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壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展
日期:2021-10-08   [復(fù)制鏈接]
責(zé)任編輯:yutianyang_tsj 打印收藏評(píng)論(0)[訂閱到郵箱]
2021年7月15日,國(guó)家發(fā)改委、能源局發(fā)布了《關(guān)于加快推動(dòng)新型儲(chǔ)能發(fā)展的指導(dǎo)意見(jiàn)》。這是自2017年能源局聯(lián)合五部委發(fā)布《關(guān)于促進(jìn)我國(guó)儲(chǔ)能技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展的指導(dǎo)意見(jiàn)》后,第二部針對(duì)儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)的國(guó)家級(jí)綜合性政策文件。意見(jiàn)提出,到2025年,實(shí)現(xiàn)新型儲(chǔ)能從商業(yè)化初期向規(guī)?;l(fā)展轉(zhuǎn)變,在高安全、低成本、高可靠、長(zhǎng)壽命等方面取得長(zhǎng)足進(jìn)步,裝機(jī)規(guī)模達(dá)3000萬(wàn)千瓦以上。新型儲(chǔ)能成為能源領(lǐng)域碳達(dá)峰碳中和的關(guān)鍵支撐之一。

壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)(Compressed Air Energy Storage,CAES)以其儲(chǔ)能容量大、壽命長(zhǎng)、效率高、響應(yīng)速度快、安全可靠等突出優(yōu)勢(shì)被視為一種極具潛力的大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)。該技術(shù)利用低谷電(或光伏、風(fēng)電棄電)用壓縮機(jī)將空氣壓縮并存于儲(chǔ)氣室,待高峰電時(shí)將空氣加熱從儲(chǔ)氣室釋放驅(qū)動(dòng)發(fā)電,能夠有力支撐當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)調(diào)峰需求,促進(jìn)電力系統(tǒng)安全平穩(wěn)運(yùn)行,緩解峰谷差造成的電力供應(yīng)緊張局面,在電力的生產(chǎn)、運(yùn)輸和消費(fèi)等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。

壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)示意圖

1、技術(shù)發(fā)展脈絡(luò)

自從1949 年Stal Laval 提出壓縮空氣儲(chǔ)能以來(lái),其技術(shù)不斷發(fā)展革新,根據(jù)所用技術(shù)的不同,可將CAES 系統(tǒng)分為三代。第一代系統(tǒng)中,壓縮空氣與燃料混合燃燒,類似于燃?xì)廨啓C(jī),稱為傳統(tǒng)的補(bǔ)燃式CAES 系統(tǒng)(Traditional CAES,T-CAES),但該系統(tǒng)存在對(duì)化石燃料有依賴、循環(huán)效率不高(40%以上)的問(wèn)題;第二代系統(tǒng)中增加回?zé)嵫b置,回收排煙余熱,稱為帶回?zé)岬腃AES 系統(tǒng)(Regenerative CAES,R-CAES),儲(chǔ)能效率有所提高(50%以上);第三代系統(tǒng)中壓縮或膨脹過(guò)程絕熱,并增加儲(chǔ)熱裝置,利用壓縮空氣時(shí)產(chǎn)生的大量壓縮熱,使用儲(chǔ)熱裝置進(jìn)行回收,在發(fā)電過(guò)程中,再使用該熱源對(duì)壓縮空氣進(jìn)行預(yù)熱,從而提高系統(tǒng)效率(可達(dá)70%),具體技術(shù)路線包括先進(jìn)絕熱CAES系統(tǒng)(Advanced Adiabatic CAES,AA-CAES)、液態(tài)CAES系統(tǒng)(1iquid CAES,LAES)、超臨界CAES系統(tǒng)(supercritical CAES,SC-CAES)等。絕熱式CAES技術(shù)不僅環(huán)保(不采用燃料,故可稱為“非補(bǔ)燃式”),而且在能效方面也比傳統(tǒng)CAES技術(shù)更具競(jìng)爭(zhēng)力。

2、技術(shù)原理

傳統(tǒng)壓縮空氣儲(chǔ)能主要由三個(gè)過(guò)程組成:壓縮空氣、儲(chǔ)存空氣和膨脹釋能。在儲(chǔ)能期間,空氣通過(guò)壓氣機(jī)被壓縮,然后儲(chǔ)存于在儲(chǔ)氣室中;在釋能期間,高壓空氣進(jìn)入透平中膨脹做功。傳統(tǒng)壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的原理如下圖所示,主要由以下幾個(gè)部件組成。

(1)壓縮機(jī):通常為帶有中間冷卻裝置的多級(jí)壓縮機(jī),用于壓縮空氣。
(2)儲(chǔ)氣室:用于儲(chǔ)存壓縮空氣的地下、地上的洞穴或壓力容器。
(3)燃燒室:用于燃料燃燒,高壓空氣與燃料在燃燒室混合燃燒后進(jìn)入透平。
(4)膨脹機(jī):通常為具有級(jí)間再熱設(shè)備的多級(jí)膨脹透平。
(5)電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī):通過(guò)離合器分別聯(lián)接壓縮機(jī)和透平。
(6)其他控制設(shè)備及輔助設(shè)備:如燃料罐、冷卻系統(tǒng)、機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)和換熱器等。

傳統(tǒng)壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)原理圖

與傳統(tǒng)壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)相比,AA-CAES系統(tǒng)增加了蓄熱環(huán)節(jié)。在儲(chǔ)能期間,壓縮機(jī)壓縮空氣,在這個(gè)過(guò)程中空氣通過(guò)換熱器把熱量傳遞給儲(chǔ)熱介質(zhì),再將儲(chǔ)熱介質(zhì)收集起來(lái)儲(chǔ)存在蓄熱器高溫罐內(nèi),空氣則進(jìn)入儲(chǔ)氣室等待做功。在釋能期間,高壓空氣先流經(jīng)換熱器吸熱,再進(jìn)入透平做功,帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電,儲(chǔ)熱介質(zhì)在高低溫罐中被循環(huán)利用。兩級(jí)壓縮兩級(jí)膨脹的AA-CAES系統(tǒng)原理如下圖所示。

兩級(jí)壓縮-兩級(jí)膨脹AA-CAES系統(tǒng)原理圖

3、應(yīng)用場(chǎng)景


作為能量型儲(chǔ)能技術(shù)的壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù),具有機(jī)組壽命周期內(nèi)性能不衰減的優(yōu)勢(shì),在電源側(cè)儲(chǔ)能、電網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能及用戶側(cè)儲(chǔ)能三類場(chǎng)景中均有廣泛應(yīng)用前景:

在電源側(cè)儲(chǔ)能應(yīng)用場(chǎng)景下,壓縮空氣儲(chǔ)能站以參與調(diào)峰調(diào)頻等輔助服務(wù)為主要應(yīng)用場(chǎng)景。在電網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能應(yīng)用場(chǎng)景下,壓縮空氣儲(chǔ)能電站用途主要包括調(diào)峰調(diào)頻、黑啟動(dòng)、緩解輸配電阻塞及延緩輸配電設(shè)備投資、提高供電可靠性等,發(fā)揮保底電網(wǎng)作用。在用戶側(cè)儲(chǔ)能應(yīng)用場(chǎng)景下,壓縮空氣儲(chǔ)能站立足于滿足用戶降低用電成本及提高用電可靠性的需求,具體可包括基于峰谷電價(jià)的用電成本管理場(chǎng)景,基于兩部制電價(jià)的容量費(fèi)用管理場(chǎng)景,基于提升電能質(zhì)量及用電可靠性的場(chǎng)景、參與電力輔助服務(wù)市場(chǎng)場(chǎng)景等。

參考資料
[1]Hui Meng.Designand Operation of Compressed Air Energy Storage (CAES) for Wind Power throughProcess Modelling and Simulation. The University of Sheffield, 2018.
[2]劉明義,朱勇,曹傳釗,等. 壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)性能分析研究. 電工電能新技術(shù),2019,38(9):67-72.
[3]郭祚剛,馬溪原,雷金勇,等. 壓縮空氣儲(chǔ)能示范進(jìn)展及商業(yè)應(yīng)用場(chǎng)景綜述. 南方能源建設(shè),2019,6(3):17-26.
[4]路唱,何青. 壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)最新研究進(jìn)展. 電力與能源,2018,39(6):861-866.

原標(biāo)題:壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展
 
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