空氣也能發電?多能互補電站技術的探索

多能互補集成優化作為新的能源發展方向,也是能源變革的發展趨勢,已上升到國家戰略層面高度。2016年7月,國家發改委、國家能源局《關於推進多能互補集成優化示範工程建設的實施意見》中明確提出將在「十三五」期間建成多項國家級終端一體化集成供能示範項目及國家級風光水火儲多能互補示範工程。今年10月,國家能源局再次下發《關於促進儲能產業與技術發展的指導意見》,這是我國大規模儲能技術及應用發展的首個指導性政策,進一步深化和完善了多能互補集成優化+儲能的能源發展模式。

優勢初顯

目前,國內具有代表性的一批多能互補集成優化示範工程項目均在建設當中,例如屬於能源消費終端電熱冷氣一體化集成的多能互補示範工程,包括武漢未來科技城多能互補示範工程項目、合肥空港示範區多能互補示範工程項目和青島中德生態園多能互補示範工程等;屬於大型綜合能源基地風光水火儲多能互補示範工程,包括寧夏嘉澤新能源智能微電網項目(已投運)和青海龍羊峽水光互補項目(已投運)等,其能源高效利用的優勢已初現。

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在國外,歐洲地區太陽能與其他能源相結合使用較多,例如丹麥主要採用太陽能與生物質能聯合應用,這種能源利用方式得到了丹麥政府的大力支持。另外,瑞典在太陽能與生物質能結合方面也取得了豐富的經驗。德國的供暖方式之一是採用太陽能與燃氣互補系統。

除了上述的多能互補之外,利用主要可再生能源多能互補+壓縮空氣儲能生產電力,將是一種完全意義上的清潔綠色能源方式,也是多能互補方面的一個重要領域,最近由國家專利局授權的《一種海浪能風能、太陽能聯合利用發電站》為此做出了有益探索。

設計關鍵點

岸線地帶是海浪能、風能、太陽能三大能源集中區域,具有得天獨厚的自然可再生能源區位優勢,為三大自然能源多能互補+儲能利用開闢了無限的想象空間。海浪能、風能、太陽能多能互補壓縮空氣儲能電站原理及主要組成部分包括海浪能部分、風能部分、太陽能及換熱器、壓縮空氣儲能部分、渦輪發電機及控制系統6部分組成。

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海浪能部分通過海水的浮力及波浪傳播原理,採用海面點浮式捕獲海浪能量方式,在岸線近海(海深可選擇4m—7m)設置框架群與海底固定,每個框架內設置浮筒,浮筒被限制在框架內並可沿框架隨海浪做上下垂直運動;氣缸、集氣管固定在框架伸出海面以上的部分,氣缸布置在框架中心,浮筒通過連桿與氣缸相連接(連桿與氣缸內活塞相連);氣缸上部設置出氣單向閥與集氣管相通,設置進氣單向閥與外界大氣相通;隨著海浪的上下起伏,推動浮筒上下垂直運動,海浪從波谷向波峰上升階段,浮筒受到海水浮力上升,氣缸內空氣被壓縮壓力增大,當壓力值大於集氣管中壓力時,氣缸出氣單向閥打開向集氣管輸入壓縮空氣;海浪從波峰向波谷下降階段,由於浮筒具有一定質量,帶動連桿、活塞下行,氣缸內空氣壓力值下降,氣缸出氣單向閥關閉,進氣單向閥打開,外界大氣進入氣缸,為下次壓縮做好準備;循環往複,外部大氣被不斷壓縮進入集氣管。

風能部分,風機分為水平軸風力機和垂直軸風力機兩類,根據電站的特點,宜採用垂直軸風力機,通過自然風力吹動風力機扇葉旋轉,帶動風機軸旋轉,通過一對傘齒輪將垂直扭矩傳遞給與之相連的水平布置的空壓機軸,空壓機將外界大氣壓縮,壓縮空氣進入集氣管。空壓機有很多形式,主要包括活塞往複式、葉片式、雙螺桿等形式,雙螺桿式空壓機由於其輸出壓力平穩、壽命長等特點,可作為電站的首選。

太陽能部分,通過槽式太陽能集熱管系統,將太陽能集熱管中的傳熱介質(導熱油)加熱,被加熱的傳熱介質通過換熱器將集氣管輸入的渦輪機前壓縮空氣加熱,使壓縮空氣進一步膨脹后噴入渦輪機。

壓縮空氣儲能,系統中設置壓縮空氣儲氣罐,主要為在風力較小、海浪較低情況下,由風能、海浪能提供的壓縮空氣流量不足時,起到向系統中補充壓縮空氣的作用,以保證在一定時間內進入渦輪機的壓縮空氣達到設定流量和壓強,保證電力輸出的穩定、持續。為下個時段風力、海浪加大趨於正常值贏得時間,並再次將儲能器充滿。另外電站中的集氣管,由於其管路較長、容積較大對壓縮空氣同樣起到蓄能、穩流的作用。為增大儲氣罐壓縮空氣儲量,可採用在進入儲氣罐前管道加裝多級壓縮機,利用自身發出的電力對壓縮空氣進行多級壓縮,以獲得較高壓力值並存儲。同時電站設計時要充分考慮結構的強度以抵禦颱風等惡劣天氣的影響。

海浪能、風能、太陽能多能互補壓縮空氣儲能電站有何優勢?首先其原理、結構及設備簡單,無任何複雜精密設備,降低工程造價,電力成本低。其次,能量採集範圍面廣量大,使能量更加趨於穩定,便於電力的大規模生產,解決了單一風力發電、太陽能光伏發電輸出電力波動、斷續及輸出功率不能隨負載變化得到控制等問題。第三,海岸線漫長,適合電站建設地點眾多,並可作為離岸島嶼的分散式能源系統,可進一步實現冷、熱、電三聯產。第四,整個過程無任何污染,做到了清潔綠色環境友好。

潛力無限

我國是海洋大國,岸線長達18000多公里,特別是由於台灣海峽形成狹管效應,使東南沿海成為我國風能資源最佳的地區,風能又形成了較大的海浪,為電站建設提供了優良的自然條件。同時,沿岸地區經濟發達,電力消耗量巨大,電網系統完善,多能互補電站的建設,可作為沿岸城市供電的補充,取代部分煤電,對環境保護具有重大現實意義,具有廣闊的商業前景及社會效益。

電站具有向世界推廣的巨大潛力,在地球表面,海洋麵積占整個地球表面積的71%,陸地面積佔總面積的29%,浩瀚的海洋、無盡的岸線為電站在世界範圍推廣奠定了基礎。國外對可再生能源發電領域進行了長期的探索,但在海浪能、風能、太陽能三能聯合發電方面鮮見其有理論或實驗方面的報道,如果電站取得成功,將成為我國繼深潛、高鐵、可燃冰開採後走向世界的重大項目,贏得全球效益。

海浪能、風能、太陽能多能互補壓縮空氣儲能電站,是一種純粹意義上的多能互補集成優化利用可再生能源生產電力的解決方案,較完美詮釋了多能互補集成優化+儲能的理念,對於我國及世界由化石能源向可再生能源轉型,將會產生深遠的影響。

註:(《一種海浪能、風能、太陽能聯合利用發電站》被國家知識產權局專利局授予實用新型專利,專利號:201621195933.1)。

原文標題:多能互補壓縮空氣儲能電站的構想

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