多能互補壓縮空氣儲能海上電站初探

　　海洋是取之不竭的能源寶庫。近年來，世界各國對海浪能進行了大量研究，取得了一定的成果，但實現(xiàn)商業(yè)化運行的項目較少。其主要瓶頸在于，在海水環(huán)境中回轉(zhuǎn)部件保持長期運轉(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，需要加入風能、太陽能等其他能源形態(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。

　　當前，我國將多能互補+儲能的能源利用方式作為推進能源革命，實現(xiàn)清潔替代的一項重要舉措，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、風能、太陽能三種能量集中的區(qū)域，具有得天獨厚的可再生能源利用優(yōu)勢，既能破解單一利用海浪能面臨的技術(shù)瓶頸，又符合國家多能互補+儲能的清潔能源探索方向。

　　原理簡單具備經(jīng)濟性

　　海浪能、風能、太陽能多能互補壓縮空氣儲能（CAES）海上發(fā)電站，其原理是將海浪能、風能轉(zhuǎn)變?yōu)閴嚎s空氣，太陽能熱量進一步加熱壓縮空氣增加能量，以壓縮空氣為工作媒介推動透平膨脹機—發(fā)電機發(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)，海浪下降時氣缸吸氣，海浪上升時氣缸壓縮空氣，往復(fù)循環(huán)將海浪的能量組轉(zhuǎn)變?yōu)閴嚎s空氣；風能部分采用自然風力吹動垂直軸風力機旋轉(zhuǎn)帶動空壓機（僅使用機頭部分）壓縮空氣；海浪能、風能壓縮空氣進入集氣管，集氣管起到儲存、輸送壓縮空氣的作用；太陽能部分采用槽式太陽能集熱管系統(tǒng)收集太陽能熱量，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入換熱器中的壓縮空氣加熱，使壓縮空氣能量進一步增大；加熱后的壓縮空氣噴入膨脹透平機帶動發(fā)電機發(fā)出電力。

　　整個海上電站是由框架群及其支撐的雙層海上平臺構(gòu)成的岸線近海海中構(gòu)筑物。長方體浮筒設(shè)置在框架內(nèi)，框架限制浮筒的4個側(cè)面且與浮筒保持較小適當間隙，使浮筒只能隨海浪上下垂直運動且不被卡死；整個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)成第一層平臺即氣缸平臺，平臺由框架間連接梁固定連接構(gòu)成，平臺上布置海浪能壓縮空氣集氣管，頂部即第二層平臺底部設(shè)置氣缸連桿上固定；框架再繼續(xù)向上延伸構(gòu)成第二層平臺即風力機平臺，風力機平臺上布置風力機、空壓機、風能集氣管；第二層平臺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、膨脹透平機發(fā)電機、電氣設(shè)備、控制設(shè)備等，是整個電站的控制中心；廠房建筑頂部平臺設(shè)置槽式太陽能集熱管系統(tǒng)。

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

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

　　相比傳統(tǒng)海上風電優(yōu)勢明顯

　　海浪能、風能、太陽能多能互補壓縮空氣儲能海上發(fā)電站作為新生事物，其原理及結(jié)構(gòu)不同于風力發(fā)電直接將能量轉(zhuǎn)變?yōu)闄C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、燃氣輪機、汽油機等由流體產(chǎn)生動力的方式，通過中間介質(zhì)可發(fā)揮能量利用范圍廣、單位能量利用強度高、儲能、精確控制等優(yōu)勢。

　　海上電站與傳統(tǒng)海上風電項目相比具有以下特點：

　　第一，能源利用效率高。海上電站是利用壓縮空氣推動透平發(fā)出電力，經(jīng)適當改裝后其尾氣仍可加以利用，可實現(xiàn)冷+熱+電+海水淡化四聯(lián)供，據(jù)清華大學電機系為國網(wǎng)公司實驗的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70%-80%，其效率優(yōu)勢是傳統(tǒng)海上風電項目無法比擬的。

　　第二，經(jīng)濟性好。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，與海上風電場相比，施工簡單，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，海上電站較海上風電場來說，占海面積小，海上電站是一個集中的整體海上建筑，后期電站設(shè)備維護、更換部件相對簡便。

　　第三，適合島嶼供電。我國海島眾多，特別是距離陸地較遠的海島供電始終是一個較難解決的問題，海上電站明顯優(yōu)于柴油發(fā)電機+風電+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。海上風電一般設(shè)計壽命為20-25年，其后期退役拆除費用較大，但海上電站使用期限很長，全生命周期度電成本更低。

　　第五，抗臺風能力強。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，抵抗臺風等海上惡劣天氣影響的能力更強。

　　需為商業(yè)化應(yīng)用積累經(jīng)驗

　　我國幅員遼闊，海岸線長達18000公里，東南沿海是我國風能最為豐富地區(qū)之一，其中如臺山、平潭、東山、南鹿、大陳、嵊泗、南澳、馬祖、馬公、東沙等海島地區(qū)，風能年可利用小時數(shù)約在7000-8000小時，年有效風功率密度在200W/m2以上，是海上電站建設(shè)的首選地區(qū)。同時，浙江、福建、廣東是我國經(jīng)濟最為發(fā)達、人口稠密、用電負荷較大的地區(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，電站利用風能、太陽能供電，功率不足部分可由陸地配合小型天然氣或其他方式補充供電。由于渤海岸線的風能、海浪能較東南沿海岸線小，相同功率情況下，電站占海面積會增大。

　　鑒于海上電站的諸多優(yōu)勢，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，助推沿岸地區(qū)的能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型。

　　目前，《一種海浪能、風能、太陽能聯(lián)合利用發(fā)電站》已被國家知識產(chǎn)權(quán)局專利局授予實用新型專利。當務(wù)之急，是建設(shè)實驗電站為將來商業(yè)化應(yīng)用積累經(jīng)驗。通過建設(shè)海上實驗電站，可測得海浪能、風能壓縮空氣壓力及流量，太陽能加熱溫度等重要參數(shù)，并對設(shè)備結(jié)構(gòu)進行進一步優(yōu)化，為商業(yè)化應(yīng)用奠定堅實基礎(chǔ)。(■邢志光　作者供職于唐山鋼鐵集團有限責任公司)