一種海浪能、風能、太陽能多能互補壓縮空氣儲能電站的探討

0 引言

海浪能、風能、太陽能是地球自然環境中分布最為廣泛、能量巨大的可再生能源，我國東海、臺灣海峽、南海岸線均是海浪能、風能、太陽能集中的地區，具有優良的建設電站的自然條件。本文介紹了一種海浪能、風能、太陽能多能互補壓縮空氣的儲能電站，該電站通過利用海浪能、風能提供的動能，將常壓空氣轉變為壓縮空氣，利用槽式太陽能集熱管收集的熱量加熱壓縮空氣使其能量進一步增大，以推動渦輪機做功從而帶動發電機發電。同時，該電站設置有壓縮空氣儲能器，以解決自然能源帶來的電力波動、斷續現象。此類電站符合國家大力倡導的“多能互補集成優化+儲能”的能源利用模式。

1 電站結構總圖及主要組成部分

本文介紹的一種海浪能、風能、太陽能多能互補壓縮空氣儲能電站(專利號：201621195933.1)(以下簡稱“多能互補壓縮空氣儲能電站”)，主要由海浪能部分、風能部分、太陽能部分、渦輪機及發電機、儲氣室及儲能器、控制系統6部分構成。該電站的流程圖如圖1所示，結構總圖如圖2所示。

圖1 多能互補壓縮空氣儲能電站流程圖

2 電站結構原理

2.1 功率參考依據

圖2 多能互補壓縮空氣儲能電站結構圖

多能互補壓縮空氣儲能電站的輸出功率以《壓縮空氣式儲能發電裝置與系統——改裝航機系統的新用途》[1]中的數據作為參考依據，渦輪機前溫度為220 ℃、壓強為0.7 Mpa、排氣壓強為0.1 Mpa，其等熵絕熱焓降為212 kJ/kg。若渦輪機進氣流量取其額定流量為20.3 kg/s時的容積流量7.5 m3/s，根據經驗，渦輪機容積流量不變時，通流效率基本不變，即渦輪機效率可取額定值，實際焓降則為192 kJ/kg；若渦輪機效率為0.98，發電機效率則為0.97。在容積流量為7.5 m3/s時，渦輪機的質量流量為36.2 kg/s，渦輪機的實際發電功率為6609 kW。

2.2 海浪能部分

根據水的浮力定律及波浪的傳播特性，采用海面點浮式捕獲海浪能量的方式，在岸線近海設置框架群于海底固定，每個框架內設置浮筒，浮筒被限制在框架內并可沿框架隨海浪起伏做上下垂直運動，氣缸、集氣管固定在框架伸出海面以上的部分，浮筒通過連桿與氣缸相連接(連桿與氣缸內活塞相連)；氣缸上部設置出氣單向閥與集氣管相通，設置進氣單向閥與外界大氣相通；在海浪下降階段，由于浮筒、連桿具有一定質量，浮筒隨海浪下降，氣缸內壓強降低，進氣單向閥打開，外部大氣進入氣缸；海浪上升階段，浮筒受到海浪浮力作用隨海浪上升，帶動連桿上升，氣缸內部壓強上升，進氣單向閥關閉，出氣單向閥打開，壓縮空氣被壓入集氣管，循環往復，壓縮空氣被不斷壓入集氣管。

2.2.1 海浪能壓縮空氣壓強

根據阿基米德浮力定律、作用力與反作用力原理，設集氣管中的壓縮空氣壓強值為0.7 Mpa[1]，東海沿海某處平均海浪高度為1.5 m[2]。

如圖3所示，浮筒形狀為長方體，長、寬、高分別為3.2 m、1.8 m、2 m；氣缸內壁直徑為22 cm，則活塞半徑r為11 cm，因此，氣缸內壁面積A=πr2=11×11×3.14=379.94 cm2=0.037994 m2。

圖3 浮筒氣缸結構圖

浮筒隨波浪從波谷向波峰上升，隨著浮筒浸入海水的體積由小變大，浮筒(材料為泡沫，質量忽略不計)產生的浮力也逐漸增大，氣缸活塞上部空氣的壓強也隨之增大；在浮筒浸入海水0.5 m高度時，浮筒排開水的體積為3.2×1.8 × 0.5=2.88 m3；水的比重為 1000 kg/m3，則浮力F=2.88×1000=2880 kg。

氣缸活塞上部的空氣壓強為：

當海浪繼續上升時，若氣缸內壓縮空氣壓強大于0.7 Mpa (0.758 Mpa＞0.7 Mpa)時，壓縮空氣會打開出氣單向閥進入集氣管。

由以上計算可以看出，利用海浪能壓縮空氣的壓強與浮筒的截面積、海浪高度及氣缸直徑有關。

2.2.2 海浪能壓縮空氣流量

由于海浪高度為1.5 m，其中0.5 m用于抵消集氣管系統壓力，因此，波浪上升一次打氣量為 0.037994× (1.5-0.5)= 0.037994 m3。

海浪頻率根據季節、風力的不同等原因隨時都在發生變化，以我國東海為例，若海浪頻率為6次/min[3]，則單個氣缸打氣量為0.037994×6=0.227964 m3/min≈0.0037994 m3/s。

若氣缸的數量為750個，則打氣量為750×0.0037994=2.84955 m3/s≈2.85 m3/s。海浪的高低起伏形成氣缸的吸氣、壓縮過程，750個氣缸同時壓縮氣體時，需有相同數量的氣缸處于吸氣過程中，即氣缸的總數量應為750×2=1500個。

2.2.3 海浪能部分占海面積

氣缸處于框架中心位置，設框架的長度為4 m、寬度為2.5 m，考慮到浮筒的消浪作用(需要進一步實驗驗證)，浮筒沿平行于海岸方向布置5排，每排300個，則電站在海中框架部分的長度為 300×4=1200 m，寬度為 5×2.5=12.5 m，海浪能部分占海面積為1200×12.5=15000 m2。

圖4 單個框架結構圖

2.2.4 采用多級氣缸

海浪部分的關鍵設備之一是氣缸。考慮到大海的潮汐作用(如圖5所示)，正常情況下，高潮海浪最高高度與低潮海浪最低海面的差值為：1+2.5+2.5+1=7 m；天氣情況惡劣時，海浪高度可能相差更大，可考慮設計安全防護以確保設備的安全。因此，實際應用中，氣缸可考慮采用多級伸縮式氣缸，如圖6所示。

圖5 浮筒潮位圖

圖6 伸縮式氣缸示意圖

2.3 風能部分

風能部分的工作原理為：通過自然風吹動風力機扇葉旋轉，帶動風力機機軸旋轉；通過1對傘齒輪(圖7中進行了簡化，未將其畫出)將垂直扭矩傳遞給與之相連的水平布置的空氣壓縮機軸，并實現變速；空氣壓縮機將外界大氣壓縮，壓縮空氣進入集氣管。

圖7 風能部分結構圖

1)風力機的選擇。風力機目前主要有水平軸和垂直軸兩種，考慮到水平軸風力機風向尾翼結構較復雜等原因，此處選擇垂直軸風力機，如圖8所示。以唐山拓又達科技有限公司10 kW風力機為例(風力機僅使用扇葉部分)，風力機的參數如表1所示。

圖8 垂直軸風力機

表1 10 kW風力機的各項參數

2)空氣壓縮機的選擇。空氣壓縮機的類型主要有往復活塞式、滑片式、雙螺桿式、單螺桿式等。上述類型都可以使用，現以浙江開山壓縮機股份有限公司的往復活塞式壓縮機為例，如圖9所示。

空氣壓縮機的型號為KAH15，電機功率為11 kW，排氣量為1.22 m3/min(即流量≈0.02 m3/s)，壓力為1.25 Mpa。

圖9 往復活塞式空氣壓縮機

3)風力機、空氣壓縮機所需數量均為240臺。空氣壓縮機所需壓縮空氣的量為240×0.02=4.8 m3/s。此結果僅是考慮風力機發出的功率與電機功率大致相同而得到的結果，風力機輸出轉速、扭矩經傘齒輪增速后是否能達到電機的轉速、扭矩尚無驗證。實際應用時，由于風力大小隨時變化，風力機輸出扭矩、轉速也隨時發生變化，可能達不到表1中風力機的額定轉速，從而導致空氣壓縮機輸出流量達不到0.02 m3/s的額定流量，但通過增加風力機、空氣壓縮機的數量可達到需要的總流量。因此，上述計算數據僅供參考。

該電站僅使用了風力機的扇葉部分，未轉換成電力，由于風能轉換的極限效率(貝茲極限)為0.593，直接輸入空氣壓縮機的功率應大于上述電機功率。風能壓縮空氣壓強值的大小取決于電站建設地點的風力大小、風機扇葉直徑及長度，在電站風力一定的情況下，通過調整風機扇葉尺寸及數量可獲得不同的輸出扭矩及輸出功率，并選配合適的空氣壓縮機。

4)空氣壓縮機壓縮熱的保存。系統中，壓縮空氣的溫度越高，渦輪機的效率越高。如果將空氣壓縮機壓縮空氣過程中產生的熱量加以保存，將大幅提高渦輪機的輸出功率。特別是在晚上無太陽能提供熱量時，這部分熱量可以發揮一定的作用。因此，可對空氣壓縮機做出改進，并對管道采取保溫措施。

2.4 太陽能部分

太陽能部分采用槽式太陽能集熱管技術，加熱傳熱介質(導熱油)，經換熱器對壓縮空氣加熱后進入渦輪機做功。本文以北京天瑞星光熱技術有限公司的集熱管為例，如圖10所示。

圖10 集熱管圖片

集熱管的型號為TRX70-125(導熱油型)，其工作溫度為400 ℃；即使換熱器熱量有一定損失，也可將渦輪機前壓縮空氣溫度加熱至220 ℃(渦輪機所需進氣溫度)以上。

2.5 電站儲能器及儲氣室

2.5.1 儲能器及多級壓縮

儲能器為鋼制壓縮空氣儲氣罐，可承受較大壓力，由于其容積較大，可設置為互相聯通的多組，并由控制閥門加以控制。電站在設計時有其額定的風能、海浪能范圍值，相對應的有額定壓縮空氣流量，其運行有3種情況：

1)在正常額定自然能量情況下，海浪能、風能輸入的壓縮空氣流量與進入渦輪機的流量相等，電站正常運行。

2)在風能、海浪能較小，集氣管壓縮空氣流量不足時，儲能器閥門打開向渦輪機補充壓縮空氣，以維持進入渦輪機的壓縮空氣流量達到正常值；待海浪能、風能恢復正常額定值時，儲能器閥門關閉，停止供氣。

3)在風能、海浪能能量大幅高于額定值時，集氣管中的壓縮空氣壓強較大，儲能器閥門打開，部分壓縮空氣進入儲能器存儲。

鋼制壓縮空氣儲氣罐的體積較大，造價較高，提高儲氣罐內壓縮空氣壓強是降低儲氣罐體積的有效方式，可在進入儲氣罐壓縮空氣管道上加裝多級空氣壓縮機，利用自身電力將壓縮空氣多級壓縮后輸入儲氣罐。

由于集氣管長度較長，容積較大，因此其也具有儲能、穩流的作用。

2.5.2 儲氣室及其布局

儲氣室為鋼筋混凝土建筑，具有一定內部空間，可將儲能器、渦輪機、換熱器布置在儲氣室內，同時起到保溫作用。另一方面，儲氣室頂部平臺可作為布置風力機及空氣壓縮機、太陽能集熱管系統的平臺，這樣既提高了風力機受風高度，又實現了電站立體布置，便于集中控制，節約占地面積。

2.6 渦輪機及發電機、控制系統

被加熱的壓縮空氣進入渦輪機推動渦輪機軸旋轉帶動發電機發出電力；電站設有控制系統，以實現自動控制運行。

為使海浪能、風能壓縮空氣壓力匹配，可采用多級渦輪機將海浪能及風能壓縮空氣分別引入不同級，以消除壓力不匹配問題，并有助于提高渦輪機功率。

3 電站壓縮空氣流量、壓強、溫度及年發電量

通過以上計算可知，海浪能和風能的壓縮空氣總流量為2.85+4.8=7.65 m3/s，海浪部分的壓強為0.758 Mpa，風能部分壓強為1.25 Mpa，渦輪機前溫度值大于220 ℃。以上數據均達到或大于渦輪機所要求的壓強、流量、溫度參數值[1]，電站發電功率可達或接近6600 kW，預計電站年發電量為 6600×24×365=5781.6 萬 kWh。

4 電站換熱器壓縮空氣

如圖11所示，可考慮在換熱器管道前、后加裝單向閥，使兩個單向閥間形成密閉空間。由于換熱器中傳熱介質的作用，壓縮空氣溫度升高、氣體膨脹，單向閥1關閉，管道內氣體壓強繼續上升。據查理定律P1:P2=T1:T2，其中T為華攝氏度，K。當換熱器將管道內壓縮空氣加熱到200 ℃、換熱器前集氣管壓縮空氣溫度為80 ℃、壓強為0.56 Mpa時，經換熱器加熱后封閉空間壓縮氣體壓強P2=P1T2/T1=0.56×(273+200)/(273+80)=0.75 Mpa。

此時，單向閥2打開，壓縮空氣經噴嘴噴出，推動渦輪機扇葉旋轉做功。氣體噴出后，單向閥1和單向閥2所封閉的空間內氣體壓強減小；同時緊鄰單向閥1的集氣管內的壓縮空氣壓強也在逐漸增大，氣體推開單向閥1進入由單向閥1、單向閥2所封閉的空間，循環往復。

綜上所述可知，氣體經過換熱器加熱后，壓強增大，壓縮空氣形成“射流”噴出，大幅降低了集氣管進氣壓強，節約氣體流量，換熱器內均由該種結構構成。由于渦輪機葉輪具有一定質量，可以起到“飛輪”的作用，“射流”產生的沖擊力可由渦輪機葉輪平衡。

圖11 換熱器“射流”圖

5 利用風能、太陽能雙能互補壓縮空氣儲能的形式

我國風能資源豐富的內陸地區，可將電站的海中部分去掉，成為陸上利用風能、太陽能雙能互補壓縮空氣儲能電站，如圖12所示。

圖12 陸上風能、太陽能雙能互補壓縮空氣儲能電站結構圖

此類電站宜選擇在風能、太陽能能量密度均較大的地點建設。

6 電站前景

我國具有豐富的海浪能、風能、太陽能資源，特別是臺灣海峽形成狹管效應，使東南沿海成為我國風能資源最佳的地區；風能又形成了較大的海浪，從浙江的舟山群島到海南島，加上我國近海海域的眾多島嶼，均是3種自然能源集中的區域，為電站建設提供了優良的自然條件。隨著我國加大南海島嶼開發力度，在島嶼上建造該種電站既不污染環境，又可以提供足夠電力。我國沿海地區工業集中，人口稠密城市較多，電力消耗量大，也為電站的建設提供了廣闊的需求空間，同時還改善了燃煤電站對環境的影響。

7 結語

利用壓縮空氣的方式，聯合利用多種自然能源生產電力，將是未來可再生能源利用的一個重要發展方向。本文設計的海浪能、風能、太陽能多能互補壓縮空氣儲能電站從壓縮空氣到釋能做功，整個過程無任何污染，全程只有物理變化，無任何化學反應。此類電站的2個關鍵點是有持續的壓縮空氣氣源，并配置壓縮空氣儲能裝置。此種采用的“多能互補集中利用+儲能”的電力生產方式，也是我國國家政策大力倡導的能源發展方向，與其他電站單一的利用風力發電、太陽能光伏發電截然不同，較單一能源利用具有較多優勢。在理論論證的基礎上獲得資金支持建設小型實驗電站，獲得實際技術參數，將該種電站付諸現實，可為企業和社會贏得雙重效益。

由于筆者水平有限，文章尚存在不足之處，數據僅供參考，歡迎相關行業的專家、學者給予批評指正。