一种海浪能、风能、太阳能多能互补压缩空气储能电站的探讨

0 引言

海浪能、风能、太阳能是地球自然环境中分布最为广泛、能量巨大的可再生能源，我国东海、台湾海峡、南海岸线均是海浪能、风能、太阳能集中的地区，具有优良的建设电站的自然条件。本文介绍了一种海浪能、风能、太阳能多能互补压缩空气的储能电站，该电站通过利用海浪能、风能提供的动能，将常压空气转变为压缩空气，利用槽式太阳能集热管收集的热量加热压缩空气使其能量进一步增大，以推动涡轮机做功从而带动发电机发电。同时，该电站设置有压缩空气储能器，以解决自然能源带来的电力波动、断续现象。此类电站符合国家大力倡导的“多能互补集成优化+储能”的能源利用模式。

1 电站结构总图及主要组成部分

本文介绍的一种海浪能、风能、太阳能多能互补压缩空气储能电站(专利号：201621195933.1)(以下简称“多能互补压缩空气储能电站”)，主要由海浪能部分、风能部分、太阳能部分、涡轮机及发电机、储气室及储能器、控制系统6部分构成。该电站的流程图如图1所示，结构总图如图2所示。

图1 多能互补压缩空气储能电站流程图

2 电站结构原理

2.1 功率参考依据

图2 多能互补压缩空气储能电站结构图

多能互补压缩空气储能电站的输出功率以《压缩空气式储能发电装置与系统——改装航机系统的新用途》[1]中的数据作为参考依据，涡轮机前温度为220 ℃、压强为0.7 Mpa、排气压强为0.1 Mpa，其等熵绝热焓降为212 kJ/kg。若涡轮机进气流量取其额定流量为20.3 kg/s时的容积流量7.5 m3/s，根据经验，涡轮机容积流量不变时，通流效率基本不变，即涡轮机效率可取额定值，实际焓降则为192 kJ/kg；若涡轮机效率为0.98，发电机效率则为0.97。在容积流量为7.5 m3/s时，涡轮机的质量流量为36.2 kg/s，涡轮机的实际发电功率为6609 kW。

2.2 海浪能部分

根据水的浮力定律及波浪的传播特性，采用海面点浮式捕获海浪能量的方式，在岸线近海设置框架群于海底固定，每个框架内设置浮筒，浮筒被限制在框架内并可沿框架随海浪起伏做上下垂直运动，气缸、集气管固定在框架伸出海面以上的部分，浮筒通过连杆与气缸相连接(连杆与气缸内活塞相连)；气缸上部设置出气单向阀与集气管相通，设置进气单向阀与外界大气相通；在海浪下降阶段，由于浮筒、连杆具有一定质量，浮筒随海浪下降，气缸内压强降低，进气单向阀打开，外部大气进入气缸；海浪上升阶段，浮筒受到海浪浮力作用随海浪上升，带动连杆上升，气缸内部压强上升，进气单向阀关闭，出气单向阀打开，压缩空气被压入集气管，循环往复，压缩空气被不断压入集气管。

2.2.1 海浪能压缩空气压强

根据阿基米德浮力定律、作用力与反作用力原理，设集气管中的压缩空气压强值为0.7 Mpa[1]，东海沿海某处平均海浪高度为1.5 m[2]。

如图3所示，浮筒形状为长方体，长、宽、高分别为3.2 m、1.8 m、2 m；气缸内壁直径为22 cm，则活塞半径r为11 cm，因此，气缸内壁面积A=πr²=11×11×3.14=379.94 cm2=0.037994 m2。

图3 浮筒气缸结构图

浮筒随波浪从波谷向波峰上升，随着浮筒浸入海水的体积由小变大，浮筒(材料为泡沫，质量忽略不计)产生的浮力也逐渐增大，气缸活塞上部空气的压强也随之增大；在浮筒浸入海水0.5 m高度时，浮筒排开水的体积为3.2×1.8 × 0.5=2.88 m3；水的比重为 1000 kg/m3，则浮力F=2.88×1000=2880 kg。

气缸活塞上部的空气压强为：

当海浪继续上升时，若气缸内压缩空气压强大于0.7 Mpa (0.758 Mpa＞0.7 Mpa)时，压缩空气会打开出气单向阀进入集气管。

由以上计算可以看出，利用海浪能压缩空气的压强与浮筒的截面积、海浪高度及气缸直径有关。

2.2.2 海浪能压缩空气流量

由于海浪高度为1.5 m，其中0.5 m用于抵消集气管系统压力，因此，波浪上升一次打气量为 0.037994× (1.5-0.5)= 0.037994 m3。

海浪频率根据季节、风力的不同等原因随时都在发生变化，以我国东海为例，若海浪频率为6次/min[3]，则单个气缸打气量为0.037994×6=0.227964 m3/min≈0.0037994 m3/s。

若气缸的数量为750个，则打气量为750×0.0037994=2.84955 m3/s≈2.85 m3/s。海浪的高低起伏形成气缸的吸气、压缩过程，750个气缸同时压缩气体时，需有相同数量的气缸处于吸气过程中，即气缸的总数量应为750×2=1500个。

2.2.3 海浪能部分占海面积

气缸处于框架中心位置，设框架的长度为4 m、宽度为2.5 m，考虑到浮筒的消浪作用(需要进一步实验验证)，浮筒沿平行于海岸方向布置5排，每排300个，则电站在海中框架部分的长度为 300×4=1200 m，宽度为 5×2.5=12.5 m，海浪能部分占海面积为1200×12.5=15000 m2。

图4 单个框架结构图

2.2.4 采用多级气缸

海浪部分的关键设备之一是气缸。考虑到大海的潮汐作用(如图5所示)，正常情况下，高潮海浪最高高度与低潮海浪最低海面的差值为：1+2.5+2.5+1=7 m；天气情况恶劣时，海浪高度可能相差更大，可考虑设计安全防护以确保设备的安全。因此，实际应用中，气缸可考虑采用多级伸缩式气缸，如图6所示。

图5 浮筒潮位图

图6 伸缩式气缸示意图

2.3 风能部分

风能部分的工作原理为：通过自然风吹动风力机扇叶旋转，带动风力机机轴旋转；通过1对伞齿轮(图7中进行了简化，未将其画出)将垂直扭矩传递给与之相连的水平布置的空气压缩机轴，并实现变速；空气压缩机将外界大气压缩，压缩空气进入集气管。

图7 风能部分结构图

1)风力机的选择。风力机目前主要有水平轴和垂直轴两种，考虑到水平轴风力机风向尾翼结构较复杂等原因，此处选择垂直轴风力机，如图8所示。以唐山拓又达科技有限公司10 kW风力机为例(风力机仅使用扇叶部分)，风力机的参数如表1所示。

图8 垂直轴风力机

表1 10 kW风力机的各项参数

2)空气压缩机的选择。空气压缩机的类型主要有往复活塞式、滑片式、双螺杆式、单螺杆式等。上述类型都可以使用，现以浙江开山压缩机股份有限公司的往复活塞式压缩机为例，如图9所示。

空气压缩机的型号为KAH15，电机功率为11 kW，排气量为1.22 m3/min(即流量≈0.02 m3/s)，压力为1.25 Mpa。

图9 往复活塞式空气压缩机

3)风力机、空气压缩机所需数量均为240台。空气压缩机所需压缩空气的量为240×0.02=4.8 m3/s。此结果仅是考虑风力机发出的功率与电机功率大致相同而得到的结果，风力机输出转速、扭矩经伞齿轮增速后是否能达到电机的转速、扭矩尚无验证。实际应用时，由于风力大小随时变化，风力机输出扭矩、转速也随时发生变化，可能达不到表1中风力机的额定转速，从而导致空气压缩机输出流量达不到0.02 m3/s的额定流量，但通过增加风力机、空气压缩机的数量可达到需要的总流量。因此，上述计算数据仅供参考。

该电站仅使用了风力机的扇叶部分，未转换成电力，由于风能转换的极限效率(贝兹极限)为0.593，直接输入空气压缩机的功率应大于上述电机功率。风能压缩空气压强值的大小取决于电站建设地点的风力大小、风机扇叶直径及长度，在电站风力一定的情况下，通过调整风机扇叶尺寸及数量可获得不同的输出扭矩及输出功率，并选配合适的空气压缩机。

4)空气压缩机压缩热的保存。系统中，压缩空气的温度越高，涡轮机的效率越高。如果将空气压缩机压缩空气过程中产生的热量加以保存，将大幅提高涡轮机的输出功率。特别是在晚上无太阳能提供热量时，这部分热量可以发挥一定的作用。因此，可对空气压缩机做出改进，并对管道采取保温措施。

2.4 太阳能部分

太阳能部分采用槽式太阳能集热管技术，加热传热介质(导热油)，经换热器对压缩空气加热后进入涡轮机做功。本文以北京天瑞星光热技术有限公司的集热管为例，如图10所示。

图10 集热管图片

集热管的型号为TRX70-125(导热油型)，其工作温度为400 ℃；即使换热器热量有一定损失，也可将涡轮机前压缩空气温度加热至220 ℃(涡轮机所需进气温度)以上。

2.5 电站储能器及储气室

2.5.1 储能器及多级压缩

储能器为钢制压缩空气储气罐，可承受较大压力，由于其容积较大，可设置为互相联通的多组，并由控制阀门加以控制。电站在设计时有其额定的风能、海浪能范围值，相对应的有额定压缩空气流量，其运行有3种情况：

1)在正常额定自然能量情况下，海浪能、风能输入的压缩空气流量与进入涡轮机的流量相等，电站正常运行。

2)在风能、海浪能较小，集气管压缩空气流量不足时，储能器阀门打开向涡轮机补充压缩空气，以维持进入涡轮机的压缩空气流量达到正常值；待海浪能、风能恢复正常额定值时，储能器阀门关闭，停止供气。

3)在风能、海浪能能量大幅高于额定值时，集气管中的压缩空气压强较大，储能器阀门打开，部分压缩空气进入储能器存储。

钢制压缩空气储气罐的体积较大，造价较高，提高储气罐内压缩空气压强是降低储气罐体积的有效方式，可在进入储气罐压缩空气管道上加装多级空气压缩机，利用自身电力将压缩空气多级压缩后输入储气罐。

由于集气管长度较长，容积较大，因此其也具有储能、稳流的作用。

2.5.2 储气室及其布局

储气室为钢筋混凝土建筑，具有一定内部空间，可将储能器、涡轮机、换热器布置在储气室内，同时起到保温作用。另一方面，储气室顶部平台可作为布置风力机及空气压缩机、太阳能集热管系统的平台，这样既提高了风力机受风高度，又实现了电站立体布置，便于集中控制，节约占地面积。

2.6 涡轮机及发电机、控制系统

被加热的压缩空气进入涡轮机推动涡轮机轴旋转带动发电机发出电力；电站设有控制系统，以实现自动控制运行。

为使海浪能、风能压缩空气压力匹配，可采用多级涡轮机将海浪能及风能压缩空气分别引入不同级，以消除压力不匹配问题，并有助于提高涡轮机功率。

3 电站压缩空气流量、压强、温度及年发电量

通过以上计算可知，海浪能和风能的压缩空气总流量为2.85+4.8=7.65 m3/s，海浪部分的压强为0.758 Mpa，风能部分压强为1.25 Mpa，涡轮机前温度值大于220 ℃。以上数据均达到或大于涡轮机所要求的压强、流量、温度参数值[1]，电站发电功率可达或接近6600 kW，预计电站年发电量为 6600×24×365=5781.6 万 kWh。

4 电站换热器压缩空气

如图11所示，可考虑在换热器管道前、后加装单向阀，使两个单向阀间形成密闭空间。由于换热器中传热介质的作用，压缩空气温度升高、气体膨胀，单向阀1关闭，管道内气体压强继续上升。据查理定律P1:P2=T1:T2，其中T为华摄氏度，K。当换热器将管道内压缩空气加热到200 ℃、换热器前集气管压缩空气温度为80 ℃、压强为0.56 Mpa时，经换热器加热后封闭空间压缩气体压强P2=P1T2/T1=0.56×(273+200)/(273+80)=0.75 Mpa。

此时，单向阀2打开，压缩空气经喷嘴喷出，推动涡轮机扇叶旋转做功。气体喷出后，单向阀1和单向阀2所封闭的空间内气体压强减小；同时紧邻单向阀1的集气管内的压缩空气压强也在逐渐增大，气体推开单向阀1进入由单向阀1、单向阀2所封闭的空间，循环往复。

综上所述可知，气体经过换热器加热后，压强增大，压缩空气形成“射流”喷出，大幅降低了集气管进气压强，节约气体流量，换热器内均由该种结构构成。由于涡轮机叶轮具有一定质量，可以起到“飞轮”的作用，“射流”产生的冲击力可由涡轮机叶轮平衡。

图11 换热器“射流”图

5 利用风能、太阳能双能互补压缩空气储能的形式

我国风能资源丰富的内陆地区，可将电站的海中部分去掉，成为陆上利用风能、太阳能双能互补压缩空气储能电站，如图12所示。

图12 陆上风能、太阳能双能互补压缩空气储能电站结构图

此类电站宜选择在风能、太阳能能量密度均较大的地点建设。

6 电站前景

我国具有丰富的海浪能、风能、太阳能资源，特别是台湾海峡形成狭管效应，使东南沿海成为我国风能资源最佳的地区；风能又形成了较大的海浪，从浙江的舟山群岛到海南岛，加上我国近海海域的众多岛屿，均是3种自然能源集中的区域，为电站建设提供了优良的自然条件。随着我国加大南海岛屿开发力度，在岛屿上建造该种电站既不污染环境，又可以提供足够电力。我国沿海地区工业集中，人口稠密城市较多，电力消耗量大，也为电站的建设提供了广阔的需求空间，同时还改善了燃煤电站对环境的影响。

7 结语

利用压缩空气的方式，联合利用多种自然能源生产电力，将是未来可再生能源利用的一个重要发展方向。本文设计的海浪能、风能、太阳能多能互补压缩空气储能电站从压缩空气到释能做功，整个过程无任何污染，全程只有物理变化，无任何化学反应。此类电站的2个关键点是有持续的压缩空气气源，并配置压缩空气储能装置。此种采用的“多能互补集中利用+储能”的电力生产方式，也是我国国家政策大力倡导的能源发展方向，与其他电站单一的利用风力发电、太阳能光伏发电截然不同，较单一能源利用具有较多优势。在理论论证的基础上获得资金支持建设小型实验电站，获得实际技术参数，将该种电站付诸现实，可为企业和社会赢得双重效益。

由于笔者水平有限，文章尚存在不足之处，数据仅供参考，欢迎相关行业的专家、学者给予批评指正。