由于當(dāng)前化石能源的短缺和碳排放引起環(huán)境問題的日趨嚴(yán)重,提高清潔能源的開發(fā)與利用水平,降低碳排放,已成為世界各國達(dá)成的共識。我國在“十四五”期間承諾將于2030年前實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰”、2060年前實(shí)現(xiàn)“碳中和”。其中,我國西部的農(nóng)業(yè)園區(qū)存在能源利用方式粗放、碳排放問題突出等問題,因此,實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)園區(qū)全清潔能源供能對雙碳目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)具有重大意義。
目前農(nóng)業(yè)園區(qū)的負(fù)荷需求主要是電能和熱能,電能的需求依賴于農(nóng)村電網(wǎng)的供應(yīng),由于當(dāng)前農(nóng)村電網(wǎng)存在網(wǎng)架結(jié)構(gòu)薄弱、電網(wǎng)設(shè)施老舊等問題,導(dǎo)致電網(wǎng)供電可靠性不足;熱能的需求主要是通過燃燒煤炭及生物質(zhì)能供應(yīng),產(chǎn)生的二氧化碳排放,不僅與雙碳目標(biāo)相悖,還惡化了當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境。
為貫徹落實(shí)“雙碳”目標(biāo),太陽能清潔供熱得到了快速發(fā)展。然而在極端低溫天氣的影響下,供暖能力的不足會造成農(nóng)業(yè)園區(qū)溫室大棚內(nèi)的作物大面積死亡,極大地限制了地區(qū)農(nóng)業(yè)的發(fā)展。因此,實(shí)現(xiàn)清潔能源的就地消納對農(nóng)業(yè)園區(qū)的生產(chǎn)和發(fā)展具有重要價(jià)值和意義。
為此,青海省充分發(fā)揮青海農(nóng)業(yè)園區(qū)得天獨(dú)厚的風(fēng)、光優(yōu)勢,積極打造清潔能源綠色村鎮(zhèn),大力推進(jìn)農(nóng)業(yè)園區(qū)高比例分布式清潔能源系統(tǒng)的建設(shè)。然而,以風(fēng)、光為代表的清潔能源供應(yīng)存在不穩(wěn)定性和間歇性,給農(nóng)業(yè)園區(qū)的全清潔能源供能、用能帶來巨大挑戰(zhàn),這極大地限制了清潔能源綜合利用水平。為此,已有相關(guān)學(xué)者對其展開了大量的研究。其中,構(gòu)建面向醫(yī)院、工廠園區(qū)及島嶼的分布式綜合能源系統(tǒng)(DIES)能夠?qū)崿F(xiàn)能源的梯級利用,為平滑電網(wǎng)負(fù)荷和消納清潔能源提供了一條新途徑。
儲能作為分布式綜合能源系統(tǒng)中重要的組成部分,可以實(shí)現(xiàn)清潔能源的就地消納、存儲及利用。因此,合理地配置儲能系統(tǒng)就顯得尤為重要。隨著儲能技術(shù)的發(fā)展,先進(jìn)絕熱壓縮空氣儲能(AA-CAES)因具有運(yùn)行壽命長、清潔、環(huán)保等特點(diǎn),得到了國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者和研究機(jī)構(gòu)的廣泛關(guān)注。
放眼國際,在大規(guī)模儲能項(xiàng)目示范工程中,瑞士ALACAES公司于2016年在比亞斯卡鎮(zhèn)建成了一座1MW的先進(jìn)絕熱壓縮空氣儲能示范系統(tǒng)。加拿大NRStor和Hydrostor公司于2017年在戈德里奇鎮(zhèn)建設(shè)一座1.75MW的基于鹽穴儲氣的先進(jìn)絕熱壓縮空氣儲能試驗(yàn)電站。
雖然我國對先進(jìn)絕熱壓縮空氣儲能技術(shù)的研究起步較晚,但近年來在研究和生產(chǎn)方面也積累了一定的經(jīng)驗(yàn)和成果。江蘇金壇鹽穴壓縮空氣儲能國家試驗(yàn)示范項(xiàng)目于2021年并網(wǎng)試驗(yàn)成功,并于2022年5月正式開始商業(yè)化運(yùn)營,開辟了我國先進(jìn)絕熱壓縮空氣儲能商業(yè)化應(yīng)用的先河。
在分布式先進(jìn)絕熱壓縮空氣儲能研究方面,清華大學(xué)在青海大學(xué)校園內(nèi)搭建了世界上首座100kW光熱復(fù)合先進(jìn)絕熱壓縮空氣儲能(ST- AA-CAES),并完成了冷熱電三聯(lián)供實(shí)驗(yàn)。這些示范項(xiàng)目極大地促進(jìn)了先進(jìn)絕熱壓縮空氣儲能在分布式綜合能源系統(tǒng)中的應(yīng)用研究。因此,對于先進(jìn)絕熱壓縮空氣儲能容量規(guī)劃問題亟待進(jìn)行研究。
目前,已有相關(guān)學(xué)者對壓縮空氣儲能的容量規(guī)劃展開了大量研究。但相關(guān)文獻(xiàn)研究的是先進(jìn)絕熱壓縮空氣儲能參與熱、電能流場景下的容量規(guī)劃配置,并未對先進(jìn)絕熱壓縮空氣儲能耦合外部熱源方面進(jìn)行展開分析。
相關(guān)文獻(xiàn)將光熱作為先進(jìn)絕熱壓縮空氣儲能外部熱源,為先進(jìn)絕熱壓縮空氣儲能的應(yīng)用提供參考。但對于光熱復(fù)合先進(jìn)絕熱壓縮空氣儲能參與分布式綜合能源系統(tǒng)的容量規(guī)劃方面,還有待進(jìn)一步研究。
青海大學(xué)新能源光伏產(chǎn)業(yè)研究中心青海省清潔能源高效利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、青海省建筑建材科學(xué)研究院有限責(zé)任公司、青海省高原綠色建筑與生態(tài)社區(qū)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的方樂、劉成奎、陳曉弢、麻林瑞、梅生偉,在2022年第23期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》上撰文,基于青海地區(qū)豐富的太陽能資源,考慮分布式綜合能源系統(tǒng)的熱、電耦合特性,將光熱復(fù)合先進(jìn)絕熱壓縮空氣儲能作為其能源樞紐,提出了基于光熱復(fù)合先進(jìn)絕熱壓縮空氣儲能的分布式綜合能源系統(tǒng)。
該項(xiàng)工作的主要?jiǎng)?chuàng)新之處在于:
①在對分布式綜合能源系統(tǒng)的儲能需求進(jìn)行深入分析的基礎(chǔ)上,針對農(nóng)業(yè)園區(qū)的特點(diǎn),以光熱復(fù)合先進(jìn)絕熱壓縮空氣儲能為能源樞紐,提出一種基于光熱復(fù)合先進(jìn)絕熱壓縮空氣儲能的分布式綜合能源系統(tǒng)架構(gòu);
②通過分析光熱復(fù)合先進(jìn)絕熱壓縮空氣儲能的各子系統(tǒng)之間的耦合關(guān)系和運(yùn)行模式,建立各子系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型,并進(jìn)行線性化處理,然后結(jié)合農(nóng)業(yè)園區(qū)用能數(shù)據(jù),對各子系統(tǒng)進(jìn)行容量規(guī)劃配置;
③以系統(tǒng)最小化整體投資運(yùn)行成本為目標(biāo)函數(shù),以青海海東某農(nóng)業(yè)園區(qū)的負(fù)荷需求約束展開算例分析,驗(yàn)證了所提模型的有效性。
研究人員的分析結(jié)果表明:相比于單一的先進(jìn)絕熱壓縮空氣儲能容量規(guī)劃,通過引入光熱集熱系統(tǒng),對提升系統(tǒng)熱電聯(lián)供的靈活性和經(jīng)濟(jì)性具有重要作用。在高寒地區(qū)農(nóng)業(yè)園區(qū)應(yīng)用場景下,8年左右即可收回投資成本,具有良好的應(yīng)用前景。
原標(biāo)題:含光熱復(fù)合壓縮空氣儲能的分布式綜合能源系統(tǒng)容量規(guī)劃方法