一种新型的大规模蓄能技术压缩空气蓄能 (CAES) 系统综述

一种新型的大规模蓄能技术压缩空气蓄能(CAES)系统综述

随着我国经济的发展，能源需求不断增加，大型能源系统的规划、建设、规划以及电气系统的运营变得越来越重要。在此背景下,大规模蓄能技术的应用打破了电力供需实时平衡的限制,蓄能技术能在负荷高峰时发电,在负荷低谷时存储电能,不仅提高了系统的灵活性,有效降低昼夜峰谷差,还提升了电网稳定性、可靠性和电能质量。蓄能技术与可再生能源的结合应用,显著提高了可再生能源的利用率,同时,在分时段电价的机制下,蓄能技术也会带来明显的经济效益。不同的蓄能技术有不同的特点与特性,使它们的适用场景各不相同。现有的蓄能技术主要包括:电池蓄能、抽水蓄能、飞轮蓄能、CAES等。表1给出了各种蓄能方式的性能对比。其中,电池蓄能技术简单,易于掌握,但是寿命短,不易回收,对环境影响较大;抽水蓄能装机容量大,可达到GW级,运行成本低,但是建设工期长,初期投资高,对环境破坏较大;飞轮蓄能建设周期短,效率较高,但是投资较高,持续供电能力较弱,技术尚未成熟。CAES投资低,运行维护费用低,启动快,对环境污染较小,容量范围广,响应迅速,可以适用于多种环境,是除抽水蓄能外装机容量第二的大规模蓄能技术,具有光明的发展前景。本文主要介绍了CAES的发展与分类,针对不同容量的CAES系统的组成、技术特点与难点和应用领域及场景进行了总结与概述;并对CAES系统的研究方向与发展前景进行了展望。1日本caes电站1949年,德国首次提出CAES概念,即利用多余的电能驱动压缩机压缩空气,将电能转化为机械能,最后转化为空气的内能存储。在需要时,释放空气的内能,使其转化为电能,给用户供电。世界上首座CAES电站1978年在德国Huntorf建成,总容量为290MW。1991年,美国AlabamaElectricCooperative公司在阿拉巴马州的McIntosh建成世界上第2座CAES电站,其总容量为110MW,可为11000个家庭连续供电26h。除Huntorf和McIntosh的CAES电站外,日本正在建设35MW的CAES电站,以色列也在建设一个100MW、利用含水层洞穴储存的CAES电站。其他正在规划或建设的CAES电站有:意大利的针对含水岩层的研究用25MW的CAES发电设施;以色列的研究用硬岩含水层3×100MW的CAES发电设施等。CAES电站的核心技术为CAES系统,目前为止,根据CAES系统所用技术的不同,可将CAES系统分为3个代。第一代:压缩空气与燃料混合燃烧,提高燃料燃烧效率。德国Huntorf电站采用的是第一代CAES系统。第二代:与第一代CAES系统相似,技术有所改进,效率更高,经济效益更好。美国McIntosh电站采用的是第二代CAES系统。第三代:压缩或膨胀过程绝热,发电过程不使用燃料,无尾气排放。CAES系统在压缩空气过程中会储存热能,并在气体膨胀时给气体加热。第三代CAES系统目前仍在研发阶段。根据CAES系统存储容量的不同,CAES系统可以分为3类:1)大型CAES,单机容量为100MW;2)小型CAES,单机容量为10MW;3)微型CAES,单机容量为10kW。2CAES2.1膨胀机+中间再热aa-caes大型CAES存储规模在100MW级,通常应用在CAES电站中,主要部件包括压缩机、膨胀机、燃烧室、储气室、电动机/发电机以及控制系统及辅助设备。对于第三代大型CAES,即AA-CAES系统,采用储热器替代了燃烧室,避免了废弃污染环境。1)压缩机。压缩机是CAES系统的核心部件,其性能会对CAES系统的能量存储效率产生影响。尽管压缩空气储能循环与燃气轮机类似,但是燃气轮机的压缩机压比一般小于20,而压缩空气储能系统的压缩机压比则达到40～80,甚至更高。因此,大型压CAES电站的压缩机一般采用轴流与离心压缩机组成多级压缩、级间和级后冷却的结构形式。文献对基于涡旋机的CAES系统进行了动态仿真,仿真结果表明涡旋压缩机腔室间压差小,泄漏损耗小,全效率高,适合在CAES系统中应用。2)膨胀机。与压缩机类似,压缩空气储能系统膨胀机的膨胀比也远远高于常规燃气轮机透平,因而一般采用多级膨胀加中间再热的形式。比如,Huntorf电站的膨胀机由两级构成,第一级从4.6MPa膨胀至1.1MPa,第二级则完全膨胀。由于压力过高,第一级透平不能直接应用普通燃气轮机透平,Huntorf电站采用了改造过的蒸汽透平作为第一级透平使用。3)燃烧室。膨胀的空气进入燃烧室,燃烧燃料,产生蒸汽和高压空气一起进入膨胀机做功。燃烧室内部的压力和温度较大,燃烧产生的污染物也会随之增加,因此在燃烧过程中需控制其燃烧温度,通常设置在500℃以下。Huntorf电站的第一级透平前的燃烧室温度则为500℃。4)储气室。洞穴或者压力容器,用来储存高压空气。一般而言,一个200MW的CAES电站需要约1Mm3的存储空间用于存储高压空气。大型CAES系统的储气室压力通常为4.0～8.0MPa,例如,McIntosh电站储气室压力为7.5MPa。为形成大规模储能,通常利用含盐岩石或硬岩地层人工开挖,或自然形成的多孔的地下蓄水岩层,用于贮存压缩空气。盐穴、硬岩空腔和地下蓄水层都可用作高压贮气库,且容量大,费用较低。已投入运行的Huntorf和McIntosli电站均采用地下盐矿洞穴。5)电动机/发电机。电动机与压缩机相连,发电机与膨胀机相连,无特殊要求。6)控制系统和辅助设备。燃料罐、管路和配件等,可保证系统安全高效运行。7)储热器。从成本和效率方面考虑,AA-CAES的储热材料应该具有较大的比热容、温度范围宽广、环境友好、易于获得等特点。文献对多种材料的储热性质做了对比分析,Li-CaF2是高温储热的较理想材料之一。AA-CAES的储热器以热存储技术为基础,需要保证密闭性好、热耗散小,能适应透平机械的工作范围,同时成本适宜。文献采用固体材料存储热量,对比了多种方案,提出了采用固体材料增大与气体的接触面积,减小热损失,实现热量储存。文献则采用水作为储热材料,在压缩或膨胀空气时进行喷水汽,在增大接触面积的情况下,实现大量的能量储存。CAES电站的示意图可如图1所示。CAES电站工作可分为两相:压缩相和发电相。压缩相中,将大气中的空气吸入压缩机压缩,得到的高压空气在储气室存储。发电相中,压缩的高压空气从储气室进入燃烧室,与燃料燃烧产生的高温和高压气体混合到一起进入到膨胀机,带动发电机发电。大型CAES系统的转化效率在75%左右,使用寿命在30a以上。CAES的建设成本主要取决于储气室的成本,每千瓦的建设成本通常在500～600美元。2.2小型caes系统小型CAES的存储规模在10MW级,其组成与大型CAES类似。小型CAES利用地面上的高压储气罐来实现高压空气的存储,突破了大型CAES的选址限制,布局灵活性更强,可以适应各种环境。在出力范围内,小型CAES燃烧成本温度、成本较低。文献中对小型CAES进行了评估,证明其可行性及经济性较好。小型CAES可以用作无间断电源或电力需求侧管理等,还可以和新能源耦合。文献对小型CAES系统在韩国电网需求侧管理中的作用进行了研究,并对CAES系统在韩国未来的良好应用前景进行了展望。文献[26-27]表明,小型CAES系统能够与风电场结合,改善风电场的运行状况,取得良好的经济效益。文献对小型CAES系统在光伏电池中的应用进行了建模与仿真,并指明该耦合方式具有光明前景。小型CAES的技术难点在于储气罐。小型CAES系统由于体积限制,将空气储存到压力容器中,同时,为了提高蓄能总量,需将空气压缩到更大的压强下储存。文献设计了地上储气装置,可以承受8.3MPa以上的压强,能够满足小型CAES系统对储气设备的要求。目前市场上的高压储气罐容许压强可以达到30MPa以上。Allison公司应用于小型CAES系统的燃气透平可提供8～12MW的功率,地上储气室压力更高,约为10～14MPa,供能时间为3～5h,该小型CAES电站的投资成本约为550$/kW。2.3静态效益评估微型CAES的存储规模在10kW级,与小型CAES相似,容量和体积更小。微型CAES通常应用到特殊领域,例如控制、通信和军事领域等,作为备用电源。或应用于偏远孤立地区的微小型电网、以及压缩空气汽车动力等。文献对微型CAES的容量效益、环保效益和能量转化效益等静态效益进行了建模评估,以装机容量为800kW的分布式微型系统为例,计算得出总静态效益为679.53万元/a,静态效益明显。文献提出了6种微型CAES的集成方案,并对微型CAES系统的选型、热力计算和综合效益进行了详细叙述以及评估。3从caes集成到能源系统目前,CAES已展现出其光明的前景,除了在容量效益、环保效益和能量转化效益等静态效益中优势明显,还具有调频效益、调相效益、快速负荷跟踪效益、旋转备用效益、提高供电可靠性效益和黑启动效益6个方面的动态效益。CAES的综合效益高,应用范围广泛,研究性强。未来一段时间内,CAES系统的研究将集中在以下几个方面。1)模块化研究。大型CAES系统储气室一般为洞穴,造成CAES的选址较为苛刻。模块化研究将CAES系统拆分成各个小型CAES系统,结合分布式能量系统,可根据需要拼接成各种容量的CAES系统。目前,已有单机容量2MW的CAES模块。2)新能源耦合方式。CAES系统在未来会与更多的新能源相结合,以改善新能源的运行状况,缓解新能源接入与传统电网之间的矛盾。CAES系统与其他能源系统的耦合方式也将成为关于CAES系统的研究热点之一。3)热电联产。CAES与其他系统联合循环以及热、电、冷多联供等方式都可以大幅度提高能源利用效率,是未来研究的发展趋势之一。4)储热器。AA-CAES系统的储热器非常重要,在绝热环境下,如何收集以及存储热量是一个重大课题。目前,在绝热条件达到标标的情况下,考虑到经济性和实用性,水可以成为良好的储热介质。美国和俄罗斯正在进行这方面的研究。5)储气罐。空气储存时一般有恒压和恒容2种存储方式,文献提出恒压储气罐的效率远高于恒容储气罐,但是恒容储气罐的存储体积又大于恒压储气罐。因此未来一段时间,攻克恒压储气罐技术具有重要意义。6)优化配合。CAES系统元件多,配合复杂。未来的工作中,各部件的最优配合,提高系统效率显得尤为重要。新型工作模式设计中,更需要将优化配合摆在首位。4中小型caes系统的难点1)CAES系统的特点在于其清洁高效