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媒体公告

压缩空气储能技术原理

发布时间:2022-09-27 01:57:31 来源:新利18官网登录网址 作者:新利18官网手机版下载

  压缩空气储能被公认为是一种比较适合大规模系统的储能技术。本文对压缩空气储能的技术原理和发展现状进行了简要讲解,包括工作原理、工作过程、关键技术、应用领域等。储能通过一定介质存储能量(主要是电能),在需要时将所存能量释放,以提高能量系统的效率、安全性和经济性。储能是目前制约可再生能源大规模利用的最主要瓶颈之一,也是提高常规电力系统效率、安全性和经济性以及分布式能源系统和智能电网的关键技术,因此成为了当前电力和能源领域的研发和投资热点。压缩空气储能和抽水蓄能被公认为是比较适合大容量和长时间电能存储的储能系统。压缩空气储能系统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。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。我国对压缩空气储能系统的研发虽然起步较晚,但已得到相关科研院所、电力企业和政府部门的高度重视,是目前大规模储能技术的研发热点。压缩空气储能是基于燃气轮机技术提出的一种能量存储系统。图1为燃气轮机的工作原理图,空气经压气机压缩后,在燃烧室中利用燃料燃烧加热升温,然后高温高压燃气进入透平膨胀做功。燃气轮机的压气机需消耗约2/3的透平输出功,因此燃气轮机的净输出功远小于透平的输出功。压缩空气储能系统的压缩机和透平不同时工作(图2和图3),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,进入燃烧室利用燃料燃烧加热升温后,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2倍甚至更多的电力。压缩空气储能具有适用于大型系统(100MW级以上)、储能周期不受限制、系统成本低、寿命长等优点;但存在对大型储气室、化石燃料的依赖等问题。压缩空气储能的工作过程同燃气轮机类似,如图4所示。假定压缩和膨胀过程均为单级过程[图4(a)],则压缩空气储能系统的(1)压缩过程1—2空气经压缩机压缩到一定的高压,并存于储气室;理想状态下空气压缩过程为绝热压缩过程1—2,实际过程由于不可逆损失为1—2。(2)加热过程2—3高压空气经储气室释放,同燃料燃烧加热后变为高温高压的空气;一般情况下,该过程为等压吸热过程。(3)膨胀过程3—4高温高压的空气膨胀,驱动透平发电;理想状态下,空气膨胀过程为绝热膨胀过程3—4,实际过程由于不可逆损失为3—4。(4)冷却过程4—1空气膨胀后排入大气,然后下次压缩时经大气吸入;这个过程为等压冷却过程。压缩空气储能系统同燃气轮机系统的工作过程的主要区别在于:①燃气轮机系统上述4个过程连续进行,即图4(a)中4个过程完成一个回路,而压缩空气储能系统中压缩过程1—2同加热和膨胀过程(2—3—4)不连续进行,中间为空气存储过程;②燃气轮机系统不存在空气存储过程,压缩空气在储气室中的存储过程在图中没有示出,一般情况下压缩存储过程中温度会有所少量降低,但容积保持不变,在热力学上是一个定容冷却过程。压缩空气储能系统实际工作时,常采用多级压缩和级间/级后冷却、多级膨胀和级间/级后加热的方式,其工作过程如图4(b)所示。图4(b)中,过程2—1和过程4—3分别表示压缩的级间冷却和膨胀过程级间加热过程。

  ②膨胀机,一般为多级透平膨胀机带级间再热设备;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;⑤电动机/发电机,通过离合器分别和压缩机以及膨胀机连接;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。压缩空气储能系统的关键技术包括高效压缩机技术、膨胀机(透平)技术、燃烧室技术、储气技术和系统集成与控制技术等。压缩机和膨胀机是压缩空气储能系统的核心部件,其性能对整个系统的性能具有决定性影响。尽管压缩空气储能系统与燃气轮机类似,但压缩空气储能系统的空气压力比燃气轮机高得多。因此,大型压缩空气储能电站的压缩机常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;膨胀机常采用多级膨胀加中间再热的结构形式。相对于常规燃气轮机,压缩空气储能系统的高压燃烧室的压力较大。因此,燃烧过程中如果温度较高,可能产生较多的污染物,因而高压燃烧室的温度一般控制在500℃以下。压缩空气储能系统要求的压缩空气容量大,通常储气于地下盐矿、硬石岩洞或者多孔岩洞,对于微小型压缩空气储能系统,可采用地上高压储气容器以摆脱对储气洞穴的依赖等。3应用领域CAES最初的主要目的是用于电网调峰和调频,如德国Huntorf电站和美国McIntosh电站的建设就是用来调峰调频,随着CAES技术及相关技术的发展和微型CAES(10~50MW)的出现,CAES应用越来越广泛,在可再生能源、分布式能源、汽车、UPS电源等方面得到了应用。(1)调峰大规模CAES最重要的应用就是电网调峰和调频,用于调峰的CAES电站可分为两类,在电网中独立的CAES电站和与电站匹配的CAES系统。(2)调频CAES另一个很重要的应用就是电网调频,CAES电站可以像其它燃气轮机电站、抽水蓄能电站、火电站一样起到调频作用。由于其用的是低谷电能,可做电网第一调频厂运行。当其与其它储能技术如超级电容、飞轮储能结合时,调频速度更快。(3)可再生能源通过CAES可以将间断的可再生能源储存起来,在用电高峰期释放,起到促进可再生能源大规模利用和提供高峰电量的作用等。主要包括与风电结合的CAES,与太阳能/光伏结合的CAES,以及与生物质结合的CAES等。(4)分布式能源系统大电网与分布式能源系统相结合是未来高效、低碳、高安全性能源系统的发展趋势。储能系统作为负荷平衡装置和备用电源等是解决分布式能源系统波动大、故障率高等缺点的主要途径。由于CAES由于其与制冷/制热/冷热电联产系统很容易结合的优点,在分布式能源系统中将有很好的应用。(5)其他应用CAES在汽车动力、UPS电源等方面有广泛的应用前景。