空气储能系统的研究现状与发展趋势

空气储能系统的研究现状与发展趋势

电力储备系统通过特定介质存储能，并根据需要释放所存能量。发展电力储能系统是可再生能源大规模利用的迫切需要,也是提高常规电力系统效率、安全性和经济性的有效途径,以及智能电网和分布式能源系统的关键技术。目前已有的电力储能技术包括抽水蓄能电站、压缩空气、蓄电池、液流电池、超导磁能、飞轮和电容/超级电容等。但由于容量、储能周期、能量密度、充放电效率、寿命、运行费用、环保等原因,迄今已在大规模(比如100MW以上)商业系统中运行的储能系统仅有抽水蓄能电站和压缩空气两种。抽水电站具有技术成熟、效率高、容量大、储能周期长等优点,是目前广泛使用的电力储能系统。目前全球已有约200座抽水电站储能系统在运行,总装机容量超过110GW。但是,抽水电站储能系统需要特殊的地理条件建造两个水库和水坝,因此选址困难,建设周期很长,初期投资巨大,甚至会大面积淹没植被甚至城市,导致生态和移民问题。压缩空气储能系统是另一种能够实现大容量和长时间电能存储的电力储能系统。它通过压缩空气储存多余的电能,在需要时,将高压空气释放通过膨胀机做功发电。自从1949年StalLaval提出利用地下洞穴实现压缩空气储能以来,国内外学者开展了大量的研究和实践工作,并已有两座大型电站分别在德国和美国投入商业运行。世界上第一座商业运行的压缩空气储能电站是1978年投入运行的德国Huntorf电站,目前仍在运行中。机组的压缩机功率60MW,释能输出功率为290MW,系统将压缩空气存储在地下600米的废弃矿洞中。机组可连续充气8小时,连续发电2小时。1991年投入商业运行的美国Alabama州的McIntosh压缩空气储能电站,其地下储气洞穴在地下450米,压缩机组功率为50MW,发电功率为110MW,可以实现连续41小时空气压缩和26小时发电。另外日本、意大利、以色列等国也分别有压缩空气储能电站正在建设过程中。我国虽然对压缩空气储能系统的研发起步较晚,但随着电力负荷峰谷比快速增加、可再生能源特别是风力发电的迅猛发展,迫切需要研究开发一种除抽水电站之外,能够大规模长时间储能技术。因此,对压缩空气储能系统的研究已经得到相关科研院所、电力企业和政府部门高度重视,是目前大规模储能技术的研发热点。监狱燃气储能系统传统压缩空气储能系统是基于燃气轮机技术发展起来的一种能量存储系统。但与燃气轮机工作原理不同的是压缩空气储能系统的压缩机和透平(涡轮)不同时工作,在储能时,压缩空气储能系统耗用电能将空气压缩并存于储气室中;在释能时,高压空气从储气室释放,进入燃气轮机燃烧室同燃料一起燃烧后,驱动透平发电。由于储能、释能分时工作,在释能过程中,并没有压缩机消耗透平的输出功。因此,相比于消耗同样燃料的燃气轮机系统,压缩空气储能系统可以多产生1倍以上的电力。如图1所示,压缩空气储能系统一般包括6个主要部件:(1)压缩机:一般为多级压缩机带中间冷却装置,它将空气压缩并存于储气装置中,使电能转化为空气的内能存储起来;(2)膨胀机:一般为多级透平膨胀机带级间再热设备,利用压缩空气膨胀驱动透平做功,回收储存在压缩空气中的能量;(3)燃烧室及换热器:用于燃料燃烧和回收余热等;(4)储气装置:地下或者地上洞穴或压力容器,用来储存压缩空气;(5)电动机/发电机:通过离合器分别和压缩机以及膨胀机联接,兼有电动机和发电机的功能;(6)控制系统和辅助设备:包括控制系统、燃料罐、机械传动系统、管路和配件等。同其他储能技术相比,压缩空气储能系统具有容量大、工作时间长、经济性能好、充放电循环寿命长等优点。具体包括:(1)压缩空气储能系统适合建造大型电站(>100MW),仅次于抽水电站;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)大型压缩空气储能系统的单位建造成本和运行成本均比较低,低于抽水蓄能电站,具有很好的经济性。(3)压缩空气储能系统的寿命很长,可以储/释能上万次,寿命可达40-50年;并且其效率可以达到70%左右,接近抽水蓄能电站。压缩空气储能系统的缺点,包括:(1)传统的压缩空气储能系统不是一项独立的技术,它必须同燃气轮机电站配套使用;而且传统的压缩空气储能系统仍然依赖燃烧化石燃料提供热源,一方面面临化石燃料逐渐枯竭和价格上涨的威胁,另一方面其燃烧仍然产生氮化物、硫化物和二氧化碳等污染物,不符合绿色(零排放)、可再生的能源发展要求。(2)压缩空气储能系统比较适合于大型系统,小型压缩空气储能系统的效率较低;而大型系统需要特定的地理条件建造大型储气室,如岩石洞穴、盐洞、废弃矿井等,从而大大限制了压缩空气储能系统的应用范围。果汽式地调空间气和可再生能源耦合的监狱空气和空气储能系统为解决常规压缩空气储能系统面临的主要问题,即需要大型储气装置和依赖燃烧化石燃料的问题,先后出现了带蓄热的压缩空气储能系统、微小型压缩空气储能系统、液化空气储能系统、超临界压缩空气储能系统、与可再生能源耦合的压缩空气储能系统等。通常所说的带储热的压缩空气储能系统,又被称为先进绝热压缩空气储能系统。压缩空气储能系统中空气的压缩过程接近绝热过程,存在大量的压缩热。带储热的压缩空气储能系统将空气压缩过程中的压缩热存储在储热装置中,并在释能过程中,利用存储的压缩热加热压缩空气,然后驱动透平做功,相比于燃烧燃料的传统压缩空气储能系统,由于回收了空气压缩过程的压缩热,系统的储能效率可以得到较大提高;同时,由于用压缩热代替燃料燃烧,系统去除了燃烧室,实现了零排放的要求。该系统的主要缺点是,由于添加了储热装置,相比传统的压缩空气储能电站,该系统的初期投资成本将有所增加。小型压缩空气储能系统的规模一般在10MW级,它利用地上高压容器储存压缩空气,从而突破大型传统压缩空气电站对储气洞穴的依赖,具有更大的灵活性。相比于大型电站,它更适合于城区的供能系统——分布式供能、小型电网等,用于电力需求侧管理、无间断电源等;同时它也可以建于风电场等可再生能源系统附近,调节稳定可再生能源电力的供应等。微型压缩空气储能系统的规模一般在几kW到几十kW级,它也是利用地上高压容器储存压缩空气,主要用于特殊领域(比如控制、通讯、军事领域)的备用电源、偏远孤立地区的微小型电网、以及压缩空气汽车动力等。液化空气和超临界压缩空气储能系统是最近才提出的新型压缩空气储能系统。由于液态空气的密度远大于气态空气的密度,液化空气储能系统不需要大型储气室。超临界压缩空气储能系统利用超临界状态下空气的特殊性质,综合了常规压缩空气储能系统和液化空气储能系统的优点,具有储能规模大、效率高、投资成本低、能量密度高、不需要大的储存装置等优点。目前这两项技术尚处于研发阶段。另一方面,由于太阳能、风能等可再生能源存在间歇性和不稳定性问题,压缩空气储能和可再生能源耦合的系统可以将间歇式可再生能源“拼接”起来,并稳定地输出,为可再生能源大规模利用提供有效的解决方案。通过带储热的压缩空气储能系统,可将太阳能之热能存储在储热装置中,在需要时加热压缩空气,然后驱动透平发电,从而可以解决太阳能的间歇性和不稳定性问题。除太阳能热能外,电力、化工、水泥等行业的余热、废热均可作为压缩空气储能系统的外来热源,带储热的压缩空气储能系统具有广泛的应用前景。另外还可以耦合风力发电系统,在用电低谷,风电厂的多余电力驱动压缩机,压缩并储存压缩空气;在用电高峰,压缩空气燃烧并进入燃气透平发电,用以填补风电对电网/用户的供电不足。压缩空气储能系统还可以方便地同生物质能耦合。如果采用生物质代替天然气作为压缩空气储能的燃料,将可以降低系统温室气体的排放,并降低系统对天然气供应的依赖。生物质一般首先气化为合成气,然后应用到压缩空气系统中。如果把政府对生物质发展的补贴,以及降低温室气体排放所节省的费用计算在内,那么将可以充分弥补因采用生物质燃料增加的费用,成为很有吸引力的技术。综合来看,压缩空气储能技术总体上比较成熟,虽然其能量转换效率不如电池高,但是由于系统储能规模大、平均成本较其他储能