邢志光

(唐山鋼鐵集團(tuán)有限責(zé)任公司， 唐山 063000)

0 引言

隨著全球環(huán)境的惡化，能源結(jié)構(gòu)正在從傳統(tǒng)的化石能源向利用可再生能源生產(chǎn)清潔電力方向轉(zhuǎn)化。近年來，在國家政策的大力倡導(dǎo)和扶持下，我國風(fēng)力發(fā)電及光伏發(fā)電取得了迅猛發(fā)展。而海洋能作為一種資源豐富、能量巨大且穩(wěn)定的主要可再生能源，盡管國內(nèi)一些研究院所及大學(xué)[1]進(jìn)行了大量研究與實(shí)驗(yàn)，但均未能實(shí)現(xiàn)商業(yè)化運(yùn)行。海洋占整個(gè)地球表面積的71%，岸線近海是海浪能、風(fēng)能、太陽能3種自然能源集中的區(qū)域。而東海岸線近海是我國多種自然可再生能源稟賦最好的地區(qū)。本文詳述了一種3700 kW海浪能、風(fēng)能、太陽能多能互補(bǔ)壓縮空氣儲(chǔ)能海上電站，該海上電站是在岸線近海設(shè)置框架群及平臺(tái)，通過采用浮筒-氣缸、垂直軸風(fēng)輪、空氣縮壓機(jī)結(jié)構(gòu)，將海浪能、風(fēng)能轉(zhuǎn)變?yōu)閴嚎s空氣，然后利用太陽能的熱能將壓縮空氣加熱，推動(dòng)透平發(fā)電機(jī)發(fā)出電力，同時(shí)進(jìn)行尾氣再利用。其中，集氣管起到輸送壓縮空氣和進(jìn)行儲(chǔ)能的作用。

1 海浪能、風(fēng)能、太陽能多能互補(bǔ)壓縮空氣儲(chǔ)能海上電站的結(jié)構(gòu)

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)能海上電站從功能來看，主要可以分為海浪能部分、風(fēng)能部分、太陽能部分、集氣管、透平和發(fā)電機(jī)、控制系統(tǒng)及輔助橋梁7個(gè)部分。上述海上電站的原理圖如圖1所示。

圖1 海上電站原理圖Fig.1 Schematic diagram of offshore power station

1.1 主要結(jié)構(gòu)組成

岸線近海是海浪能、風(fēng)能、太陽能3種能源集中的區(qū)域，為多種能源的聯(lián)合利用奠定了基礎(chǔ)。根據(jù)岸線近海海浪能、風(fēng)能的特點(diǎn)，本文所設(shè)計(jì)的海上電站設(shè)計(jì)為與岸線平行，是由框架群及其所支撐的海上3層平臺(tái)結(jié)構(gòu)構(gòu)成的長條形海上構(gòu)筑物。本海上電站的總結(jié)構(gòu)布局如圖2所示，設(shè)備布置圖如圖3所示。

圖2 海上電站的總結(jié)構(gòu)布局圖Fig.2 General structure layout of offshore power station

圖3 海上電站的設(shè)備布置圖Fig.3 Equipment layout of offshore power station

1.2 框架群及海上3層平臺(tái)結(jié)構(gòu)

本設(shè)計(jì)海上電站由海上3層平臺(tái)結(jié)構(gòu)構(gòu)成，平臺(tái)由與海底固定連接的單組框架構(gòu)成的框架群支撐。單組框架的結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示，其為由“A”位置向下剖視的框架圖。

圖4 單組框架的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Structure of single group framework

圖4中，從下至上來看，海面(即海浪線)以上的第1層平臺(tái)結(jié)構(gòu)為海浪能部分，即氣缸平臺(tái)，是海浪能的拾能載體。平臺(tái)上固定了氣缸、集氣管，通過被限制在框架中且留有適當(dāng)間隙的浮筒-氣缸結(jié)構(gòu)將海浪能轉(zhuǎn)變?yōu)閴嚎s空氣。第2層平臺(tái)結(jié)構(gòu)為風(fēng)能部分，即風(fēng)力機(jī)平臺(tái)，該平臺(tái)布置了垂直軸風(fēng)力機(jī)、變速器、空氣壓縮機(jī)、集氣管及廠房建筑等，主要作用是將風(fēng)能轉(zhuǎn)變?yōu)閴嚎s空氣。每組8個(gè)浮筒面積對(duì)應(yīng)布置1臺(tái)風(fēng)力機(jī)，具體框架和風(fēng)力機(jī)布置如圖5所示。廠房建筑是本設(shè)計(jì)海上電站的唯一封閉空間，內(nèi)部設(shè)置了換熱器、透平和發(fā)電機(jī)及控制設(shè)備等，為該海上電站的控制中心。第3層平臺(tái)結(jié)構(gòu)為太陽能部分，即太陽能平臺(tái)，為第2層平臺(tái)中廠房建筑的屋頂。太陽能部分中的槽式太陽能集熱管系統(tǒng)為布置在屋頂?shù)牟凼教柲芊瓷浒寮凹療峁?，其獲得太陽能熱量，然后由傳熱介質(zhì)(導(dǎo)熱油)在集熱管與布置在廠房建筑內(nèi)的換熱器間通過管道循環(huán)，并加熱流過換熱器的壓縮空氣。

圖5 框架和風(fēng)力機(jī)布置圖Fig.5 Layout of frame and wind turbine

由于海上電站一般距離岸線較近，可建設(shè)橋梁與陸地相通，以方便敷設(shè)輸電電纜，以及運(yùn)送人員和設(shè)備。

2 海浪能、風(fēng)能、太陽能多能互補(bǔ)壓縮空氣儲(chǔ)能海上電站的工作原理

海浪能、風(fēng)能、太陽能多能互補(bǔ)壓縮空氣儲(chǔ)能海上電站的工作原理是通過海浪能、風(fēng)能的能量將環(huán)境空氣轉(zhuǎn)變?yōu)閴嚎s空氣，然后壓縮空氣通過太陽能熱量進(jìn)一步加熱膨脹，噴入透平使發(fā)電機(jī)發(fā)出電力，并且壓縮空氣通過集氣管的儲(chǔ)存及輸送，實(shí)現(xiàn)了海浪能、風(fēng)能、太陽能3種能量的多能互補(bǔ)，從而生產(chǎn)出穩(wěn)定、清潔的電力。

2.1 海浪能部分的工作原理

海浪能部分為該海上電站的第1層平臺(tái)，通過海水的浮力及波動(dòng)原理，采用海面振蕩浮子壓縮空氣的方式(即打氣筒方式)捕獲海浪能量。浮筒-氣缸結(jié)構(gòu)中，浮筒(浮漂)被限制在海上電站的框架內(nèi)，只能沿框架隨海浪做上下垂直運(yùn)動(dòng)且不被卡死；氣缸采用不同直徑組合氣缸的形式，如此既獲得了壓縮空氣，又克服了潮差高度變化。在海浪上升過程中，氣缸通過出氣單向閥將壓縮空氣壓入集氣管；在海浪下降過程中，浮筒靠其自重下行，帶動(dòng)連桿、活塞下行，氣缸進(jìn)氣單向閥打開，出氣單向閥關(guān)閉，外界大氣被吸入氣缸，為海浪上升時(shí)壓縮空氣做好準(zhǔn)備；如此往復(fù)循環(huán)，不斷將外界空氣壓縮進(jìn)入集氣管。圖6為浮筒-氣缸結(jié)構(gòu)示意圖。

圖6 浮筒-氣缸結(jié)構(gòu)示意圖Fig.6 Structure of pontoon-cylinder

2.2 風(fēng)能部分的工作原理

風(fēng)能部分為該海上電站的第2層平臺(tái)，通過風(fēng)力吹動(dòng)垂直軸風(fēng)力機(jī)的風(fēng)輪扇葉旋轉(zhuǎn)，將扭矩通過變速器輸入空氣壓縮機(jī)(僅使用機(jī)頭部分)，然后空氣壓縮機(jī)將外部大氣壓入集氣管。垂直軸風(fēng)輪實(shí)物圖如圖7所示。

圖7 垂直軸風(fēng)輪實(shí)物圖Fig.7 Real product picture of vertical axis wind wheel

2.3 太陽能部分的工作原理

太陽能部分為該海上電站的第3層平臺(tái)，槽式太陽能集熱管系統(tǒng)布置在第2層平臺(tái)的廠房建筑的屋頂。通過槽式太陽能集熱管系統(tǒng)收集太陽能熱量，加熱太陽能集熱管中充滿并循環(huán)的傳熱介質(zhì)(導(dǎo)熱油)，被加熱的傳熱介質(zhì)通過換熱器將集氣管輸入的壓縮空氣進(jìn)一步加熱，然后噴入透平使發(fā)電機(jī)發(fā)出電力。槽式太陽能集熱管系統(tǒng)如圖8所示。

圖8 槽式太陽能集熱管系統(tǒng)Fig.8 Trough solar collector system

2.4 集氣管、透平和發(fā)電機(jī)控制中心

由于海浪能與風(fēng)能產(chǎn)生的壓縮空氣是通過集氣管收集、輸送后進(jìn)入換熱器，因此本海上電站第1、2層平臺(tái)均布置集氣管，分別為海浪能集氣管和風(fēng)能集氣管，這部分集氣管管線長度較長，容積較大。集氣管除具有收集、輸送壓縮空氣的作用外，還兼具儲(chǔ)能作用。 該海上電站的廠房建筑內(nèi)部設(shè)置的換熱器將壓縮空氣加熱后噴入透平使發(fā)電機(jī)發(fā)出電力，同時(shí)廠房建筑內(nèi)還設(shè)有電站的控制中心，控制整個(gè)海上電站的運(yùn)行情況。

3 以3700 kW發(fā)電功率為例設(shè)計(jì)的海浪能、風(fēng)能、太陽能多能互補(bǔ)壓縮空氣儲(chǔ)能海上電站的結(jié)構(gòu)參數(shù)

海上電站的發(fā)電功率一般由電站設(shè)計(jì)的發(fā)電量決定，或者說是由發(fā)電機(jī)的輸出功率決定。在自然海況、風(fēng)能等條件一定的地點(diǎn)建設(shè)海上電站，該海上電站發(fā)電量的大小取決于電站的氣缸數(shù)量、風(fēng)力機(jī)數(shù)量、槽式太陽能反射板的面積，即海上電站發(fā)電量的大小由電站的占海面積決定。本文選擇浙江舟山嵊泗島岸線近海區(qū)域，以3700 kW發(fā)電功率為例進(jìn)行海浪能、風(fēng)能、太陽能多能互補(bǔ)壓縮空氣儲(chǔ)能海上電站(下文簡(jiǎn)稱“3700 kW海上電站”)的設(shè)計(jì)。

3.1 參數(shù)的計(jì)算依據(jù)

3700 kW海上電站各項(xiàng)參數(shù)的計(jì)算依據(jù)為：以《唐山某鋼鐵有限公司高爐配套TRT發(fā)電項(xiàng)目透平主機(jī)主要性能參數(shù)》[2]中的數(shù)據(jù)為參考依據(jù)，選取MPG4.5-251.37/160型號(hào)透平設(shè)備(進(jìn)氣流量為99588 m3/h=1659.8 m3/min，進(jìn)氣壓強(qiáng)為160 kPa，進(jìn)氣溫度為160 ℃)；根據(jù)《中國風(fēng)能資源分布》[3]，電站所在地的風(fēng)能可利用小時(shí)數(shù)為7000～8000 h；以文獻(xiàn)[4]的海浪高度數(shù)據(jù)為參考；設(shè)集氣管壓縮空氣壓強(qiáng)為1 MPa。

3.2 海浪能、風(fēng)能、太陽能部分提供的壓縮空氣流量計(jì)算

設(shè)3700 kW海上電站的氣缸數(shù)量為x，即浮筒數(shù)量為x；根據(jù)該海上電站的結(jié)構(gòu)，從風(fēng)力機(jī)平臺(tái)面積、單個(gè)垂直軸風(fēng)力機(jī)所占平臺(tái)面積及相鄰風(fēng)力機(jī)扇葉間距考慮，每8個(gè)浮筒面積布置1臺(tái)風(fēng)力機(jī)較為合理，則風(fēng)力機(jī)的數(shù)量為1/8x；噴入透平的壓縮空氣經(jīng)太陽能加熱，設(shè)太陽能加熱效率為ηs，容積流量為1659.8 m3/min，則：

式中，Qwave為海浪能部分每分鐘壓縮空氣流量；Qwind為風(fēng)能部分每分鐘壓縮空氣流量。

因?yàn)楹Ｉ想娬镜陌l(fā)電功率要達(dá)到3700 kW，即：

式中，A1為單個(gè)浮筒-氣缸結(jié)構(gòu)每分鐘壓縮空氣流量；Awind為單臺(tái)風(fēng)力機(jī)每分鐘壓縮空氣流量；ηwind為風(fēng)能利用率。

3.2.1 海浪能部分提供的壓縮空氣流量

設(shè)浮筒為長方體，尺寸為長3 m、寬1.5 m、高1 m，則浮筒體積為4.5 m3(浮筒-氣缸的結(jié)構(gòu)見圖6)。設(shè)上氣缸內(nèi)徑φ=22 cm，活塞行程為1.2 m；下氣缸采用較大直徑伸縮氣缸。由于上、下氣缸直徑不同，造成上、下氣缸內(nèi)壓強(qiáng)不同。在海浪上升過程中，首先推動(dòng)上氣缸活塞至氣缸底部將空氣全部壓出；只有在海浪高度超過一定高度、下氣缸壓力超過集氣管壓力時(shí)，下氣缸進(jìn)氣單向閥打開，向集氣管供氣，但這種情況很少出現(xiàn)；在海況正常的情況下，下氣缸在整個(gè)潮差內(nèi)僅起到拉伸、收縮的作用；上、下氣缸缸筒行程可覆蓋最高潮至最低潮海面。

3700 kW海上電站的建設(shè)地點(diǎn)位于舟山嵊泗島岸線近海區(qū)域，海浪高度隨季節(jié)變化而變化[4]，本設(shè)計(jì)中，海面海浪全年平均高度選擇1.5 m。海中物體受到的海水浮力等于物體排開的水的重量，浮筒材料采用比重較輕的材料(如采用漁網(wǎng)浮漂材料)，浮筒及氣缸的自重可忽略不計(jì)。因此，在海浪上升階段，浮筒提供的浮力F=浮筒體積× 水的比重 =4.5 m3×1 t/m3=4500 kg。

上氣缸缸筒內(nèi)徑φ=22 cm，則上氣缸截面積S=379.94 cm2；則壓縮空氣壓強(qiáng)P=4500 kg/379.94 cm2=1.184 MPa，壓強(qiáng)超過集氣管設(shè)定壓強(qiáng)1 MPa時(shí)，空氣被全部壓入集氣管。

由于海浪有波峰、波谷2個(gè)狀態(tài)，海浪下降時(shí)氣缸吸氣，海浪上升時(shí)氣缸壓縮，設(shè)浮筒上升推動(dòng)活塞運(yùn)動(dòng)的高度為1.2 m(考慮到海浪頻率、浮筒并非全部浸入海水等原因，海浪高度為1.5 m，設(shè)氣缸活塞行程為1.2 m，可保證每次海浪從波谷到波峰推動(dòng)活塞至缸底，將上氣缸中氣體全部壓入集氣管)，上氣缸內(nèi)的空氣量為0.11 m×0.11 m×3.14×1.2 m=0.04559 m3?；钊谐虨?.2 m，浮筒浮起推動(dòng)活塞至氣缸底部，根據(jù)波義爾定律，將氣缸內(nèi)氣體壓縮至0.251 MPa，壓縮后的氣體體積為V，即0.1 MPa×0.04559 m3=0.251 MPa×V[1]，則V=0.01816 m3。

從文獻(xiàn)[3]可以得知，海浪頻率春季為4.5～7 s/次，平均為5.75 s/次；夏季為5～6 s/次，平均為5.5 s/次；秋季為6～8 s/次，平均7 s/次；冬季為6～9 s/次，平均為7.5 s/次；全年平均值為6.4375 s/次，本設(shè)計(jì)取6 s/次，即為10 次/min。

綜上，單個(gè)浮筒-氣缸結(jié)構(gòu)每分鐘壓縮空氣 流 量A1=0.01816 m3×10 次 /min =0.1816 m3/min，則海浪能部分每分鐘提供的壓縮空氣流量為0.1816x(m3)。

3.2.2 風(fēng)能部分提供的壓縮空氣流量

3700 kW海上電站以唐山拓又達(dá)科技有限公司型號(hào)為TYD-WT-10000的10 kW升力型垂直軸風(fēng)力機(jī)的風(fēng)輪參數(shù)為參考。該垂直軸風(fēng)力機(jī)的具體參數(shù)如表1所示。

表1 垂直軸風(fēng)力機(jī)參數(shù)Table 1 Parameters of wind turbine

垂直軸風(fēng)力機(jī)扇葉的掃風(fēng)面積Swind=7.5 m×4.5 m=33.75 m2，由于1臺(tái)風(fēng)力機(jī)占8個(gè)浮筒的面積，則1臺(tái)風(fēng)力機(jī)所占面積為8 m×7 m=56 m2，即2臺(tái)風(fēng)力機(jī)扇葉間最小距離為(7/2–4.5/2)×2=2.5 m。垂直軸風(fēng)力機(jī)額定風(fēng)速為12 m/s，該海上電站所在地的風(fēng)能功率密度在500 W/m2以上[3]，風(fēng)速為9.4 m/s以上，據(jù)風(fēng)能功率密度公式E=0.6v3，設(shè)平均風(fēng)速v為11 m/s，垂直軸風(fēng)力機(jī)的年風(fēng)功率Pwind=0.6Swindv3=0.6×33.75×11×11×11=26.95 kW。

根據(jù)風(fēng)能利用系數(shù)(貝茲極限為59%)及機(jī)械效率、發(fā)電機(jī)(此處垂直軸風(fēng)力機(jī)不帶動(dòng)發(fā)電機(jī)而是帶動(dòng)空氣壓縮機(jī)，但也作為計(jì)算參考)效率等，不同形式風(fēng)力機(jī)的全效率如表2所示。

表2 不同形式風(fēng)力機(jī)的全效率表Table 2 Full efficiency of different types of wind turbine

由于本設(shè)計(jì)采用升力型垂直軸風(fēng)力機(jī)，因此全效率選擇30%，則風(fēng)力機(jī)的輸出功率為26.95×30%=8.085 kW，約為8 kW。

以8 kW功率為依據(jù)選擇空氣壓縮機(jī)，本設(shè)計(jì)選擇捷豹風(fēng)冷卻活塞式空氣壓縮機(jī)(二級(jí)壓縮12.5 kg/cm2)，型號(hào)為HET-10105，具體參數(shù)如表3所示。

表3 空氣壓縮機(jī)的參數(shù)Table 3 Parameters of air compressor

風(fēng)力機(jī)帶動(dòng)空氣壓縮機(jī)(僅使用機(jī)頭部分)旋轉(zhuǎn)輸出壓縮空氣。因?yàn)樯鲜鍪前凑展β氏嗤瑫r(shí)選擇的空氣壓縮機(jī)，空氣壓縮機(jī)的排氣量為1.26 m3/min，該排氣量為空氣進(jìn)口流量，根據(jù)波義爾定律，換算為1 MPa的壓縮空氣排氣量為0.126 m3/min。如果壓強(qiáng)為0.251 MPa，則單臺(tái)風(fēng)力機(jī)每分鐘壓縮空氣流量Awind=0.126/0.251=0.50199≈0.502 m3/min。

嵊泗島海域風(fēng)能年利用小時(shí)數(shù)為7000～8000 h[2]，本設(shè)計(jì)取均值7500 h；由于全年總小時(shí)數(shù)為8760 h，則風(fēng)能利用率ηwind=7500/8760=0.856。

則風(fēng)能部分提供的每分鐘壓縮空氣流量Qwind=0.502×(1/8x)×0.856=0.0537x(m3/min)。

綜上，單臺(tái)風(fēng)力機(jī)每分鐘壓縮空氣流量為0.502 m3/min，風(fēng)能部分每分鐘壓縮空氣流量為0.0537x(m3/min)。

3.2.3 太陽能部分提供的能量

由于電站中的槽式太陽能集熱管壓縮空氣本身保留有一定溫度的壓縮熱(暫估溫度為100 ℃)，以江蘇京展能源科技有限公司的集熱管為例，該集熱管最高輸出溫度為260 ℃，滿足文獻(xiàn)[1]規(guī)定的進(jìn)氣溫度要求。

考慮到利用太陽能的時(shí)間每天僅有約10 h(陰天、雨、雪等天氣情況暫不考慮)，因此，太陽能可利用時(shí)間占1天時(shí)間的比例為41.6%(取低值)。

在壓強(qiáng)不變的情況下，氣體受熱膨脹，遵循蓋呂薩克定律，則1 m3氣體經(jīng)加熱后的體積變化量為1×(273+260)/(273+100)=1.43 m3，則氣體體積的增量為1.43–1=0.43 m3。

綜上，太陽能部分的氣體體積增量為0.43×41.6%=0.17888 m3。即經(jīng)太陽能熱量加熱后，1 m3空氣體積變?yōu)?.17888 m3，則太陽能對(duì)壓縮空氣體積增量率為1.17888。

3.2.4 3700 kW海上電站壓縮空氣流向及熱能分析

集氣管采取保溫措施，由于集氣管中的壓縮空氣(壓強(qiáng)達(dá)到1 MPa)具有一定的基礎(chǔ)溫度，壓縮空氣進(jìn)入換熱器被太陽能熱量再次加熱升溫達(dá)到透平額定溫度，并噴入透平做功，熱能流程圖如圖9所示。在換熱器前面設(shè)置節(jié)流閥，對(duì)集氣管進(jìn)入換熱器的壓縮空氣流量進(jìn)行調(diào)整，在換熱器中被加熱的壓縮空氣的體積膨脹有向透平、節(jié)流閥2個(gè)方向流動(dòng)的趨勢(shì)，但由于集氣管壓縮空氣壓強(qiáng)為1 MPa且不斷噴出，因此被加熱的壓縮空氣只能向透平方向流動(dòng)。

圖9 熱能流程圖Fig.9 Heat flow chart

3.3 3700 kW海上電站的結(jié)構(gòu)參數(shù)確定

3.3.1 海上電站的浮筒-氣缸數(shù)量

將前文所得數(shù)據(jù)帶入式(1)，即(0.1816x+0.0537x)×1.17888≥1659.8， 則x≥5983.4。 因此，3700 kW海上電站的浮筒-氣缸數(shù)量最少為5983.4個(gè)。由于每8個(gè)浮筒為1組，因此浮筒數(shù)量應(yīng)是8的倍數(shù)，浮筒與氣缸數(shù)量為一一對(duì)應(yīng)。依照壓縮空氣流量較充裕的原則，本設(shè)計(jì)電站暫選浮筒-氣缸數(shù)量為6400 個(gè)，即800組，如表4所示。

表4 浮筒-氣缸數(shù)量Table 4 Number of pontoon-cylinder

3.3.2 海上電站的風(fēng)力機(jī)數(shù)量

海上電站為減少前后浮筒及風(fēng)力機(jī)的消浪和降低風(fēng)能作用，設(shè)計(jì)為沿海岸線布置的長條形，考慮到風(fēng)能的斷續(xù)性、海浪高度的隨時(shí)變化及太陽能隨天氣變化而變化這些情況，海上電站供應(yīng)壓縮空氣量越大，電力輸出功率越穩(wěn)定。本海上電站暫選浮筒-氣缸組數(shù)為800組，每組面積布置1臺(tái)風(fēng)力機(jī)，則風(fēng)力機(jī)數(shù)量為800 臺(tái)。

由于海上電站在第2層風(fēng)力機(jī)平臺(tái)上中央靠近岸線的位置布置了廠房建筑，設(shè)廠房建筑面積約為6臺(tái)風(fēng)力機(jī)面積，則最終3700 kW海上電站的風(fēng)力機(jī)臺(tái)數(shù)為794臺(tái)。

3.3.3 海上電站的占海面積

框架柱與浮筒間隙為0.01 m，則每組浮筒長為7.04 m，寬為8.08 m，每組浮筒的面積為7.04×8.08=56.8832 m2。

根據(jù)本海上電站的布置方式，長度方向?yàn)槠叫杏诤０毒€方向，即50×7.04+0.01+0.5=352.51 m，寬度方向?yàn)榇怪庇诤０毒€方向，即16×8.08+0.01+0.5=129.79 m。則電站總面積為45752.2729 m2。

3.4 3700 kW海上電站的發(fā)電功率驗(yàn)證

氣缸總數(shù)為6400個(gè)，風(fēng)力機(jī)數(shù)量為794臺(tái)，則海浪能部分提供的壓縮空氣流量為0.1816 m3/min×6400=1162.24 m3/min；風(fēng)能部分提供的壓縮空氣流量為 0.502 m3/min×0.856×794=341.19 m3/min。

太陽能對(duì)壓縮空氣增量比為1.17888，則整個(gè)海上電站每分鐘壓縮空氣流量為(1162.24+341.19)×1.17888=1772.36 m3/min，該值大于1659.8 m3/min，滿足式(1)；壓強(qiáng)達(dá)到0.251 MPa，進(jìn)氣溫度達(dá)到260 ℃，該值大于160 ℃，滿足文獻(xiàn)[1]的要求。因此，海上電站的發(fā)電功率可達(dá)到或超過3700 kW。

本設(shè)計(jì)的海上電站全年發(fā)電量為3700×24×365=32412000 kWh，即電站全年發(fā)電量為0.324 億 kWh。

4 海浪能、風(fēng)能、太陽能多能互補(bǔ)壓縮空氣儲(chǔ)能海上電站的運(yùn)行特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)

4.1 3700 kW海上電站的運(yùn)行特點(diǎn)

壓縮空氣壓強(qiáng)梯級(jí)設(shè)計(jì)為海浪能(或風(fēng)能)壓縮空氣壓強(qiáng)>集氣管壓強(qiáng)>透平額定壓強(qiáng)。例如電站運(yùn)行前集氣管壓強(qiáng)達(dá)到1 MPa，進(jìn)入透平前，調(diào)節(jié)閥及壓強(qiáng)反饋系統(tǒng)將進(jìn)入透平的壓縮空氣壓強(qiáng)值降低，并保持在透平額定輸入壓強(qiáng)范圍內(nèi)。正常情況下，集氣管輸入透平的壓縮空氣流量與海浪能或風(fēng)能補(bǔ)充的壓縮空氣流量相等，集氣管壓強(qiáng)保持在1 MPa；當(dāng)海況發(fā)生變化，如風(fēng)力減小及海浪高度變低時(shí)，集氣管壓強(qiáng)降低，但仍可在一定時(shí)間內(nèi)維持透平額定流量；即使在無風(fēng)、無陽光的情況下，由于海浪能具有時(shí)刻存在、亙古不變的特點(diǎn)，海浪能壓縮空氣流量保持不變，形成了本海上電站的基礎(chǔ)電力輸出。

4.2 3700 kW海上電站的優(yōu)勢(shì)

本文設(shè)計(jì)的海上電站與普通海上風(fēng)電站相比，具有以下優(yōu)勢(shì)：

1)在能量利用方面，本文設(shè)計(jì)的海上電站是利用壓縮空氣膨脹做功發(fā)電，除可產(chǎn)生電力外，其尾氣還可以開發(fā)“制冷+制熱+電解制氫+海水淡化”四聯(lián)供，能量的綜合利用效率可達(dá) 70%～80%[5]。

2)隨著近年來世界范圍內(nèi)對(duì)氫能開發(fā)利用的重視，氫能以其清潔高效、循環(huán)利用等諸多優(yōu)勢(shì)被寄以厚望。我國無人島嶼約有6500座，具有數(shù)量眾多的優(yōu)勢(shì)，且大部分島嶼距離大陸較近，海運(yùn)費(fèi)用較低，在無人島嶼岸線近海區(qū)域建設(shè)海上電站，并利用具有一定溫度的尾氣進(jìn)行海水淡化，全部電力進(jìn)行電解水制氫，可向我國沿海經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)大規(guī)模供應(yīng)氫能，前景廣闊。

3)較一般海上風(fēng)電站的設(shè)計(jì)壽命約在25～30年而言，本文設(shè)計(jì)的海上電站為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，回轉(zhuǎn)部件少且可隨時(shí)更換，因此使用壽命更長。

4)電力輸出穩(wěn)定。

5)淺海施工工程造價(jià)較低、運(yùn)維便利。

5 結(jié)論

本文詳細(xì)介紹了一種3700 kW海浪能、風(fēng)能、太陽能多能互補(bǔ)壓縮空氣儲(chǔ)能海上電站的設(shè)計(jì)理念及電站具體結(jié)構(gòu)設(shè)想，找到了一種多能互補(bǔ)壓縮空氣儲(chǔ)能發(fā)電的新方式，且相比于普通海上風(fēng)電站具有較多優(yōu)勢(shì)。該海上電站利用海浪能與風(fēng)能、太陽能相結(jié)合，以期充分發(fā)揮海浪能的巨大能量，為人類造福。但由于海洋環(huán)境的特殊性，海上電站需要可靠的安全性以抵抗海上臺(tái)風(fēng)等惡劣天氣的影響，這點(diǎn)在電站設(shè)計(jì)中應(yīng)給予高度重視，同時(shí)電站設(shè)備還應(yīng)具有一定的抗腐蝕能力。

《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(shí)產(chǎn)權(quán)局授予實(shí)用新型專利，專利號(hào)：ZL201621195933.1。本海上電站是一種利用可再生能源生產(chǎn)清潔電力的嶄新理念，在未來海上電站的實(shí)際建設(shè)中，各種設(shè)備及施工方式還需要不斷完善創(chuàng)新。本文數(shù)據(jù)僅供參考，由于筆者水平有限，文中錯(cuò)誤在所難免，歡迎相關(guān)行業(yè)專家、技術(shù)人員給予批評(píng)指正。