多能互补压缩空气储能海上电站初探

海洋是取之不竭的能源宝库。近年来，世界各国对海浪能进行了大量研究，取得了一定的成果，但实现商业化运行的项目较少。其主要瓶颈在于，在海水环境中回转部件保持长期运转面临目前技术难以克服的困难；单一的海浪能、潮汐能等海洋能利用范围较窄，需要加入风能、太阳能等其他能源形态，才能克服单位面积能量较小、收集困难且不稳定的缺陷。
　　当前，我国将多能互补+储能的能源利用方式作为推进能源革命，实现清洁替代的一项重要举措，大力探索可再生能源清洁电力的发展和创新。
　　岸线近海是海浪能、风能、太阳能三种能量集中的区域，具有得天独厚的可再生能源利用优势，既能破解单一利用海浪能面临的技术瓶颈，又符合国家多能互补+储能的清洁能源探索方向。
　　原理简单具备经济性
　　海浪能、风能、太阳能多能互补压缩空气储能(CAES)海上发电站，其原理是将海浪能、风能转变为压缩空气，太阳能热量进一步加热压缩空气增加能量，以压缩空气为工作媒介推动透平膨胀机—发电机发电。海浪能部分采用打气筒原理，即浮筒(浮漂)-气缸结构，海浪下降时气缸吸气，海浪上升时气缸压缩空气，往复循环将海浪的能量组转变为压缩空气；风能部分采用自然风力吹动垂直轴风力机旋转带动空压机(仅使用机头部分)压缩空气；海浪能、风能压缩空气进入集气管，集气管起到储存、输送压缩空气的作用；太阳能部分采用槽式太阳能集热管系统收集太阳能热量，集热管中充满传热介质(导热油)，传热介质在集热管及换热器间循环，集气管与换热器相连将进入换热器中的压缩空气加热，使压缩空气能量进一步增大；加热后的压缩空气喷入膨胀透平机带动发电机发出电力。
　　整个海上电站是由框架群及其支撑的双层海上平台构成的岸线近海海中构筑物。长方体浮筒设置在框架内，框架限制浮筒的4个侧面且与浮筒保持较小适当间隙，使浮筒只能随海浪上下垂直运动且不被卡死；整个电站由多组框架相连构成框架群，且框架与海底固定连接；框架继续向上延伸构成第一层平台即气缸平台，平台由框架间连接梁固定连接构成，平台上布置海浪能压缩空气集气管，顶部即第二层平台底部设置气缸连杆上固定；框架再继续向上延伸构成第二层平台即风力机平台，风力机平台上布置风力机、空压机、风能集气管；第二层平台靠近陆地中央位置设置厂房建筑，厂房建筑内部设置换热器、膨胀透平机发电机、电气设备、控制设备等，是整个电站的控制中心；厂房建筑顶部平台设置槽式太阳能集热管系统。
　　海上电站采用压力差式背靠背多级气缸设计，这样就使浮筒-气缸拾能装置覆盖整个海面高度，同时，多级气缸的单个缸筒长度缩短，减小了较长缸筒的加工制造难度降低成本。
　　海上电站原理简单，设备常见，所处海水位置较浅，海工造价较低，具有可操作性。
　　相比传统海上风电优势明显
　　海浪能、风能、太阳能多能互补压缩空气储能海上发电站作为新生事物，其原理及结构不同于风力发电直接将能量转变为机械转矩发出电力，而是加入中间环节将自然能量转变为压缩空气，符合火电汽轮机、燃气轮机、汽油机等由流体产生动力的方式，通过中间介质可发挥能量利用范围广、单位能量利用强度高、储能、精确控制等优势。
　　海上电站与传统海上风电项目相比具有以下特点：
　　第一，能源利用效率高。海上电站是利用压缩空气推动透平发出电力，经适当改装后其尾气仍可加以利用，可实现冷+热+电+海水淡化四联供，据清华大学电机系为国网公司实验的TICC-500压缩空气发电系统相关论文，其能源综合利用效率可达70%-80%，其效率优势是传统海上风电项目无法比拟的。
　　第二，经济性好。海上电站建设在岸线近海，其海深较浅，一般为4-10米，且距离陆地较近，与海上风电场相比，施工简单，且海上电站可建设桥梁与陆地相通，便于人员、设备、电力线缆敷设，甚至可将操作控制系统设置在陆地上。另外，海上电站较海上风电场来说，占海面积小，海上电站是一个集中的整体海上建筑，后期电站设备维护、更换部件相对简便。
　　第三，适合岛屿供电。我国海岛众多，特别是距离陆地较远的海岛供电始终是一个较难解决的问题，海上电站明显优于柴油发电机+风电+光伏发电的模式，并可解决海岛冷、热、电、淡水等问题。
　　第四，使用寿命长。海上风电一般设计寿命为20-25年，其后期退役拆除费用较大，但海上电站使用期限很长，全生命周期度电成本更低。
　　第五，抗台风能力强。海上电站在海中形成稳定的框架结构，其迎海面为类似于筛子的框架桩柱而不是一堵墙，抵抗台风等海上恶劣天气影响的能力更强。
　　需为商业化应用积累经验
　　我国幅员辽阔，海岸线长达18000公里，东南沿海是我国风能最为丰富地区之一，其中如台山、平潭、东山、南鹿、大陈、嵊泗、南澳、马祖、马公、东沙等海岛地区，风能年可利用小时数约在7000-8000小时，年有效风功率密度在200W/m2以上，是海上电站建设的首选地区。同时，浙江、福建、广东是我国经济最为发达、人口稠密、用电负荷较大的地区，为清洁电力的消纳提供了有力条件。黄海岸线山东沿海也非常适合该种电站建设。渤海岸线由于冬季有海冰产生，例如秦皇岛、唐山、天津岸线冬季结冰期一般为30-40天左右，海上电站为陆地(或岛屿)设施供电，可在冬季结冰期内将浮筒收起，电站利用风能、太阳能供电，功率不足部分可由陆地配合小型天然气或其他方式补充供电。由于渤海岸线的风能、海浪能较东南沿海岸线小，相同功率情况下，电站占海面积会增大。
　　鉴于海上电站的诸多优势，可优先在浙江、福建、广东、海南等省岸线近海推广建设，由海上向陆地供应电力，减少该地区火电装机，助推沿岸地区的能源结构转型。
　　目前，《一种海浪能、风能、太阳能联合利用发电站》已被国家知识产权局专利局授予实用新型专利。当务之急，是建设实验电站为将来商业化应用积累经验。通过建设海上实验电站，可测得海浪能、风能压缩空气压力及流量，太阳能加热温度等重要参数，并对设备结构进行进一步优化，为商业化应用奠定坚实基础。