一種海浪能、風(fēng)能、太陽能多能互補(bǔ)壓縮空氣儲(chǔ)能電站的探討

0 引言

海浪能、風(fēng)能、太陽能是地球自然環(huán)境中分布最為廣泛、能量巨大的可再生能源，我國(guó)東海、臺(tái)灣海峽、南海岸線均是海浪能、風(fēng)能、太陽能集中的地區(qū)，具有優(yōu)良的建設(shè)電站的自然條件。本文介紹了一種海浪能、風(fēng)能、太陽能多能互補(bǔ)壓縮空氣的儲(chǔ)能電站，該電站通過利用海浪能、風(fēng)能提供的動(dòng)能，將常壓空氣轉(zhuǎn)變?yōu)閴嚎s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(jìn)一步增大，以推動(dòng)渦輪機(jī)做功從而帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。同時(shí)，該電站設(shè)置有壓縮空氣儲(chǔ)能器，以解決自然能源帶來的電力波動(dòng)、斷續(xù)現(xiàn)象。此類電站符合國(guó)家大力倡導(dǎo)的“多能互補(bǔ)集成優(yōu)化+儲(chǔ)能”的能源利用模式。

1 電站結(jié)構(gòu)總圖及主要組成部分

本文介紹的一種海浪能、風(fēng)能、太陽能多能互補(bǔ)壓縮空氣儲(chǔ)能電站(專利號(hào)：201621195933.1)(以下簡(jiǎn)稱“多能互補(bǔ)壓縮空氣儲(chǔ)能電站”)，主要由海浪能部分、風(fēng)能部分、太陽能部分、渦輪機(jī)及發(fā)電機(jī)、儲(chǔ)氣室及儲(chǔ)能器、控制系統(tǒng)6部分構(gòu)成。該電站的流程圖如圖1所示，結(jié)構(gòu)總圖如圖2所示。

圖1 多能互補(bǔ)壓縮空氣儲(chǔ)能電站流程圖

2 電站結(jié)構(gòu)原理

2.1 功率參考依據(jù)

圖2 多能互補(bǔ)壓縮空氣儲(chǔ)能電站結(jié)構(gòu)圖

多能互補(bǔ)壓縮空氣儲(chǔ)能電站的輸出功率以《壓縮空氣式儲(chǔ)能發(fā)電裝置與系統(tǒng)——改裝航機(jī)系統(tǒng)的新用途》[1]中的數(shù)據(jù)作為參考依據(jù)，渦輪機(jī)前溫度為220 ℃、壓強(qiáng)為0.7 Mpa、排氣壓強(qiáng)為0.1 Mpa，其等熵絕熱焓降為212 kJ/kg。若渦輪機(jī)進(jìn)氣流量取其額定流量為20.3 kg/s時(shí)的容積流量7.5 m3/s，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，渦輪機(jī)容積流量不變時(shí)，通流效率基本不變，即渦輪機(jī)效率可取額定值，實(shí)際焓降則為192 kJ/kg；若渦輪機(jī)效率為0.98，發(fā)電機(jī)效率則為0.97。在容積流量為7.5 m3/s時(shí)，渦輪機(jī)的質(zhì)量流量為36.2 kg/s，渦輪機(jī)的實(shí)際發(fā)電功率為6609 kW。

2.2 海浪能部分

根據(jù)水的浮力定律及波浪的傳播特性，采用海面點(diǎn)浮式捕獲海浪能量的方式，在岸線近海設(shè)置框架群于海底固定，每個(gè)框架內(nèi)設(shè)置浮筒，浮筒被限制在框架內(nèi)并可沿框架隨海浪起伏做上下垂直運(yùn)動(dòng)，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(nèi)活塞相連)；氣缸上部設(shè)置出氣單向閥與集氣管相通，設(shè)置進(jìn)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(zhì)量，浮筒隨海浪下降，氣缸內(nèi)壓強(qiáng)降低，進(jìn)氣單向閥打開，外部大氣進(jìn)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(dòng)連桿上升，氣缸內(nèi)部壓強(qiáng)上升，進(jìn)氣單向閥關(guān)閉，出氣單向閥打開，壓縮空氣被壓入集氣管，循環(huán)往復(fù)，壓縮空氣被不斷壓入集氣管。

2.2.1 海浪能壓縮空氣壓強(qiáng)

根據(jù)阿基米德浮力定律、作用力與反作用力原理，設(shè)集氣管中的壓縮空氣壓強(qiáng)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(zhǎng)方體，長(zhǎng)、寬、高分別為3.2 m、1.8 m、2 m；氣缸內(nèi)壁直徑為22 cm，則活塞半徑r為11 cm，因此，氣缸內(nèi)壁面積A=πr2=11×11×3.14=379.94 cm2=0.037994 m2。

圖3 浮筒氣缸結(jié)構(gòu)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(zhì)量忽略不計(jì))產(chǎn)生的浮力也逐漸增大，氣缸活塞上部空氣的壓強(qiáng)也隨之增大；在浮筒浸入海水0.5 m高度時(shí)，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(qiáng)為：

當(dāng)海浪繼續(xù)上升時(shí)，若氣缸內(nèi)壓縮空氣壓強(qiáng)大于0.7 Mpa (0.758 Mpa＞0.7 Mpa)時(shí)，壓縮空氣會(huì)打開出氣單向閥進(jìn)入集氣管。

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

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(tǒng)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(jù)季節(jié)、風(fēng)力的不同等原因隨時(shí)都在發(fā)生變化，以我國(guó)東海為例，若海浪頻率為6次/min[3]，則單個(gè)氣缸打氣量為0.037994×6=0.227964 m3/min≈0.0037994 m3/s。

若氣缸的數(shù)量為750個(gè)，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(gè)氣缸同時(shí)壓縮氣體時(shí)，需有相同數(shù)量的氣缸處于吸氣過程中，即氣缸的總數(shù)量應(yīng)為750×2=1500個(gè)。

2.2.3 海浪能部分占海面積

氣缸處于框架中心位置，設(shè)框架的長(zhǎng)度為4 m、寬度為2.5 m，考慮到浮筒的消浪作用(需要進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證)，浮筒沿平行于海岸方向布置5排，每排300個(gè)，則電站在海中框架部分的長(zhǎng)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(gè)框架結(jié)構(gòu)圖

2.2.4 采用多級(jí)氣缸

海浪部分的關(guān)鍵設(shè)備之一是氣缸?？紤]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(shí)，海浪高度可能相差更大，可考慮設(shè)計(jì)安全防護(hù)以確保設(shè)備的安全。因此，實(shí)際應(yīng)用中，氣缸可考慮采用多級(jí)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(fēng)能部分

風(fēng)能部分的工作原理為：通過自然風(fēng)吹動(dòng)風(fēng)力機(jī)扇葉旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)風(fēng)力機(jī)機(jī)軸旋轉(zhuǎn)；通過1對(duì)傘齒輪(圖7中進(jìn)行了簡(jiǎn)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(jī)軸，并實(shí)現(xiàn)變速；空氣壓縮機(jī)將外界大氣壓縮，壓縮空氣進(jìn)入集氣管。

圖7 風(fēng)能部分結(jié)構(gòu)圖

1)風(fēng)力機(jī)的選擇。風(fēng)力機(jī)目前主要有水平軸和垂直軸兩種，考慮到水平軸風(fēng)力機(jī)風(fēng)向尾翼結(jié)構(gòu)較復(fù)雜等原因，此處選擇垂直軸風(fēng)力機(jī)，如圖8所示。以唐山拓又達(dá)科技有限公司10 kW風(fēng)力機(jī)為例(風(fēng)力機(jī)僅使用扇葉部分)，風(fēng)力機(jī)的參數(shù)如表1所示。

圖8 垂直軸風(fēng)力機(jī)

表1 10 kW風(fēng)力機(jī)的各項(xiàng)參數(shù)

2)空氣壓縮機(jī)的選擇。空氣壓縮機(jī)的類型主要有往復(fù)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(xiàn)以浙江開山壓縮機(jī)股份有限公司的往復(fù)活塞式壓縮機(jī)為例，如圖9所示。

空氣壓縮機(jī)的型號(hào)為KAH15，電機(jī)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(fù)活塞式空氣壓縮機(jī)

3)風(fēng)力機(jī)、空氣壓縮機(jī)所需數(shù)量均為240臺(tái)。空氣壓縮機(jī)所需壓縮空氣的量為240×0.02=4.8 m3/s。此結(jié)果僅是考慮風(fēng)力機(jī)發(fā)出的功率與電機(jī)功率大致相同而得到的結(jié)果，風(fēng)力機(jī)輸出轉(zhuǎn)速、扭矩經(jīng)傘齒輪增速后是否能達(dá)到電機(jī)的轉(zhuǎn)速、扭矩尚無驗(yàn)證。實(shí)際應(yīng)用時(shí)，由于風(fēng)力大小隨時(shí)變化，風(fēng)力機(jī)輸出扭矩、轉(zhuǎn)速也隨時(shí)發(fā)生變化，可能達(dá)不到表1中風(fēng)力機(jī)的額定轉(zhuǎn)速，從而導(dǎo)致空氣壓縮機(jī)輸出流量達(dá)不到0.02 m3/s的額定流量，但通過增加風(fēng)力機(jī)、空氣壓縮機(jī)的數(shù)量可達(dá)到需要的總流量。因此，上述計(jì)算數(shù)據(jù)僅供參考。

該電站僅使用了風(fēng)力機(jī)的扇葉部分，未轉(zhuǎn)換成電力，由于風(fēng)能轉(zhuǎn)換的極限效率(貝茲極限)為0.593，直接輸入空氣壓縮機(jī)的功率應(yīng)大于上述電機(jī)功率。風(fēng)能壓縮空氣壓強(qiáng)值的大小取決于電站建設(shè)地點(diǎn)的風(fēng)力大小、風(fēng)機(jī)扇葉直徑及長(zhǎng)度，在電站風(fēng)力一定的情況下，通過調(diào)整風(fēng)機(jī)扇葉尺寸及數(shù)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(jī)。

4)空氣壓縮機(jī)壓縮熱的保存。系統(tǒng)中，壓縮空氣的溫度越高，渦輪機(jī)的效率越高。如果將空氣壓縮機(jī)壓縮空氣過程中產(chǎn)生的熱量加以保存，將大幅提高渦輪機(jī)的輸出功率。特別是在晚上無太陽能提供熱量時(shí)，這部分熱量可以發(fā)揮一定的作用。因此，可對(duì)空氣壓縮機(jī)做出改進(jìn)，并對(duì)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(shù)，加熱傳熱介質(zhì)(導(dǎo)熱油)，經(jīng)換熱器對(duì)壓縮空氣加熱后進(jìn)入渦輪機(jī)做功。本文以北京天瑞星光熱技術(shù)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(hào)為TRX70-125(導(dǎo)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(jī)前壓縮空氣溫度加熱至220 ℃(渦輪機(jī)所需進(jìn)氣溫度)以上。

2.5 電站儲(chǔ)能器及儲(chǔ)氣室

2.5.1 儲(chǔ)能器及多級(jí)壓縮

儲(chǔ)能器為鋼制壓縮空氣儲(chǔ)氣罐，可承受較大壓力，由于其容積較大，可設(shè)置為互相聯(lián)通的多組，并由控制閥門加以控制。電站在設(shè)計(jì)時(shí)有其額定的風(fēng)能、海浪能范圍值，相對(duì)應(yīng)的有額定壓縮空氣流量，其運(yùn)行有3種情況：

1)在正常額定自然能量情況下，海浪能、風(fēng)能輸入的壓縮空氣流量與進(jìn)入渦輪機(jī)的流量相等，電站正常運(yùn)行。

2)在風(fēng)能、海浪能較小，集氣管壓縮空氣流量不足時(shí)，儲(chǔ)能器閥門打開向渦輪機(jī)補(bǔ)充壓縮空氣，以維持進(jìn)入渦輪機(jī)的壓縮空氣流量達(dá)到正常值；待海浪能、風(fēng)能恢復(fù)正常額定值時(shí)，儲(chǔ)能器閥門關(guān)閉，停止供氣。

3)在風(fēng)能、海浪能能量大幅高于額定值時(shí)，集氣管中的壓縮空氣壓強(qiáng)較大，儲(chǔ)能器閥門打開，部分壓縮空氣進(jìn)入儲(chǔ)能器存儲(chǔ)。

鋼制壓縮空氣儲(chǔ)氣罐的體積較大，造價(jià)較高，提高儲(chǔ)氣罐內(nèi)壓縮空氣壓強(qiáng)是降低儲(chǔ)氣罐體積的有效方式，可在進(jìn)入儲(chǔ)氣罐壓縮空氣管道上加裝多級(jí)空氣壓縮機(jī)，利用自身電力將壓縮空氣多級(jí)壓縮后輸入儲(chǔ)氣罐。

由于集氣管長(zhǎng)度較長(zhǎng)，容積較大，因此其也具有儲(chǔ)能、穩(wěn)流的作用。

2.5.2 儲(chǔ)氣室及其布局

儲(chǔ)氣室為鋼筋混凝土建筑，具有一定內(nèi)部空間，可將儲(chǔ)能器、渦輪機(jī)、換熱器布置在儲(chǔ)氣室內(nèi)，同時(shí)起到保溫作用。另一方面，儲(chǔ)氣室頂部平臺(tái)可作為布置風(fēng)力機(jī)及空氣壓縮機(jī)、太陽能集熱管系統(tǒng)的平臺(tái)，這樣既提高了風(fēng)力機(jī)受風(fēng)高度，又實(shí)現(xiàn)了電站立體布置，便于集中控制，節(jié)約占地面積。

2.6 渦輪機(jī)及發(fā)電機(jī)、控制系統(tǒng)

被加熱的壓縮空氣進(jìn)入渦輪機(jī)推動(dòng)渦輪機(jī)軸旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)出電力；電站設(shè)有控制系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制運(yùn)行。

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

3 電站壓縮空氣流量、壓強(qiáng)、溫度及年發(fā)電量

通過以上計(jì)算可知，海浪能和風(fēng)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(qiáng)為0.758 Mpa，風(fēng)能部分壓強(qiáng)為1.25 Mpa，渦輪機(jī)前溫度值大于220 ℃。以上數(shù)據(jù)均達(dá)到或大于渦輪機(jī)所要求的壓強(qiáng)、流量、溫度參數(shù)值[1]，電站發(fā)電功率可達(dá)或接近6600 kW，預(yù)計(jì)電站年發(fā)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(gè)單向閥間形成密閉空間。由于換熱器中傳熱介質(zhì)的作用，壓縮空氣溫度升高、氣體膨脹，單向閥1關(guān)閉，管道內(nèi)氣體壓強(qiáng)繼續(xù)上升。據(jù)查理定律P1:P2=T1:T2，其中T為華攝氏度，K。當(dāng)換熱器將管道內(nèi)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(qiáng)為0.56 Mpa時(shí)，經(jīng)換熱器加熱后封閉空間壓縮氣體壓強(qiáng)P2=P1T2/T1=0.56×(273+200)/(273+80)=0.75 Mpa。

此時(shí)，單向閥2打開，壓縮空氣經(jīng)噴嘴噴出，推動(dòng)渦輪機(jī)扇葉旋轉(zhuǎn)做功。氣體噴出后，單向閥1和單向閥2所封閉的空間內(nèi)氣體壓強(qiáng)減?。煌瑫r(shí)緊鄰單向閥1的集氣管內(nèi)的壓縮空氣壓強(qiáng)也在逐漸增大，氣體推開單向閥1進(jìn)入由單向閥1、單向閥2所封閉的空間，循環(huán)往復(fù)。

綜上所述可知，氣體經(jīng)過換熱器加熱后，壓強(qiáng)增大，壓縮空氣形成“射流”噴出，大幅降低了集氣管進(jìn)氣壓強(qiáng)，節(jié)約氣體流量，換熱器內(nèi)均由該種結(jié)構(gòu)構(gòu)成。由于渦輪機(jī)葉輪具有一定質(zhì)量，可以起到“飛輪”的作用，“射流”產(chǎn)生的沖擊力可由渦輪機(jī)葉輪平衡。

圖11 換熱器“射流”圖

5 利用風(fēng)能、太陽能雙能互補(bǔ)壓縮空氣儲(chǔ)能的形式

我國(guó)風(fēng)能資源豐富的內(nèi)陸地區(qū)，可將電站的海中部分去掉，成為陸上利用風(fēng)能、太陽能雙能互補(bǔ)壓縮空氣儲(chǔ)能電站，如圖12所示。

圖12 陸上風(fēng)能、太陽能雙能互補(bǔ)壓縮空氣儲(chǔ)能電站結(jié)構(gòu)圖

此類電站宜選擇在風(fēng)能、太陽能能量密度均較大的地點(diǎn)建設(shè)。

6 電站前景

我國(guó)具有豐富的海浪能、風(fēng)能、太陽能資源，特別是臺(tái)灣海峽形成狹管效應(yīng)，使東南沿海成為我國(guó)風(fēng)能資源最佳的地區(qū)；風(fēng)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(guó)近海海域的眾多島嶼，均是3種自然能源集中的區(qū)域，為電站建設(shè)提供了優(yōu)良的自然條件。隨著我國(guó)加大南海島嶼開發(fā)力度，在島嶼上建造該種電站既不污染環(huán)境，又可以提供足夠電力。我國(guó)沿海地區(qū)工業(yè)集中，人口稠密城市較多，電力消耗量大，也為電站的建設(shè)提供了廣闊的需求空間，同時(shí)還改善了燃煤電站對(duì)環(huán)境的影響。

7 結(jié)語

利用壓縮空氣的方式，聯(lián)合利用多種自然能源生產(chǎn)電力，將是未來可再生能源利用的一個(gè)重要發(fā)展方向。本文設(shè)計(jì)的海浪能、風(fēng)能、太陽能多能互補(bǔ)壓縮空氣儲(chǔ)能電站從壓縮空氣到釋能做功，整個(gè)過程無任何污染，全程只有物理變化，無任何化學(xué)反應(yīng)。此類電站的2個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)是有持續(xù)的壓縮空氣氣源，并配置壓縮空氣儲(chǔ)能裝置。此種采用的“多能互補(bǔ)集中利用+儲(chǔ)能”的電力生產(chǎn)方式，也是我國(guó)國(guó)家政策大力倡導(dǎo)的能源發(fā)展方向，與其他電站單一的利用風(fēng)力發(fā)電、太陽能光伏發(fā)電截然不同，較單一能源利用具有較多優(yōu)勢(shì)。在理論論證的基礎(chǔ)上獲得資金支持建設(shè)小型實(shí)驗(yàn)電站，獲得實(shí)際技術(shù)參數(shù)，將該種電站付諸現(xiàn)實(shí)，可為企業(yè)和社會(huì)贏得雙重效益。

由于筆者水平有限，文章尚存在不足之處，數(shù)據(jù)僅供參考，歡迎相關(guān)行業(yè)的專家、學(xué)者給予批評(píng)指正。