微小型壓縮空氣儲能系統研究
風(fēng)能、太陽(yáng)能等可再生能源的非穩定輸出特性對電網(wǎng)系統的安全運行影響很大。儲能系統不僅可以調節電網(wǎng)負荷提高供電品質(zhì)，而且可以作為應急電源。本文對不同儲能方式進(jìn)行了分析，研究了儲存壓力和流量等運行參數對微小型壓縮空氣儲能系統輸出功率與運行效率的影響，提出了風(fēng)電單元配置微小型壓縮空氣儲能系統的調控方案和需解決的關(guān)鍵技術(shù)，對儲能系統發(fā)展和提高電網(wǎng)安全運行有參考意義。
1、前言
發(fā)展風(fēng)能、太陽(yáng)能等可再生能源是我國能源發(fā)展的重要戰略。2012年出臺的《風(fēng)電發(fā)展“十二五”規劃》指出，到2015年全國風(fēng)電并網(wǎng)裝機總容量達到1億kW，到2020年達到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，對電網(wǎng)安全有很大影響。真空技術(shù)網(wǎng)(http://likelearn.cn/)認為為了提升風(fēng)電品質(zhì)和解決遭遇突發(fā)狀況時(shí)的應急供電問(wèn)題，需要研究開(kāi)發(fā)儲能系統。
早在20世紀50年代，為確保核電的平穩運行，人們就開(kāi)始策劃建設以大電網(wǎng)調峰為目的的壓縮空氣儲能示范電站。1978年世界上第一座壓縮空氣蓄能電站在德國投入商業(yè)運營(yíng)，電站容量為290MW。示范電站在很大程度上依賴(lài)于采用化石燃料的常規燃氣輪機技術(shù)，系統效率較低且污染環(huán)境。2009年，美國將壓縮空氣儲能技術(shù)列入未來(lái)
十大能源技術(shù)之一。2010年美國能源部分別與太平洋燃氣和電力公司(PG&E)以及紐約州立電力和燃氣公司(NYSEG)簽訂了壓縮空氣儲能系統示范工程合同，功率分別為150MW和300MW，兩個(gè)項目采用地下儲存壓縮空氣的模式，儲能時(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(kāi)發(fā)壓縮空氣儲能技術(shù)，并規劃建設壓縮空氣儲能示范電站。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能系統。
近年來(lái)，我國學(xué)者在壓縮空氣儲能系統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的熱力性能計算與優(yōu)化及其經(jīng)濟性分析研究，中國科學(xué)院基于超臨界過(guò)程的壓縮空氣儲能系統研究，哈爾濱電力部門(mén)利用地道作為儲氣容積的壓縮空氣儲能電站開(kāi)發(fā)等。但總體而言，我國壓縮空氣儲能技術(shù)的研究開(kāi)發(fā)特別是工程化實(shí)踐尚處于初級階段。
2、壓縮空氣儲能系統分析
儲能系統有多種形式，如抽水蓄能系統、電池蓄能系統、飛輪儲能系統和壓縮空氣儲能系統等。抽水蓄能系統技術(shù)成熟，但對地理環(huán)境要求較高，不適應于風(fēng)電場(chǎng)應用;電池蓄能系統制造成本較高，且有二次污染問(wèn)題;飛輪儲能系統發(fā)電功率較小，大型化問(wèn)題較多;壓縮空氣儲能系統高效可靠、經(jīng)濟靈活，且環(huán)境友好，是儲能領(lǐng)域發(fā)展的國際前沿技術(shù)。
對于大型并網(wǎng)型風(fēng)電場(chǎng)，主要采用地下存儲壓縮空氣的大型儲能系統，而這種系統完全依賴(lài)于地質(zhì)條件;對于微小型風(fēng)力發(fā)電系統，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(wú)需外部燃料的情況下保證穩定的供電質(zhì)量。采用地上存儲壓縮空氣的小型壓縮空氣儲能系統，通常利用壓力管道或儲氣罐等來(lái)存儲壓縮空氣，且系統安裝不受地域條件限制。為了提高系統效率和增大存儲量，最重要的措施就是提高系統的運行壓力，但系統壓力又與系統效率、運行可靠性等有關(guān)，需綜合考慮。
提高系統的運行壓力，可以提高壓縮空氣儲能系統的儲能密度，減小儲氣罐的體積。然而，不論是透平式結構還是容積式結構，盡管單級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應，但單級壓力比和膨脹比較小，提高儲能系統的運行壓力必然需要壓縮機和膨脹機級數的增加。
多級高壓力比壓縮機需要通過(guò)中間冷卻(級間)方式確保其運行效率和可靠性，高膨脹比的膨脹機則需要通過(guò)多級膨脹、中間加熱的方式保證其效率和運行的可靠性。因此，儲能系統運行壓力的提高必然導致輔助設備的投入增加和系統復雜性，且多級壓縮和多級膨脹增加了運行過(guò)程的不可逆損失。如果壓縮空氣的儲存壓力為1～3MPa，即壓縮機的壓縮比與膨脹機的膨脹比為30。根據文獻，壓縮機和膨脹機的效率會(huì )隨壓比的增加而降低，可采用如公式(1)和(2)進(jìn)行計算，其變化趨勢如圖1所示。
圖1 壓比對壓縮機和膨脹機效率的影響
在小型壓縮空氣儲能系統中，需要考慮高壓比時(shí)壓縮機和膨脹機效率的變化對系統效率的影響。圖2表示壓縮空氣儲存壓力對系統儲能效率和儲能密度的影響趨勢，即壓縮空氣儲能系統的儲能密度隨儲存壓力的升高而增大，但系統的儲能效率隨儲氣壓力的升高而逐漸減低。因此，壓縮空氣儲能系統的儲存壓力需要綜合考慮系統效率、儲能密度以及運行可靠性等因素進(jìn)行優(yōu)化選擇。
圖2 儲存壓力對壓縮空氣儲能系統效率和儲能密度的影響
不同壓比下壓縮空氣儲能系統的輸出功率隨流量的變化趨勢如圖3所示，壓縮空氣儲能系統中壓縮機功耗和膨脹機輸出功都隨著(zhù)流量和壓比的增大而增大，且壓縮機的功耗增長(cháng)速率明顯。對于一定容量的壓縮空氣儲能系統，膨脹機的流量由膨脹機的功率和運行壓力共同決定。壓縮機流量與膨脹機流量的比值反映了了壓縮空氣儲能系統的充放電時(shí)間的大小。而在流量一定時(shí)，儲氣罐的容積大小決定了壓縮空氣儲能系統調峰時(shí)間的長(cháng)短，儲氣罐容積越大，系統的調峰時(shí)間越長(cháng)。
圖3 壓縮空氣儲能系統輸出功與流量的關(guān)系
3、微小型壓縮空氣儲能系統及其關(guān)鍵技術(shù)
3.1、系統方案
我國風(fēng)電場(chǎng)單機規模以2MW、3MW機組為主，開(kāi)發(fā)重點(diǎn)為5MW。如果每臺2MW或風(fēng)電3MW機組配一微小型壓縮空氣儲能系統，其原理見(jiàn)圖4。在微小型壓縮空氣儲能系統中，可根據發(fā)電功率選擇膨脹機(結構型式)和發(fā)電機規格，根據氣量和壓力選擇壓縮機(結構型式)與儲氣罐大小。
圖4 微小型壓縮空氣儲能及其利用原理
調峰時(shí)間按15、30和60min計算，則理論上系統的最大效率和最小的儲氣罐容積如表1所示。從表1可以看出，在相同的調峰時(shí)間時(shí)，隨著(zhù)儲氣壓力的提高，儲氣罐容積隨之降低，但充能時(shí)間有所增大，同時(shí)壓縮功耗增大，儲能系統效率逐漸降低。因此，表1數據也表明微小型壓縮空氣儲能系統的儲氣壓力與儲存容積、系統效率和儲能密度等密切相關(guān)。
表1 微小型壓縮空氣儲能系統參數與性能
3.2、經(jīng)濟性分析
壓縮空氣儲能電站的經(jīng)濟效益主要包括靜態(tài)效益和動(dòng)態(tài)效益兩部分。靜態(tài)效益是該電站承擔以峰填谷和能量轉換功能時(shí)所體現的經(jīng)濟性和可靠性效益。動(dòng)態(tài)效益是指由于儲能電站的適應性、靈活性和高可靠性而在承擔事故備用電源、負荷備用等時(shí)所體現的經(jīng)濟性和可靠性效益。壓縮空氣儲能系統應用于風(fēng)電場(chǎng)所擔負的主要功能是尖峰容量和備用容量，減少風(fēng)電的裝機容量要求，從而實(shí)現節約風(fēng)電設備的投資和運行費用。
3.3、關(guān)鍵參數與技術(shù)
(1)儲氣壓力及其優(yōu)化。壓縮空氣存儲壓力與發(fā)電系統的能量密度、儲能系統的效率等關(guān)系密切，需要優(yōu)化。為了提高壓力降低存儲容積，就需要選擇不同結構型式的壓縮機組和膨脹機組。
(2)膨脹比及其控制。在壓縮空氣儲能系統中，膨脹過(guò)程常處于非穩定狀態(tài)，入口參數變化對膨脹機的輸出特性有很大影響，需要發(fā)展滿(mǎn)足并網(wǎng)技術(shù)需求的輸出性能調控技術(shù)。
(3)系統效率與提高效率的相關(guān)技術(shù)。實(shí)現儲能系統在變工況下的高效、可靠與穩定運行，需提高壓縮機(組)和膨脹機(組)效率，開(kāi)發(fā)系統集成優(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、結論
(1)單套風(fēng)電機組配備微小型壓縮空氣儲能系統，可有效改善風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電品質(zhì)，并可作為應急電源，其運行維護方便，且這種配備出現故障時(shí)的影響面最小;
(2)壓縮空氣的儲存壓力是儲能系統的關(guān)鍵參數，影響到系統效率和儲能密度的大小。儲存壓力的選擇，還需考慮系統的成本和運行可靠性;
(3)膨脹機設計制造和膨脹比控制技術(shù)，是微小型壓縮空氣儲能系統發(fā)展的關(guān)鍵。
