當(dāng)前，我國將多能互補(bǔ)+儲能的能源利用方式作為推進(jìn)能源革命，實現(xiàn)清潔替代的一項重要舉措，大力探索可再生能源清潔電力的發(fā)展和創(chuàng)新。
岸線近海是海浪能、風(fēng)能、太陽能三種能量集中的區(qū)域，具有得天獨厚的可再生能源利用優(yōu)勢，既能破解單一利用海浪能面臨的技術(shù)瓶頸，又符合國家多能互補(bǔ)+儲能的清潔能源探索方向。
原理簡單具備經(jīng)濟(jì)性
海浪能、風(fēng)能、太陽能多能互補(bǔ)壓縮空氣儲能(CAES)海上發(fā)電站，其原理是將海浪能、風(fēng)能轉(zhuǎn)變?yōu)閴嚎s空氣，太陽能熱量進(jìn)一步加熱壓縮空氣增加能量，以壓縮空氣為工作媒介推動透平膨脹機(jī)—發(fā)電機(jī)發(fā)電。海浪能部分采用打氣筒原理，即浮筒(浮漂)-氣缸結(jié)構(gòu)，海浪下降時氣缸吸氣，海浪上升時氣缸壓縮空氣，往復(fù)循環(huán)將海浪的能量組轉(zhuǎn)變?yōu)閴嚎s空氣;風(fēng)能部分采用自然風(fēng)力吹動垂直軸風(fēng)力機(jī)旋轉(zhuǎn)帶動空壓機(jī)(僅使用機(jī)頭部分)壓縮空氣;海浪能、風(fēng)能壓縮空氣進(jìn)入集氣管，集氣管起到儲存、輸送壓縮空氣的作用;太陽能部分采用槽式太陽能集熱管系統(tǒng)收集太陽能熱量，集熱管中充滿傳熱介質(zhì)(導(dǎo)熱油)，傳熱介質(zhì)在集熱管及換熱器間循環(huán)，集氣管與換熱器相連將進(jìn)入換熱器中的壓縮空氣加熱，使壓縮空氣能量進(jìn)一步增大;加熱后的壓縮空氣噴入膨脹透平機(jī)帶動發(fā)電機(jī)發(fā)出電力。
整個海上電站是由框架群及其支撐的雙層海上平臺構(gòu)成的岸線近海海中構(gòu)筑物。長方體浮筒設(shè)置在框架內(nèi)，框架限制浮筒的4個側(cè)面且與浮筒保持較小適當(dāng)間隙，使浮筒只能隨海浪上下垂直運動且不被卡死;整個電站由多組框架相連構(gòu)成框架群，且框架與海底固定連接;框架繼續(xù)向上延伸構(gòu)成第一層平臺即氣缸平臺，平臺由框架間連接梁固定連接構(gòu)成，平臺上布置海浪能壓縮空氣集氣管，頂部即第二層平臺底部設(shè)置氣缸連桿上固定;框架再繼續(xù)向上延伸構(gòu)成第二層平臺即風(fēng)力機(jī)平臺，風(fēng)力機(jī)平臺上布置風(fēng)力機(jī)、空壓機(jī)、風(fēng)能集氣管;第二層平臺靠近陸地中央位置設(shè)置廠房建筑，廠房建筑內(nèi)部設(shè)置換熱器、膨脹透平機(jī)發(fā)電機(jī)、電氣設(shè)備、控制設(shè)備等，是整個電站的控制中心;廠房建筑頂部平臺設(shè)置槽式太陽能集熱管系統(tǒng)。
海上電站采用壓力差式背靠背多級氣缸設(shè)計，這樣就使浮筒-氣缸拾能裝置覆蓋整個海面高度，同時，多級氣缸的單個缸筒長度縮短，減小了較長缸筒的加工制造難度降低成本。
海上電站原理簡單，設(shè)備常見，所處海水位置較淺，海工造價較低，具有可操作性。
相比傳統(tǒng)海上風(fēng)電優(yōu)勢明顯
海浪能、風(fēng)能、太陽能多能互補(bǔ)壓縮空氣儲能海上發(fā)電站作為新生事物，其原理及結(jié)構(gòu)不同于風(fēng)力發(fā)電直接將能量轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械轉(zhuǎn)矩發(fā)出電力，而是加入中間環(huán)節(jié)將自然能量轉(zhuǎn)變?yōu)閴嚎s空氣，符合火電汽輪機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)、汽油機(jī)等由流體產(chǎn)生動力的方式，通過中間介質(zhì)可發(fā)揮能量利用范圍廣、單位能量利用強(qiáng)度高、儲能、精確控制等優(yōu)勢。
海上電站與傳統(tǒng)海上風(fēng)電項目相比具有以下特點：
第一，能源利用效率高。海上電站是利用壓縮空氣推動透平發(fā)出電力，經(jīng)適當(dāng)改裝后其尾氣仍可加以利用，可實現(xiàn)冷+熱+電+海水淡化四聯(lián)供，據(jù)清華大學(xué)電機(jī)系為國網(wǎng)公司實驗的TICC-500壓縮空氣發(fā)電系統(tǒng)相關(guān)論文，其能源綜合利用效率可達(dá)70%-80%，其效率優(yōu)勢是傳統(tǒng)海上風(fēng)電項目無法比擬的。
第二，經(jīng)濟(jì)性好。海上電站建設(shè)在岸線近海，其海深較淺，一般為4-10米，且距離陸地較近，與海上風(fēng)電場相比，施工簡單，且海上電站可建設(shè)橋梁與陸地相通，便于人員、設(shè)備、電力線纜敷設(shè)，甚至可將操作控制系統(tǒng)設(shè)置在陸地上。另外，海上電站較海上風(fēng)電場來說，占海面積小，海上電站是一個集中的整體海上建筑，后期電站設(shè)備維護(hù)、更換部件相對簡便。
第三，適合島嶼供電。我國海島眾多，特別是距離陸地較遠(yuǎn)的海島供電始終是一個較難解決的問題，海上電站明顯優(yōu)于柴油發(fā)電機(jī)+風(fēng)電+光伏發(fā)電的模式，并可解決海島冷、熱、電、淡水等問題。
第四，使用壽命長。海上風(fēng)電一般設(shè)計壽命為20-25年，其后期退役拆除費用較大，但海上電站使用期限很長，全生命周期度電成本更低。
第五，抗臺風(fēng)能力強(qiáng)。海上電站在海中形成穩(wěn)定的框架結(jié)構(gòu)，其迎海面為類似于篩子的框架樁柱而不是一堵墻，抵抗臺風(fēng)等海上惡劣天氣影響的能力更強(qiáng)。
需為商業(yè)化應(yīng)用積累經(jīng)驗
我國幅員遼闊，海岸線長達(dá)18000公里，東南沿海是我國風(fēng)能最為豐富地區(qū)之一，其中如臺山、平潭、東山、南鹿、大陳、嵊泗、南澳、馬祖、馬公、東沙等海島地區(qū)，風(fēng)能年可利用小時數(shù)約在7000-8000小時，年有效風(fēng)功率密度在200W/m2以上，是海上電站建設(shè)的首選地區(qū)。同時，浙江、福建、廣東是我國經(jīng)濟(jì)最為發(fā)達(dá)、人口稠密、用電負(fù)荷較大的地區(qū)，為清潔電力的消納提供了有力條件。黃海岸線山東沿海也非常適合該種電站建設(shè)。渤海岸線由于冬季有海冰產(chǎn)生，例如秦皇島、唐山、天津岸線冬季結(jié)冰期一般為30-40天左右，海上電站為陸地(或島嶼)設(shè)施供電，可在冬季結(jié)冰期內(nèi)將浮筒收起，電站利用風(fēng)能、太陽能供電，功率不足部分可由陸地配合小型天然氣或其他方式補(bǔ)充供電。由于渤海岸線的風(fēng)能、海浪能較東南沿海岸線小，相同功率情況下，電站占海面積會增大。
鑒于海上電站的諸多優(yōu)勢，可優(yōu)先在浙江、福建、廣東、海南等省岸線近海推廣建設(shè)，由海上向陸地供應(yīng)電力，減少該地區(qū)火電裝機(jī)，助推沿岸地區(qū)的能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型。
目前，《一種海浪能、風(fēng)能、太陽能聯(lián)合利用發(fā)電站》已被國家知識產(chǎn)權(quán)局專利局授予實用新型專利。當(dāng)務(wù)之急，是建設(shè)實驗電站為將來商業(yè)化應(yīng)用積累經(jīng)驗。通過建設(shè)海上實驗電站，可測得海浪能、風(fēng)能壓縮空氣壓力及流量，太陽能加熱溫度等重要參數(shù)，并對設(shè)備結(jié)構(gòu)進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化，為商業(yè)化應(yīng)用奠定堅實基礎(chǔ)。
(■邢志光 作者供職于唐山鋼鐵集團(tuán)有限責(zé)任公司)
