PDF《专家论丛》

而压缩空气储能是 将电能转换为空气的分子内势能,即将空气压缩 至高压状态.因而从系统运行的本征原理上来 看,两者都是遵循电能―势能―电能的转换流程 从而实现储能发电. 如图1所示,抽水蓄能电站利用电力负荷低谷 时的电能抽水至上水库,在电力负荷高峰时再放 水至下水库发电,因而又称为蓄能式水电站.它 可将电网负荷低谷时的多余电能,转变为电网高 峰时期的高价值电能,从而起到调峰的功能.目 前应用于电网的大规模储能技术,主要是抽水蓄 能技术.然而,抽水蓄能电站的建设,严格受到 地理条件限制.需要具有丰富的水资源,同时还 要有适宜于建设上库和下库的地质地理条件.在 系统与控制纵横 2016年第1期56 图1 抽水蓄能电站示意图 图2 压缩空气储能电站示意图 高纬度地区,由于严寒而出现结冰的现象,导致 抽水蓄能电站不易于建设.此外,抽水蓄能对环 境生态具有不可低估的消极影响.如此种种条件 的限制,使抽水蓄能电站无法满足未来能源发展 对于大规模储能技术的需求. 压缩空气储能(如图2所示)则不然,几乎 对地理条件无特殊要求,且建造成本与抽水蓄能 电站相当.传统的压缩空气储能系统的工作原理 与抽水蓄能相类似,系统储能时,利用电网中的 富余电量或者弃风、弃光电,驱动空气压缩机压 缩空气,把能量以压缩空气的形式储存在储气室 中;

当电网处于用电高峰时,系统释能,储气室 中的压缩空气进入燃烧室同燃料一起燃烧,然后 驱动透平发电.为了解决传统压缩空气储能存在 的依赖化石燃料和排放问题,非补燃压缩空气储 能系统应运而生.压缩空气储能系统在压缩空气 的过程中,会产生大量的热量(即我们所熟知的 压缩热),非补燃压缩空气储能系统通过储热装 置,回收并存储这部分热量,当透平发电时,再 将这部分热量返还给进入透平的高压空气,提高 空气的温度,从而起到与燃烧燃料加热空气类似 的作用.这是一种设计非常巧妙的储能技术,充 分利用了系统自身产生的热量,摒弃了燃料补燃 的技术路线. 1. 压缩空气储能的早期发展 压缩空气储能尤其是传统的补燃式压缩空气 储能发展历史比较悠久,早在1949年,Stal Laval 就提出了利用地下洞穴来进行压缩空气储能.此后,国内外学者围绕压缩空气储能技术开展了大 量的研究和实践工作,并先后有两座补燃式的压 缩空气储能电站分别在德国和美国投入商业运 行,积累了大量成熟的运行经验. 1978年,Nordwest Deutsche Kraftwerke公司 在德国建成世界上第一个压缩空气储能电站― Huntorf电站(如图3所示),位于下萨克森州 (Niedersachsen)的Huntorf,距离不莱梅市西北 约30km处.该电站采用地下600米深的两个盐穴 作为储气室,总计31万立方米的容积,该储气室 是在一个盐岩层利用溶蚀法人工制作出来的,储 气压力在4.6-6.6 MPa之间.电站储能时,通过 压缩机将气体压缩至高压,然后存储在地下盐穴 中;

释能时,盐穴中的高压气体进入燃气轮机,

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57 图3 德国Huntorf压缩空气储能电站实景照片(左)及地下盐穴储气库示意图(右) 图4 McIntosh压缩空气储能电站实景图(左)和系统流程图(右) 在燃烧室中与天然气混合燃烧,驱动燃气轮机发 电系统对外输出电能.系统中机组的压缩机功率 为60 MW,释能输出功率为290 MW,压缩机连续 充气8小时,可实现连续发电2小时,系统循环效 率为33.0%-46.9%. 1991年,Alabama Electric Cooperative公司在 美国Alabama建成了世界上第二个商业性的压缩 空气储能电厂―McIntosh电站,位于阿拉巴马州 (Alabama)的华盛顿郡(Washington county),莫比 尔市(Mobile)北部约64 km处.该电站采用位于地 下450米的盐穴作为储气室,总容积约53.8万立方 米,储气压力在5.1- 7.9 MPa之间.压缩机组功率 为50 MW,发电功率为110 MW,连续压缩41小 时时可发电26小时.该电站基于Huntorf电站发展 而来,不同之处在于其采用了回热流程,利用燃 气轮机排气中的热量加热进口空气,提高了热效 率,系统循环效率达到了54%. 2. 压缩空气储能的最新研究方向 通过前面的介绍,我们知道这两座压缩空气 储能电站均采用燃料补燃,系统在运行过程中 需要消耗天然气,并由此带来排放问题.对于 系统与控制纵横 2016年第1期58 图5 Highview公司的液态空气储能系统示意图(左)及流程图(右) 电能来讲,其本身属于清洁能源,但若在其存储 和转换过程中带来新的污染或排放则得不偿失. 近年来,随着环保意识的增强和化石类燃料的短 缺,研究人员开始探索无需燃料补燃的新流程, 非补燃式的压缩空气储能逐渐成为研究的热点, 诸如液态空气储能(Liquid Air Energy Storage, LAES)、先进绝热压缩空气储能(Advanced Adiabatic Compressed Air Energy Storage,AA- CAES)、基于压缩热回馈的非补燃压缩空气储能 (Non-supplementary Fired Compressed Air Energy Storage,NF-CAES)等新流程相继出现,并有相 应的实验示范系统投入运行. 液态空气储能(Liquid Air Energy Storage, LAES)最早由英国Highview Power Storage 公司提 出,顾名思义就是通过将空气降温液化,实现空 气的液态化存储.在此流程中(如图5右图所示) 低温液化系统能够利用电能将空气变成液态,并 存储在一个绝热容器中,从而完成电能的存储. 在释能时,液态空气经过加压升温气化后,推动 透平发电.若将该系统与一个产生废热的设备相 连,该转化效率可从25%大幅提高至70%.但是该 系统对于蓄冷装置提出了非常高的要求, 这是制约其商业应用的一大技术难题. Highview Power Storage已在苏格兰启动一 个试验项目(如图5左图所示),计划建造一个 3.5 MW的示范系统,目前该系统正在建设中. 作为先进绝热压缩空气储能(Advanced Adiabatic Compressed Air Energy Storage,AA- CAES)的典型,ADELE系统则代表着另一类非 补燃式的压缩空气储能的技术发展方向.2010年 开始,由德国莱茵集团与通用电气、德国宇航中 心和德国旭普林(Ed. Züblin AG)共同启动了一套 压缩空气储能发电示范电站(Adele)的建设(如图 6左图所示).ADELE电站储能时(如图6右图所 示),压缩机组排气温度可以达到600℃,通过蓄 热装置回收并储存这部分热量;