微小型壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)研究
風(fēng)能、太陽能等可再生能源的非穩(wěn)定輸出特性對(duì)電網(wǎng)系統(tǒng)的安全運(yùn)行影響很大。儲(chǔ)能系統(tǒng)不僅可以調(diào)節(jié)電網(wǎng)負(fù)荷提高供電品質(zhì)，而且可以作為應(yīng)急電源。本文對(duì)不同儲(chǔ)能方式進(jìn)行了分析，研究了儲(chǔ)存壓力和流量等運(yùn)行參數(shù)對(duì)微小型壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)輸出功率與運(yùn)行效率的影響，提出了風(fēng)電單元配置微小型壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的調(diào)控方案和需解決的關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)發(fā)展和提高電網(wǎng)安全運(yùn)行有參考意義。
1、前言
發(fā)展風(fēng)能、太陽能等可再生能源是我國能源發(fā)展的重要戰(zhàn)略。2012年出臺(tái)的《風(fēng)電發(fā)展“十二五”規(guī)劃》指出，到2015年全國風(fēng)電并網(wǎng)裝機(jī)總?cè)萘窟_(dá)到1億kW，到2020年達(dá)到2億kW，但是，風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電的輸出特性波動(dòng)較大，對(duì)電網(wǎng)安全有很大影響。真空技術(shù)網(wǎng)(http://genius-power.com/)認(rèn)為為了提升風(fēng)電品質(zhì)和解決遭遇突發(fā)狀況時(shí)的應(yīng)急供電問題，需要研究開發(fā)儲(chǔ)能系統(tǒng)。
早在20世紀(jì)50年代，為確保核電的平穩(wěn)運(yùn)行，人們就開始策劃建設(shè)以大電網(wǎng)調(diào)峰為目的的壓縮空氣儲(chǔ)能示范電站。1978年世界上第一座壓縮空氣蓄能電站在德國投入商業(yè)運(yùn)營，電站容量為290MW。示范電站在很大程度上依賴于采用化石燃料的常規(guī)燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)，系統(tǒng)效率較低且污染環(huán)境。2009年，美國將壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)列入未來
十大能源技術(shù)之一。2010年美國能源部分別與太平洋燃?xì)夂碗娏?PG&E)以及紐約州立電力和燃?xì)夤?NYSEG)簽訂了壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)示范工程合同，功率分別為150MW和300MW，兩個(gè)項(xiàng)目采用地下儲(chǔ)存壓縮空氣的模式，儲(chǔ)能時(shí)間為10h。示范工程將在2015年完成性能和可靠性測試。
日本、瑞士、盧森堡等也在積極研究開發(fā)壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)，并規(guī)劃建設(shè)壓縮空氣儲(chǔ)能示范電站。日本能源廳和電源公司已研制出變壓式和定壓式兩種壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)。
近年來，我國學(xué)者在壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)研究方面也取得了一定進(jìn)展，如華北電力大學(xué)的壓縮空氣蓄能系統(tǒng)的熱力性能計(jì)算與優(yōu)化及其經(jīng)濟(jì)性分析研究，中國科學(xué)院基于超臨界過程的壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)研究，哈爾濱電力部門利用地道作為儲(chǔ)氣容積的壓縮空氣儲(chǔ)能電站開發(fā)等。但總體而言，我國壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)的研究開發(fā)特別是工程化實(shí)踐尚處于初級(jí)階段。
2、壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)分析
儲(chǔ)能系統(tǒng)有多種形式，如抽水蓄能系統(tǒng)、電池蓄能系統(tǒng)、飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)和壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)等。抽水蓄能系統(tǒng)技術(shù)成熟，但對(duì)地理環(huán)境要求較高，不適應(yīng)于風(fēng)電場應(yīng)用;電池蓄能系統(tǒng)制造成本較高，且有二次污染問題;飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)發(fā)電功率較小，大型化問題較多;壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)高效可靠、經(jīng)濟(jì)靈活，且環(huán)境友好，是儲(chǔ)能領(lǐng)域發(fā)展的國際前沿技術(shù)。
對(duì)于大型并網(wǎng)型風(fēng)電場，主要采用地下存儲(chǔ)壓縮空氣的大型儲(chǔ)能系統(tǒng)，而這種系統(tǒng)完全依賴于地質(zhì)條件;對(duì)于微小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，可采用高壓空氣直接膨脹發(fā)電方式，以期在投入較少且無需外部燃料的情況下保證穩(wěn)定的供電質(zhì)量。采用地上存儲(chǔ)壓縮空氣的小型壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)，通常利用壓力管道或儲(chǔ)氣罐等來存儲(chǔ)壓縮空氣，且系統(tǒng)安裝不受地域條件限制。為了提高系統(tǒng)效率和增大存儲(chǔ)量，最重要的措施就是提高系統(tǒng)的運(yùn)行壓力，但系統(tǒng)壓力又與系統(tǒng)效率、運(yùn)行可靠性等有關(guān)，需綜合考慮。
提高系統(tǒng)的運(yùn)行壓力，可以提高壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的儲(chǔ)能密度，減小儲(chǔ)氣罐的體積。然而，不論是透平式結(jié)構(gòu)還是容積式結(jié)構(gòu)，盡管單級(jí)壓縮或膨脹的最佳效率有一個(gè)最佳的壓力比或膨脹比與其相對(duì)應(yīng)，但單級(jí)壓力比和膨脹比較小，提高儲(chǔ)能系統(tǒng)的運(yùn)行壓力必然需要壓縮機(jī)和膨脹機(jī)級(jí)數(shù)的增加。
多級(jí)高壓力比壓縮機(jī)需要通過中間冷卻(級(jí)間)方式確保其運(yùn)行效率和可靠性，高膨脹比的膨脹機(jī)則需要通過多級(jí)膨脹、中間加熱的方式保證其效率和運(yùn)行的可靠性。因此，儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行壓力的提高必然導(dǎo)致輔助設(shè)備的投入增加和系統(tǒng)復(fù)雜性，且多級(jí)壓縮和多級(jí)膨脹增加了運(yùn)行過程的不可逆損失。如果壓縮空氣的儲(chǔ)存壓力為1～3MPa，即壓縮機(jī)的壓縮比與膨脹機(jī)的膨脹比為30。根據(jù)文獻(xiàn)，壓縮機(jī)和膨脹機(jī)的效率會(huì)隨壓比的增加而降低，可采用如公式(1)和(2)進(jìn)行計(jì)算，其變化趨勢(shì)如圖1所示。
圖1 壓比對(duì)壓縮機(jī)和膨脹機(jī)效率的影響
在小型壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)中，需要考慮高壓比時(shí)壓縮機(jī)和膨脹機(jī)效率的變化對(duì)系統(tǒng)效率的影響。圖2表示壓縮空氣儲(chǔ)存壓力對(duì)系統(tǒng)儲(chǔ)能效率和儲(chǔ)能密度的影響趨勢(shì)，即壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的儲(chǔ)能密度隨儲(chǔ)存壓力的升高而增大，但系統(tǒng)的儲(chǔ)能效率隨儲(chǔ)氣壓力的升高而逐漸減低。因此，壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的儲(chǔ)存壓力需要綜合考慮系統(tǒng)效率、儲(chǔ)能密度以及運(yùn)行可靠性等因素進(jìn)行優(yōu)化選擇。
圖2 儲(chǔ)存壓力對(duì)壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)效率和儲(chǔ)能密度的影響
不同壓比下壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的輸出功率隨流量的變化趨勢(shì)如圖3所示，壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)中壓縮機(jī)功耗和膨脹機(jī)輸出功都隨著流量和壓比的增大而增大，且壓縮機(jī)的功耗增長速率明顯。對(duì)于一定容量的壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)，膨脹機(jī)的流量由膨脹機(jī)的功率和運(yùn)行壓力共同決定。壓縮機(jī)流量與膨脹機(jī)流量的比值反映了了壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的充放電時(shí)間的大小。而在流量一定時(shí)，儲(chǔ)氣罐的容積大小決定了壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)調(diào)峰時(shí)間的長短，儲(chǔ)氣罐容積越大，系統(tǒng)的調(diào)峰時(shí)間越長。
圖3 壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)輸出功與流量的關(guān)系
3、微小型壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)及其關(guān)鍵技術(shù)
3.1、系統(tǒng)方案
我國風(fēng)電場單機(jī)規(guī)模以2MW、3MW機(jī)組為主，開發(fā)重點(diǎn)為5MW。如果每臺(tái)2MW或風(fēng)電3MW機(jī)組配一微小型壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)，其原理見圖4。在微小型壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)中，可根據(jù)發(fā)電功率選擇膨脹機(jī)(結(jié)構(gòu)型式)和發(fā)電機(jī)規(guī)格，根據(jù)氣量和壓力選擇壓縮機(jī)(結(jié)構(gòu)型式)與儲(chǔ)氣罐大小。
圖4 微小型壓縮空氣儲(chǔ)能及其利用原理
調(diào)峰時(shí)間按15、30和60min計(jì)算，則理論上系統(tǒng)的最大效率和最小的儲(chǔ)氣罐容積如表1所示。從表1可以看出，在相同的調(diào)峰時(shí)間時(shí)，隨著儲(chǔ)氣壓力的提高，儲(chǔ)氣罐容積隨之降低，但充能時(shí)間有所增大，同時(shí)壓縮功耗增大，儲(chǔ)能系統(tǒng)效率逐漸降低。因此，表1數(shù)據(jù)也表明微小型壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的儲(chǔ)氣壓力與儲(chǔ)存容積、系統(tǒng)效率和儲(chǔ)能密度等密切相關(guān)。
表1 微小型壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)參數(shù)與性能
3.2、經(jīng)濟(jì)性分析
壓縮空氣儲(chǔ)能電站的經(jīng)濟(jì)效益主要包括靜態(tài)效益和動(dòng)態(tài)效益兩部分。靜態(tài)效益是該電站承擔(dān)以峰填谷和能量轉(zhuǎn)換功能時(shí)所體現(xiàn)的經(jīng)濟(jì)性和可靠性效益。動(dòng)態(tài)效益是指由于儲(chǔ)能電站的適應(yīng)性、靈活性和高可靠性而在承擔(dān)事故備用電源、負(fù)荷備用等時(shí)所體現(xiàn)的經(jīng)濟(jì)性和可靠性效益。壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)應(yīng)用于風(fēng)電場所擔(dān)負(fù)的主要功能是尖峰容量和備用容量，減少風(fēng)電的裝機(jī)容量要求，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)約風(fēng)電設(shè)備的投資和運(yùn)行費(fèi)用。
3.3、關(guān)鍵參數(shù)與技術(shù)
(1)儲(chǔ)氣壓力及其優(yōu)化。壓縮空氣存儲(chǔ)壓力與發(fā)電系統(tǒng)的能量密度、儲(chǔ)能系統(tǒng)的效率等關(guān)系密切，需要優(yōu)化。為了提高壓力降低存儲(chǔ)容積，就需要選擇不同結(jié)構(gòu)型式的壓縮機(jī)組和膨脹機(jī)組。
(2)膨脹比及其控制。在壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)中，膨脹過程常處于非穩(wěn)定狀態(tài)，入口參數(shù)變化對(duì)膨脹機(jī)的輸出特性有很大影響，需要發(fā)展?jié)M足并網(wǎng)技術(shù)需求的輸出性能調(diào)控技術(shù)。
(3)系統(tǒng)效率與提高效率的相關(guān)技術(shù)。實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能系統(tǒng)在變工況下的高效、可靠與穩(wěn)定運(yùn)行，需提高壓縮機(jī)(組)和膨脹機(jī)(組)效率，開發(fā)系統(tǒng)集成優(yōu)化和控制策略，以及熱管理技術(shù)，如壓縮熱的回收與集蓄等。
4、結(jié)論
(1)單套風(fēng)電機(jī)組配備微小型壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)，可有效改善風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電品質(zhì)，并可作為應(yīng)急電源，其運(yùn)行維護(hù)方便，且這種配備出現(xiàn)故障時(shí)的影響面最小;
(2)壓縮空氣的儲(chǔ)存壓力是儲(chǔ)能系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)，影響到系統(tǒng)效率和儲(chǔ)能密度的大小。儲(chǔ)存壓力的選擇，還需考慮系統(tǒng)的成本和運(yùn)行可靠性;
(3)膨脹機(jī)設(shè)計(jì)制造和膨脹比控制技術(shù)，是微小型壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)發(fā)展的關(guān)鍵。
