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多能互補壓縮空氣儲能海上電站

2019-09-30 18:40:37   原文來源:中國財經觀察報

海洋是取之不竭的能源寶庫。近年來,世界各國對海浪能進行了大量研究,取得了一定的成果,但實現商業化運行的項目較少。其主要瓶頸在于,在海水環境中回轉部件保持長期運轉面臨目前技術難以克服的困難;單一的海浪能、潮汐能等海洋能利用范圍較窄,需要加入風能、太陽能等其他能源形態,才能克服單位面積能量較小、收集困難且不穩定的缺陷。

當前,我國將多能互補+儲能的能源利用方式作為推進能源革命,實現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展和創新。

岸線近海是海浪能、風能、太陽能三種能量集中的區域,具有得天獨厚的可再生能源利用優勢,既能破解單一利用海浪能面臨的技術瓶頸,又符合國家多能互補+儲能的清潔能源探索方向。

原理簡單具備經濟性

海浪能、風能、太陽能多能互補壓縮空氣儲能(CAES)海上發電站,其原理是將海浪能、風能轉變為壓縮空氣,太陽能熱量進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—發電機發電。海浪能部分采用打氣筒原理,即浮筒(浮漂)-氣缸結構,海浪下降時氣缸吸氣,海浪上升時氣缸壓縮空氣,往復循環將海浪的能量組轉變為壓縮空氣;風能部分采用自然風力吹動垂直軸風力機旋轉帶動空壓機(僅使用機頭部分)壓縮空氣;海浪能、風能壓縮空氣進入集氣管,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收集太陽能熱量,集熱管中充滿傳熱介質(導熱油),傳熱介質在集熱管及換熱器間循環,集氣管與換熱器相連將進入換熱器中的壓縮空氣加熱,使壓縮空氣能量進一步增大;加熱后的壓縮空氣噴入膨脹透平機帶動發電機發出電力。

整個海上電站是由框架群及其支撐的雙層海上平臺構成的岸線近海海中構筑物。長方體浮筒設置在框架內,框架限制浮筒的4個側面且與浮筒保持較小適當間隙,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成框架群,且框架與海底固定連接;框架繼續向上延伸構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置氣缸連桿上固定;框架再繼續向上延伸構成第二層平臺即風力機平臺,風力機平臺上布置風力機、空壓機、風能集氣管;第二層平臺靠近陸地中央位置設置廠房建筑,廠房建筑內部設置換熱器、膨脹透平機發電機、電氣設備、控制設備等,是整個電站的控制中心;廠房建筑頂部平臺設置槽式太陽能集熱管系統。

海上電站采用壓力差式背靠背多級氣缸設計,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。

相比傳統海上風電優勢明顯

海浪能、風能、太陽能多能互補壓縮空氣儲能海上發電站作為新生事物,其原理及結構不同于風力發電直接將能量轉變為機械轉矩發出電力,而是加入中間環節將自然能量轉變為壓縮空氣,符合火電汽輪機、燃氣輪機、汽油機等由流體產生動力的方式,通過中間介質可發揮能量利用范圍廣、單位能量利用強度高、儲能、精確控制等優勢。

海上電站與傳統海上風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出電力,經適當改裝后其尾氣仍可加以利用,可實現冷+熱+電+海水淡化四聯供,據清華大學電機系為國網公司實驗的TICC-500壓縮空氣發電系統相關論文,其能源綜合利用效率可達70%-80%,其效率優勢是傳統海上風電項目無法比擬的。

第二,經濟性好。海上電站建設在岸線近海,其海深較淺,一般為4-10米,且距離陸地較近,與海上風電場相比,施工簡單,且海上電站可建設橋梁與陸地相通,便于人員、設備、電力線纜敷設,甚至可將操作控制系統設置在陸地上。另外,海上電站較海上風電場來說,占海面積小,海上電站是一個集中的整體海上建筑,后期電站設備維護、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的海島供電始終是一個較難解決的問題,海上電站明顯優于柴油發電機+風電+光伏發電的模式,并可解決海島冷、熱、電、淡水等問題。

第四,使用壽命長。海上風電一般設計壽命為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,抗臺風能力強。海上電站在海中形成穩定的框架結構,其迎海面為類似于篩子的框架樁柱而不是一堵墻,抵抗臺風等海上惡劣天氣影響的能力更強。

需為商業化應用積累經驗

我國幅員遼闊,海岸線長達18000公里,東南沿海是我國風能最為豐富地區之一,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,風能年可利用小時數約在7000-8000小時,年有效風功率密度在200W/m2以上,是海上電站建設的首選地區。同時,浙江、福建、廣東是我國經濟最為發達、人口稠密、用電負荷較大的地區,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。渤海岸線由于冬季有海冰產生,例如秦皇島、唐山、天津岸線冬季結冰期一般為30-40天左右,海上電站為陸地(或島嶼)設施供電,可在冬季結冰期內將浮筒收起,電站利用風能、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充供電。由于渤海岸線的風能、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勢,可優先在浙江、福建、廣東、海南等省岸線近海推廣建設,由海上向陸地供應電力,減少該地區火電裝機,助推沿岸地區的能源結構轉型。

目前,《一種海浪能、風能、太陽能聯合利用發電站》已被國家知識產權局專利局授予實用新型專利。當務之急,是建設實驗電站為將來商業化應用積累經驗。通過建設海上實驗電站,可測得海浪能、風能壓縮空氣壓力及流量,太陽能加熱溫度等重要參數,并對設備結構進行進一步優化,為商業化應用奠定堅實基礎。

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