一種新型的大規(guī)模蓄能技術(shù)壓縮空氣蓄能 (CAES) 系統(tǒng)綜述

一種新型的大規(guī)模蓄能技術(shù)壓縮空氣蓄能(CAES)系統(tǒng)綜述

隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，能源需求不斷增加，大型能源系統(tǒng)的規(guī)劃、建設(shè)、規(guī)劃以及電氣系統(tǒng)的運營變得越來越重要。在此背景下,大規(guī)模蓄能技術(shù)的應(yīng)用打破了電力供需實時平衡的限制,蓄能技術(shù)能在負(fù)荷高峰時發(fā)電,在負(fù)荷低谷時存儲電能,不僅提高了系統(tǒng)的靈活性,有效降低晝夜峰谷差,還提升了電網(wǎng)穩(wěn)定性、可靠性和電能質(zhì)量。蓄能技術(shù)與可再生能源的結(jié)合應(yīng)用,顯著提高了可再生能源的利用率,同時,在分時段電價的機(jī)制下,蓄能技術(shù)也會帶來明顯的經(jīng)濟(jì)效益。不同的蓄能技術(shù)有不同的特點與特性,使它們的適用場景各不相同?，F(xiàn)有的蓄能技術(shù)主要包括:電池蓄能、抽水蓄能、飛輪蓄能、CAES等。表1給出了各種蓄能方式的性能對比。其中,電池蓄能技術(shù)簡單,易于掌握,但是壽命短,不易回收,對環(huán)境影響較大;抽水蓄能裝機(jī)容量大,可達(dá)到GW級,運行成本低,但是建設(shè)工期長,初期投資高,對環(huán)境破壞較大;飛輪蓄能建設(shè)周期短,效率較高,但是投資較高,持續(xù)供電能力較弱,技術(shù)尚未成熟。CAES投資低,運行維護(hù)費用低,啟動快,對環(huán)境污染較小,容量范圍廣,響應(yīng)迅速,可以適用于多種環(huán)境,是除抽水蓄能外裝機(jī)容量第二的大規(guī)模蓄能技術(shù),具有光明的發(fā)展前景。本文主要介紹了CAES的發(fā)展與分類,針對不同容量的CAES系統(tǒng)的組成、技術(shù)特點與難點和應(yīng)用領(lǐng)域及場景進(jìn)行了總結(jié)與概述;并對CAES系統(tǒng)的研究方向與發(fā)展前景進(jìn)行了展望。1日本caes電站1949年,德國首次提出CAES概念,即利用多余的電能驅(qū)動壓縮機(jī)壓縮空氣,將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能,最后轉(zhuǎn)化為空氣的內(nèi)能存儲。在需要時,釋放空氣的內(nèi)能,使其轉(zhuǎn)化為電能,給用戶供電。世界上首座CAES電站1978年在德國Huntorf建成,總?cè)萘繛?90MW。1991年,美國AlabamaElectricCooperative公司在阿拉巴馬州的McIntosh建成世界上第2座CAES電站,其總?cè)萘繛?10MW,可為11000個家庭連續(xù)供電26h。除Huntorf和McIntosh的CAES電站外,日本正在建設(shè)35MW的CAES電站,以色列也在建設(shè)一個100MW、利用含水層洞穴儲存的CAES電站。其他正在規(guī)劃或建設(shè)的CAES電站有:意大利的針對含水巖層的研究用25MW的CAES發(fā)電設(shè)施;以色列的研究用硬巖含水層3×100MW的CAES發(fā)電設(shè)施等。CAES電站的核心技術(shù)為CAES系統(tǒng),目前為止,根據(jù)CAES系統(tǒng)所用技術(shù)的不同,可將CAES系統(tǒng)分為3個代。第一代:壓縮空氣與燃料混合燃燒,提高燃料燃燒效率。德國Huntorf電站采用的是第一代CAES系統(tǒng)。第二代:與第一代CAES系統(tǒng)相似,技術(shù)有所改進(jìn),效率更高,經(jīng)濟(jì)效益更好。美國McIntosh電站采用的是第二代CAES系統(tǒng)。第三代:壓縮或膨脹過程絕熱,發(fā)電過程不使用燃料,無尾氣排放。CAES系統(tǒng)在壓縮空氣過程中會儲存熱能,并在氣體膨脹時給氣體加熱。第三代CAES系統(tǒng)目前仍在研發(fā)階段。根據(jù)CAES系統(tǒng)存儲容量的不同,CAES系統(tǒng)可以分為3類:1)大型CAES,單機(jī)容量為100MW;2)小型CAES,單機(jī)容量為10MW;3)微型CAES,單機(jī)容量為10kW。2CAES2.1膨脹機(jī)+中間再熱aa-caes大型CAES存儲規(guī)模在100MW級,通常應(yīng)用在CAES電站中,主要部件包括壓縮機(jī)、膨脹機(jī)、燃燒室、儲氣室、電動機(jī)/發(fā)電機(jī)以及控制系統(tǒng)及輔助設(shè)備。對于第三代大型CAES,即AA-CAES系統(tǒng),采用儲熱器替代了燃燒室,避免了廢棄污染環(huán)境。1)壓縮機(jī)。壓縮機(jī)是CAES系統(tǒng)的核心部件,其性能會對CAES系統(tǒng)的能量存儲效率產(chǎn)生影響。盡管壓縮空氣儲能循環(huán)與燃?xì)廨啓C(jī)類似,但是燃?xì)廨啓C(jī)的壓縮機(jī)壓比一般小于20,而壓縮空氣儲能系統(tǒng)的壓縮機(jī)壓比則達(dá)到40～80,甚至更高。因此,大型壓CAES電站的壓縮機(jī)一般采用軸流與離心壓縮機(jī)組成多級壓縮、級間和級后冷卻的結(jié)構(gòu)形式。文獻(xiàn)對基于渦旋機(jī)的CAES系統(tǒng)進(jìn)行了動態(tài)仿真,仿真結(jié)果表明渦旋壓縮機(jī)腔室間壓差小,泄漏損耗小,全效率高,適合在CAES系統(tǒng)中應(yīng)用。2)膨脹機(jī)。與壓縮機(jī)類似,壓縮空氣儲能系統(tǒng)膨脹機(jī)的膨脹比也遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于常規(guī)燃?xì)廨啓C(jī)透平,因而一般采用多級膨脹加中間再熱的形式。比如,Huntorf電站的膨脹機(jī)由兩級構(gòu)成,第一級從4.6MPa膨脹至1.1MPa,第二級則完全膨脹。由于壓力過高,第一級透平不能直接應(yīng)用普通燃?xì)廨啓C(jī)透平,Huntorf電站采用了改造過的蒸汽透平作為第一級透平使用。3)燃燒室。膨脹的空氣進(jìn)入燃燒室,燃燒燃料,產(chǎn)生蒸汽和高壓空氣一起進(jìn)入膨脹機(jī)做功。燃燒室內(nèi)部的壓力和溫度較大,燃燒產(chǎn)生的污染物也會隨之增加,因此在燃燒過程中需控制其燃燒溫度,通常設(shè)置在500℃以下。Huntorf電站的第一級透平前的燃燒室溫度則為500℃。4)儲氣室。洞穴或者壓力容器,用來儲存高壓空氣。一般而言,一個200MW的CAES電站需要約1Mm3的存儲空間用于存儲高壓空氣。大型CAES系統(tǒng)的儲氣室壓力通常為4.0～8.0MPa,例如,McIntosh電站儲氣室壓力為7.5MPa。為形成大規(guī)模儲能,通常利用含鹽巖石或硬巖地層人工開挖,或自然形成的多孔的地下蓄水巖層,用于貯存壓縮空氣。鹽穴、硬巖空腔和地下蓄水層都可用作高壓貯氣庫,且容量大,費用較低。已投入運行的Huntorf和McIntosli電站均采用地下鹽礦洞穴。5)電動機(jī)/發(fā)電機(jī)。電動機(jī)與壓縮機(jī)相連,發(fā)電機(jī)與膨脹機(jī)相連,無特殊要求。6)控制系統(tǒng)和輔助設(shè)備。燃料罐、管路和配件等,可保證系統(tǒng)安全高效運行。7)儲熱器。從成本和效率方面考慮,AA-CAES的儲熱材料應(yīng)該具有較大的比熱容、溫度范圍寬廣、環(huán)境友好、易于獲得等特點。文獻(xiàn)對多種材料的儲熱性質(zhì)做了對比分析,Li-CaF2是高溫儲熱的較理想材料之一。AA-CAES的儲熱器以熱存儲技術(shù)為基礎(chǔ),需要保證密閉性好、熱耗散小,能適應(yīng)透平機(jī)械的工作范圍,同時成本適宜。文獻(xiàn)采用固體材料存儲熱量,對比了多種方案,提出了采用固體材料增大與氣體的接觸面積,減小熱損失,實現(xiàn)熱量儲存。文獻(xiàn)則采用水作為儲熱材料,在壓縮或膨脹空氣時進(jìn)行噴水汽,在增大接觸面積的情況下,實現(xiàn)大量的能量儲存。CAES電站的示意圖可如圖1所示。CAES電站工作可分為兩相:壓縮相和發(fā)電相。壓縮相中,將大氣中的空氣吸入壓縮機(jī)壓縮,得到的高壓空氣在儲氣室存儲。發(fā)電相中,壓縮的高壓空氣從儲氣室進(jìn)入燃燒室,與燃料燃燒產(chǎn)生的高溫和高壓氣體混合到一起進(jìn)入到膨脹機(jī),帶動發(fā)電機(jī)發(fā)電。大型CAES系統(tǒng)的轉(zhuǎn)化效率在75%左右,使用壽命在30a以上。CAES的建設(shè)成本主要取決于儲氣室的成本,每千瓦的建設(shè)成本通常在500～600美元。2.2小型caes系統(tǒng)小型CAES的存儲規(guī)模在10MW級,其組成與大型CAES類似。小型CAES利用地面上的高壓儲氣罐來實現(xiàn)高壓空氣的存儲,突破了大型CAES的選址限制,布局靈活性更強,可以適應(yīng)各種環(huán)境。在出力范圍內(nèi),小型CAES燃燒成本溫度、成本較低。文獻(xiàn)中對小型CAES進(jìn)行了評估,證明其可行性及經(jīng)濟(jì)性較好。小型CAES可以用作無間斷電源或電力需求側(cè)管理等,還可以和新能源耦合。文獻(xiàn)對小型CAES系統(tǒng)在韓國電網(wǎng)需求側(cè)管理中的作用進(jìn)行了研究,并對CAES系統(tǒng)在韓國未來的良好應(yīng)用前景進(jìn)行了展望。文獻(xiàn)[26-27]表明,小型CAES系統(tǒng)能夠與風(fēng)電場結(jié)合,改善風(fēng)電場的運行狀況,取得良好的經(jīng)濟(jì)效益。文獻(xiàn)對小型CAES系統(tǒng)在光伏電池中的應(yīng)用進(jìn)行了建模與仿真,并指明該耦合方式具有光明前景。小型CAES的技術(shù)難點在于儲氣罐。小型CAES系統(tǒng)由于體積限制,將空氣儲存到壓力容器中,同時,為了提高蓄能總量,需將空氣壓縮到更大的壓強下儲存。文獻(xiàn)設(shè)計了地上儲氣裝置,可以承受8.3MPa以上的壓強,能夠滿足小型CAES系統(tǒng)對儲氣設(shè)備的要求。目前市場上的高壓儲氣罐容許壓強可以達(dá)到30MPa以上。Allison公司應(yīng)用于小型CAES系統(tǒng)的燃?xì)馔钙娇商峁?～12MW的功率,地上儲氣室壓力更高,約為10～14MPa,供能時間為3～5h,該小型CAES電站的投資成本約為550$/kW。2.3靜態(tài)效益評估微型CAES的存儲規(guī)模在10kW級,與小型CAES相似,容量和體積更小。微型CAES通常應(yīng)用到特殊領(lǐng)域,例如控制、通信和軍事領(lǐng)域等,作為備用電源?；驊?yīng)用于偏遠(yuǎn)孤立地區(qū)的微小型電網(wǎng)、以及壓縮空氣汽車動力等。文獻(xiàn)對微型CAES的容量效益、環(huán)保效益和能量轉(zhuǎn)化效益等靜態(tài)效益進(jìn)行了建模評估,以裝機(jī)容量為800kW的分布式微型系統(tǒng)為例,計算得出總靜態(tài)效益為679.53萬元/a,靜態(tài)效益明顯。文獻(xiàn)提出了6種微型CAES的集成方案,并對微型CAES系統(tǒng)的選型、熱力計算和綜合效益進(jìn)行了詳細(xì)敘述以及評估。3從caes集成到能源系統(tǒng)目前,CAES已展現(xiàn)出其光明的前景,除了在容量效益、環(huán)保效益和能量轉(zhuǎn)化效益等靜態(tài)效益中優(yōu)勢明顯,還具有調(diào)頻效益、調(diào)相效益、快速負(fù)荷跟蹤效益、旋轉(zhuǎn)備用效益、提高供電可靠性效益和黑啟動效益6個方面的動態(tài)效益。CAES的綜合效益高,應(yīng)用范圍廣泛,研究性強。未來一段時間內(nèi),CAES系統(tǒng)的研究將集中在以下幾個方面。1)模塊化研究。大型CAES系統(tǒng)儲氣室一般為洞穴,造成CAES的選址較為苛刻。模塊化研究將CAES系統(tǒng)拆分成各個小型CAES系統(tǒng),結(jié)合分布式能量系統(tǒng),可根據(jù)需要拼接成各種容量的CAES系統(tǒng)。目前,已有單機(jī)容量2MW的CAES模塊。2)新能源耦合方式。CAES系統(tǒng)在未來會與更多的新能源相結(jié)合,以改善新能源的運行狀況,緩解新能源接入與傳統(tǒng)電網(wǎng)之間的矛盾。CAES系統(tǒng)與其他能源系統(tǒng)的耦合方式也將成為關(guān)于CAES系統(tǒng)的研究熱點之一。3)熱電聯(lián)產(chǎn)。CAES與其他系統(tǒng)聯(lián)合循環(huán)以及熱、電、冷多聯(lián)供等方式都可以大幅度提高能源利用效率,是未來研究的發(fā)展趨勢之一。4)儲熱器。AA-CAES系統(tǒng)的儲熱器非常重要,在絕熱環(huán)境下,如何收集以及存儲熱量是一個重大課題。目前,在絕熱條件達(dá)到標(biāo)標(biāo)的情況下,考慮到經(jīng)濟(jì)性和實用性,水可以成為良好的儲熱介質(zhì)。美國和俄羅斯正在進(jìn)行這方面的研究。5)儲氣罐?？諝鈨Υ鏁r一般有恒壓和恒容2種存儲方式,文獻(xiàn)提出恒壓儲氣罐的效率遠(yuǎn)高于恒容儲氣罐,但是恒容儲氣罐的存儲體積又大于恒壓儲氣罐。因此未來一段時間,攻克恒壓儲氣罐技術(shù)具有重要意義。6)優(yōu)化配合。CAES系統(tǒng)元件多,配合復(fù)雜。未來的工作中,各部件的最優(yōu)配合,提高系統(tǒng)效率顯得尤為重要。新型工作模式設(shè)計中,更需要將優(yōu)化配合擺在首位。4中小型caes系統(tǒng)的難點1)CAES系統(tǒng)的特點在于其清潔高效