海上电站多能平台：海洋能源利用的新路径

作者供职于唐山钢铁集团有限责任公司

海洋以其宽广辽阔的体量以及可再生能源的丰富当之无愧成为可再生能源投资热点。目前海上的可再生能源开发主要形式为海上风电，据资料统计，截至2018年底我国海上风电累计装机445万千瓦，在建647万千瓦，无疑我国将拥有世界上最大的海上风电装机量。

但海上风电也存在一些局限性。海上风电由风能直接转换为机械能发出电力，并不符合传统的被科学验证的由流体推动透平带动发电机发出电力的较佳能量转化方式。其次，可再生能源均具有单位面积能量小、能量断续不稳定的特点。

海上电站多能平台结构特点

海上电站多能平台即海浪能、风能、太阳能多能互补压缩空气储能海上电站多种能源平台，其原理是海浪能部分采用浮筒-气缸结构，利用海水的浮力及海浪波动将环境空气压缩进入集气管；风能部分采用垂直轴风轮-空压机（机头）结构，利用自然风能将环境空气压缩进入集气管；槽式太阳能集热管系统将太阳能热量收集通过换热器将透平前压缩空气加热升温进一步增加压缩空气能量，提高透平效率，同时提高透平尾气温度，便于尾气再利用。

海上电站结构为由框架及三层平台构成的海上构筑物，每个浮筒的4个侧面被框架所限制并留有适当间隙使浮筒仅能做上下垂直运动且不被卡死，多个框架相连构成整个海上电站，第一层平台即浮筒气缸平台，是海浪能转换为压缩空气能拾能装置浮筒-气缸结构的载体；第二层平台即风力机平台，上面布置垂直轴风轮-空压机结构，第二层平台中央位置靠近岸线位置布置厂房建筑，厂房建筑是电站的唯一封闭建筑，室内布置换热器、透平、发电机、控制监测系统、电气设备及尾气利用设备等；第三层平台即厂房建筑屋顶，是槽式太阳能集热管系统布置平台。同时，在第一、二层平台遍布集气管将海浪能、风能的压缩空气收集并储存，由于集气管长度较长容积较大兼具压缩空气存储、输送作用。通过集气管的储能作用当海浪能、风能、太阳能能量波动变化时，输入透平压缩空气压力流量仍可保持一定时间的电力稳定输出。由于海浪能是24小时全天候能量，即使在无风能、无太阳能同时，海上电站仍可保持基础的电力输出。海上电站为保持压缩空气温度所有管道均采取保温措施。

表一

表二

海上电站采用两套太阳能集热管系统及熔盐储热技术，白天利用一套太阳能系统加热透平前压缩空气，夜晚转换为熔盐存储热能，使进入透平的压缩空气温度全天始终保持在约200-300℃之间，提高了透平效率。透平尾气仍具有较高热值，约80-150℃之间，通过曲管海水换热器与海水换热，海水蒸发以蒸馏水回收的方式制取淡水，海水含盐量为35g/kg，换热器底部将析出海盐。通过曲管换热器中海水量（液面高度）的调整，可以在换热器气流出口得到需要的气流温度，将气流引入房间即可获得空调制冷与制热的效果。蒸馏淡水除生活饮用等外，一部分引入电解槽，利用海上电站自身电力电解水，可在阴极得到氢气，阳极得到氧气，海上电站产品为清洁电力、制冷、制热、淡化海水、海盐、氢气、氧气。以6000kw海上电站为例估算海上电站参数及产品产量（如表一所示）。

海上电站多能平台的多重优势

海上电站多能平台与海上风电尽管都建在海上，但从其建设地点、结构原理、用能方式、电力质量、后期维护、产品种类、海岛供电及无人海岛开发等诸多方面却大相径庭。

1.海上电站近岸浅海建设能量集中

海上电站建设地点为岸线近海，包括大陆岸线及海岛岸线近海，海上电站建设地点以海深超过最低潮位1-2m即可，即在最低潮时不露出海底仍有正常海浪起伏，例如浙江舟山沈家门2021年2月19日潮汐情况（表二）。实际建设中潮汐要以全年最大潮汐潮位为依据，按此推算，海上电站建设海深按平潮最大不超过8m，较海上风电场建设海深5-50m比较海深较浅。按建设地点海况海上电站距离陆地最远距离不超过1公里，这样海上电站可建设桥梁与陆地相连，便于海上施工及电力线缆、氢气管线敷设，较海上风电施工成本大幅降低；同时，海上电站在占海面积海面利用海浪能、海面垂直面利用风能（垂直轴风轮梯级布置）及海面上平面利用太阳能，构成三能较好利用的整体。海上风电提高功率的唯一途径就是增大叶片直径从而增大扫风面积，而海上电站增大占海面积就意味着三能同时增加，而且海浪能是24小时能源，与单一的风能比较优势明显。

2.海上电站海上施工结构特点更具优势

海上电站为大量与海底固定连接的框架桩柱组成的框架群支撑的海上平台结构及设备安装，主要施工作业为钢筋混凝土预制桩柱的海底固定，由于桩柱数量众多，面积较大，单个桩柱载荷较小，所以不需要桩柱进入海底较深，可考虑采用钻桩技术等方式，这样也节约了建设时间提高了效率。第一层平台上安装浮筒-气缸及集气管、第二层平台垂直轴风轮-空压机及集气管、厂房建筑内安装透平及发电机控制设备及尾气利用设备、第三层太阳能部分安装均在海面以上较为简单。

3.海上电站用能方式、电力质量及可在生能源利用效率更高

海上电站采用海浪能、风能、太阳能多能互补的方式，转换为压缩空气作为做功介质，并实现储能，通过控制压缩空气的流量，可非常灵活的控制透平输出功率，这点与火电及水利发电相同，电力出力响应迅速灵活，完全克服了风力发电等断续电源对电网的冲击及不安全影响。在白天及夜晚负载发生变化时，海上电站可随时在电力及制氢之间转换，其捕获的可再生能源能量丝毫没有浪费，可再生能源利用效率大大提高。同时，海浪跟踪气缸对海浪高度的利用范围大大增加，垂直轴风轮对风速的利用范围较大，即风速越大转速越快，压缩空气量越大。

4.海上电站后期维护优势明显

机械设备在其生命周期内，维护保养必不可少。海上电站由于有桥梁与陆地相连，更换备品备件较简单容易。相比海上风电，陆地风电的维护就较困难，海上风电的维护难度可想而知，海上风电主机存在较多的齿轮变速箱结构及电气设备，简单的润滑油定期更换对于海上风电来说就不是件容易的事情，如果更换其他较重部件，将更为困难，在未来的海上风电使用寿命20-30年内，海上风电开发企业必付出高昂的维护成本。

5.海上电站是未来海岛供电的最佳方式及可带动无人海岛开发

我国面积较小居民较少的距离陆地较远的海岛往往采用柴油发电机+风力发电+光伏方式，例如三沙市永兴岛，海岛本身面积有限，如果覆盖过多光伏板，海岛植被将受到影响，并占据宝贵的海岛土地面积。海上电站多能平台在岸线近海建设，不占用陆地面积，且其产品种类较多，淡水、氢能、冷、热均是海岛必须的生产、生活物资，同时氧气对于渔民的渔业也有巨大的帮助。

我国海岛数量众多，其中我国东海海域海岛约4600多个，约占全国海岛数量的66%，且其大部分距离大陆在30公里以内，利用无人海岛岸线浅海建设海上电站，电力、绿氢通过海底电缆、管线输送至大陆，可为长三角、珠三角城市群及其之间城市大规模供给廉价清洁电力及氢能。为我国的能源安全提供保障，海上电站也是我国边防海岛供电、供能的较佳方式，并有助于我国无人海岛资源的开发利用。

海上电站多能平台具有可操作性

海上电站多能平台从构想到实现的过程中，除政府部门各种批文外，海上电站多能平台以目前我国的海洋工程水平是较为简单的海上施工项目，其所涉及到的主要设备中，海浪能部分跟踪潮汐及浪高变化的组合气缸需要研发，基本思路之一为：组合气缸由工作（压缩）气缸、伸缩气缸、锁紧气缸三部分组成，原理为利用海浪自身压缩空气压力使锁紧气缸柱销锁住跟踪气缸，在压缩时刻使工作气缸缸筒保持与上固定点的高度固定不变实现工作气缸活塞推至气缸顶端将压缩空气压缩并排出；风能部分垂直轴风力机空压机是常见设备；槽式太阳能集热系统主要设备加热管及熔盐储热国内厂家较多，例如北京天瑞星、天津百吉瑞公司等。勘探设计院所有中交集团系统设计院、华东院、上海院等。海上电站多能平台是崭新的项目，从勘探、设计、施工、安装到后期维护运营，在实际建设中可能会遇到这样那样的问题，但以现在的技术水平相信均可实现，海上电站多能平台的小功率实验电站建设尤为关键。