海上電站多能平臺即海浪能、風(fēng)能、太陽能多能互補(bǔ)壓縮空氣儲能海上電站多種能源平臺；近年來，隨著對可再生能源發(fā)電技術(shù)的深入探索，根據(jù)可再生能源的特點(diǎn)而得出多能互補(bǔ)+儲能的可再生能源利用成為值得關(guān)注的方向。
1、我國海上風(fēng)電現(xiàn)狀及其局限性
當(dāng)前，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(diǎn)。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(jì)，截至2018年底我國海上風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)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(jī)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(jī)械能發(fā)出電力，并不符合傳統(tǒng)的被科學(xué)驗(yàn)證的由流體推動透平帶動發(fā)電機(jī)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(diǎn)。近年來，隨著對可再生能源發(fā)電技術(shù)的深入探索，根據(jù)可再生能源的特點(diǎn)而得出多能互補(bǔ)+儲能的可再生能源利用成為值得關(guān)注的方向。
2、海上電站多能平臺結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
海上電站多能平臺即海浪能、風(fēng)能、太陽能多能互補(bǔ)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(jī)（機(jī)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(shí)提高透平尾氣溫度，便于尾氣再利用（圖1海上電站多能平臺工作原理及產(chǎn)品）。
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(gè)浮筒的4個(gè)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(yùn)動且不被卡死，多個(gè)框架相連構(gòu)成整個(gè)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(jī)平臺，上面布置垂直軸風(fēng)輪-空壓機(jī)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(jī)、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(shí)，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(shí)，輸入透平壓縮空氣壓力流量仍可保持一定時(shí)間的電力穩(wěn)定輸出。由于海浪能是24小時(shí)全天候能量，即使在無風(fēng)能、無太陽能同時(shí)，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。
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）。
3、海上電站多能平臺較海上風(fēng)電更具優(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(diǎn)、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。
3.1海上電站近岸淺海建設(shè)能量集中
海上電站建設(shè)地點(diǎn)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(diǎn)以海深超過最低潮位1-2m即可，即在最低潮時(shí)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(shí)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(diǎn)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(shí)，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(shí)增加，而且海浪能是24小時(shí)能源，與單一的風(fēng)能比較優(yōu)勢明顯。
3.2海上電站海上施工結(jié)構(gòu)特點(diǎn)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(gè)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(shí)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(jī)及集氣管、廠房建筑內(nèi)安裝透平及發(fā)電機(jī)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。海上風(fēng)電目前采用群樁基礎(chǔ)，風(fēng)機(jī)主機(jī)及塔筒等重量均超過百噸以上，需要樁基嵌入海底深度較大，海上施工有一定難度，同時(shí)需要大型海上船舶作業(yè)施工設(shè)備。
3.3海上電站用能方式、電力質(zhì)量及可在生能源利用效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于海上風(fēng)電
海上電站采用海浪能、風(fēng)能、太陽能多能互補(bǔ)的方式，轉(zhuǎn)換為壓縮空氣作為做功介質(zhì)，并實(shí)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(diǎn)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(shí)，海上電站可隨時(shí)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(fèi)，可再生能源利用效率大大提高。同時(shí)，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；海上風(fēng)電在遇到風(fēng)速過大時(shí)，為保持恒定轉(zhuǎn)速，采用偏漿或剎車措施，部分風(fēng)能沒有得到利用。自然風(fēng)力的時(shí)斷時(shí)續(xù)造成輸出斷續(xù)電力，與海上電站比較，其用能單一且風(fēng)能利用范圍較窄，輸出電力不穩(wěn)定幾率較大，同時(shí)單一電力輸出使可再生能源的利用效率降低。
3.4海上電站后期維護(hù)優(yōu)勢明顯
機(jī)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(jī)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。
3.5海上電站產(chǎn)品種類及經(jīng)濟(jì)效益
海上電站產(chǎn)品有清潔電力、制冷、制熱、海水淡化、海鹽、氫氣、氧氣。產(chǎn)品種類是海上風(fēng)電單一電力產(chǎn)品無法比擬的，自然經(jīng)濟(jì)效益遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于海上風(fēng)電。
3.6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(jī)+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(shí)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(gè)，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(jià)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。
綜上所述，海上電站多能平臺與海上風(fēng)電比較主要優(yōu)勢（如表三）
4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(shí)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(xiàng)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(shí)刻使工作氣缸缸筒保持與上固定點(diǎn)的高度固定不變實(shí)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(jī)空壓機(jī)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。勘探設(shè)計(jì)院所有中交集團(tuán)系統(tǒng)設(shè)計(jì)院、華東院、上海院等。海上電站多能平臺是嶄新的項(xiàng)目，從勘探、設(shè)計(jì)、施工、安裝到后期維護(hù)運(yùn)營，在實(shí)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(shí)現(xiàn)，海上電站多能平臺的小功率實(shí)驗(yàn)電站建設(shè)尤為關(guān)鍵。
5結(jié)束語
據(jù)報(bào)道，近期中海油集團(tuán)成立了海油發(fā)展清潔能源公司，公司由原海油發(fā)展管道公司、新能源技術(shù)項(xiàng)目組整合而成，未來將致力于開發(fā)海上風(fēng)電綠色制氫等方面研究與業(yè)務(wù)，中海油公司在海上平臺、海底管線方面具有多年豐富的經(jīng)驗(yàn)，這將有助于海上風(fēng)電從單一的電力輸出轉(zhuǎn)變?yōu)殡姟潆p項(xiàng)輸出，從而克服海上風(fēng)電電力斷續(xù)的缺陷。估計(jì)海上風(fēng)電制氫繞不開建設(shè)海上平臺，通過電力將海水淡化，電解水制氫的路線，雖然有可能應(yīng)用更為先進(jìn)的制氫技術(shù)，但海上平臺的建設(shè)成本及海上風(fēng)電制氫的運(yùn)營成本均需謹(jǐn)慎考量。
近年來我國海上風(fēng)電處在歷史上的躍進(jìn)發(fā)展時(shí)期，在現(xiàn)有海上風(fēng)電的基礎(chǔ)上，沿海省份更是在未來的能源發(fā)展“十四五”規(guī)劃中將海上風(fēng)電列入重點(diǎn)發(fā)展方向，各大電力央企為獲得國家財(cái)政補(bǔ)貼政策多年來競相圈海開發(fā)海上風(fēng)電項(xiàng)目。在大力發(fā)展海上風(fēng)電的同時(shí)，我們該清醒的認(rèn)識到海上風(fēng)電只是自然能源利用方式的一種，其能量有限，加之海洋環(huán)境的惡劣，特別是遠(yuǎn)海建設(shè)，為電力輸送、后期維護(hù)等諸多方面帶來困難；海上風(fēng)電的設(shè)計(jì)未見得具備可再生能源多能互補(bǔ)+儲能的可再生能源利用最佳形式，投入巨資在單一能源上，這顯然不是一種較佳的可再生能源利用方向，這種單一的海上風(fēng)能開發(fā)利用方式無疑存在著風(fēng)險(xiǎn)與不確定性，海上電站多能平臺同樣是值得探索的方向。
注：以上僅代表個(gè)人觀點(diǎn)，數(shù)據(jù)僅供參考，由于水平有限，一定存在錯(cuò)誤之處，歡迎業(yè)內(nèi)人士探討
作者簡介：邢志光（1967-男），大專學(xué)歷，工作單位：唐山鋼鐵集團(tuán)有限責(zé)任公司，研究方向?yàn)橐环N海浪能、風(fēng)能、太陽能多能互補(bǔ)壓縮空氣儲能海上電站。
