3700 kW海浪能、风能、太阳能多能互补压缩空气储能海上电站的研究

邢志光

(唐山钢铁集团有限责任公司， 唐山 063000)

0 引言

随着全球环境的恶化，能源结构正在从传统的化石能源向利用可再生能源生产清洁电力方向转化。近年来，在国家政策的大力倡导和扶持下，我国风力发电及光伏发电取得了迅猛发展。而海洋能作为一种资源丰富、能量巨大且稳定的主要可再生能源，尽管国内一些研究院所及大学[1]进行了大量研究与实验，但均未能实现商业化运行。海洋占整个地球表面积的71%，岸线近海是海浪能、风能、太阳能3种自然能源集中的区域。而东海岸线近海是我国多种自然可再生能源禀赋最好的地区。本文详述了一种3700 kW海浪能、风能、太阳能多能互补压缩空气储能海上电站，该海上电站是在岸线近海设置框架群及平台，通过采用浮筒-气缸、垂直轴风轮、空气缩压机结构，将海浪能、风能转变为压缩空气，然后利用太阳能的热能将压缩空气加热，推动透平发电机发出电力，同时进行尾气再利用。其中，集气管起到输送压缩空气和进行储能的作用。

1 海浪能、风能、太阳能多能互补压缩空气储能海上电站的结构

本文设计的海浪能、风能、太阳能多能互补压缩空气储能海上电站从功能来看，主要可以分为海浪能部分、风能部分、太阳能部分、集气管、透平和发电机、控制系统及辅助桥梁7个部分。上述海上电站的原理图如图1所示。

图1 海上电站原理图Fig.1 Schematic diagram of offshore power station

1.1 主要结构组成

岸线近海是海浪能、风能、太阳能3种能源集中的区域，为多种能源的联合利用奠定了基础。根据岸线近海海浪能、风能的特点，本文所设计的海上电站设计为与岸线平行，是由框架群及其所支撑的海上3层平台结构构成的长条形海上构筑物。本海上电站的总结构布局如图2所示，设备布置图如图3所示。

图2 海上电站的总结构布局图Fig.2 General structure layout of offshore power station

图3 海上电站的设备布置图Fig.3 Equipment layout of offshore power station

1.2 框架群及海上3层平台结构

本设计海上电站由海上3层平台结构构成，平台由与海底固定连接的单组框架构成的框架群支撑。单组框架的结构示意图如图4所示，其为由“A”位置向下剖视的框架图。

图4 单组框架的结构示意图Fig.4 Structure of single group framework

图4中，从下至上来看，海面(即海浪线)以上的第1层平台结构为海浪能部分，即气缸平台，是海浪能的拾能载体。平台上固定了气缸、集气管，通过被限制在框架中且留有适当间隙的浮筒-气缸结构将海浪能转变为压缩空气。第2层平台结构为风能部分，即风力机平台，该平台布置了垂直轴风力机、变速器、空气压缩机、集气管及厂房建筑等，主要作用是将风能转变为压缩空气。每组8个浮筒面积对应布置1台风力机，具体框架和风力机布置如图5所示。厂房建筑是本设计海上电站的唯一封闭空间，内部设置了换热器、透平和发电机及控制设备等，为该海上电站的控制中心。第3层平台结构为太阳能部分，即太阳能平台，为第2层平台中厂房建筑的屋顶。太阳能部分中的槽式太阳能集热管系统为布置在屋顶的槽式太阳能反射板及集热管，其获得太阳能热量，然后由传热介质(导热油)在集热管与布置在厂房建筑内的换热器间通过管道循环，并加热流过换热器的压缩空气。

图5 框架和风力机布置图Fig.5 Layout of frame and wind turbine

由于海上电站一般距离岸线较近，可建设桥梁与陆地相通，以方便敷设输电电缆，以及运送人员和设备。

2 海浪能、风能、太阳能多能互补压缩空气储能海上电站的工作原理

海浪能、风能、太阳能多能互补压缩空气储能海上电站的工作原理是通过海浪能、风能的能量将环境空气转变为压缩空气，然后压缩空气通过太阳能热量进一步加热膨胀，喷入透平使发电机发出电力，并且压缩空气通过集气管的储存及输送，实现了海浪能、风能、太阳能3种能量的多能互补，从而生产出稳定、清洁的电力。

2.1 海浪能部分的工作原理

海浪能部分为该海上电站的第1层平台，通过海水的浮力及波动原理，采用海面振荡浮子压缩空气的方式(即打气筒方式)捕获海浪能量。浮筒-气缸结构中，浮筒(浮漂)被限制在海上电站的框架内，只能沿框架随海浪做上下垂直运动且不被卡死；气缸采用不同直径组合气缸的形式，如此既获得了压缩空气，又克服了潮差高度变化。在海浪上升过程中，气缸通过出气单向阀将压缩空气压入集气管；在海浪下降过程中，浮筒靠其自重下行，带动连杆、活塞下行，气缸进气单向阀打开，出气单向阀关闭，外界大气被吸入气缸，为海浪上升时压缩空气做好准备；如此往复循环，不断将外界空气压缩进入集气管。图6为浮筒-气缸结构示意图。

图6 浮筒-气缸结构示意图Fig.6 Structure of pontoon-cylinder

2.2 风能部分的工作原理

风能部分为该海上电站的第2层平台，通过风力吹动垂直轴风力机的风轮扇叶旋转，将扭矩通过变速器输入空气压缩机(仅使用机头部分)，然后空气压缩机将外部大气压入集气管。垂直轴风轮实物图如图7所示。

图7 垂直轴风轮实物图Fig.7 Real product picture of vertical axis wind wheel

2.3 太阳能部分的工作原理

太阳能部分为该海上电站的第3层平台，槽式太阳能集热管系统布置在第2层平台的厂房建筑的屋顶。通过槽式太阳能集热管系统收集太阳能热量，加热太阳能集热管中充满并循环的传热介质(导热油)，被加热的传热介质通过换热器将集气管输入的压缩空气进一步加热，然后喷入透平使发电机发出电力。槽式太阳能集热管系统如图8所示。

图8 槽式太阳能集热管系统Fig.8 Trough solar collector system

2.4 集气管、透平和发电机控制中心

由于海浪能与风能产生的压缩空气是通过集气管收集、输送后进入换热器，因此本海上电站第1、2层平台均布置集气管，分别为海浪能集气管和风能集气管，这部分集气管管线长度较长，容积较大。集气管除具有收集、输送压缩空气的作用外，还兼具储能作用。 该海上电站的厂房建筑内部设置的换热器将压缩空气加热后喷入透平使发电机发出电力，同时厂房建筑内还设有电站的控制中心，控制整个海上电站的运行情况。

3 以3700 kW发电功率为例设计的海浪能、风能、太阳能多能互补压缩空气储能海上电站的结构参数

海上电站的发电功率一般由电站设计的发电量决定，或者说是由发电机的输出功率决定。在自然海况、风能等条件一定的地点建设海上电站，该海上电站发电量的大小取决于电站的气缸数量、风力机数量、槽式太阳能反射板的面积，即海上电站发电量的大小由电站的占海面积决定。本文选择浙江舟山嵊泗岛岸线近海区域，以3700 kW发电功率为例进行海浪能、风能、太阳能多能互补压缩空气储能海上电站(下文简称“3700 kW海上电站”)的设计。

3.1 参数的计算依据

3700 kW海上电站各项参数的计算依据为：以《唐山某钢铁有限公司高炉配套TRT发电项目透平主机主要性能参数》[2]中的数据为参考依据，选取MPG4.5-251.37/160型号透平设备(进气流量为99588 m3/h=1659.8 m3/min，进气压强为160 kPa，进气温度为160 ℃)；根据《中国风能资源分布》[3]，电站所在地的风能可利用小时数为7000～8000 h；以文献[4]的海浪高度数据为参考；设集气管压缩空气压强为1 MPa。

3.2 海浪能、风能、太阳能部分提供的压缩空气流量计算

设3700 kW海上电站的气缸数量为x，即浮筒数量为x；根据该海上电站的结构，从风力机平台面积、单个垂直轴风力机所占平台面积及相邻风力机扇叶间距考虑，每8个浮筒面积布置1台风力机较为合理，则风力机的数量为1/8x；喷入透平的压缩空气经太阳能加热，设太阳能加热效率为ηs，容积流量为1659.8 m3/min，则：

式中，Qwave为海浪能部分每分钟压缩空气流量；Qwind为风能部分每分钟压缩空气流量。

因为海上电站的发电功率要达到3700 kW，即：

式中，A1为单个浮筒-气缸结构每分钟压缩空气流量；Awind为单台风力机每分钟压缩空气流量；ηwind为风能利用率。

3.2.1 海浪能部分提供的压缩空气流量

设浮筒为长方体，尺寸为长3 m、宽1.5 m、高1 m，则浮筒体积为4.5 m3(浮筒-气缸的结构见图6)。设上气缸内径φ=22 cm，活塞行程为1.2 m；下气缸采用较大直径伸缩气缸。由于上、下气缸直径不同，造成上、下气缸内压强不同。在海浪上升过程中，首先推动上气缸活塞至气缸底部将空气全部压出；只有在海浪高度超过一定高度、下气缸压力超过集气管压力时，下气缸进气单向阀打开，向集气管供气，但这种情况很少出现；在海况正常的情况下，下气缸在整个潮差内仅起到拉伸、收缩的作用；上、下气缸缸筒行程可覆盖最高潮至最低潮海面。

3700 kW海上电站的建设地点位于舟山嵊泗岛岸线近海区域，海浪高度随季节变化而变化[4]，本设计中，海面海浪全年平均高度选择1.5 m。海中物体受到的海水浮力等于物体排开的水的重量，浮筒材料采用比重较轻的材料(如采用渔网浮漂材料)，浮筒及气缸的自重可忽略不计。因此，在海浪上升阶段，浮筒提供的浮力F=浮筒体积× 水的比重 =4.5 m3×1 t/m3=4500 kg。

上气缸缸筒内径φ=22 cm，则上气缸截面积S=379.94 cm2；则压缩空气压强P=4500 kg/379.94 cm2=1.184 MPa，压强超过集气管设定压强1 MPa时，空气被全部压入集气管。

由于海浪有波峰、波谷2个状态，海浪下降时气缸吸气，海浪上升时气缸压缩，设浮筒上升推动活塞运动的高度为1.2 m(考虑到海浪频率、浮筒并非全部浸入海水等原因，海浪高度为1.5 m，设气缸活塞行程为1.2 m，可保证每次海浪从波谷到波峰推动活塞至缸底，将上气缸中气体全部压入集气管)，上气缸内的空气量为0.11 m×0.11 m×3.14×1.2 m=0.04559 m3。活塞行程为1.2 m，浮筒浮起推动活塞至气缸底部，根据波义尔定律，将气缸内气体压缩至0.251 MPa，压缩后的气体体积为V，即0.1 MPa×0.04559 m3=0.251 MPa×V[1]，则V=0.01816 m3。

从文献[3]可以得知，海浪频率春季为4.5～7 s/次，平均为5.75 s/次；夏季为5～6 s/次，平均为5.5 s/次；秋季为6～8 s/次，平均7 s/次；冬季为6～9 s/次，平均为7.5 s/次；全年平均值为6.4375 s/次，本设计取6 s/次，即为10 次/min。

综上，单个浮筒-气缸结构每分钟压缩空气 流 量A1=0.01816 m3×10 次 /min =0.1816 m3/min，则海浪能部分每分钟提供的压缩空气流量为0.1816x(m3)。

3.2.2 风能部分提供的压缩空气流量

3700 kW海上电站以唐山拓又达科技有限公司型号为TYD-WT-10000的10 kW升力型垂直轴风力机的风轮参数为参考。该垂直轴风力机的具体参数如表1所示。

表1 垂直轴风力机参数Table 1 Parameters of wind turbine

垂直轴风力机扇叶的扫风面积Swind=7.5 m×4.5 m=33.75 m2，由于1台风力机占8个浮筒的面积，则1台风力机所占面积为8 m×7 m=56 m2，即2台风力机扇叶间最小距离为(7/2–4.5/2)×2=2.5 m。垂直轴风力机额定风速为12 m/s，该海上电站所在地的风能功率密度在500 W/m2以上[3]，风速为9.4 m/s以上，据风能功率密度公式E=0.6v3，设平均风速v为11 m/s，垂直轴风力机的年风功率Pwind=0.6Swindv3=0.6×33.75×11×11×11=26.95 kW。

根据风能利用系数(贝兹极限为59%)及机械效率、发电机(此处垂直轴风力机不带动发电机而是带动空气压缩机，但也作为计算参考)效率等，不同形式风力机的全效率如表2所示。

表2 不同形式风力机的全效率表Table 2 Full efficiency of different types of wind turbine

由于本设计采用升力型垂直轴风力机，因此全效率选择30%，则风力机的输出功率为26.95×30%=8.085 kW，约为8 kW。

以8 kW功率为依据选择空气压缩机，本设计选择捷豹风冷却活塞式空气压缩机(二级压缩12.5 kg/cm2)，型号为HET-10105，具体参数如表3所示。

表3 空气压缩机的参数Table 3 Parameters of air compressor

风力机带动空气压缩机(仅使用机头部分)旋转输出压缩空气。因为上述是按照功率相同时选择的空气压缩机，空气压缩机的排气量为1.26 m3/min，该排气量为空气进口流量，根据波义尔定律，换算为1 MPa的压缩空气排气量为0.126 m3/min。如果压强为0.251 MPa，则单台风力机每分钟压缩空气流量Awind=0.126/0.251=0.50199≈0.502 m3/min。

嵊泗岛海域风能年利用小时数为7000～8000 h[2]，本设计取均值7500 h；由于全年总小时数为8760 h，则风能利用率ηwind=7500/8760=0.856。

则风能部分提供的每分钟压缩空气流量Qwind=0.502×(1/8x)×0.856=0.0537x(m3/min)。

综上，单台风力机每分钟压缩空气流量为0.502 m3/min，风能部分每分钟压缩空气流量为0.0537x(m3/min)。

3.2.3 太阳能部分提供的能量

由于电站中的槽式太阳能集热管压缩空气本身保留有一定温度的压缩热(暂估温度为100 ℃)，以江苏京展能源科技有限公司的集热管为例，该集热管最高输出温度为260 ℃，满足文献[1]规定的进气温度要求。

考虑到利用太阳能的时间每天仅有约10 h(阴天、雨、雪等天气情况暂不考虑)，因此，太阳能可利用时间占1天时间的比例为41.6%(取低值)。

在压强不变的情况下，气体受热膨胀，遵循盖吕萨克定律，则1 m3气体经加热后的体积变化量为1×(273+260)/(273+100)=1.43 m3，则气体体积的增量为1.43–1=0.43 m3。

综上，太阳能部分的气体体积增量为0.43×41.6%=0.17888 m3。即经太阳能热量加热后，1 m3空气体积变为1.17888 m3，则太阳能对压缩空气体积增量率为1.17888。

3.2.4 3700 kW海上电站压缩空气流向及热能分析

集气管采取保温措施，由于集气管中的压缩空气(压强达到1 MPa)具有一定的基础温度，压缩空气进入换热器被太阳能热量再次加热升温达到透平额定温度，并喷入透平做功，热能流程图如图9所示。在换热器前面设置节流阀，对集气管进入换热器的压缩空气流量进行调整，在换热器中被加热的压缩空气的体积膨胀有向透平、节流阀2个方向流动的趋势，但由于集气管压缩空气压强为1 MPa且不断喷出，因此被加热的压缩空气只能向透平方向流动。

图9 热能流程图Fig.9 Heat flow chart

3.3 3700 kW海上电站的结构参数确定

3.3.1 海上电站的浮筒-气缸数量

将前文所得数据带入式(1)，即(0.1816x+0.0537x)×1.17888≥1659.8， 则x≥5983.4。 因此，3700 kW海上电站的浮筒-气缸数量最少为5983.4个。由于每8个浮筒为1组，因此浮筒数量应是8的倍数，浮筒与气缸数量为一一对应。依照压缩空气流量较充裕的原则，本设计电站暂选浮筒-气缸数量为6400 个，即800组，如表4所示。

表4 浮筒-气缸数量Table 4 Number of pontoon-cylinder

3.3.2 海上电站的风力机数量

海上电站为减少前后浮筒及风力机的消浪和降低风能作用，设计为沿海岸线布置的长条形，考虑到风能的断续性、海浪高度的随时变化及太阳能随天气变化而变化这些情况，海上电站供应压缩空气量越大，电力输出功率越稳定。本海上电站暂选浮筒-气缸组数为800组，每组面积布置1台风力机，则风力机数量为800 台。

由于海上电站在第2层风力机平台上中央靠近岸线的位置布置了厂房建筑，设厂房建筑面积约为6台风力机面积，则最终3700 kW海上电站的风力机台数为794台。

3.3.3 海上电站的占海面积

框架柱与浮筒间隙为0.01 m，则每组浮筒长为7.04 m，宽为8.08 m，每组浮筒的面积为7.04×8.08=56.8832 m2。

根据本海上电站的布置方式，长度方向为平行于海岸线方向，即50×7.04+0.01+0.5=352.51 m，宽度方向为垂直于海岸线方向，即16×8.08+0.01+0.5=129.79 m。则电站总面积为45752.2729 m2。

3.4 3700 kW海上电站的发电功率验证

气缸总数为6400个，风力机数量为794台，则海浪能部分提供的压缩空气流量为0.1816 m3/min×6400=1162.24 m3/min；风能部分提供的压缩空气流量为 0.502 m3/min×0.856×794=341.19 m3/min。

太阳能对压缩空气增量比为1.17888，则整个海上电站每分钟压缩空气流量为(1162.24+341.19)×1.17888=1772.36 m3/min，该值大于1659.8 m3/min，满足式(1)；压强达到0.251 MPa，进气温度达到260 ℃，该值大于160 ℃，满足文献[1]的要求。因此，海上电站的发电功率可达到或超过3700 kW。

本设计的海上电站全年发电量为3700×24×365=32412000 kWh，即电站全年发电量为0.324 亿 kWh。

4 海浪能、风能、太阳能多能互补压缩空气储能海上电站的运行特点及优势

4.1 3700 kW海上电站的运行特点

压缩空气压强梯级设计为海浪能(或风能)压缩空气压强>集气管压强>透平额定压强。例如电站运行前集气管压强达到1 MPa，进入透平前，调节阀及压强反馈系统将进入透平的压缩空气压强值降低，并保持在透平额定输入压强范围内。正常情况下，集气管输入透平的压缩空气流量与海浪能或风能补充的压缩空气流量相等，集气管压强保持在1 MPa；当海况发生变化，如风力减小及海浪高度变低时，集气管压强降低，但仍可在一定时间内维持透平额定流量；即使在无风、无阳光的情况下，由于海浪能具有时刻存在、亘古不变的特点，海浪能压缩空气流量保持不变，形成了本海上电站的基础电力输出。

4.2 3700 kW海上电站的优势

本文设计的海上电站与普通海上风电站相比，具有以下优势：

1)在能量利用方面，本文设计的海上电站是利用压缩空气膨胀做功发电，除可产生电力外，其尾气还可以开发“制冷+制热+电解制氢+海水淡化”四联供，能量的综合利用效率可达 70%～80%[5]。

2)随着近年来世界范围内对氢能开发利用的重视，氢能以其清洁高效、循环利用等诸多优势被寄以厚望。我国无人岛屿约有6500座，具有数量众多的优势，且大部分岛屿距离大陆较近，海运费用较低，在无人岛屿岸线近海区域建设海上电站，并利用具有一定温度的尾气进行海水淡化，全部电力进行电解水制氢，可向我国沿海经济发达地区大规模供应氢能，前景广阔。

3)较一般海上风电站的设计寿命约在25～30年而言，本文设计的海上电站为钢筋混凝土框架结构，回转部件少且可随时更换，因此使用寿命更长。

4)电力输出稳定。

5)浅海施工工程造价较低、运维便利。

5 结论

本文详细介绍了一种3700 kW海浪能、风能、太阳能多能互补压缩空气储能海上电站的设计理念及电站具体结构设想，找到了一种多能互补压缩空气储能发电的新方式，且相比于普通海上风电站具有较多优势。该海上电站利用海浪能与风能、太阳能相结合，以期充分发挥海浪能的巨大能量，为人类造福。但由于海洋环境的特殊性，海上电站需要可靠的安全性以抵抗海上台风等恶劣天气的影响，这点在电站设计中应给予高度重视，同时电站设备还应具有一定的抗腐蚀能力。

《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授予实用新型专利，专利号：ZL201621195933.1。本海上电站是一种利用可再生能源生产清洁电力的崭新理念，在未来海上电站的实际建设中，各种设备及施工方式还需要不断完善创新。本文数据仅供参考，由于笔者水平有限，文中错误在所难免，欢迎相关行业专家、技术人员给予批评指正。