PDF《专家论丛》

系统与控制纵横 2016年第1期54 专家论丛 梅生伟、薛小代 清华大学电机系 压缩空气储能与可再生能源的综合利用 ―― 浅谈能量的转换、存储和分配 世界万物是不断运动的,在物质的一切属性 中,运动是最基本的属性,其余属性都是运动属 性的具体表现.

物质的运动形式是多种多样的, 对于每一个具体的物质运动形式均存在相应的能 量形式,但当运动形式不相同时,可以相互描述 和比较两个物质的运动特性的物理量就是能量, 即能量特性是一切运动物质的共有特性,能量尺 度是衡量一切运动形式的统一客观尺度.任何形 式的能量均可以转换成另一种形式,尽管在所有 能量转换的过程中,总能量保持不变,但能量的 品位可能会在转换过程中下降,如从电能降级为 热能,甚至降级为不便于利用的形式,如低品位 的内能. 本文主要介绍大规模储能技术及其在可再生 能源中的应用,在此之前,有必要对能量的存储 和转化规律进行初步的探讨,这将会有助于我们 深入地理解储能技术的重要性和复杂性.自然界 中存在多种形式的能量,例如常见的热能、机械 能、电能等,不同形式的能量体现出不同的功用 特性.如何对这些能量进行对比,如何确定不同 形式能量之间的转换特性,是非常棘手的问题. 幸运的是,热能科学为我们提供了有效的工具, 这就是热力学的三大定律.通过这三大定律,我 们可以很好地理解和解决能量转换中的问题. 能量守恒与转换定律是自然界的普适规律之 一,自然界中的一切物质都具有能量,能量不可 能被创造,也不可能被消灭,但可以从一种形态 转变为另一种形态,而在能量的转换过程中能量 的总量保持不变.将此定律应用于热现象中,就 引申出了热力学的第一定律,即 热可以变为 功,功也可以变为热,一定量的热消失时必产生 相应量的功,消耗一定量的功时必出现与之对应 的一定量的热 .这是一个朴实的道理,通俗地 讲就是一定数量的能量在传递和转换过程中,其 能量的形式可能会发生变化,但是其总量保持不 变. 在总量守恒的前提下,不同形式的能量是否 可以任意转换呢?这正是热力学第二定律所要解

2016 No.1 All About Systems and Control

55 决的问题,它阐明了与热现象相关的各种过程进 行的方向、条件及限度.热力学第二定律有多种 表达方式,其中克劳修斯说法是一种被广泛采用 的表述形式,即 热不可能自发地、不付代价地 从低温物体传至高温物体 .机械能、电能等理 论上可100%地全部转换为热能,在热力学中我 们将这部分可无限转换的能量称之为?,因此电 能或机械能全部为?.但是,反过来,热能只能 够部分地转换为机械能或者电能,也就是说热能 中所包含的能量只有一部分为?.因此,从技术 使用和经济价值角度来看,机械能或电能的品位 要高于热能.同时,热能本身也有品位高低的差 异,温度越高,热能中能够转换为机械功的能量 越多,热能的品位也就越高.而不能够转换为机 械功的那部分热能我们称之为 火无 (anergy, An),也就是所谓的废热.因此,任何能量(E) 都是由?(Ex)和 火无 (An)两部分组成, 即E=Ex+An 在能量的转换过程中,流动摩擦、温差传热 等不可逆过程都会导致能量?的损失,在热力学 中称之为熵(entropy)增.从某种意义上讲,熵 增的大小代表了系统运行过程中的能量损失的程 度,我们也可以藉此来寻找系统中能量损失的缘 由,从而发现提升系统效率的方向.而热力学第 三定律也可以用熵的概念进行表述,即 在绝对 零度(0K)下,任何纯粹物质完整晶体的熵等于 零 .此定律较为抽象,可以将其理解为绝对零 度不可能达到,即物质中的与热能有关的运动不 可能完全被停止,这也从另一个方面阐述了运动 是物质的基本属性. 在以上理论的基础上,我们下面来探讨储能 的问题. 电能是一种高品位能源,但时至今日电能仍 不能实现大规模工程化储存.为解决电能大规模 存储问题,电力科技界和工程界耗费了大量人力 和物力.电力系统渴望发明一种大容量、长寿 命、快响应、无污染且价格合理的储能系统. 随着我国电网容量的不断增长,峰谷差不断 增大,可再生能源、分布式供能和智能电网的蓬 勃发展,对大规模储能的需求也越来越大.大规 模储能技术可以有效地解决风能、太阳能等间歇 式可再生能源发电不稳定的问题,实现 削峰填 谷 ,平滑波动性电能输入,提高可再生能源发 电的利用率,增强电网运行的安全性.目前已有 的储能技术主要包括抽水蓄能、压缩空气储能、 电池储能、飞轮储能和超导储能等.抽水储能和 压缩空气储能由于储能容量大、转换效率高,因 而属于适合商业化应用的大规模储能技术,也是 解决可再生能源波动性问题的关键技术. 抽水蓄能和压缩空气储能的基本运行原理有 异曲同工之妙,两者皆属于物理储能,都是通过 将电能转换为储能介质的势能而实现电能的存 储.不同之处在于抽水蓄能是将电能转换为水的 重力势能,即将水抽到高处;