3700 kW海浪能、風能、太陽能多能互補壓縮空氣儲能海上電站的研究

邢志光

(唐山鋼鐵集團有限責任公司， 唐山 063000)

0 引言

隨著全球環境的惡化，能源結構正在從傳統的化石能源向利用可再生能源生產清潔電力方向轉化。近年來，在國家政策的大力倡導和扶持下，我國風力發電及光伏發電取得了迅猛發展。而海洋能作為一種資源豐富、能量巨大且穩定的主要可再生能源，盡管國內一些研究院所及大學[1]進行了大量研究與實驗，但均未能實現商業化運行。海洋占整個地球表面積的71%，岸線近海是海浪能、風能、太陽能3種自然能源集中的區域。而東海岸線近海是我國多種自然可再生能源稟賦最好的地區。本文詳述了一種3700 kW海浪能、風能、太陽能多能互補壓縮空氣儲能海上電站，該海上電站是在岸線近海設置框架群及平臺，通過采用浮筒-氣缸、垂直軸風輪、空氣縮壓機結構，將海浪能、風能轉變為壓縮空氣，然后利用太陽能的熱能將壓縮空氣加熱，推動透平發電機發出電力，同時進行尾氣再利用。其中，集氣管起到輸送壓縮空氣和進行儲能的作用。

1 海浪能、風能、太陽能多能互補壓縮空氣儲能海上電站的結構

本文設計的海浪能、風能、太陽能多能互補壓縮空氣儲能海上電站從功能來看，主要可以分為海浪能部分、風能部分、太陽能部分、集氣管、透平和發電機、控制系統及輔助橋梁7個部分。上述海上電站的原理圖如圖1所示。

圖1 海上電站原理圖Fig.1 Schematic diagram of offshore power station

1.1 主要結構組成

岸線近海是海浪能、風能、太陽能3種能源集中的區域，為多種能源的聯合利用奠定了基礎。根據岸線近海海浪能、風能的特點，本文所設計的海上電站設計為與岸線平行，是由框架群及其所支撐的海上3層平臺結構構成的長條形海上構筑物。本海上電站的總結構布局如圖2所示，設備布置圖如圖3所示。

圖2 海上電站的總結構布局圖Fig.2 General structure layout of offshore power station

圖3 海上電站的設備布置圖Fig.3 Equipment layout of offshore power station

1.2 框架群及海上3層平臺結構

本設計海上電站由海上3層平臺結構構成，平臺由與海底固定連接的單組框架構成的框架群支撐。單組框架的結構示意圖如圖4所示，其為由“A”位置向下剖視的框架圖。

圖4 單組框架的結構示意圖Fig.4 Structure of single group framework

圖4中，從下至上來看，海面(即海浪線)以上的第1層平臺結構為海浪能部分，即氣缸平臺，是海浪能的拾能載體。平臺上固定了氣缸、集氣管，通過被限制在框架中且留有適當間隙的浮筒-氣缸結構將海浪能轉變為壓縮空氣。第2層平臺結構為風能部分，即風力機平臺，該平臺布置了垂直軸風力機、變速器、空氣壓縮機、集氣管及廠房建筑等，主要作用是將風能轉變為壓縮空氣。每組8個浮筒面積對應布置1臺風力機，具體框架和風力機布置如圖5所示。廠房建筑是本設計海上電站的唯一封閉空間，內部設置了換熱器、透平和發電機及控制設備等，為該海上電站的控制中心。第3層平臺結構為太陽能部分，即太陽能平臺，為第2層平臺中廠房建筑的屋頂。太陽能部分中的槽式太陽能集熱管系統為布置在屋頂的槽式太陽能反射板及集熱管，其獲得太陽能熱量，然后由傳熱介質(導熱油)在集熱管與布置在廠房建筑內的換熱器間通過管道循環，并加熱流過換熱器的壓縮空氣。

圖5 框架和風力機布置圖Fig.5 Layout of frame and wind turbine

由于海上電站一般距離岸線較近，可建設橋梁與陸地相通，以方便敷設輸電電纜，以及運送人員和設備。

2 海浪能、風能、太陽能多能互補壓縮空氣儲能海上電站的工作原理

海浪能、風能、太陽能多能互補壓縮空氣儲能海上電站的工作原理是通過海浪能、風能的能量將環境空氣轉變為壓縮空氣，然后壓縮空氣通過太陽能熱量進一步加熱膨脹，噴入透平使發電機發出電力，并且壓縮空氣通過集氣管的儲存及輸送，實現了海浪能、風能、太陽能3種能量的多能互補，從而生產出穩定、清潔的電力。

2.1 海浪能部分的工作原理

海浪能部分為該海上電站的第1層平臺，通過海水的浮力及波動原理，采用海面振蕩浮子壓縮空氣的方式(即打氣筒方式)捕獲海浪能量。浮筒-氣缸結構中，浮筒(浮漂)被限制在海上電站的框架內，只能沿框架隨海浪做上下垂直運動且不被卡死；氣缸采用不同直徑組合氣缸的形式，如此既獲得了壓縮空氣，又克服了潮差高度變化。在海浪上升過程中，氣缸通過出氣單向閥將壓縮空氣壓入集氣管；在海浪下降過程中，浮筒靠其自重下行，帶動連桿、活塞下行，氣缸進氣單向閥打開，出氣單向閥關閉，外界大氣被吸入氣缸，為海浪上升時壓縮空氣做好準備；如此往復循環，不斷將外界空氣壓縮進入集氣管。圖6為浮筒-氣缸結構示意圖。

圖6 浮筒-氣缸結構示意圖Fig.6 Structure of pontoon-cylinder

2.2 風能部分的工作原理

風能部分為該海上電站的第2層平臺，通過風力吹動垂直軸風力機的風輪扇葉旋轉，將扭矩通過變速器輸入空氣壓縮機(僅使用機頭部分)，然后空氣壓縮機將外部大氣壓入集氣管。垂直軸風輪實物圖如圖7所示。

圖7 垂直軸風輪實物圖Fig.7 Real product picture of vertical axis wind wheel

2.3 太陽能部分的工作原理

太陽能部分為該海上電站的第3層平臺，槽式太陽能集熱管系統布置在第2層平臺的廠房建筑的屋頂。通過槽式太陽能集熱管系統收集太陽能熱量，加熱太陽能集熱管中充滿并循環的傳熱介質(導熱油)，被加熱的傳熱介質通過換熱器將集氣管輸入的壓縮空氣進一步加熱，然后噴入透平使發電機發出電力。槽式太陽能集熱管系統如圖8所示。

圖8 槽式太陽能集熱管系統Fig.8 Trough solar collector system

2.4 集氣管、透平和發電機控制中心

由于海浪能與風能產生的壓縮空氣是通過集氣管收集、輸送后進入換熱器，因此本海上電站第1、2層平臺均布置集氣管，分別為海浪能集氣管和風能集氣管，這部分集氣管管線長度較長，容積較大。集氣管除具有收集、輸送壓縮空氣的作用外，還兼具儲能作用。 該海上電站的廠房建筑內部設置的換熱器將壓縮空氣加熱后噴入透平使發電機發出電力，同時廠房建筑內還設有電站的控制中心，控制整個海上電站的運行情況。

3 以3700 kW發電功率為例設計的海浪能、風能、太陽能多能互補壓縮空氣儲能海上電站的結構參數

海上電站的發電功率一般由電站設計的發電量決定，或者說是由發電機的輸出功率決定。在自然海況、風能等條件一定的地點建設海上電站，該海上電站發電量的大小取決于電站的氣缸數量、風力機數量、槽式太陽能反射板的面積，即海上電站發電量的大小由電站的占海面積決定。本文選擇浙江舟山嵊泗島岸線近海區域，以3700 kW發電功率為例進行海浪能、風能、太陽能多能互補壓縮空氣儲能海上電站(下文簡稱“3700 kW海上電站”)的設計。

3.1 參數的計算依據

3700 kW海上電站各項參數的計算依據為：以《唐山某鋼鐵有限公司高爐配套TRT發電項目透平主機主要性能參數》[2]中的數據為參考依據，選取MPG4.5-251.37/160型號透平設備(進氣流量為99588 m3/h=1659.8 m3/min，進氣壓強為160 kPa，進氣溫度為160 ℃)；根據《中國風能資源分布》[3]，電站所在地的風能可利用小時數為7000～8000 h；以文獻[4]的海浪高度數據為參考；設集氣管壓縮空氣壓強為1 MPa。

3.2 海浪能、風能、太陽能部分提供的壓縮空氣流量計算

設3700 kW海上電站的氣缸數量為x，即浮筒數量為x；根據該海上電站的結構，從風力機平臺面積、單個垂直軸風力機所占平臺面積及相鄰風力機扇葉間距考慮，每8個浮筒面積布置1臺風力機較為合理，則風力機的數量為1/8x；噴入透平的壓縮空氣經太陽能加熱，設太陽能加熱效率為ηs，容積流量為1659.8 m3/min，則：

式中，Qwave為海浪能部分每分鐘壓縮空氣流量；Qwind為風能部分每分鐘壓縮空氣流量。

因為海上電站的發電功率要達到3700 kW，即：

式中，A1為單個浮筒-氣缸結構每分鐘壓縮空氣流量；Awind為單臺風力機每分鐘壓縮空氣流量；ηwind為風能利用率。

3.2.1 海浪能部分提供的壓縮空氣流量

設浮筒為長方體，尺寸為長3 m、寬1.5 m、高1 m，則浮筒體積為4.5 m3(浮筒-氣缸的結構見圖6)。設上氣缸內徑φ=22 cm，活塞行程為1.2 m；下氣缸采用較大直徑伸縮氣缸。由于上、下氣缸直徑不同，造成上、下氣缸內壓強不同。在海浪上升過程中，首先推動上氣缸活塞至氣缸底部將空氣全部壓出；只有在海浪高度超過一定高度、下氣缸壓力超過集氣管壓力時，下氣缸進氣單向閥打開，向集氣管供氣，但這種情況很少出現；在海況正常的情況下，下氣缸在整個潮差內僅起到拉伸、收縮的作用；上、下氣缸缸筒行程可覆蓋最高潮至最低潮海面。

3700 kW海上電站的建設地點位于舟山嵊泗島岸線近海區域，海浪高度隨季節變化而變化[4]，本設計中，海面海浪全年平均高度選擇1.5 m。海中物體受到的海水浮力等于物體排開的水的重量，浮筒材料采用比重較輕的材料(如采用漁網浮漂材料)，浮筒及氣缸的自重可忽略不計。因此，在海浪上升階段，浮筒提供的浮力F=浮筒體積× 水的比重 =4.5 m3×1 t/m3=4500 kg。

上氣缸缸筒內徑φ=22 cm，則上氣缸截面積S=379.94 cm2；則壓縮空氣壓強P=4500 kg/379.94 cm2=1.184 MPa，壓強超過集氣管設定壓強1 MPa時，空氣被全部壓入集氣管。

由于海浪有波峰、波谷2個狀態，海浪下降時氣缸吸氣，海浪上升時氣缸壓縮，設浮筒上升推動活塞運動的高度為1.2 m(考慮到海浪頻率、浮筒并非全部浸入海水等原因，海浪高度為1.5 m，設氣缸活塞行程為1.2 m，可保證每次海浪從波谷到波峰推動活塞至缸底，將上氣缸中氣體全部壓入集氣管)，上氣缸內的空氣量為0.11 m×0.11 m×3.14×1.2 m=0.04559 m3?；钊谐虨?.2 m，浮筒浮起推動活塞至氣缸底部，根據波義爾定律，將氣缸內氣體壓縮至0.251 MPa，壓縮后的氣體體積為V，即0.1 MPa×0.04559 m3=0.251 MPa×V[1]，則V=0.01816 m3。

從文獻[3]可以得知，海浪頻率春季為4.5～7 s/次，平均為5.75 s/次；夏季為5～6 s/次，平均為5.5 s/次；秋季為6～8 s/次，平均7 s/次；冬季為6～9 s/次，平均為7.5 s/次；全年平均值為6.4375 s/次，本設計取6 s/次，即為10 次/min。

綜上，單個浮筒-氣缸結構每分鐘壓縮空氣 流 量A1=0.01816 m3×10 次 /min =0.1816 m3/min，則海浪能部分每分鐘提供的壓縮空氣流量為0.1816x(m3)。

3.2.2 風能部分提供的壓縮空氣流量

3700 kW海上電站以唐山拓又達科技有限公司型號為TYD-WT-10000的10 kW升力型垂直軸風力機的風輪參數為參考。該垂直軸風力機的具體參數如表1所示。

表1 垂直軸風力機參數Table 1 Parameters of wind turbine

垂直軸風力機扇葉的掃風面積Swind=7.5 m×4.5 m=33.75 m2，由于1臺風力機占8個浮筒的面積，則1臺風力機所占面積為8 m×7 m=56 m2，即2臺風力機扇葉間最小距離為(7/2–4.5/2)×2=2.5 m。垂直軸風力機額定風速為12 m/s，該海上電站所在地的風能功率密度在500 W/m2以上[3]，風速為9.4 m/s以上，據風能功率密度公式E=0.6v3，設平均風速v為11 m/s，垂直軸風力機的年風功率Pwind=0.6Swindv3=0.6×33.75×11×11×11=26.95 kW。

根據風能利用系數(貝茲極限為59%)及機械效率、發電機(此處垂直軸風力機不帶動發電機而是帶動空氣壓縮機，但也作為計算參考)效率等，不同形式風力機的全效率如表2所示。

表2 不同形式風力機的全效率表Table 2 Full efficiency of different types of wind turbine

由于本設計采用升力型垂直軸風力機，因此全效率選擇30%，則風力機的輸出功率為26.95×30%=8.085 kW，約為8 kW。

以8 kW功率為依據選擇空氣壓縮機，本設計選擇捷豹風冷卻活塞式空氣壓縮機(二級壓縮12.5 kg/cm2)，型號為HET-10105，具體參數如表3所示。

表3 空氣壓縮機的參數Table 3 Parameters of air compressor

風力機帶動空氣壓縮機(僅使用機頭部分)旋轉輸出壓縮空氣。因為上述是按照功率相同時選擇的空氣壓縮機，空氣壓縮機的排氣量為1.26 m3/min，該排氣量為空氣進口流量，根據波義爾定律，換算為1 MPa的壓縮空氣排氣量為0.126 m3/min。如果壓強為0.251 MPa，則單臺風力機每分鐘壓縮空氣流量Awind=0.126/0.251=0.50199≈0.502 m3/min。

嵊泗島海域風能年利用小時數為7000～8000 h[2]，本設計取均值7500 h；由于全年總小時數為8760 h，則風能利用率ηwind=7500/8760=0.856。

則風能部分提供的每分鐘壓縮空氣流量Qwind=0.502×(1/8x)×0.856=0.0537x(m3/min)。

綜上，單臺風力機每分鐘壓縮空氣流量為0.502 m3/min，風能部分每分鐘壓縮空氣流量為0.0537x(m3/min)。

3.2.3 太陽能部分提供的能量

由于電站中的槽式太陽能集熱管壓縮空氣本身保留有一定溫度的壓縮熱(暫估溫度為100 ℃)，以江蘇京展能源科技有限公司的集熱管為例，該集熱管最高輸出溫度為260 ℃，滿足文獻[1]規定的進氣溫度要求。

考慮到利用太陽能的時間每天僅有約10 h(陰天、雨、雪等天氣情況暫不考慮)，因此，太陽能可利用時間占1天時間的比例為41.6%(取低值)。

在壓強不變的情況下，氣體受熱膨脹，遵循蓋呂薩克定律，則1 m3氣體經加熱后的體積變化量為1×(273+260)/(273+100)=1.43 m3，則氣體體積的增量為1.43–1=0.43 m3。

綜上，太陽能部分的氣體體積增量為0.43×41.6%=0.17888 m3。即經太陽能熱量加熱后，1 m3空氣體積變為1.17888 m3，則太陽能對壓縮空氣體積增量率為1.17888。

3.2.4 3700 kW海上電站壓縮空氣流向及熱能分析

集氣管采取保溫措施，由于集氣管中的壓縮空氣(壓強達到1 MPa)具有一定的基礎溫度，壓縮空氣進入換熱器被太陽能熱量再次加熱升溫達到透平額定溫度，并噴入透平做功，熱能流程圖如圖9所示。在換熱器前面設置節流閥，對集氣管進入換熱器的壓縮空氣流量進行調整，在換熱器中被加熱的壓縮空氣的體積膨脹有向透平、節流閥2個方向流動的趨勢，但由于集氣管壓縮空氣壓強為1 MPa且不斷噴出，因此被加熱的壓縮空氣只能向透平方向流動。

圖9 熱能流程圖Fig.9 Heat flow chart

3.3 3700 kW海上電站的結構參數確定

3.3.1 海上電站的浮筒-氣缸數量

將前文所得數據帶入式(1)，即(0.1816x+0.0537x)×1.17888≥1659.8， 則x≥5983.4。 因此，3700 kW海上電站的浮筒-氣缸數量最少為5983.4個。由于每8個浮筒為1組，因此浮筒數量應是8的倍數，浮筒與氣缸數量為一一對應。依照壓縮空氣流量較充裕的原則，本設計電站暫選浮筒-氣缸數量為6400 個，即800組，如表4所示。

表4 浮筒-氣缸數量Table 4 Number of pontoon-cylinder

3.3.2 海上電站的風力機數量

海上電站為減少前后浮筒及風力機的消浪和降低風能作用，設計為沿海岸線布置的長條形，考慮到風能的斷續性、海浪高度的隨時變化及太陽能隨天氣變化而變化這些情況，海上電站供應壓縮空氣量越大，電力輸出功率越穩定。本海上電站暫選浮筒-氣缸組數為800組，每組面積布置1臺風力機，則風力機數量為800 臺。

由于海上電站在第2層風力機平臺上中央靠近岸線的位置布置了廠房建筑，設廠房建筑面積約為6臺風力機面積，則最終3700 kW海上電站的風力機臺數為794臺。

3.3.3 海上電站的占海面積

框架柱與浮筒間隙為0.01 m，則每組浮筒長為7.04 m，寬為8.08 m，每組浮筒的面積為7.04×8.08=56.8832 m2。

根據本海上電站的布置方式，長度方向為平行于海岸線方向，即50×7.04+0.01+0.5=352.51 m，寬度方向為垂直于海岸線方向，即16×8.08+0.01+0.5=129.79 m。則電站總面積為45752.2729 m2。

3.4 3700 kW海上電站的發電功率驗證

氣缸總數為6400個，風力機數量為794臺，則海浪能部分提供的壓縮空氣流量為0.1816 m3/min×6400=1162.24 m3/min；風能部分提供的壓縮空氣流量為 0.502 m3/min×0.856×794=341.19 m3/min。

太陽能對壓縮空氣增量比為1.17888，則整個海上電站每分鐘壓縮空氣流量為(1162.24+341.19)×1.17888=1772.36 m3/min，該值大于1659.8 m3/min，滿足式(1)；壓強達到0.251 MPa，進氣溫度達到260 ℃，該值大于160 ℃，滿足文獻[1]的要求。因此，海上電站的發電功率可達到或超過3700 kW。

本設計的海上電站全年發電量為3700×24×365=32412000 kWh，即電站全年發電量為0.324 億 kWh。

4 海浪能、風能、太陽能多能互補壓縮空氣儲能海上電站的運行特點及優勢

4.1 3700 kW海上電站的運行特點

壓縮空氣壓強梯級設計為海浪能(或風能)壓縮空氣壓強>集氣管壓強>透平額定壓強。例如電站運行前集氣管壓強達到1 MPa，進入透平前，調節閥及壓強反饋系統將進入透平的壓縮空氣壓強值降低，并保持在透平額定輸入壓強范圍內。正常情況下，集氣管輸入透平的壓縮空氣流量與海浪能或風能補充的壓縮空氣流量相等，集氣管壓強保持在1 MPa；當海況發生變化，如風力減小及海浪高度變低時，集氣管壓強降低，但仍可在一定時間內維持透平額定流量；即使在無風、無陽光的情況下，由于海浪能具有時刻存在、亙古不變的特點，海浪能壓縮空氣流量保持不變，形成了本海上電站的基礎電力輸出。

4.2 3700 kW海上電站的優勢

本文設計的海上電站與普通海上風電站相比，具有以下優勢：

1)在能量利用方面，本文設計的海上電站是利用壓縮空氣膨脹做功發電，除可產生電力外，其尾氣還可以開發“制冷+制熱+電解制氫+海水淡化”四聯供，能量的綜合利用效率可達 70%～80%[5]。

2)隨著近年來世界范圍內對氫能開發利用的重視，氫能以其清潔高效、循環利用等諸多優勢被寄以厚望。我國無人島嶼約有6500座，具有數量眾多的優勢，且大部分島嶼距離大陸較近，海運費用較低，在無人島嶼岸線近海區域建設海上電站，并利用具有一定溫度的尾氣進行海水淡化，全部電力進行電解水制氫，可向我國沿海經濟發達地區大規模供應氫能，前景廣闊。

3)較一般海上風電站的設計壽命約在25～30年而言，本文設計的海上電站為鋼筋混凝土框架結構，回轉部件少且可隨時更換，因此使用壽命更長。

4)電力輸出穩定。

5)淺海施工工程造價較低、運維便利。

5 結論

本文詳細介紹了一種3700 kW海浪能、風能、太陽能多能互補壓縮空氣儲能海上電站的設計理念及電站具體結構設想，找到了一種多能互補壓縮空氣儲能發電的新方式，且相比于普通海上風電站具有較多優勢。該海上電站利用海浪能與風能、太陽能相結合，以期充分發揮海浪能的巨大能量，為人類造福。但由于海洋環境的特殊性，海上電站需要可靠的安全性以抵抗海上臺風等惡劣天氣的影響，這點在電站設計中應給予高度重視，同時電站設備還應具有一定的抗腐蝕能力。

《一種海浪能、風能、太陽能聯合利用發電站》已被國家知識產權局授予實用新型專利，專利號：ZL201621195933.1。本海上電站是一種利用可再生能源生產清潔電力的嶄新理念，在未來海上電站的實際建設中，各種設備及施工方式還需要不斷完善創新。本文數據僅供參考，由于筆者水平有限，文中錯誤在所難免，歡迎相關行業專家、技術人員給予批評指正。