新嘗試｜多能互補(bǔ)壓縮空氣儲(chǔ)能海上電站初探

:海洋是取之不竭的能源寶庫(kù)。近年來(lái)，世界各國(guó)對(duì)海浪能進(jìn)行了大量研究，取得了一定的成果，但實(shí)現(xiàn)商業(yè)化運(yùn)行的項(xiàng)目較少。其主要瓶頸在于，在海水環(huán)境中回轉(zhuǎn)部件保持長(zhǎng)期運(yùn)轉(zhuǎn)面臨目前技術(shù)難以克服的困難；單一的海浪能、潮汐能等海洋能利用范圍較窄，需要加入風(fēng)能、太陽(yáng)能等其他能源形態(tài)，才能克服單位面積能量較小、收集困難且不穩(wěn)定的缺陷。

當(dāng)前，我國(guó)將多能互補(bǔ)+儲(chǔ)能的能源利用方式作為推進(jìn)能源革命，實(shí)現(xiàn)清潔替代的一項(xiàng)重要舉措，大力探索可再生能源清潔電力的發(fā)展和創(chuàng)新。

岸線近海是海浪能、風(fēng)能、太陽(yáng)能三種能量集中的區(qū)域，具有得天獨(dú)厚的可再生能源利用優(yōu)勢(shì)，既能破解單一利用海浪能面臨的技術(shù)瓶頸，又符合國(guó)家多能互補(bǔ)+儲(chǔ)能的清潔能源探索方向。

原理簡(jiǎn)單具備經(jīng)濟(jì)性

海浪能、風(fēng)能、太陽(yáng)能多能互補(bǔ)壓縮空氣儲(chǔ)能（CAES）海上發(fā)電站，其原理是將海浪能、風(fēng)能轉(zhuǎn)變?yōu)閴嚎s空氣，太陽(yáng)能熱量進(jìn)一步加熱壓縮空氣增加能量，以壓縮空氣為工作媒介推動(dòng)透平膨脹機(jī)—發(fā)電機(jī)發(fā)電。海浪能部分采用打氣筒原理，即浮筒（浮漂）-氣缸結(jié)構(gòu)，海浪下降時(shí)氣缸吸氣，海浪上升時(shí)氣缸壓縮空氣，往復(fù)循環(huán)將海浪的能量組轉(zhuǎn)變?yōu)閴嚎s空氣；風(fēng)能部分采用自然風(fēng)力吹動(dòng)垂直軸風(fēng)力機(jī)旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)空壓機(jī)（僅使用機(jī)頭部分）壓縮空氣；海浪能、風(fēng)能壓縮空氣進(jìn)入集氣管，集氣管起到儲(chǔ)存、輸送壓縮空氣的作用；太陽(yáng)能部分采用槽式太陽(yáng)能集熱管系統(tǒng)收集太陽(yáng)能熱量，集熱管中充滿傳熱介質(zhì)（導(dǎo)熱油），傳熱介質(zhì)在集熱管及換熱器間循環(huán)，集氣管與換熱器相連將進(jìn)入換熱器中的壓縮空氣加熱，使壓縮空氣能量進(jìn)一步增大；加熱后的壓縮空氣噴入膨脹透平機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)出電力。

整個(gè)海上電站是由框架群及其支撐的雙層海上平臺(tái)構(gòu)成的岸線近海海中構(gòu)筑物。長(zhǎng)方體浮筒設(shè)置在框架內(nèi)，框架限制浮筒的4個(gè)側(cè)面且與浮筒保持較小適當(dāng)間隙，使浮筒只能隨海浪上下垂直運(yùn)動(dòng)且不被卡死；整個(gè)電站由多組框架相連構(gòu)成框架群，且框架與海底固定連接；框架繼續(xù)向上延伸構(gòu)成第一層平臺(tái)即氣缸平臺(tái)，平臺(tái)由框架間連接梁固定連接構(gòu)成，平臺(tái)上布置海浪能壓縮空氣集氣管，頂部即第二層平臺(tái)底部設(shè)置氣缸連桿上固定；框架再繼續(xù)向上延伸構(gòu)成第二層平臺(tái)即風(fēng)力機(jī)平臺(tái)，風(fēng)力機(jī)平臺(tái)上布置風(fēng)力機(jī)、空壓機(jī)、風(fēng)能集氣管；第二層平臺(tái)靠近陸地中央位置設(shè)置廠房建筑，廠房建筑內(nèi)部設(shè)置換熱器、膨脹透平機(jī)發(fā)電機(jī)、電氣設(shè)備、控制設(shè)備等，是整個(gè)電站的控制中心；廠房建筑頂部平臺(tái)設(shè)置槽式太陽(yáng)能集熱管系統(tǒng)。

海上電站采用壓力差式背靠背多級(jí)氣缸設(shè)計(jì)，這樣就使浮筒-氣缸拾能裝置覆蓋整個(gè)海面高度，同時(shí)，多級(jí)氣缸的單個(gè)缸筒長(zhǎng)度縮短，減小了較長(zhǎng)缸筒的加工制造難度降低成本。

海上電站原理簡(jiǎn)單，設(shè)備常見，所處海水位置較淺，海工造價(jià)較低，具有可操作性。

相比傳統(tǒng)海上風(fēng)電優(yōu)勢(shì)明顯

海浪能、風(fēng)能、太陽(yáng)能多能互補(bǔ)壓縮空氣儲(chǔ)能海上發(fā)電站作為新生事物，其原理及結(jié)構(gòu)不同于風(fēng)力發(fā)電直接將能量轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械轉(zhuǎn)矩發(fā)出電力，而是加入中間環(huán)節(jié)將自然能量轉(zhuǎn)變?yōu)閴嚎s空氣，符合火電汽輪機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)、汽油機(jī)等由流體產(chǎn)生動(dòng)力的方式，通過(guò)中間介質(zhì)可發(fā)揮能量利用范圍廣、單位能量利用強(qiáng)度高、儲(chǔ)能、精確控制等優(yōu)勢(shì)。

海上電站與傳統(tǒng)海上風(fēng)電項(xiàng)目相比具有以下特點(diǎn)：

第一，能源利用效率高。海上電站是利用壓縮空氣推動(dòng)透平發(fā)出電力，經(jīng)適當(dāng)改裝后其尾氣仍可加以利用，可實(shí)現(xiàn)冷+熱+電+海水淡化四聯(lián)供，據(jù)清華大學(xué)電機(jī)系為國(guó)網(wǎng)公司實(shí)驗(yàn)的TICC-500壓縮空氣發(fā)電系統(tǒng)相關(guān)論文，其能源綜合利用效率可達(dá)70%-80%，其效率優(yōu)勢(shì)是傳統(tǒng)海上風(fēng)電項(xiàng)目無(wú)法比擬的。

第二，經(jīng)濟(jì)性好。海上電站建設(shè)在岸線近海，其海深較淺，一般為4-10米，且距離陸地較近，與海上風(fēng)電場(chǎng)相比，施工簡(jiǎn)單，且海上電站可建設(shè)橋梁與陸地相通，便于人員、設(shè)備、電力線纜敷設(shè)，甚至可將操作控制系統(tǒng)設(shè)置在陸地上。另外，海上電站較海上風(fēng)電場(chǎng)來(lái)說(shuō)，占海面積小，海上電站是一個(gè)集中的整體海上建筑，后期電站設(shè)備維護(hù)、更換部件相對(duì)簡(jiǎn)便。

第三，適合島嶼供電。我國(guó)海島眾多，特別是距離陸地較遠(yuǎn)的海島供電始終是一個(gè)較難解決的問題，海上電站明顯優(yōu)于柴油發(fā)電機(jī)+風(fēng)電+光伏發(fā)電的模式，并可解決海島冷、熱、電、淡水等問題。

第四，使用壽命長(zhǎng)。海上風(fēng)電一般設(shè)計(jì)壽命為20-25年，其后期退役拆除費(fèi)用較大，但海上電站使用期限很長(zhǎng)，全生命周期度電成本更低。

第五，抗臺(tái)風(fēng)能力強(qiáng)。海上電站在海中形成穩(wěn)定的框架結(jié)構(gòu)，其迎海面為類似于篩子的框架樁柱而不是一堵墻，抵抗臺(tái)風(fēng)等海上惡劣天氣影響的能力更強(qiáng)。

需為商業(yè)化應(yīng)用積累經(jīng)驗(yàn)

我國(guó)幅員遼闊，海岸線長(zhǎng)達(dá)18000公里，東南沿海是我國(guó)風(fēng)能最為豐富地區(qū)之一，其中如臺(tái)山、平潭、東山、南鹿、大陳、嵊泗、南澳、馬祖、馬公、東沙等海島地區(qū)，風(fēng)能年可利用小時(shí)數(shù)約在7000-8000小時(shí)，年有效風(fēng)功率密度在200W/m2以上，是海上電站建設(shè)的首選地區(qū)。同時(shí)，浙江、福建、廣東是我國(guó)經(jīng)濟(jì)最為發(fā)達(dá)、人口稠密、用電負(fù)荷較大的地區(qū)，為清潔電力的消納提供了有力條件。黃海岸線山東沿海也非常適合該種電站建設(shè)。渤海岸線由于冬季有海冰產(chǎn)生，例如秦皇島、唐山、天津岸線冬季結(jié)冰期一般為30-40天左右，海上電站為陸地（或島嶼）設(shè)施供電，可在冬季結(jié)冰期內(nèi)將浮筒收起，電站利用風(fēng)能、太陽(yáng)能供電，功率不足部分可由陸地配合小型天然氣或其他方式補(bǔ)充供電。由于渤海岸線的風(fēng)能、海浪能較東南沿海岸線小，相同功率情況下，電站占海面積會(huì)增大。

鑒于海上電站的諸多優(yōu)勢(shì)，可優(yōu)先在浙江、福建、廣東、海南等省岸線近海推廣建設(shè)，由海上向陸地供應(yīng)電力，減少該地區(qū)火電裝機(jī)，助推沿岸地區(qū)的能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型。

目前，《一種海浪能、風(fēng)能、太陽(yáng)能聯(lián)合利用發(fā)電站》已被國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利局授予實(shí)用新型專利。當(dāng)務(wù)之急，是建設(shè)實(shí)驗(yàn)電站為將來(lái)商業(yè)化應(yīng)用積累經(jīng)驗(yàn)。通過(guò)建設(shè)海上實(shí)驗(yàn)電站，可測(cè)得海浪能、風(fēng)能壓縮空氣壓力及流量，太陽(yáng)能加熱溫度等重要參數(shù)，并對(duì)設(shè)備結(jié)構(gòu)進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化，為商業(yè)化應(yīng)用奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

(作者供職于唐山鋼鐵集團(tuán)有限責(zé)任公司)

原標(biāo)題:多能互補(bǔ)壓縮空氣儲(chǔ)能海上電站初探