摘要：自然界中的自然能源主要包括风能、太阳能、海浪能等，其在地球分布最为广泛，能量巨大。通过风能、海浪能提供的能量，将常压空气直接转变为压缩空气，同时利用槽式太阳能集热系统收集的热量，进一步加热压缩空气，使压缩空气的能量进一步增加，推动涡轮膨胀机做功产生电力；同时，在系统中设置大型储气室，一部分压缩空气进入储气室备用，实现电力的稳定、连续输出。
关键词：海浪、气筒、集气包、垂直轴风机、空压机、集热管、涡轮机、储气室
1、主要结构及工作原理
结构总图（如图1）所示
图例：1—槽式太阳能反射板，2—集热管，3—风机扇叶，4—风机轴
5—空压机，6—风筒，7—集气包，8—气筒，9—连杆
10—浮筒，11—连管，12—换热器，13—涡轮机，14—发电机
15—储气室，16—海岸线，17—海浪线
电站原理：在海浪17下降阶段，气筒8通过与大气相通的进气单向阀吸入空气；海浪17上升阶段，浮筒10、连杆9上升，气筒8内部压力上升，进气单向阀关闭，出气单向阀打开，向集气包7压入空气；风能带动风机扇叶3及风机轴4旋转，将转矩输入空压机5，压缩空气通过风筒6进入集气包7；集气包7的压缩空气通过连管11进入换热器12；槽式太阳能反射板1、集热管2收集的太阳能热量加热换热器12中的传热介质，从而加热压缩空气；被加热的压缩空气进入涡轮机13，带动电动机14发出电力；同时，部分压缩空气输入储气室15（或系统首先将储气室储满），待涡轮机13压缩空气流量不足时备用，16为海岸线。（流程图如图2）。
2、电站参数
2.1压缩空气动力式海浪能、风能、太阳能联合利用发电装置的输出功率以：《压缩空气式蓄能发电装置与系统-改装航机系统的新用途》［1］一文数据为参考依据，原文如下：“假如涡轮机前温度达到220℃，压力0.7Mpa排气压力0.1Mpa其等熵绝热焓降为212kJ/kg。如果进气流量取涡轮机额定流量20.3kg/s时的容积流量7.5m³/s,根据经验，涡轮机容积流量不变则通流效率基本不变，即涡轮机效率可取额定值，实际焓降则为192KJ/kg,若机械效率为0.98，发电机效率为0.97。在容积流量为7.5 m³/s时，涡轮机的质量流量为36.2kg/s,涡轮机实发功率为6609kw。” [1]
2.2海浪能部分计算：
2.2.1海浪能压缩空气压强
据阿基米德浮力定律、作用力与反作用力原理，暂设定系统中的压缩空气压力为0.6Mpa,沿海某处平均海浪高度为1.5m，浮筒尺寸如图3所示
即浮筒形状为长方体，长*宽*高=3.2*1.8*2（单位m）
气筒为一个打气筒（气缸）结构（如图3所示），其尺寸参数为缸筒内壁直径φ24cm(0.24m),即皮碗半径12㎝。面积A=πr² =12cm*12cm*3.14=452cm²=0.0452㎡。
浮筒随波浪从波谷向波峰上升，随着浮筒浸入海水的体积由小变大，浮筒产生的浮力也逐渐增大，气筒皮碗上部空气的压力增大，在海水浸入浮筒0.5m高度时，浮筒排开水的体积为：
3.2m*1.8m*0.5m=2.88m³，水的比重为1000kg/m³，
则浮力为2.880*1000=2880kg
气筒皮碗上部的空气压强为：
P=F/S=2880kg/452cm²=6.37kg/cm²=0.637Mpa
这时海浪继续上升，气筒皮碗内的空气压力克服系统压力0.6Mpa（0.637Mpa＞0.6Mpa）推开单向阀压入集气包。
由以上计算可以看出，利用海浪能压缩空气的压强与浮筒的截面积、海浪高度、气筒（气缸）直径有关。
2.2.2海浪能压缩空气流量
据海浪高度1.5m,0.5m用于抵消系统压力，波浪上升一次打气量：
0.0452㎡*(1.5m-0.5m)=0.0452m³
设海浪频率为6次/分钟，则一个气筒（气缸）每分秒打气量:
0.0452m³*6次/min=0.2712m³/60s≈0.0045 m³/s
设气筒数量为600个，则打气量为：600*0.0045 m³/s=2.7m³/s
海浪的高低起伏形成气筒的吸气、压气过程，600个气筒同时处于压缩气体的同时，需有相同数量的气筒处于吸气过程中，即气筒的总数量为：600*2=1200个。
2.2.3占海面积
气筒处于框架（如图4所示）内，设框架的长度为4m,宽度为2.5m,考虑到浮筒的消浪作用(需要进一步实验验证)，浮筒沿平行于海岸方向布置4排，每排300个，则电站海中框架部分长度为300*4=1200m,宽度为4*2.5=10m,电站占海面积：1200*10=12000m³。
图4
2.2.4气筒（气缸）
海浪部分的关键设备是气筒（气缸），考虑到大海的潮汐作用，每月初一、十五大潮等的影响，预计正常情况下最高与最低海面相差7-9m左右，这样就造成气筒（气缸）长度过长，实际应用中可考虑采用伸缩式气缸，来降低框架高度，降低工程造价。
2.3风能部分计算
风能部分（如图5所示）
图5
2.3.1风力机的选择
风力发电方面的风力机目前有水平轴和垂直轴两种，考虑到水平轴风力机风向尾翼结构较复杂，在该处选择水平轴风力机（图6所示）。以唐山拓又达科技有限公司产10kw风力机为例，参数如下表：
2.3.2空气压缩机的选择
空压机类型主要有：活塞往复式、滑片式、双螺杆式、单螺杆式、罗茨风机等几种，上述类型都可以使用，现以活塞往复式和滑片式两种空气压缩机为例加以说明。
2.3.2.1以浙江开山压缩机股份有限公司的往复活塞式压缩机(如图7）为例计算如下（该处仅使用空压机的机头部分）：
图7
技术参数如下表：
按风力机提供的功率10kw为参考，空压机型号选择KAH15,电机功率15/11（与10kw接近）,排气量1.22 m³/min,压力1.25Mpa。流量1.22 m³/min≈0.02m³/s,
设需要的风力机、空压机数量为：240台,
压缩空气量为：240*0.02=4.8 m³/s,
系统的压缩空气总流量为海浪能部分与风力机部分之和：
2.7+4.8=7.5m³/s 满足参考依据[1]涡轮机进气流量要求
2.3.2.2以滑片式为例
滑片式空压机原理（如图8）所示
以玛泰压缩机（北京）有限公司的滑片式压缩机(如图9型号ERC500）为例计算如下（该处仅使用空压机的机头部分）：
技术参数如下表：
型号选择511，功率11KW（与10kw接近）,流量1.8 m³/min≈0.03 m³/s，压力10bar。
设需要的风力机、空压机数量为：160台,
压缩空气量为：160*0.03=4.8 m³/s,
系统的压缩空气总流量为海浪能部分与风力机部分之和：
2.7+4.8=7.5m³/s 满足参考依据[1]涡轮机进气流量要求
2.3.3变速器
从垂直轴风机传过来的转矩，经变速齿轮箱变速后，转矩输入空压机，空压机从外界吸入空气进行压缩后输入集气包。
2.3.4在实际应用中，由于上述计算使用的功率数值为风力机转换成发电机的功率，据风能转化极限效率（贝兹极限）为0.593，所以风力机直接输入空压机的功率大于上述电机功率。由于风力大小随时变化，变速器输出转速达不到上表中电机的额定转速，空压机输出流量达不到上表额定流量，需通过增加风力机、空压机数量来达到要求流量。
2.3.5空压机压缩热的保存
系统中压缩空气温度越高，则涡轮机的效率越高。空压机压缩空气过程中产生的热能，如果将这部分热能加以保存，将大大提高涡轮机输出功率。特别是在晚上没有太阳能提供的热能时，这部分热能将将可以发挥一定作用。因此，可对空压机保存热能做出优化改进。
2.4太阳能部分
太阳能部分采用槽式太阳能集热管技术，加热传热介质，经换热器对压缩空气进行加热后进入涡轮机做功。
槽式太能能集热管技术目前较为成熟，主要厂家有北京天瑞星光热技术有限公司和江苏京展能源科技有限公司。以天瑞星公司产集热管（如图10）为例：
技术参数如下表：
型号选择TRX70-125(导热油型)，其工作温度400℃，除去换热器热量损失外（传热效率），可将涡轮机前压缩空气温度加热至大于涡轮机所需进气温度220℃以上。达到或大于涡轮机进气温度要求。
2.5通过以上计算可知，海浪能和风能的压缩空气流量7.5 m³/s、压强0.6 Mpa（略小于0.7Mpa）、涡轮机前温度值大于220℃(220℃)均达到或接近[1]参考依据涡轮机所要求参数值，电站发电功率可达或接近6600kw。预计年发电量为：6600*24*360=57024000度≈5700万度。
3、电站的一种利用风能、太阳能两种能源的变形形式
电站可根据投资大小、地理位置、电力需求量等方面的因素，将电站的海中部分（浮筒、连杆、气筒等）去掉，成为风能、太阳能联合利用电站如图（11所示），其可建设在风能资源丰富的内陆地区，也可建设在岸线附近地区，成为压缩空气式自然能源联合利用电站的一个补充。
图例：1—槽式太阳能反射板，2—集热管，3—风机扇叶，4—风机轴
5—空压机，6—风筒，7—集气包，11—连管，12—换热器，13—涡轮机，14—发电机，15—储气室
电站通过风能提供的动力产生压缩空气，经过太阳能的热量将能量放大，推动涡轮机输出转矩，带动发电机发出电力。电站宜选择在在风能、太阳能能量密度均较大的地点建设。我国风能资源分布（如图12），太阳能资源分布（如图13所示）
4、储气室
储气室是个简单的可承受一定压力的密闭空间，其对电站的输出功率连续、稳定起着至关重要的作用。其体积庞大，特别是风能、太阳能联合电站，可采用钢筋混凝土全地下或半地下结构，上表面面积可布置风机、太阳能、涡轮机等设备，较钢结构焊接的大型筒形钢材储气罐，容积大大增加，节约占地面积，降低建设成本。有海浪能的电站，由于海浪的不间断特性，储气室容积可以略小。
通过以上海浪能、风能提供的压缩气源，同时蓄能器随时可向系统补充、收纳部分压缩空气，通过调节进气阀使进入涡轮机的流量保持恒稳。
5、与其他压缩空气蓄能发电装置的主要区别
就目前资料所了解到的，利用压缩空气蓄能装置发电的主要方式即上篇《压缩空气式蓄能发电装置与系统-改装航机系统的新用途》［1］一文章中提到的储气装置较小、加注燃料的和储气装置较大，不要燃烧室、利用废气热量或太阳能热量加热压缩空气推动涡轮机发出电力的两种方式，以及《风电压缩空气储能系统的研究》［2］文中，直接利用风力机输出扭矩带动“泵”输出压缩空气并进行存储，即文中提到的“风库”理论，实现电力的平稳输出。上述两文中提到的压缩空气蓄能发电概念均与本文提到的多种自然能源联合利用电站存在部分相同之处，但本文的自然能源利用是从海岛、海岸供电角度为出发点，包括了海浪能的利用，加大了能量的利用范围，能量输出更大，同时海浪能是三种（海浪能、风能、太阳能）能量中最稳定的一种，对压缩空气的持续输出起到重要作用，同时解决海岛的供电问题。
6、电站的关键设备
自然能源联合利用发电站的设备都是现成设备，首相是气筒（气缸），考虑到海浪潮汐，气筒（气缸）需要很长，适宜采用伸缩气缸，同时气缸要经久耐用；第二由于框架需要承受海浪中浮筒的全部浮力作用，在框架设计时需考虑框架及所属设备的重力之和大于全部浮筒产生的浮力；第三，电站整个系统包括集气包管道、储气室、换热器等的保温及密封；第四，优化空气压缩机，使其经久耐用并尽量留住压缩热量。
7、电站换热器压缩空气 “射流”技术
电站换热器是太阳能能量转换为发电功率的重要设备，可考虑在换热器管道前、后加装单向阀（在换热器后方单向阀可设定一定压力值）（如图14）所示，设换热器前集气包管道气体温度80℃，压力0.56Mpa，由于换热器中传热介质的作用，压缩空气温度升高气体膨胀，当压力大于集气包气体压力，单向阀1关闭，管道内气体压强继续上升，据查理定律：P1:P2=T1:T2其中T=273+℃，设换热器将管道内压缩空气加热到200℃，则经换热器加热后封闭空间压缩气体压强
P2= P1* T2/ T1=0.56*(273+200)/(273+80)=0.75 Mpa
这时单向阀2打开，压缩空气经喷嘴喷出，推动涡轮机扇叶旋转做功。气体喷出后，单向阀1、2封闭空间内气体压强减小；同时单向阀1前集气包内压缩空气压强也在逐渐增大，气体推开单向阀1进入由单向阀1、2所封闭的空间，循环往复。
以上可以看出，经过换热器加热后，气体压强进一步增大，压缩空气形成“射流”喷出，大大降低了集气管进气压强，节约气体流量。换热器由多根管道构成，都设置为该种结构。在同一时间内，涡轮机叶轮扇叶最大周长上布置的n个喷嘴压缩空气同时喷出，推动涡轮机旋转，由于涡轮机叶轮具有一定重量，可以起到“飞轮”的作用，“射流”产生的冲击力可由涡轮机叶轮平衡。
8、电站前景
我国具有丰富的海浪能、风能、太阳能资源，这为利用自然能源打下了坚实的基础。特别是我国广大的岸线地区及众多的岛屿是三种自然能源集中的区域，从浙江的舟山群岛到福建平潭岸线，在加上我国海域的众多岛屿，内陆地区风能资源丰富的地区，如三北地区等。为电站建设提供了优良的能量来源及建设条件，随着国家加大南海岛屿开发力度，在岛屿上建造该种电站，既不污染环境，又可以提供足够电力。并且我国沿海地区工业集中，电力消耗量大，也为电站的建设提供了广阔前景。
9、结束语
利用压缩空气方式多种自然能源联合利用生产电力将是未来可再生能源利用的一个重要发展方向，从压缩空气到释能做功整个过程无任何污染，全程只有物理变化无任何化学反应。其两个关键点是有持续的气源，较大的压缩空气存储空间。据报道美国、德国已经有利用废弃矿井储存压缩空气发电的先例，但其与本文提到的利用压缩空气发电还有较大区别。一个项目从提出原理、理论论证、实验、设计、实验工程建设、改进、定型等步骤将是一个较为漫长的时间过程，也可以省略一些环节，直接寻找适宜海边地点建设少量几组进行实验，获得实际技术参数，在此基础上增加数量规模建成实验电站。
2017年新年伊始，一年之际在于春，联合利用自然能源电站的构想希望得到国内有志于新能源建设企业的支持，在理论论证的基础上，建成实验电站，并逐步实现定型推广，为我国的新能源建设贡献一份力量。注：（《一种海浪能、风能、太阳能联合利用发电站》专利申请已提交国家知识产权局专利局，专利号：201610951994.4）
（由于作者非本专业领域技术人员及水平有限，文中一定存在若干错误，欢迎大家批评指正，仅供大家参考。）
参考文献
［1］高京生（北京北重汽轮电机有限责任公司） 压缩空气式储能发电装置与系统—改装航机的新用途 2013年火电厂污染物净化与绿色能源技术研讨会暨环保技术与装备专业委员会换届（第三届）会议论文集2011-9
［2］陈飞 （江苏大学）风电压缩空气储能系统的研究 江苏大学硕士学位论文 2012年5月
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、太阳能联合利用发电站。
电话：13513330183 E-mail:annecbjxingzg@126.com
