储能技术

浙江多能互补压缩空气储能海上电站与绿色氢能技术创新研究

2020-06-12 17:14:41 北极星储能网 作者:邢志光

海上电站其发电方式与海上风电风能直接转换为机械能不同,其将自然能量转换为压缩空气并增加储能环节,海上电站与海上风电比较,首先海上风电年利用小时数为2000-3000小时,而海上电站由于其三能利用及增加储能环节,可达到全年8760小时满发。

我国自然可再生能源分布情况再认识

近年来,可再生能源技术创新及投资规模增长迅猛,时代在发展,技术在进步。与传统的我国可再生能源禀赋认为风能在三北地区、太阳能资源集中在我国的西北、西南地区的陆地可再生能源不同,浙江、福建、广东等岸线近海及其岛屿是我国海浪能、风能、太阳能三能集中的区域,较陆地单一的太阳能、风能更具开发潜力。

据《我国的海浪能资源》(姚希江)资料显示,我国每米海岸线长的年平均波功率为3kw左右,但在某些局部区域要远远高于平均值,例如由长江口向南至台湾海峡一线的波能密度指标较高,如台山观测站附近1月份可达8-9kw。

据《浙江近海波浪能资源的初步研究》(叶欣、杨忠良、施伟勇)资料显示,浙江近海海域海浪能随季节不同有所不同,波功率密度在2-6kw/m,平均浪高在1m-3m之间,周期在2.5s-4s之间,具有较好的海浪能利用开发价值,且海浪能是全天候能量,年利用小时为8760小时。

海浪是地球公转、自转、天体引力及风能等共同作用的结果,通俗的理解,海浪能是动能与势能的结合体,两种能量互相配合缺一不可,海水波能在传播过程中,处于波峰的海水具有势能,由于地球引力作用向下运动,波峰海水失去的势能转变为动能将波谷海水挤压举高,使原来波谷海水抬高具有势能成为波峰,海水动能与势能的相互转化构成亘古不变的波浪,波浪的势能(能量)等于被举起部分的海水(即波峰部分的海水)质量与重力加速度g及海浪高度的乘积,对于整个海面海浪每时每刻都在进行着波峰与波谷的转换,海上电站利用海水的浮力及海浪起伏产生的高度差势能做功。

例如我国江河水利发电利用水的落差即水的高度势能做功,如果将落差分成若干小的高度平铺的话,就类似于海面的海浪高度,或者说海浪能也可看做一定面积波谷到波峰海水高度叠加形成足够高的水的落差,海洋的面积远远大于陆地江河水面面积,类似于水利落差发电其能量巨大且稳定;

风能方面,我国东南沿海及其附近岛屿有效风能密度大于或等于200W/㎡的等值线平行于海岸线;沿海岛屿风能有效密度在300W/㎡以上,全年中风速大于或等于3m/s的时数约为7000-8000h,大于或等于6m/s的时数为4000h,具有我国最好的自然风能资源条件;

太阳能方面,我国对近岸海区的太阳能资料较少,东海岸线近海风能资源丰富,可以推测由于风力的作用岸线近海太阳能资源较好,太阳能能量密度在500-1200w/㎡,太阳能年利用时间1400-2200h。

从以上可以看出,首先,从单位面积能量值及利用小时看,海浪能均远远大于风能、太阳能,是世界上最具开发价值的可再生能源。其次,东海岸线近海海浪能、风能、太阳能三种自然可再生能量较大,为多能互补联合利用开发清洁电力奠定了得天独厚的自然能源基础。

海浪能、风能、太阳能多能互补压缩空气储能海上电站结构与绿色氢能及其产品 

海上电站海浪能部分采用浮筒-气缸结构,利用海水的浮力及海浪的上下起伏将环境空气压缩进入集气管;风能部分采用垂直轴风轮-空压机(机头)结构,利用自然风能将环境空气压缩进入集气管;槽式太阳能集热管系统将太阳能热量收集通过换热器将透平前压缩空气加热升温进一步增加压缩空气能量,提高透平效率,同时提高透平后尾气温度,便于尾气再利用。

海上电站为由框架及三层平台构成的海上构筑物,每个浮筒的4个侧面被框架所限制并留有适当间隙使浮筒仅能做上下垂直运动且不被卡死,多个框架相连构成整个海上电站,第一层平台是浮筒气缸平台;第二层平台是风力机平台,第二层平台中央位置设置厂房建筑,厂房建筑内设置换热器、透平、发电机、控制系统及电气设备等;第三层平台即厂房建筑屋顶,是槽式太阳能集热管系统布置平台。且第一、二层平台遍布集气管,由于集气管长度较长容积较大兼具压缩空气存储、输送作用,通过集气管的储能作用,当海浪能、风能、太阳能能量波动变化时,输入透平压缩空气压力流量仍可保持一定时间的稳定输出。同时,海上电站为保持压缩空气温度所有管道均采取保温措施。

海上电站海浪能利用方式不同于其他海洋能利用方式,与海水接触的设备只有钢筋混凝土框架及被限制在其中的浮筒,浮筒采用渔网浮漂材料(硬质PVC泡沫材料),该种材料具有良好的耐磨性及硬度,与框架接触方式采用滑动摩擦方式,海面下不存在任何旋转部件。海浪能压缩空气压强决定于浮筒体积及气缸直径,风能压缩空气压强决定于垂直轴风轮扫风面积及空压机设计功率,海上电站集气管压强大于透平设计进气压强,使集气管起到储能作用。据估算,6MW海上电站占海面积为9万㎡,年利用小时数8760小时,年发电量0.5亿kwh,造价3.5-4.5亿元,使用寿命70年,按全生命周期计算度电成本0.114元/kwh,不包括其他产品收入。

海上电站压缩空气除通过透平膨胀带动发电机发出电力外,其尾气还可再利用,据北京天瑞星光热技术有限公司资料,槽式太阳能集热管(导热油型及熔盐型)其工作温度为400℃,参考100kw空气透平进气温度180-260℃,排气温度88-176℃,其尾气仍具有较高热值,通过曲管换热器的方式与海水换热,海水蒸发以蒸馏水回收的方式制取淡水。

据资料1000克海水中含盐量为35克,同时,通过曲管换热器中海水量(液面高度)的调整,可以在换热器气流出口得到需要的气流温度,将气流引入房间即可获得空调制冷与制热的效果。如果将蒸馏水引入电解槽,利用海上电站自身电力电解水,即可在阴极得到氢气,阳极得到氧气。这样海上电站的产品包括电力、淡水、海盐、冷、热、氢气、氧气。产品种类远远大于其他可再生能源单一电力产品,经济效益显著提高。同时,其可再生能源综合利用效率可达70-80%,特别是,由于整个过程均为物理变化,对环境不产生任何影响,利用自身电力制备绿色氢能,其原料水取自海水,较陆地电解水制氢成本更具优势。

海上电站与海上风电的比较 

海上电站其发电方式与海上风电风能直接转换为机械能不同,其将自然能量转换为压缩空气并增加储能环节,海上电站与海上风电比较,首先海上风电年利用小时数为2000-3000小时,而海上电站由于其三能利用及增加储能环节,可达到全年8760小时满发。其次,海上风电设计寿命为25-30年,而海上电站其框架为钢筋混凝土预制件结构,其他设备可随时更换,寿命在70年以上。第三,海上风电为获得较大风能,一般建设在距陆地较远海区,海深较深,还需要海上升压站、海底电缆等配套设施,而海上电站适宜海深4-10m,海深较浅,距离陆地较近,向陆地供电更加便捷,工程造价较低。第四,后期运行维护更加方便。第五,海上电站适合建设地点众多,能量使用集中,较海上风电场占海面积更小。

浙江岸线近海及岛屿建设海上电站作为陆地清洁电力及绿色氢能供应基地的优势 

浙江省地处我国南北方交界处,是全国海岸线最长、海岛最多的海洋大省,岸线资源及沿海岛屿资源众多,大陆海岸线约2253公里,海岛岸线长4812公里,面积大于500㎡的海岛3061个,无居民海岛占90%以上,占全国海岛数量的40%。

海岛分布由北向南,包括嵊泗列岛、舟山群岛、鱼山列岛、上大陈岛、下大陈岛、洞头岛、北麂山列岛、南麂山列岛。距离大陆大多在30公里以内,浙江北部沿岸分布有上海、苏州、无锡、杭州、宁波等长三角城市群,向南有台州、温州等工业城市,人口稠密,是我国经济最发达地区,用电负荷集中。

在大陆岸线近海及岛屿大规模开发海上电站,一方面可向陆地及有人海岛供应冷、热、电及淡化海水,进一步的,在满足海岛自身电力需求外,还可通过海底电缆由海岛向陆地反向供电,减少大陆煤电消耗,对改善环境具有巨大益处,例如嵊泗群岛开发海上电站通过洋山港向上海供电,最远的枸杞岛距洋山港约60公里,且中间中继有嵊泗岛。

另一方面开发无人海岛近岸浅海,可将电力全部转换为绿色氢能、氧气、海盐产品,由于海岛具有距离大陆较近(30公里以内)的优势,绿色氢能可通过敷设海底管线取代船舶运输,氢能的运输成本将大大降低,为我国长三角城市群及浙江沿岸城市提供巨量绿色廉价氢能并向内地辐射,为未来交通等领域氢能应用奠定源源不断的氢能供给,对带动我国沿海省份例如河北、山东、江苏、福建、广东、海南、广西等沿海省份起到巨大示范作用,特别是福建、广东、海南等资源丰富省份,海浪能、风能资源能量较小的岸线近海电站面积将比能源丰富地区的面积增大,而我国渤海北部岸线冬季有冰期的几个月海上电站将不能利用海浪能量。

海上电站的开发,可作为我国西电东输工程的有力补充,例如西电东输工程中距离最短的云、贵两省的电力输往广州大约1000公里以上,其费用昂贵,海上电站的开发将可解决西电东输的部分电力,为国家节约建设资金。海上电站的大规模开发建设,解决了我国大规模氢能供应问题,对摆脱我国能源过分依赖外国的现状,为我国的能源安全提供了有力保障,同时开发了海岛资源。

海上电站应对海洋恶劣天气的规模效应 

世界各国在海洋能领域均投入巨大研究精力,但截至目前鲜见报道较成熟大规模商业应用案例,其主要原因有海洋能利用发电成本较高及无法应对海上恶劣天气如台风、飓风的破坏这两个方面。海上电站是岸线近海的海上构筑物,自然也极易受到海上恶劣天气的影响,电站的安全性至关重要。

应对海上恶劣天气,其主要应对方式包括两种,一种是在电站结构设计中充分考虑安全因素,例如槽式太阳能集热管系统上布置曲面滑盖设计,太阳能集热板可随时被滑盖覆盖;海浪能浮筒可在气缸收至最小行程时气缸平台设置锁紧装置,在台风来临前将浮筒从海面收起并锁紧;垂直轴风轮支撑可全部进行连接形成整体架构等。

另一种方式是规模效应,如果只建设1座海上电站,而台风恰好从电站海域经过而损坏电站,那么损失将是100%。如果海上电站数量达到一定规模后,例如有100座海上电站,即使有2座电站遭遇台风袭击而有所损坏,其损失比例仅为2%,对整个供电、供氢影响很小。海上电站即使遇到台风有所损坏,也可以快速修复。

海上电站的未来并不遥远

海上电站整体结构简单,一方面,主要海工作业为大量框架桩柱的海底固定安装、横梁及平台的连接等,由于海深较浅,单根框架桩柱重量较轻、高度较低,水下海工作业简单,并可先行安装几个框架桩柱及小部分平台后,在平台上设置吊装设备吊装其他框架桩柱直至电站完成,在泥沙地质海底可考虑使用钻桩技术进一步提高效率,且可修建桥梁与陆地相连,便于物料及人员运输,作业无需大型专业吊装船舶。第二,海上电站设备简单常见,无精密复杂仪器设备,集气管压缩空气压力控制在1.2Mpa以下,除海浪能压缩气缸需要简单研发外,设备造价较低。第三,海上电站发电功率由浮筒-气缸及垂直轴风轮-空压机(机头)数量所决定,即取决于占海面积,可根据海岛用电负荷或建设海域情况进行调整,并且已建成的海上电站也可向两侧延伸,就像码积木一样,理论上说海上电站的功率可以无限大。第四,海上电站工作原理简单,总体及细部结构设计已较清晰完善,具有可操作性,可供建设地点众多,电站建设可由小功率实验电站向大功率电站过度,资金逐步投入风险很小,如果在资金及人员充裕情况下,1年时间即可完成建设1-2座实验电站并取得测试数据、设备标准化等方面工作,在实验电站建设期间逐步开发专用设备,则未来大功率电站建设成本将进一步降低,经济效益优良,具有广阔发展前景,将海上电站构想变为现实,将成为我国国家层级的重大可再生能源项目,对我国的雾霾环境治理具有重大意义。

利用海洋能的电视剧《奋进的旋律》为我国吹响了向浩瀚海洋可再生能源开发进军的号角,浙江人杰地灵,这里借用鲁迅先生《故乡》中的一段话做个结尾:我在朦胧中,眼前展开一片海边碧绿的沙地来,上面深蓝的天空中挂着一轮金黄的圆月。我想:希望是本无所谓有,无所谓无的。这正如地上的路;其实地上本没有路,走的人多了,也便成了路。

注:《一种海浪能、风能、太阳能联合利用发电站》已被授予实用新型专利,专利号:201621195933.1。

作者简介:邢志光(1967-男),大专学历,工作单位:唐山钢铁集团有限责任公司,研究方向为一种海浪能、风能、太阳能多能互补压缩空气储能海上电站。

北极星储能网官方微信

相关推荐

加载中...