2025年新能源科学与工程(潮汐能利用与系统设计)试卷及答案

2025年新能源科学与工程(潮汐能利用与系统设计)试卷及答案适用专业：新能源科学与工程考试时长：120分钟考试形式：闭卷总分：100分一、填空题（共10小题，每小题2分，共20分）1.全球已投产装机容量最大的坝式潮汐电站是韩国的电站，其总装机容量为MW。2.我国运行时间最长的商业化潮汐电站是，总装机容量为3.9MW。3.潮汐能按利用形式可分为坝式潮汐能（利用海水能）和潮流能（利用海水能）两大类。4.半日潮的一个完整潮汐周期约为小时分钟，与月球公转周期直接相关。5.坝式潮汐电站中，适配低水头大流量工况的主流水轮发电机组类型是式机组。6.潮流能发电的理论能流密度计算公式为，其中ρ为海水密度，v为瞬时水流速度。7.常规单库单向潮汐电站的主要发电阶段为（填“涨潮”或“落潮”）阶段。8.我国实测最大潮差出现在澉浦站，最大潮差约为8.93m。9.2024年我国并网投运的首座兆瓦级漂浮式潮流能示范项目位于海域，单机额定功率为1.5MW。10.双库潮汐电站设置高、低两个水库的核心目的是实现发电，解决潮汐出力间歇性问题。二、单项选择题（共10小题，每小题1分，共10分）1.下列潮汐类型中，我国东海、黄海海域最普遍的是（）A.全日潮B.半日潮C.混合潮D.气象潮2.坝式潮汐电站站址选择的核心水文评价指标是（）A.海水盐度B.平均潮差C.泥沙浓度D.波浪高度3.下列潮流能发电装置中，叶轮旋转轴与水流方向平行的是（）A.水平轴式B.垂直轴式C.振荡水翼式D.涵道式4.与单库单向潮汐电站相比，单库双向电站的核心优势是（）A.机组造价更低B.发电时长更长C.设计水头更高D.库容需求更小5.已知某潮流站点平均流速为2m/s，海水密度取1025kg/m³，其平均能流密度约为（）A.1.025kW/m²B.2.05kW/m²C.4.1kW/m²D.8.2kW/m²6.下列不属于坝式潮汐电站核心组成部分的是（）A.挡水坝B.泄水闸C.升压站D.风力塔架7.潮汐电站的年理论发电量与下列哪个参数呈二次方关系（）A.水库面积B.平均潮差C.机组效率D.年潮汐循环次数8.我国首座潮汐-光伏互补微网示范电站落地于（）A.广东珠海B.浙江温岭C.福建平潭D.山东威海9.下列潮流能发电装置中，可适应双向水流且无需偏航系统的是（）A.水平轴式B.垂直轴式C.漂浮式D.固定式10.下列关于潮汐能特点的描述，错误的是（）A.出力可精准预测B.属于可再生清洁能源C.能量密度低于风能D.受气象条件影响小三、多项选择题（共5小题，每小题3分，共15分，多选、少选、错选均不得分）1.坝式潮汐电站的常规运行方式包括（）A.单库单向B.单库双向C.双库单向D.双库连续发电2.潮流能发电装置按安装方式分类，可分为（）A.固定式B.漂浮式C.水平轴式D.垂直轴式3.坝式潮汐电站开发可能带来的环境影响有（）A.海湾泥沙淤积规律改变B.河口生态系统结构变化C.大量温室气体排放D.鱼类洄游通道受阻4.影响潮流能发电机组年发电量的主要因素有（）A.站点流速分布特性B.叶轮扫掠面积C.系统总效率D.海水盐度5.潮汐能-光伏互补微网系统的核心优势有（）A.平抑综合出力波动B.提升供电可靠性C.降低储能配置需求D.减少土地资源占用四、简答题（共4小题，每小题5分，共20分）1.简述潮汐现象的成因及大小潮的形成机制。2.简述单库双向潮汐电站的工作原理及主要优缺点。3.对比分析潮流能发电与陆上风力发电的异同点。4.简述坝式潮汐电站站址选择的主要技术影响因素。五、计算分析题（共2小题，每小题10分，共20分）1.某坝式潮汐电站采用单库双向运行模式，已知当地平均潮差$H_{avg}=5.0\mathrm{m}$，水库有效面积$A=10\mathrm{km}^2$，电站总效率（含水轮机、发电机、输水系统损失）$\eta=70\%$，年潮汐循环次数取$n=705$次/年（一个循环含1次涨潮、1次落潮）。试计算：（1）该电站的年理论发电量（单位：kWh）；（2）若电站年利用小时数为2400h，计算电站的总装机容量（单位：kW，结果保留整数）。（海水密度$\rho=1025\mathrm{kg/m}^3$，重力加速度$g=9.81\mathrm{m/s}^2$）2.某潮流能发电站点实测半日潮流速特征如下：涨潮时段平均流速$v_1=2.2\mathrm{m/s}$，持续时长6h；落潮时段平均流速$v_2=2.0\mathrm{m/s}$，持续时长6h；其余时段流速低于1.0m/s，机组启动流速为1.0m/s。现有一台水平轴潮流能机组，叶轮直径$D=20\mathrm{m}$，额定流速$v_r=2.5\mathrm{m/s}$，总效率（含能量利用系数、机械效率、发电机效率）$\eta=36\%$，海水密度$\rho=1025\mathrm{kg/m}^3$。试计算：（1）该机组的额定功率（单位：kW，结果保留整数）；（2）该机组的日发电量（单位：kWh，结果保留整数）；（3）该站点的日平均能流密度（单位：$\mathrm{kW/m}^2$，结果保留2位小数）。六、综合设计题（共1小题，15分）某偏远海岛计划建设独立型潮汐能-光伏互补微网系统，满足全岛居民生活与公共服务用电需求。已知基础数据如下：①用电负荷：日均用电量350kWh，峰值负荷70kW，尖峰负荷主要集中在18:00-22:00；②潮汐资源：当地为正规半日潮，平均潮差4.5m，可利用海湾面积0.25$\mathrm{km}^2$，潮汐发电可利用有效潮差为平均潮差的85%，潮汐电站年利用小时数取2200h；③光伏资源：当地水平面年总辐照量为1200$\mathrm{kWh/m}^2$，光伏系统综合效率为80%；④储能系统：采用磷酸铁锂电池，额定放电深度为90%，需满足极端工况下的供电冗余。请完成以下系统设计任务：（1）确定潮汐电站的运行方式与总装机容量（潮汐发电量占总用电量的60%）；（2）计算光伏系统的装机容量（结果保留整数，单位：kW）；（3）设计储能系统的额定容量与额定功率（需满足连续2天无日照、无潮汐发电的极端工况供电需求）；（4）简述该互补微网的能量管理策略。参考答案及评分标准一、填空题（共10小题，每小题2分，共20分）1.始华湖；2542.江厦潮汐电站3.势；动4.12；255.灯泡贯流6.$I=\frac{1}{2}\rhov^3$（或$I=0.5\rhov^3$）7.落潮8.杭州湾9.浙江舟山10.连续（或全天候）二、单项选择题（共10小题，每小题1分，共10分）1.B2.B3.A4.B5.C6.D7.B8.B9.B10.C三、多项选择题（共5小题，每小题3分，共15分）1.ABD2.AB3.ABD4.ABC5.ABC四、简答题（共4小题，每小题5分，共20分）1.评分要点：（1）成因：潮汐是海水在月球和太阳引潮力共同作用下产生的周期性涨落现象，其中月球引潮力占主导（约71%），太阳引潮力占比约29%（2分）。（2）大小潮机制：当月球、地球、太阳处于同一直线（朔日或望日）时，太阳潮与太阴潮同向叠加，形成大潮，潮差达到峰值（2分）；当三者位置呈直角关系（上弦月或下弦月）时，太阳潮抵消部分太阴潮，形成小潮，潮差为谷值（1分）。2.评分要点：（1）工作原理：单库双向电站仅设置一个水库，通过双向水轮发电机组或流道切换结构，在涨潮阶段（外海水位高于水库水位）和落潮阶段（水库水位高于外海水位）均可利用水位差驱动机组发电（2分）。（2）优点：相比单库单向电站，年发电时长提升40%-50%，水库库容利用率更高（1分）。（3）缺点：双向机组结构更复杂，单位千瓦造价更高；涨落潮转换阶段存在发电间隙，无法实现连续供电；低水头工况下机组效率下降明显（2分，答出任意2点即可）。3.评分要点：（1）相同点：均利用流体动能驱动叶轮旋转将动能转化为电能，装置工作原理类似；均属于可再生清洁能源，出力具有间歇性特征（2分）。（2）不同点：①能量密度：海水密度约为空气的830倍，相同流速下潮流能流密度远高于风能，机组单位功率的尺寸更小（1分）；②出力特性：潮汐流速受天体运动规律控制，出力可精准预测，风能受气象条件影响大，预测精度低（1分）；③运行环境：海水腐蚀性强，机组需防腐蚀、防海洋生物附着，水下维护难度大、成本高（1分）。4.评分要点：（1）水文条件：平均潮差≥3m具备商业开发价值，潮差越大单位发电成本越低，同时需考虑径流、波浪对电站的影响（1分）；（2）地形条件：优先选择封闭性好的海湾或河口，坝体长度短、水库库容大，可降低单位投资（1分）；（3）地质条件：坝基岩性稳定、承载力强，区域渗漏量小，规避活动断裂带（1分）；（4）泥沙条件：流域输沙量小，减少库区淤积导致的库容衰减，延长电站使用寿命（1分）；（5）配套条件：靠近电网接入点，施工交通便利，移民与生态影响小（1分）。五、计算分析题（共2小题，每小题10分，共20分）1.评分要点：（1）年理论发电量计算：单库双向电站单次涨潮或落潮的发电能量来自水库水体的势能变化，平均发电水头为潮差的1/2，单次发电水体体积$V=A\cdotH_{avg}$（2分）。单次涨潮（或落潮）发电量公式：$E_{single}=\rhogV\cdot\frac{H_{avg}}{2}\cdot\eta=\frac{1}{2}\rhogAH_{avg}^2\eta$（1分）每个潮汐循环含涨潮、落潮两次发电，年发电量公式：$E_{year}=n\cdot2\cdotE_{single}=n\rhogAH_{avg}^2\eta$（1分）代入参数：$A=10\mathrm{km}^2=1*10^7\mathrm{m}^2$，$H_{avg}=5.0\mathrm{m}$，$\rho=1025\mathrm{kg/m}^3$，$g=9.81\mathrm{m/s}^2$，$\eta=0.7$，$n=705$次/年$E_{year}=705*1025*9.81*10^7*5^2*0.7=1.239*10^{15}\mathrm{J}$转换为kWh：$E_{year}=\frac{1.239*10^{15}}{3.6*10^6}\approx3.44*10^8\mathrm{kWh}$（或3.44亿kWh，2分）（2）总装机容量计算：装机容量公式：$P=\frac{E_{year}}{T_{use}}$，其中$T_{use}$为年利用小时数（2分）代入参数：$P=\frac{3.44*10^8}{2400}\approx143333\mathrm{kW}$（或143MW，结果接近即可，2分）2.评分要点：（1）额定功率计算：额定功率为额定流速下的发电功率，公式为$P_r=\frac{1}{2}\rhoAv_r^3\eta$，其中叶轮扫掠面积$A=\frac{\piD^2}{4}$（1分）代入参数：$D=20\mathrm{m}$，$A=\pi*10^2\approx314.16\mathrm{m}^2$$P_r=0.5*1025*314.16*2.5^3*0.36\approx906\mathrm{kW}$（2分，结果±10kW内均得分）（2）日发电量计算：涨潮、落潮时段流速均低于额定流速，功率与流速三次方成正比（1分）涨潮时段功率：$P_1=P_r\cdot(\frac{v_1}{v_r})^3=906*(\frac{2.2}{2.5})^3\approx617\mathrm{kW}$涨潮发电量：$E_1=P_1*6=617*6=3702\mathrm{kWh}$（1分）落潮时段功率：$P_2=P_r\cdot(\frac{v_2}{v_r})^3=906*(\frac{2.0}{2.5})^3\approx464\mathrm{kW}$落潮发电量：$E_2=P_2*6=464*6=2784\mathrm{kWh}$（1分）日总发电量：$E_{day}=E_1+E_2=3702+2784=6486\mathrm{kWh}$（或6490kWh，1分）（3）日平均能流密度计算：能流密度为单位面积的潮流功率，按日时间加权平均（1分）涨潮能流密度：$I_1=0.5\rhov_1^3=0.5*1025*2.2^3\approx5.46\mathrm{kW/m}^2$落潮能流密度：$I_2=0.5\rhov_2^3=0.5*1025*2.0^3=4.10\mathrm{kW/m}^2$日平均能流密度：$I_{avg}=\frac{I_1*6+I_2*6}{24}=\frac{5.46*6+4.10*6}{24}\approx2.39\mathrm{kW/m}^2$（2分，结果±0.05内均得分）六、综合设计题（共1小题，15分）评分要点：（1）潮汐电站运行方式与装机容量（4分）①运行方式：选择单库双向运行模式。理由：海岛独立微网对供电稳定性要求高，单库双向模式发电时长更长，可更好匹配负荷需求，减少储能配置压力（2分，运行方式正确1分，理由合理1分）。②装机容量计算：年总用电量$=350\mathrm{kWh/天}*365\mathrm{天}=127750\mathrm{kWh}\approx12.78\mathrm{万kWh}$潮汐年发电量需求$=12.78\mathrm{万kWh}*60\%\approx7.67\mathrm{万kWh}$潮汐装机容量$=76700\mathrm{kWh}÷2200\mathrm{h}\approx34.9\mathrm{kW}$，取35kW（2分，公式正确1分，结果正确1分）。（2）光伏装机容量计算（3分）光伏年