壓縮空氣儲能技術(shù)(簡稱:壓空)。壓縮空氣儲能屬于物理儲能方式的一種,它與抽水蓄能齊名,無論是存儲時(shí)間、放電功率、還是運(yùn)行壽命,都有著卓越的表現(xiàn),但它同樣有著自身的缺點(diǎn),比如系統(tǒng)復(fù)雜,比如受地域影響等。
一、壓縮空氣原理
壓縮空氣的基本原理很簡單,在電網(wǎng)負(fù)荷低谷期將電能用于壓縮空氣,將空氣高壓密封在報(bào)廢礦井、儲氣罐、山洞、過期油氣井或新建儲氣井中,在電網(wǎng)負(fù)荷高峰期釋放壓縮空氣推動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電的儲能方式,原理如圖1所示。若需要更近一步解釋,你只需鎖定儲氣罐內(nèi)的空氣即可,兩個(gè)動(dòng)作,充氣時(shí)儲存能量,膨脹時(shí)釋放能量。
然而,如果在此處宣布已經(jīng)掌握了壓空技術(shù),還為時(shí)過早。要知道,原理不能解決任何問題,需要在原理的基礎(chǔ)上添磚加瓦,優(yōu)化利用,才能達(dá)到合理的應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)。于是,壓空的各種變異橫空出世,為了便于理解,要從溫度、壓力、容積等方面著手,一步步深入介紹。
1.溫度
先強(qiáng)調(diào)一點(diǎn):溫度是一種能量。對于壓縮機(jī)而言,壓縮過程溫度越低,耗費(fèi)電能越少;與之相反,對于膨脹機(jī)而言,膨脹起始點(diǎn)溫度越高,膨脹過程中得到的有用功越多。所以,降低壓縮溫度,或者提高膨脹進(jìn)氣溫度,是提高系統(tǒng)效率的一種重要而有效的手段。請看圖2變異1,在空壓機(jī)的出口增加了冷卻器,以回收壓縮熱,在膨脹機(jī)(或渦輪機(jī))的入口增加回?zé)崞,以提高進(jìn)氣溫度;?zé)崞鞯臒崃靠捎衫鋮s器供給,如果必要,渦輪機(jī)的出口廢棄也可以進(jìn)一步回收,這取決于廢棄的溫度品味。該系統(tǒng)叫稱為回?zé)崾较到y(tǒng)。
相較于原理型系統(tǒng),回?zé)嵯到y(tǒng)儲電效率有所增加,然而它的不足在于,冷卻器和回?zé)崞鞣珠_設(shè)置,在熱量回收過程中存在較大熱損失。為解決這一問題,有人提出絕熱壓縮空氣系統(tǒng),如圖3變異2。將壓縮過程中產(chǎn)生的熱量存儲起來,然后在發(fā)電過程中用這部分熱量預(yù)熱壓縮空氣,冷卻器和回?zé)崞骱蠟橐惑w,對外進(jìn)行絕熱處理,業(yè)內(nèi)稱作先進(jìn)絕熱壓縮空氣儲能系統(tǒng)(AA-CAES),該系統(tǒng)面臨的更大挑戰(zhàn)是如何經(jīng)濟(jì)、有效地設(shè)計(jì)和制造出壓力工作范圍大的壓縮機(jī)、渦輪機(jī)和除熱器。
一切比較完美,但還忽略了一點(diǎn),即使回收利用,壓縮過程中產(chǎn)生的熱量不足以使渦輪機(jī)持續(xù)長時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行,換句話說,只靠自身的熱回收很難保持系統(tǒng)抵抗外部負(fù)荷波動(dòng)。熱量不夠怎么辦?引進(jìn)額外熱源,天然氣,將天然氣與來自儲氣罐的高壓空氣混合燃燒,推進(jìn)渦輪機(jī)旋轉(zhuǎn)發(fā)電。
請看圖4變異3。對比以上系統(tǒng),它的可靠性最高,穩(wěn)定性最強(qiáng),靈活性最優(yōu),所以在德國1978年建造首套壓空儲能電站時(shí),果斷采用這種方案。然而,變異3的引發(fā)的問題在于:消耗化石能源,增加溫室氣體排放。于是在國內(nèi)做壓空系統(tǒng)的高校研究所想方設(shè)法消除對外在熱源的利用,比如清華大學(xué)的盧強(qiáng)院士,推非補(bǔ)燃壓空系統(tǒng)。此處必須加句評論,難度都很大,不用補(bǔ)燃,系統(tǒng)復(fù)雜程度會提高,可靠性也會有波動(dòng),平衡各個(gè)功能單元,是一件技術(shù)含量很高的工作。
2.壓力
談到這里,如果你站起來宣布掌握了壓空技術(shù),那么小德告訴你又早了。除了溫度之外,還有一個(gè)參數(shù)沒有講,壓力!與溫度相比,壓力的影響更加多元。壓縮階段,壓力越高,同等溫度下空氣密度越大,同等體積的儲罐儲存的空氣量更多,儲能密度更高;膨脹階段,初始入口壓力越高,出口壓力越低,有用功輸出越高。
現(xiàn)在的問題來了,能不能只使用一臺空壓機(jī),比如從1個(gè)大氣壓直接壓縮到100個(gè)atm?膨脹過程從40個(gè)atm膨脹到1atm?我可以負(fù)責(zé)任的告訴你,理論上可以,但如果你真敢這么做,保證系統(tǒng)電-電轉(zhuǎn)換效率會低的讓你下不來臺!如何解決這一問題?熱力學(xué)給出的指引是多級壓縮,中間冷卻,可顯著降低壓縮過程中的電力消耗;多級膨脹,中間加熱,可顯著增加膨脹過程中的發(fā)電量,綜合起來,儲電效率必然顯著提高。
圖5為非補(bǔ)燃多級壓縮系統(tǒng)圖,可以看出,在每臺空壓機(jī)后加裝熱回收器,通過回?zé)嵯到y(tǒng)將熱量傳遞到各級膨脹機(jī)的入口處。
當(dāng)系統(tǒng)采用絕熱壓縮時(shí),綜合多級壓縮和多級膨脹,組成的系統(tǒng)如圖6所示。
采用燃?xì)庋a(bǔ)熱的系統(tǒng),多級壓縮階段與非補(bǔ)燃一致,不同的是在各級膨脹機(jī)入口加裝燃燒室,詳見圖7。
3.容積
壓空系統(tǒng)的技術(shù)痛點(diǎn)在于氣體的密度太低,常壓下空氣密度為1.25kg/m3,即使在10MPa高壓下密度也只有100kg/m3左右,相比水的1000kg/m3,差了足足十倍,這意味在相同儲存質(zhì)量下,空氣的罐子要比水大十倍。要解決大規(guī)?諝獯鎯Φ姆椒ㄖ辽儆3個(gè):
方法一,就地取材,尋找廢棄的礦井,進(jìn)行密封承壓方面的改造,然后將空氣壓入其中,這種方法既經(jīng)濟(jì)又可靠,而且儲量驚人,比如德國的Huntorf壓空電站可儲存30萬立方的空氣,但是,這種方式受制于地形限制,靈活性差,比如想在南京建一座壓空電站,即使金壇的溶洞再優(yōu)越,也用不上。
方法二,高壓儲氣罐,該方式操作靈活,完全不受地域地形限制,比如中科院在廊坊的示范項(xiàng)目,采用2個(gè)直徑2.4m,長10m的儲罐,每個(gè)儲存45m3的高壓空氣,儲罐壓力10MPa,儲罐設(shè)備屬于特種設(shè)備范疇,無論從制造,安裝還是運(yùn)行,都要經(jīng)過嚴(yán)格的檢查,成本相對較高。
方法三,空氣液化。為了進(jìn)一步減小儲罐體積,有專家想到了改變形態(tài),將氣體液化,密度將增加上百倍,于是體積減少上百倍,通過設(shè)計(jì),使膨脹機(jī)出口的空氣溫度低于78.6K(-196.5℃)時(shí),空氣被液化,系統(tǒng)流程見圖8,這種系統(tǒng)的特點(diǎn)是體積小,管路復(fù)雜,效率低。
4.冷熱電三聯(lián)供
在儲能領(lǐng)域,壓空算是個(gè)另類,不能用傳統(tǒng)的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)衡量它,比如只追求電-電存儲效率,壓空肯定毫無優(yōu)勢,非補(bǔ)燃機(jī)組能達(dá)到40%已算很不錯(cuò)了。但它在發(fā)電的同時(shí),還能兼顧供冷和供熱,俗稱冷熱電三聯(lián)供,其實(shí)原理沒有任何改變,只是將壓縮過程產(chǎn)生的熱量用于供熱,膨脹機(jī)出口的低溫空氣用于制冷,膨脹產(chǎn)生的有用功用于發(fā)電,詳見圖9。冷熱電三聯(lián)供的特點(diǎn)是能源利用效率高,若以熱能利用為基礎(chǔ)測算,系統(tǒng)效率可達(dá)70-85%。
二、系統(tǒng)特點(diǎn)
在儲能家族中,壓空和抽水蓄能屬于一個(gè)陣營,即是一種可以大功率,長時(shí)運(yùn)行的物理儲能技術(shù),各種技術(shù)對比見圖10(CAES),技術(shù)特點(diǎn)如下:
(1)輸出功率大(MW級),持續(xù)時(shí)間長(數(shù)小時(shí));
(2)單位建設(shè)成本低于抽水蓄能,具有較好的經(jīng)濟(jì)性;
(3)運(yùn)行壽命長,可循環(huán)上萬次,壽命可達(dá)40年;
(4)環(huán)境友好,零排放。
三、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
一套完整的壓空系統(tǒng)五大關(guān)鍵設(shè)備組成:由空壓機(jī)、儲氣罐、回?zé)崞、膨脹機(jī)以及發(fā)電機(jī),結(jié)構(gòu)詳情如圖11。
1.空壓機(jī)
空壓機(jī)是一種提升氣體壓力的設(shè)備,如圖12?諌簷C(jī)的種類和壓縮方式各不相同,但設(shè)計(jì)者會更關(guān)心它的進(jìn)出口壓力參數(shù),表征為四個(gè)參數(shù),一是工作壓力區(qū)間,二是壓縮比,即進(jìn)出口壓力比值,三是進(jìn)出口溫度或絕熱效率,四是壓縮功率與流量。清華大學(xué)盧強(qiáng)院士的500kW壓空系統(tǒng)中所用其中一臺空壓機(jī)機(jī)參數(shù)為:進(jìn)氣壓力1atm,25℃,排氣壓力3.5atm,143℃,壓縮比3.5,軸功率76.7kW。
2.儲氣罐
儲氣罐是高壓空氣的出廠場所,說白了就是一個(gè)巖洞或者一個(gè)罐子。這里還是要強(qiáng)調(diào),溫度是一種能量,60℃和20℃條件下,空氣的能量大不一樣,所以有必要對儲罐進(jìn)行保溫處理,盡量維持罐內(nèi)溫度一致,減小對流損失。尺寸與耐壓等級等制造問題,需交給工廠處理。
3.回?zé)崞?/strong>
回?zé)崞魇菬峤粨Q器的統(tǒng)稱,包括預(yù)熱器,冷卻器,換熱器等等,回?zé)崞鞯墓δ苁峭ㄟ^溫差傳熱回收熱量,達(dá)到節(jié)能效果。
4.膨脹機(jī)
膨脹機(jī)的英文名字叫“turbine”,又叫透平,也有叫渦輪機(jī)的,它的功能是通過膨脹,將空氣的內(nèi)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能,推動(dòng)與之相連的發(fā)電機(jī),又將動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能,見圖13。標(biāo)定膨脹機(jī)的參數(shù)有進(jìn)出口壓力與溫度,膨脹系數(shù)等。
5.發(fā)電機(jī)
發(fā)電機(jī)是一種發(fā)電設(shè)備,將各種形式的能量轉(zhuǎn)化成電能,此處略過。
四、壓空系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域
(1)調(diào)峰與調(diào)頻。大規(guī)模壓空系統(tǒng)最重要的應(yīng)用就是調(diào)峰和調(diào)頻,調(diào)峰的壓空電站分為兩類,獨(dú)立電站以及與電站匹配的壓空系統(tǒng)。
(2)可再生能源消納。壓空系統(tǒng)可將間斷的可再生能源儲存起來,在用電高峰期釋放,可顯著提高可再生能源的利用率。
(3)分布式能源。大電網(wǎng)和分布式能源系統(tǒng)結(jié)合是未來高效、低碳、安全利用能源的必然趨勢。由于壓空具備冷熱電聯(lián)供的優(yōu)點(diǎn),在分布式系統(tǒng)中將會有很好的應(yīng)用。
五、性能評價(jià)指標(biāo)
為了更清楚表達(dá)工作過程的能量傳遞,小德借用了哈佛大學(xué)Azziz教授論文中的一張圖,見圖14。其中W為電功,Q為熱量,箭頭向內(nèi)代表進(jìn)入系統(tǒng),向外表示系統(tǒng)輸出,流程箭頭代表空氣流向。一目了然,比如壓縮機(jī)工作消耗的電能來自于電網(wǎng),膨脹時(shí)向電網(wǎng)輸出電能,都能直觀看到,并且判斷:系統(tǒng)用電越小越好,回收的熱量越多越好,向外輸出的電能越大越好。
在我看來,表征系統(tǒng)性能的參數(shù)主要有兩個(gè),一個(gè)是電能存儲效率,另一個(gè)是系統(tǒng)能量效率。電能存儲效率是電能輸出與輸入的比值,這對電網(wǎng)運(yùn)營至關(guān)重要;系統(tǒng)能量效率是輸出的電能+熱能與輸入之比,表征整個(gè)系統(tǒng)的總效率,這對壓空系統(tǒng)至關(guān)重要。
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作者:德耐爾@德耐爾空壓機(jī) 空壓機(jī)修訂日期:2017-07-14
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