海上電站多能平臺：海洋能源利用的新路徑

作者供職于唐山鋼鐵集團有限責(zé)任公司

海洋以其寬廣遼闊的體量以及可再生能源的豐富當(dāng)之無愧成為可再生能源投資熱點。目前海上的可再生能源開發(fā)主要形式為海上風(fēng)電，據(jù)資料統(tǒng)計，截至2018年底我國海上風(fēng)電累計裝機445萬千瓦，在建647萬千瓦，無疑我國將擁有世界上最大的海上風(fēng)電裝機量。

但海上風(fēng)電也存在一些局限性。海上風(fēng)電由風(fēng)能直接轉(zhuǎn)換為機械能發(fā)出電力，并不符合傳統(tǒng)的被科學(xué)驗證的由流體推動透平帶動發(fā)電機發(fā)出電力的較佳能量轉(zhuǎn)化方式。其次，可再生能源均具有單位面積能量小、能量斷續(xù)不穩(wěn)定的特點。

海上電站多能平臺結(jié)構(gòu)特點

海上電站多能平臺即海浪能、風(fēng)能、太陽能多能互補壓縮空氣儲能海上電站多種能源平臺，其原理是海浪能部分采用浮筒-氣缸結(jié)構(gòu)，利用海水的浮力及海浪波動將環(huán)境空氣壓縮進(jìn)入集氣管；風(fēng)能部分采用垂直軸風(fēng)輪-空壓機（機頭）結(jié)構(gòu)，利用自然風(fēng)能將環(huán)境空氣壓縮進(jìn)入集氣管；槽式太陽能集熱管系統(tǒng)將太陽能熱量收集通過換熱器將透平前壓縮空氣加熱升溫進(jìn)一步增加壓縮空氣能量，提高透平效率，同時提高透平尾氣溫度，便于尾氣再利用。

海上電站結(jié)構(gòu)為由框架及三層平臺構(gòu)成的海上構(gòu)筑物，每個浮筒的4個側(cè)面被框架所限制并留有適當(dāng)間隙使浮筒僅能做上下垂直運動且不被卡死，多個框架相連構(gòu)成整個海上電站，第一層平臺即浮筒氣缸平臺，是海浪能轉(zhuǎn)換為壓縮空氣能拾能裝置浮筒-氣缸結(jié)構(gòu)的載體；第二層平臺即風(fēng)力機平臺，上面布置垂直軸風(fēng)輪-空壓機結(jié)構(gòu)，第二層平臺中央位置靠近岸線位置布置廠房建筑，廠房建筑是電站的唯一封閉建筑，室內(nèi)布置換熱器、透平、發(fā)電機、控制監(jiān)測系統(tǒng)、電氣設(shè)備及尾氣利用設(shè)備等；第三層平臺即廠房建筑屋頂，是槽式太陽能集熱管系統(tǒng)布置平臺。同時，在第一、二層平臺遍布集氣管將海浪能、風(fēng)能的壓縮空氣收集并儲存，由于集氣管長度較長容積較大兼具壓縮空氣存儲、輸送作用。通過集氣管的儲能作用當(dāng)海浪能、風(fēng)能、太陽能能量波動變化時，輸入透平壓縮空氣壓力流量仍可保持一定時間的電力穩(wěn)定輸出。由于海浪能是24小時全天候能量，即使在無風(fēng)能、無太陽能同時，海上電站仍可保持基礎(chǔ)的電力輸出。海上電站為保持壓縮空氣溫度所有管道均采取保溫措施。

表一

表二

海上電站采用兩套太陽能集熱管系統(tǒng)及熔鹽儲熱技術(shù)，白天利用一套太陽能系統(tǒng)加熱透平前壓縮空氣，夜晚轉(zhuǎn)換為熔鹽存儲熱能，使進(jìn)入透平的壓縮空氣溫度全天始終保持在約200-300℃之間，提高了透平效率。透平尾氣仍具有較高熱值，約80-150℃之間，通過曲管海水換熱器與海水換熱，海水蒸發(fā)以蒸餾水回收的方式制取淡水，海水含鹽量為35g/kg，換熱器底部將析出海鹽。通過曲管換熱器中海水量（液面高度）的調(diào)整，可以在換熱器氣流出口得到需要的氣流溫度，將氣流引入房間即可獲得空調(diào)制冷與制熱的效果。蒸餾淡水除生活飲用等外，一部分引入電解槽，利用海上電站自身電力電解水，可在陰極得到氫氣，陽極得到氧氣，海上電站產(chǎn)品為清潔電力、制冷、制熱、淡化海水、海鹽、氫氣、氧氣。以6000kw海上電站為例估算海上電站參數(shù)及產(chǎn)品產(chǎn)量（如表一所示）。

海上電站多能平臺的多重優(yōu)勢

海上電站多能平臺與海上風(fēng)電盡管都建在海上，但從其建設(shè)地點、結(jié)構(gòu)原理、用能方式、電力質(zhì)量、后期維護(hù)、產(chǎn)品種類、海島供電及無人海島開發(fā)等諸多方面卻大相徑庭。

1.海上電站近岸淺海建設(shè)能量集中

海上電站建設(shè)地點為岸線近海，包括大陸岸線及海島岸線近海，海上電站建設(shè)地點以海深超過最低潮位1-2m即可，即在最低潮時不露出海底仍有正常海浪起伏，例如浙江舟山沈家門2021年2月19日潮汐情況（表二）。實際建設(shè)中潮汐要以全年最大潮汐潮位為依據(jù)，按此推算，海上電站建設(shè)海深按平潮最大不超過8m，較海上風(fēng)電場建設(shè)海深5-50m比較海深較淺。按建設(shè)地點海況海上電站距離陸地最遠(yuǎn)距離不超過1公里，這樣海上電站可建設(shè)橋梁與陸地相連，便于海上施工及電力線纜、氫氣管線敷設(shè)，較海上風(fēng)電施工成本大幅降低；同時，海上電站在占海面積海面利用海浪能、海面垂直面利用風(fēng)能（垂直軸風(fēng)輪梯級布置）及海面上平面利用太陽能，構(gòu)成三能較好利用的整體。海上風(fēng)電提高功率的唯一途徑就是增大葉片直徑從而增大掃風(fēng)面積，而海上電站增大占海面積就意味著三能同時增加，而且海浪能是24小時能源，與單一的風(fēng)能比較優(yōu)勢明顯。

2.海上電站海上施工結(jié)構(gòu)特點更具優(yōu)勢

海上電站為大量與海底固定連接的框架樁柱組成的框架群支撐的海上平臺結(jié)構(gòu)及設(shè)備安裝，主要施工作業(yè)為鋼筋混凝土預(yù)制樁柱的海底固定，由于樁柱數(shù)量眾多，面積較大，單個樁柱載荷較小，所以不需要樁柱進(jìn)入海底較深，可考慮采用鉆樁技術(shù)等方式，這樣也節(jié)約了建設(shè)時間提高了效率。第一層平臺上安裝浮筒-氣缸及集氣管、第二層平臺垂直軸風(fēng)輪-空壓機及集氣管、廠房建筑內(nèi)安裝透平及發(fā)電機控制設(shè)備及尾氣利用設(shè)備、第三層太陽能部分安裝均在海面以上較為簡單。

3.海上電站用能方式、電力質(zhì)量及可在生能源利用效率更高

海上電站采用海浪能、風(fēng)能、太陽能多能互補的方式，轉(zhuǎn)換為壓縮空氣作為做功介質(zhì)，并實現(xiàn)儲能，通過控制壓縮空氣的流量，可非常靈活的控制透平輸出功率，這點與火電及水利發(fā)電相同，電力出力響應(yīng)迅速靈活，完全克服了風(fēng)力發(fā)電等斷續(xù)電源對電網(wǎng)的沖擊及不安全影響。在白天及夜晚負(fù)載發(fā)生變化時，海上電站可隨時在電力及制氫之間轉(zhuǎn)換，其捕獲的可再生能源能量絲毫沒有浪費，可再生能源利用效率大大提高。同時，海浪跟蹤氣缸對海浪高度的利用范圍大大增加，垂直軸風(fēng)輪對風(fēng)速的利用范圍較大，即風(fēng)速越大轉(zhuǎn)速越快，壓縮空氣量越大。

4.海上電站后期維護(hù)優(yōu)勢明顯

機械設(shè)備在其生命周期內(nèi)，維護(hù)保養(yǎng)必不可少。海上電站由于有橋梁與陸地相連，更換備品備件較簡單容易。相比海上風(fēng)電，陸地風(fēng)電的維護(hù)就較困難，海上風(fēng)電的維護(hù)難度可想而知，海上風(fēng)電主機存在較多的齒輪變速箱結(jié)構(gòu)及電氣設(shè)備，簡單的潤滑油定期更換對于海上風(fēng)電來說就不是件容易的事情，如果更換其他較重部件，將更為困難，在未來的海上風(fēng)電使用壽命20-30年內(nèi)，海上風(fēng)電開發(fā)企業(yè)必付出高昂的維護(hù)成本。

5.海上電站是未來海島供電的最佳方式及可帶動無人海島開發(fā)

我國面積較小居民較少的距離陸地較遠(yuǎn)的海島往往采用柴油發(fā)電機+風(fēng)力發(fā)電+光伏方式，例如三沙市永興島，海島本身面積有限，如果覆蓋過多光伏板，海島植被將受到影響，并占據(jù)寶貴的海島土地面積。海上電站多能平臺在岸線近海建設(shè)，不占用陸地面積，且其產(chǎn)品種類較多，淡水、氫能、冷、熱均是海島必須的生產(chǎn)、生活物資，同時氧氣對于漁民的漁業(yè)也有巨大的幫助。

我國海島數(shù)量眾多，其中我國東海海域海島約4600多個，約占全國海島數(shù)量的66%，且其大部分距離大陸在30公里以內(nèi)，利用無人海島岸線淺海建設(shè)海上電站，電力、綠氫通過海底電纜、管線輸送至大陸，可為長三角、珠三角城市群及其之間城市大規(guī)模供給廉價清潔電力及氫能。為我國的能源安全提供保障，海上電站也是我國邊防海島供電、供能的較佳方式，并有助于我國無人海島資源的開發(fā)利用。

海上電站多能平臺具有可操作性

海上電站多能平臺從構(gòu)想到實現(xiàn)的過程中，除政府部門各種批文外，海上電站多能平臺以目前我國的海洋工程水平是較為簡單的海上施工項目，其所涉及到的主要設(shè)備中，海浪能部分跟蹤潮汐及浪高變化的組合氣缸需要研發(fā)，基本思路之一為：組合氣缸由工作（壓縮）氣缸、伸縮氣缸、鎖緊氣缸三部分組成，原理為利用海浪自身壓縮空氣壓力使鎖緊氣缸柱銷鎖住跟蹤氣缸，在壓縮時刻使工作氣缸缸筒保持與上固定點的高度固定不變實現(xiàn)工作氣缸活塞推至氣缸頂端將壓縮空氣壓縮并排出；風(fēng)能部分垂直軸風(fēng)力機空壓機是常見設(shè)備；槽式太陽能集熱系統(tǒng)主要設(shè)備加熱管及熔鹽儲熱國內(nèi)廠家較多，例如北京天瑞星、天津百吉瑞公司等?？碧皆O(shè)計院所有中交集團系統(tǒng)設(shè)計院、華東院、上海院等。海上電站多能平臺是嶄新的項目，從勘探、設(shè)計、施工、安裝到后期維護(hù)運營，在實際建設(shè)中可能會遇到這樣那樣的問題，但以現(xiàn)在的技術(shù)水平相信均可實現(xiàn)，海上電站多能平臺的小功率實驗電站建設(shè)尤為關(guān)鍵。