快我国潮汐能的发展。赵霞、谭思明、姜静［21］则从潮汐能技术专利角度提出发展潮汐能的对策建议，认为技术突破是关键。石洪源、郭佩芳［22］认为，从我国的地理位置优势、资源优势、技术优势等方面探讨了潮汐能开发的可行性。武贺、王鑫、李守宏［23］研究了我国现存的潮汐能电站，分析了我国目前总体状况，他们认为我国潮汐能在发电技术上、对生态环境的影响上存在诸多弊端。刘邦凡、王燕等人对包括潮汐能在内的海洋能源开发与应用也进行多角度多方面的研究［24－27］。从专业技术角度看，主要有以下观点：刘业凤、赵奎文［28］研究了利用潮汐能代替用电力驱动的水泵来发电，再利用太阳能和潮汐能进行蒸馏的技术，从而大大降低了系统的成本，主要是对潮汐能发电。王勇、于2刘邦凡，等：我国潮汐能发电的研究与发展2018年11月兰英、贾旭、刘桓龙［29］研究了来流速度对潮汐能发电叶片工作效率的影响，通过一系列的研究确定了适合该发电装备的来流速度。通过仿真模拟，确定了最佳流速。张俊彪、缪斌、许雪峰、杨万康、张峰、潘冲、施伟勇［30］首次提出了新式的潮汐能开发方式，潮汐能的全新开发方式可能有较好的发展前景。王逸飞［31］、凌长明［32］提出了一种用潮汐能的聚集能直接产生高压海水，通过反渗透膜进行海水淡化的新方法，这个方法具有广阔的发展前景。赵帅帅、陈成军、洪军、董志强［33］设计了一种新型的利用潮汐能发电的偏心叶片式潮汐能发电装置，通过一系列的测试，得出结果，表明：来流速度为5m/s时，功率系数是最大的。总体而言，尽管国内外潮汐能研究的角度多有不同、技术各有突破，较之国外，我国还是存在较大差距，尤其是潮汐能发电技术研究方面，我国还处于起步阶段。2我国潮汐能Ｒ＆D现状我国是世界上潮汐能资源丰富的国家之一，主要用于发电。我国的潮汐能电站主要集中在东部沿海地区。比如福建、浙江、江苏、山东等几个沿海省份，其中福建省的潮汐能资源最为丰富，这主要取决于其海岸线绵长、海底地势等自然条件。表1是我国部分潮汐能发电站的基本情况。表1中国部分潮汐发电站的现状名称所在地装机容量/kW总发电量/（亿W·h－1）发电方式平均潮差/m江厦潮汐电站浙江3000100单库双向5．08幸福洋潮汐发电站福建128031．5单向退潮式4．54白沙口潮汐电站山东400001．03单库单项2．5海山潮汐电站浙江1503．1双库单向－岳浦潮汐电站浙江－0．0031单库单向3．6浏河潮汐发电站江苏1500．0025双向发电－注：资料收集来源中国知网［22，34－35］。1）福建省潮汐能Ｒ＆D现状。福建省位于东南沿海地区，从其资源状况来看，石油、天然气、煤等资源贫瘠，利用的可能性基本为0，又鉴于这些能源的污染程度比较大，不具有发展潜力。就其风能来说，位于沿海，受季风气候的影响，具有较大的季节性，秋冬季节风能资源丰富，因此，发展风能不具有稳定性。而福建省的潮汐能开发，自然条件比较丰富，地处东南沿海，海岸线绵长，海湾众多，潮差大，不受季节、地形等条件的限制；有较好的发展基础，福建省已经建立了多个潮汐电站；福建省经济发展程度高，有足够的财力来开发潮汐能源；福建省一些地市政府已经制定了大力推进潮汐能源开发的政策，国家也正在大力倡导清洁能源的使用，政策支持上具有优势；经济实力雄厚，Ｒ＆D经费能够得到保障，技术创新和应用没有问题。福建省潮汐资源丰富，我国大部分的潮汐能电站分布在此，利用潮汐能发电，不仅解决了福建省缺少煤与油的状况，也保护了环境，节约了资源，给福建省创造了巨大的收益；在建立潮汐电站的同时，也推进了当地的养殖、围涂、旅游、交通运输的齐动发展。2）浙江省潮汐能Ｒ＆D现状。浙江省海域广阔，是潮汐能资源最为丰富、开发利用最早、成效最好的省份之一。我国最大潮汐电站———江厦潮汐电站就在浙江省温岭市。从浙江省潮汐能源开发条件来看，经济、与自然方面，与福建省差不多。浙江省的经济总量在我国省市排名第四位，强有力的经济实力为发展潮汐能提供了坚实的经济基础；其经济实力对技术的引进以及发展都具有良好的带动作用。因此，浙江省发展潮汐能的条件和潜力都是充足的。潮汐能开发的同时给浙江省的渔业、水产养殖、交通、旅游等都带来了巨大的经济效益。但是，它本身存在着投资高、收益较低的弊端，给海岸周边的生态环境造成了破坏，在一定程度上破坏水生物的生存环境，导致泥沙淤积。例如，浙3水电与新能源2018年第11期江省的岳浦潮汐能电站10年库内淤高15～30cm。3）上海潮汐能Ｒ＆D现状。上海市是属于长江三角洲的地带，海岸线较长，利用潮汐能发电，具有优越的地理优势。上海市位于长江口的北支，从潮差来讲，要比浙江省、福建省小，发展潮汐能的资源相对较弱。3条港最大潮差为5．95m，平均潮差为3．04m。理论统计，长江口北支潮汐能总装机容量为70万kW，年发电量可达23亿kW·h，具有较好的开发利用前景。4）江苏省潮汐能Ｒ＆D现状。江苏省同样位于我国的东部沿海地区，地理位置相对于浙江、福建省份来说，比较靠北，与山东省南北相接，江苏省的潮汐能开发条件、经济基础、技术条件上来说，要比浙江、福建省弱，但相对于其他能源的开发，其优势还是很明显的。从自然条件来看，江苏省的海岸线较长，具备开发条件；但是其多数为沙滩或者浅滩，给建立潮汐电站带来困难；其次，就是江苏省的传统能源比较少，比如，煤、石油、天然气等资源，需要开发新能源带动生产生活；江苏省还没有建设起潮汐能发电站，在政策、资金、技术创新等方面有待大力提升。5）山东省潮汐能Ｒ＆D现状。山东省位于东部沿海地区，被渤海和黄海环绕。山东省沿海地区的海岸线曲折、具有有利的条件来开发潮汐能；从经济基础上来说，山东省是我国的经济大省之一，全国经济总量排名第二，有雄厚的经济基础；从技术条件上来看，中国海洋大学位于山东省青岛市，到目前为止，研究利用潮汐能发电的项目，中国海洋大学是研究主体之一，因此，具有有利的研发条件和培养专业人才的优势。但是，其弊端主要在于：山东省的潮汐能开发程度并不高，目前，也就只有乳山口潮汐电站的利用程度比较好。其主要原因还是山东省主要的发电方式是煤、石油等传统方式，据统计，山东省利用煤发电占比达到90%以上。正是煤和石油这些资源的供给充足，所以开发潮汐能的动力不足。到目前为止，山东省潮汐能发电站也有了一定的发展，在乳山口潮汐发电站带动了附近经济的发展，进行滩涂养殖、水产养殖、海产品批发产业、海产品加工业等相继发展起来，海上乐园、居民区、旅游度假村等开始建设发展起来，带动了当地的经济发展，创造了巨大的收益。但是与其他地区的状况相似，在创造巨大收益的同时也带来了生态环境的破坏。所以在平衡生态效益与经济效益两者的利弊，还需要进一步的探讨和实践。3我国潮汐能发电的发展瓶颈目前，我国潮汐能电站的发展还处于萌芽阶段。尽管我国正在倡导利用新能源发电，但总体看我国潮汐能发电的技术、政策、动力等多方面都显不足。我国潮汐能电站建设是一个长期的任务，不能一蹴而就。究其原因，主要有以下几个方面。1）地理位置受限。潮汐能发电站大多数采用的是筑坝式发电站，对站址的要求较高、严格，沿海地区能够建立发电站的站址不多，即使像浙江省、江苏省、山东省、环渤海等潮汐能源比较丰富的省份或地区，真正符合建造潮汐电站的站址也并不多，这就客观上限制了我国潮汐能发电站的建设。2）技术发展不成熟。对于潮汐能发电技术，不论是筑坝式发电技术，还是潮汐能流发电技术，在我国都不够成熟，比较于一些欧洲国家，在一些核心技术、高级设备方面有很大的差距，这就导致电站建设和运行成本都很高，严重制约了我国潮汐能发电技术的进一步发展。3）发电成本较高。潮汐发电的成本比起煤、石油发电的成本要高。比如，江夏潮汐发电站，不但初期的建造成本较大，而且在运行过程中，由于潮汐发电的不连续性和波动性，发电机组的利用率不高，输出功率变化比较大。这两方面导致了潮汐能发电的成本高于火力发电。另外，潮汐能发电设备在海水中长时间浸泡，造成了一些水生物附着在表面，或者浸泡引起的生锈，需要隔几年进行一次清理，工作起来比较复杂、麻烦、需要投入的人力、物力、财力较多，这同样造成发电成本增高。目前江厦的上网电价是2．58元/（kW·h），比其他发电的电价高出很多。4）破坏了生态环境，影响海湾水动力。长期在海岸建造水电站，破坏了其原有的海洋生态系统，使得沿海岸的海洋生物无法生存，严重的话会引起海洋生态系统的不稳定，并且还会改变原有的海水的流动。每个国家目前都存在这样的问题，英国、法国、加拿大等国家的电站开发规划和涉及论证长达几十年。4刘邦凡，等：我国潮汐能发电的研究与发展2018年11月5）海下设备原材料差。长期在水下运行的机械设备，长期遭受海水腐蚀，会在表面生锈、附着海生物，必须进行定期清理，这样会导致运行成本增加。据了解，上世纪50年代后期，我国在东南沿海兴建了40余座小型潮汐发电站或动力站。由于没有科学研究及正规的勘测设计，不少站址选择不当，加之设备简陋、海水腐蚀等问题，多数电站在运行一段时间后就废弃了［36］。6）政府的支持力度不大。由于建造潮汐发电站的占用面积、围垦面积比较大，如若与其他港口、码头等建设项目冲突的话，政府会更多的选择建造其他项目，主要是由于潮汐电站的收益较其他项目要低。4推进我国发展潮汐能发电建设的突破口进一步推进我国潮汐能发电的经济效益、生态效益和社会效益，需要从以下几个方面加以突破。1）技术方面。促进国内外合作，实现技术上的突破。我国潮汐能发电站的开发技术虽然有所发展，但是与国外的核心开发技术相差较大，我国首先要大力发展潮汐电站的开发技术［37］。目前，我国大多采用的是筑坝式、单双库等形式，这些形式不仅都对生态环境产生一定不利影响，而且应用这些形式发电成本也比较高。而美国、英国、挪威等国家的潮汐发电站开发与运行技术成熟而完备，初步实现了生态效益与经济效益的双丰收。英国是目前世界上潮汐发电技术最先进的国家。根据报道，2014年，英国在斯旺西海湾建造了世界最大的泻湖潮汐发电站，年发电量可达420kMW·h，设计使用年限为120年［38］。这不仅能够解决英国的用电问题，还可以发展帆船等体育、旅游、休闲娱乐项目，实现了经济效益、生态效益和社会效益的多赢局面。我国需要大力推进国际合作，与欧洲国家、美国等国家进行多方面的合作，充分借鉴和吸收他们的先进经验和先进技术，应用到我国潮汐发电建设与运行中。可喜的是，我国在2015年6月初，一家公司成为了建造英国的潮汐能电站的第一个中国企业。这也是英国首个部分借助中国企业专业技能的基础设施开发项目。这为以后双方国家开展项目合作，为我国实现潮汐能发电技术突破提供了机遇［39］。在专业技术方面，要突破一些关键技术和核心技术。例如，要发明或更新具有防腐蚀性的潮汐电站海下原材料，采用一些与海洋植物或者与海洋生物相适应的原材料或防腐膜，这不仅可以省去定期的清理工作，节省了人力、物力，减少发电成本，而且还可以减少对海洋生物的影响。2）政策方面。政府应该制定专门的支持政策，进一步优化政策环境。我国利用潮汐能发电有较长的时间，但是国家的政策支持力度不大，比较于西方国家的支持力度有很大差距，导致我国潮汐能发电成本高、经济效益和社会效益都较低。因此，对于我国潮汐能电站建设与运行，政府应该在项目开发前、项目开发中、项目开发后都给予相应的支持和优惠政策［40］。在项目开发前，主要是在潮汐电站的选址、可行性、技术操作、硬件设施的引进上给予优先政策。配备专门的专家队伍对选址进行实地考察和衡量，并提供必要技术指导。对硬件设施的引进以及在引进国外的经验和技术的时候，国家需要从经济上给一些补贴，或者免税政策。国家应出台一些保护性政策，在一些适宜建造潮汐电站的地方，对建造潮汐电站提供必要的优先保障［41］。在电费管理方面，国家需要给予应用潮汐能电一些优惠补贴，让潮汐能发电的电价与其他发电形式的电价相一致。总之，我国的潮汐能发电站的建设前景很好，但就国情而言，需要克服的难题还有很多，仍需要不断在理论研究上、在技术专利等方面进行突破。通过在政策上进一步推进，技术、理论上进一步研究、提高东部沿海地区的潮汐能发电的效率和规模，使之在东部沿海地区形成一个潮汐工业产业［42］，进行集群化发展，使东部沿海地区对全国产生一个广泛的效益。参考文献：［1］CharlierＲH．Harnessingenergiesofoceans－2［J］．MarineTechnologySocietyJournal，1969，3：59－81［2］CharlierＲH．Harnessingenergiesofoceans－1［J］．MarineTechnologySocietyJournal，1969，3：13－32［3］ZalkanＲL．Internalwavesoftidalperiodicity［J］．Geophysi-calＲesearch，1969，74（13）：3434－3435［4］BlantonJ．Energydissipationinatidalestuary［J］．Geophysi-calＲesearch，1969，74（23）：5460－5466［5］EasterBH．Anenergystoragesystem［J］．ModelingSimula-5水电与新能源2018年第11期tion，1969，13：306－310［6］TrschM，DéporteA，DelacroixS，etal．Analyticallinearmodelizationofabuckledundulatingmembranetidalenergyconverter［J］．ＲenewableEnergy，2018，130：245－255［7］ＲourkeFO，BoyleF，ＲeynoldsA．Tidalenergyupdate2009［J］．AppliedEnergy，2010，87（2）：398－409［8］JohnstoneCM，PrattD，ClarkeJA，etal．Atechno－eco-nomicanalysisoftidalenergytechnology［J］．ＲenewableEner-gy，2013，49（1）：101－106［9］DennyE．Theeconomicsoftidalenergy［J］．EnergyPolicy，2009，37（5）：1914－1924［10］Devine－WrightP．Placeattachmentandpublicacceptanceofrenewableenergy：Atidalenergycasestudy［J］．Environ-mentalPsychology，2011，31（4）：336－343［11］MusialW．StatusofwaveandtidalpowertechnologiesfortheUnitedStates［Ｒ］．2008［12］GrabbeM，LalanderE，LundinS，etal．AreviewofthetidalcurrentenergyresourceinNorway［J］．Ｒenewable＆Sustain-ableEnergyＲeviews，2009，13（8）：1898－1909［13］FerlandJ．Tidalenergydevelopment［J］．MainePolicyＲe-view，2008，17（2）：111－113［14］HaasKA．AssessmentofenergyproductionpotentialfromtidalstreamsintheUnitedStates［Ｒ］．OfficeofScience＆TechnicalInformationTechnicalＲeports，2011［15］郭成涛．潮汐能利用的新概念［J］．海洋学报：中文版，1994，16（1）：142－148［16］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