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压缩空气储能技术综述

导读:压缩空气储能优势明显,非常适合大规模储能。描述了大规模储能技术,综述了压缩空气储能的工作原理和应用现状,分析了压缩空气储能的分类和耦合应用方式。

0前言

近年来,新萄京娱乐手机版国部分地区多次发生了严重阴霾天气,如何利用清洁能源减少环境污染是新萄京娱乐手机版国经济发展长期需要面对的重要问题。新能源的规模应用以及间歇性可再生能源的大规模入网、传统电力峰谷差值的增长,各种能源应用问题也随之出现,而储能技术的应用将为解决这些问题提供非常有效的途径。目前电力储能技术较多,压缩空气储能由于优势明显,未来无疑将成为除抽水蓄能之外最具发展潜力的大规模储能。

电力储能按照技术分类,可分为机械储能(抽水蓄能、压缩空气储能、飞轮储能等)、电磁储能(超级电容器等)和电化学储能(铅酸电池、锂离子电池、钠硫电池等)等(见图1)。

在各种储能技术中,抽水蓄能在规模上最大,达到上GW,技术也最成熟;压缩空气储能次之,单机规模可以达到100MW级别;化学储能规模较小,单机规模一般在MW级别或更小,并且规模越大控制问题越突出。目前为止,已经大规模投入商业应用的大规模储能技术(比如100MW级以上)只有抽水蓄能、压缩空气储能两种。下面对适合大规模储能的抽水蓄能、压缩空气储能的性能特点分别展开详细描述。

1大规模储能技术的选择

1.1抽水蓄能

抽水蓄能需要高低两个水库,并安装能双向运转的电动水泵机组。它利用电能与水的势能转变,将风能、太阳能等可再生资源产生的不可控的电能转变为电网可以接纳的稳定电能或者起削峰平谷的目的(见图2)。抽水蓄能是在电力系统中技术最成熟、应用最广泛的一种储能技术。截至2011年,新萄京娱乐手机版国抽水蓄能总装机容量超过1800万kW,规划2015年达到3000万kW。抽水蓄能可以建造为不同容量,能量释放时间可从几小时到几天,是目前唯一达到GW级的储能技术,同时转化效率较高,综合效率可达70%~85%。其缺点在于需要建设高低两个水库,受到特殊的场地要求选址非常困难,而且厂址一般都远离大规模风电场和太阳能发电场,建设周期也较长,还会带来一定的生态和移民问题。

1.2压缩空气储能

压缩空气储能是另一种可以实现大容量和长时间电能存储的电力储能系统,是指将低谷、风电、太阳能等不易储藏的电力用于压缩空气,将压缩后的高压空气密封在储气设施中,在需要时释放压缩空气推动透平发电的储能方式。

目前,地下储气站采用报废矿井、沉降在海底的储气罐、山洞、过期油气井和新建储气井等多种模式,其中最理想的是水封恒压储气站,能保持输出恒压气体。地上储气站采用高压的储气罐模式。

压缩空气储能是一种基于燃气轮机的储能技术,技术非常成熟,已经实现大规模商业化应用。压缩空气储能具有容量大、工作时间长、经济性能好、充放电循环多等优点,具体如下:

(1)规模上仅次于抽水蓄能,适合建造大型电站。压缩空气储能系统可以持续工作数小时乃至数天,工作时间长;

(2)建造成本和运行成本比较低,低于钠硫电池或液流电池,也低于抽水蓄能电站,具有很好的经济性。随着绝热材料的应用仅使用少量或不使用天然气或石油等燃料加热压缩空气,燃料成本占比逐步下降;

(3)场地限制少。虽然将压缩空气储存在合适的地下矿井或溶岩下的洞穴中是最经济的方式,但是现代压缩空气储存的解决方法是可以用地面储气罐取代溶洞;

(4)寿命长,通过维护可以达到40~50年,接近抽水蓄能的50年。并且其效率可以达到60%左右,接近抽水蓄能电站;

(5)安全性和可靠性高。压缩空气储能使用的原料是空气,不会燃烧,没有爆炸的危险,不产生任何有毒有害气体。万一发生储气罐漏气的事故,罐内压力会骤然降低,空气既不会爆炸也不会燃烧。

总之,在新萄京娱乐手机版国广泛不具备建设抽水蓄能电站自然条件的一些地区,尤其远离消费中心的大型风电场和太阳能发电场,迫切需要研究开发另外一种能够大规模长时间使用的储能技术。由于压缩空气储能优势明显,可以弥补抽水蓄能的先天不足,将是有效解决新萄京娱乐手机版国大规模储能问题的重要选择。

2压缩空气储能概述

2.1工作原理

压缩空气储能是基于燃气轮机技术发展起来的一种能量存储系统,工作原理非常类似。

燃气轮机装置由压气机、燃烧器(或叫燃烧室)和透平3个主要部分组成(见图3)。燃气轮机的工作原理为:叶轮式压气机从外部吸取空气,压缩后送入燃烧器,同时燃料(气体或液体燃料)也喷入燃烧室与高温压缩空气混合,在定压下进行燃烧。生成的高温高压烟气进入透平膨胀做功,推动动力叶片高速旋转,同时驱动压气机旋转增压空气,燃气轮机装置中约2/3功率用于驱动压气机。

压缩空气储能一般包括5个主要部件:压气机、燃烧室及换热器、透平、储气装置(地下或地上洞穴或压力容器)、电动机/发电机(见图4)。其工作原理与燃气轮机稍有不同的是:压气机和透平不同时工作,电动机与发电机共用一机。在储能时,压缩空气储能中的电动机耗用电能,驱动压气机压缩空气并存于储气装置中;放气发电过程中,高压空气从储气装置释放,进入燃气轮机燃烧室同燃料一起燃烧后,驱动透平带动发电机输出电能。由于压缩空气来自储气装置,透平不必消耗功率带动压气机,透平的出力几乎全用于发电。


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