電力系統(tǒng)儲熱技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展

1.在人類現(xiàn)代文明的發(fā)展過程中，能源消耗的應(yīng)用是繼開井和蒸汽機(jī)應(yīng)用之后的第三次飛躍。電能的即時(shí)傳輸徹底改變了人類的用能方式,使人類迎來了電氣化時(shí)代,并奠定了21世紀(jì)信息化現(xiàn)代文明的基石。然而也正是電能即發(fā)即用的特點(diǎn),使得電力工業(yè)的各個(gè)環(huán)節(jié)包括發(fā)電、輸電、配電以及用電都必須得到即時(shí)的相互協(xié)調(diào)以保證電力系統(tǒng)的安全和可靠運(yùn)行,這也使得電網(wǎng)成為迄今為止人類建造的最復(fù)雜的系統(tǒng)工程之一。但目前我國的實(shí)際狀況是電力供應(yīng)鏈尤其是電網(wǎng)正面臨著前所未有的挑戰(zhàn),這是由我國近年來用戶端用電情況的變化以及發(fā)電端電源結(jié)構(gòu)的變化兩個(gè)方面共同決定的。用電方面隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活水平的提高,城鎮(zhèn)用電量不斷的增加,電力峰谷差不斷擴(kuò)大,特別是居民空調(diào)的普及,加劇了供電的峰谷矛盾。為應(yīng)對不斷增加的高峰電力需求,我國的裝機(jī)容量不斷攀升,截止2012年底全國裝機(jī)容量超過1140GW,居世界第一位。電源結(jié)構(gòu)方面新增容量絕大多數(shù)為300MW以上的大型火電機(jī)組,運(yùn)行靈活但效率低且污染嚴(yán)重的中小型燃煤機(jī)組被逐漸取締,這也給電網(wǎng)的調(diào)峰帶來了很大的問題。另一方面我國近年來可再生電力發(fā)展迅猛,截止2012年底風(fēng)電裝機(jī)超過63GW,約占全球裝機(jī)總?cè)萘康?6%,位居世界第一;太陽能光伏發(fā)電裝機(jī)容量也超過7GW。由于可再生能源發(fā)電受季節(jié)、氣象和地域條件的影響,具有明顯的不連續(xù)性和不穩(wěn)定性,其發(fā)出的電力波動較大,可調(diào)節(jié)性差。不斷提高的可再生發(fā)電容量接入電網(wǎng)已經(jīng)并且將更加嚴(yán)重地影響電網(wǎng)的安全和穩(wěn)定性。以我國風(fēng)電裝機(jī)為例,由于以大容量的集中式風(fēng)電為主且當(dāng)?shù)叵{能力明顯不足,使得我國目前的棄風(fēng)現(xiàn)象十分普遍。國家能源局統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明,2011年度我國風(fēng)電棄風(fēng)限電總量超過100億千瓦時(shí),平均利用小時(shí)數(shù)大幅減少至1900小時(shí)左右,個(gè)別省(區(qū))的利用小時(shí)數(shù)已經(jīng)下降到1600小時(shí)左右,嚴(yán)重影響了風(fēng)電場運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。可見,可再生能源發(fā)電的大規(guī)模電網(wǎng)接入已經(jīng)成為制約其進(jìn)一步發(fā)展的瓶頸。配套大規(guī)模儲能裝置,可以解決發(fā)電與用電的時(shí)差矛盾及間歇式可再生能源發(fā)電并網(wǎng)對電網(wǎng)安全和穩(wěn)定性的影響。儲能技術(shù)作為提高智能電網(wǎng)對可再生能源發(fā)電兼容量的重要手段和實(shí)現(xiàn)智能電網(wǎng)能量雙向互動的中樞和紐帶,是智能電網(wǎng)建設(shè)中的關(guān)鍵技術(shù)之一。我國近年來十分重視儲能技術(shù)的發(fā)展,近期發(fā)布的《國家“十二五”科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃》中明確提出“十二五”期間將重點(diǎn)發(fā)展大規(guī)模間歇式電源并網(wǎng)與儲能等核心技術(shù)。將儲熱技術(shù)應(yīng)用于電力系統(tǒng)中的大規(guī)模儲能具有其獨(dú)特的自身優(yōu)勢。首先儲熱技術(shù)是物理過程,相對于化學(xué)儲能和電磁儲能它的技術(shù)成熟度更高而成本較低,適合大容量長時(shí)間儲能。更為重要的是目前電力系統(tǒng)中絕大部分的發(fā)電過程是通過熱功轉(zhuǎn)化的方式實(shí)現(xiàn)的(水電例外),熱能本身就是發(fā)電過程的重要環(huán)節(jié)。因而利用儲熱技術(shù)作為電力系統(tǒng)中大規(guī)模儲能手段時(shí),其釋能過程可以利用電力系統(tǒng)本身的熱功轉(zhuǎn)化設(shè)備,這樣可以大大提高設(shè)備利用率和整體能源利用效率,進(jìn)一步降低了儲能的成本。最后,在某些特殊場合例如分布式能源系統(tǒng)中,熱能(包括熱與冷)本身就是終端用戶需要的能量形式之一,故而利用儲熱技術(shù)可以達(dá)到一舉多得的目的。但是另一方面相對于其它儲能技術(shù)儲熱也有其自身的不足。一是熱能的品位(即熱能“”)相對于化學(xué)能和電磁能等比較低,這就使得大規(guī)模儲熱雖然容易,但是要保證所儲存熱量的質(zhì),即所儲熱量最終轉(zhuǎn)化為電功的量卻不易,因而進(jìn)一步提高儲熱的能量密度一直是科學(xué)研究和實(shí)際應(yīng)用中的一個(gè)努力方向。另外,儲熱技術(shù)中能量的轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移是依靠分子的熱運(yùn)動完成的,由于熱的傳遞相對于化學(xué)能和電磁能的傳遞要慢得多,這就使得熱能的轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移過程中其品質(zhì)的損失較大(由傳熱過程中的溫差引起),它會嚴(yán)重影響整個(gè)儲能過程的效率。因而在當(dāng)前電力系統(tǒng)中主要的儲熱技術(shù)應(yīng)用方面,包括太陽能熱發(fā)電儲熱技術(shù)、壓縮空氣儲能儲熱技術(shù)、深冷儲電技術(shù)以及熱泵儲電技術(shù),都在努力通過提高儲存熱量的能量密度和優(yōu)化熱能轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移過程以提高儲熱技術(shù)的效率和經(jīng)濟(jì)性。1太陽能熱發(fā)電技術(shù)太陽能熱發(fā)電(即光熱技術(shù))是指利用集熱器將太陽輻射波譜中長波部分的能量轉(zhuǎn)換成熱能并通過熱力循環(huán)過程進(jìn)行發(fā)電的過程。與價(jià)格昂貴的光伏發(fā)電相比,光熱技術(shù)被認(rèn)為是更加適合大規(guī)模集中式開發(fā)的太陽能發(fā)電方式,它與傳統(tǒng)的化石能源發(fā)電相互配合使用能成為緩解能源危機(jī)的重要途徑。由于太陽輻射的一個(gè)明顯特點(diǎn)是受晝夜和季節(jié)等規(guī)律性變化的影響以及陰晴云雨等隨機(jī)因素的制約,為保證太陽能電站的全天候連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行并提高發(fā)電效率、降低發(fā)電成本,太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)中一般都會采用儲熱技術(shù)。太陽能儲熱包含三個(gè)子過程:(1)換熱流體將熱能從集熱器帶走并傳給儲熱介質(zhì)(換熱流體本身也是儲熱介質(zhì));(2)熱能在儲熱介質(zhì)積聚;(3)換熱流體將熱能從儲熱介質(zhì)中帶走并傳遞給發(fā)電系統(tǒng)中的熱設(shè)備。依照實(shí)際應(yīng)用中三個(gè)過程的實(shí)施方式,太陽能熱發(fā)電中的儲熱技術(shù)可以分為兩類。第一類儲熱技術(shù)中三個(gè)過程完全分開,儲熱量的具體表現(xiàn)為儲熱介質(zhì)溫度的升高和/或降低,以及相變潛熱量的增加或減少。在這類應(yīng)用中,一般水或?qū)嵊偷扔米鲹Q熱流體,而熱量最終以顯熱的形式儲存于巖石、耐火高溫混凝土等顯熱儲熱材料中和/或以潛熱的形式儲存于相變材料中。這種儲熱方式的優(yōu)點(diǎn)是便于控制,但是水和導(dǎo)熱油在高溫下蒸汽壓很大,使用時(shí)需特殊的壓力閥等設(shè)備,導(dǎo)熱油還容易引發(fā)火災(zāi),而且價(jià)格較貴。另一方面由于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,熱能在轉(zhuǎn)移和轉(zhuǎn)化的過程中有損失,尤其是在復(fù)雜的傳熱過程中熱能的品質(zhì)降低,使得整個(gè)儲熱系統(tǒng)的效率較低。第二類儲熱技術(shù)中的傳熱流體(如熔融鹽)在儲熱過程中同時(shí)作為換熱流體和儲熱介質(zhì),從而簡化了熱量轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移的過程,減小了儲熱過程中能質(zhì)的損耗。熔融鹽作為傳熱流體是指將普通的固態(tài)無機(jī)鹽加熱到其熔點(diǎn)以上形成液態(tài),然后利用熔融鹽的熱循環(huán)達(dá)到太陽能傳熱蓄熱的目的。表1顯示,與傳統(tǒng)的工質(zhì)相比,熔融鹽在高溫工作區(qū)具有較寬的使用溫度范圍、較好的傳熱性能、較低的工作壓力以及相對便宜的價(jià)格等優(yōu)點(diǎn),但腐蝕性等是這種介質(zhì)的缺點(diǎn)之一(見下文)。目前世界上已經(jīng)建設(shè)運(yùn)行和正在建設(shè)中帶儲熱的光熱電站,幾乎全部采用熔融鹽儲熱,其具體配置為雙罐式結(jié)構(gòu),如圖1所示。由此可見,與第一類儲熱技術(shù)不同的是其儲熱的具體表現(xiàn)為儲熱介質(zhì)質(zhì)量的增加,即高溫灌中熔融鹽質(zhì)量的增加。第一套配置熔融鹽儲熱系統(tǒng)的商業(yè)化太陽能熱電站由西班牙Andasol建造并于2009年投入運(yùn)行。迄今為止包括意大利Archimede太陽能熱電站、西班牙Torresol太陽能熱電站等均通過熔融鹽儲熱系統(tǒng)的配置實(shí)現(xiàn)了10MW級系統(tǒng)的24小時(shí)持續(xù)發(fā)電。值得指出的是,雖然熔融鹽儲熱已經(jīng)進(jìn)入了商業(yè)化應(yīng)用的階段,但是在使用中的問題仍然十分突出,例如碳酸鹽液態(tài)的黏度大和易分解,氯鹽對容器的強(qiáng)腐蝕性,硝酸鹽溶解熱較小、熱導(dǎo)率低等問題。更為嚴(yán)重的是,由于熔融鹽的凝固溫度較高,一旦溫度降低它有可能在集熱器和管路中凝結(jié)從而可能使設(shè)備報(bào)廢。因而熔融鹽目前的研究熱點(diǎn)之一是尋找新的配方以降低上述問題的發(fā)生,并且更重要的是降低其凝固溫度。2帶儲熱的根據(jù)壓縮系統(tǒng)的需求壓縮空氣儲能技術(shù)是迄今為止除抽水儲能外唯一投入工業(yè)應(yīng)用的大規(guī)模儲電技術(shù)。利用這種儲能方式,在電網(wǎng)負(fù)荷低谷期將富余電能用于驅(qū)動空氣壓縮機(jī),將空氣高壓密封在山洞、報(bào)廢礦井和過期油氣井中;在電網(wǎng)負(fù)荷高峰期釋放壓縮空氣推動燃汽輪機(jī)發(fā)電。這種傳統(tǒng)的壓縮空氣儲能技術(shù)已基本趨于成熟,自德國1978年第一臺壓縮空氣儲能系統(tǒng)投入商業(yè)運(yùn)行以來,至今已有30多年的歷史。然而傳統(tǒng)的壓縮空氣儲能系統(tǒng)的大規(guī)模推廣卻面臨著兩方面的技術(shù)障礙:(1)能量密度低因而需要大型儲氣裝置;(2)高壓比壓縮時(shí)功耗大且產(chǎn)生的壓縮熱多,因此大大影響了整體儲能的效率,并且要依賴燃燒化石燃料來提高透平輸出功率。也正因如此,迄今為止世界上已投入運(yùn)行的壓縮空氣儲能系統(tǒng)只有兩套,分別為1978年投產(chǎn)的德國290MW的Huntorf壓縮空氣儲能電站和1991年開始運(yùn)行的美國亞拉巴馬州McIntosh的110MW州電力公司壓縮空氣儲能電站。帶儲熱的壓縮空氣儲能系統(tǒng),即絕熱壓縮空氣儲能系統(tǒng)是解決壓縮空氣效率低和依賴化石燃料的途徑之一。絕熱壓縮空氣的儲能過程如圖2所示,空氣的壓縮過程接近絕熱,會產(chǎn)生大量且溫度較高的壓縮熱。該壓縮熱能被存儲在儲熱裝置中,并在釋能過程中加熱壓縮空氣,驅(qū)動透平做功。相比于燃燒燃料的傳統(tǒng)壓縮空氣儲能系統(tǒng),該系統(tǒng)的儲能效率大大提高,可達(dá)到75%以上;同時(shí),由于用壓縮熱代替燃料燃燒,系統(tǒng)去除了燃燒室,實(shí)現(xiàn)了零排放的要求。絕熱壓縮空氣儲能系統(tǒng)中的儲熱技術(shù)與太陽能系統(tǒng)中的儲熱技術(shù)相似,也可以采用儲熱介質(zhì)固定和雙罐式換熱流體儲熱兩種方式。由于壓氣機(jī)本身的工作性能限制等原因,絕熱壓縮空氣儲能中的工作溫度不宜過高,一般限制在400℃以下,因而實(shí)際中一般采用多級壓縮級間冷卻。由于壓氣機(jī)的功耗隨進(jìn)口溫度的升高而急劇增加,在壓氣機(jī)進(jìn)口將空氣溫度冷卻到越低越好。基于以上兩個(gè)原因利用導(dǎo)熱油作為傳熱和儲熱介質(zhì)的雙罐式儲熱系統(tǒng)在絕熱壓縮空氣儲能系統(tǒng)中最具吸引力。目前德國的Adele-Stassfurt項(xiàng)目正計(jì)劃于2013年投入1200萬歐元建造一個(gè)輸出功率為90MW、儲能容量為360MW·h的示范系統(tǒng)。3深冷儲能系統(tǒng)的發(fā)展深冷儲電技術(shù)是一種將儲熱(冷)直接用于大規(guī)模電能管理的技術(shù),它以液態(tài)空氣為儲能介質(zhì),利用空氣常壓下極低的液化點(diǎn)解決了一般儲熱技術(shù)中能量密度小以及壓縮空氣儲能高壓儲存困難的問題,因而可以將深冷儲電技術(shù)看作是儲熱技術(shù)和壓縮空氣儲能技術(shù)的結(jié)合。深冷儲電技術(shù)的工作原理如圖3所示:在用電低谷,過剩的電能用于驅(qū)動空氣液化單元生產(chǎn)液態(tài)空氣并儲存于低壓的深冷儲罐中;在用電高峰或者其它需要緊急電力的情況下液態(tài)空氣被加壓升溫后送入高壓空氣透平組(即釋能單元)驅(qū)動電機(jī)發(fā)電。由于低溫液化及儲存技術(shù)是成熟技術(shù),在液化天然氣行業(yè)已有很長的應(yīng)用歷史,深冷技術(shù)因此有潛力發(fā)展成為大容量儲能技術(shù)并像抽水儲能電站那樣為電網(wǎng)提供各種靜態(tài)和動態(tài)服務(wù),例如削峰填谷、負(fù)荷跟蹤、緊急備用容量等。與太陽能熱發(fā)電和絕熱壓縮空氣儲能中的儲熱技術(shù)只關(guān)注熱能的轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移不同的是,深冷儲電技術(shù)中熱能的生產(chǎn),即液態(tài)空氣的生產(chǎn)也是極其重要的一環(huán),而且是該技術(shù)能否具有競爭力的關(guān)鍵因素。如果采用傳統(tǒng)的氣體液化技術(shù),由于液化過程中能耗大且效率低,會嚴(yán)重影響深冷儲電的整體效率。英國利茲大學(xué)和高瞻公司(HighviewPowerStorageLtd.)合作提出了在深冷儲能過程中加入蓄冷單元,即在液態(tài)空氣釋能的過程中將其釋放的冷能儲存起來用于液化空氣,以此降低空氣液化過程中的能耗并提高系統(tǒng)的儲電效率,如圖4所示。世界上第一套深冷儲能示范系統(tǒng)(400kW/3MW·h)已于2011年建成并投入運(yùn)行。該系統(tǒng)不僅驗(yàn)證了深冷儲電技術(shù)的可行性,而且通過與就近的生物質(zhì)電廠合作示范了深冷儲能系統(tǒng)在低品位余熱利用方面的巨大潛力,利用它電廠的低溫余熱轉(zhuǎn)化為電能的效率達(dá)50%以上。雖然作為首套系統(tǒng)它的整體儲能效率還有很大的提升空間,但是它在快速啟動及出功量快速爬升能力等方面已顯示出巨大優(yōu)勢,目前示范電廠與英國國家電網(wǎng)合作一直在為電網(wǎng)提供各種容量需求和輔助服務(wù)。可以看出,深冷儲電技術(shù)本身就是一種包含了熱能生產(chǎn)過程的儲熱技術(shù),而低溫蓄冷又是其重要的組成部分,因而深冷儲電技術(shù)既包含了儲熱技術(shù)中電能與熱能之間的復(fù)雜轉(zhuǎn)化,也包含了熱能的轉(zhuǎn)移和儲存。目前深冷儲電系統(tǒng)的儲冷單元采用的是以空氣為傳熱流體、以砂石為儲冷介質(zhì)的第一類儲熱技術(shù)。文獻(xiàn)等也提出了利用圖5中所示的制冷劑作為傳熱流體和儲熱介質(zhì)的雙罐式儲冷系統(tǒng)可以獲得更高的系統(tǒng)效率,但是由于制冷劑本身可燃等可能引起的安全性問題,這樣的系統(tǒng)尚未在試驗(yàn)系統(tǒng)中應(yīng)用。4凈功驅(qū)動電機(jī)發(fā)電深冷儲電技術(shù)是將能量以低溫?zé)崮艿男问絻Υ?在空氣液化過程中空壓機(jī)也會產(chǎn)生壓縮熱,但是由于要減小壓縮機(jī)的功耗一般通過級間冷卻以保證壓縮熱的溫度不要太高。相反地,在熱泵儲電技術(shù)中,卻是通過完全的近似絕熱的壓縮和膨脹同時(shí)產(chǎn)生高溫?zé)崮芎偷蜏乩淠?以此達(dá)到高效儲存電能的目的。如圖6所示,熱泵儲電系統(tǒng)利用一組高效可逆的熱機(jī)/熱泵將電能同時(shí)轉(zhuǎn)化為熱能和冷能并儲存于兩個(gè)絕熱容器中。在儲電的過程中,常溫常壓的工作氣體首先被壓縮機(jī)近似絕熱地壓縮為高溫高壓氣體,高溫高壓氣體通過集熱器將熱能傳遞給儲熱介質(zhì),本身降溫為高壓常溫氣體排出集熱器。而后,高壓常溫的工作氣體通過透平機(jī)近似絕熱地膨脹變?yōu)槌旱蜏氐臍怏w,該氣體通過集冷器將冷能傳遞給儲冷介質(zhì),本身升溫至常溫常壓氣體排出集冷器,完成循環(huán)。在此過程中,壓縮機(jī)耗功和透平機(jī)膨脹功之差即為消耗的凈功,亦即儲存的電能。當(dāng)系統(tǒng)釋能時(shí),壓氣機(jī)和透平均反轉(zhuǎn)并交換角色,系統(tǒng)的凈出功驅(qū)動電機(jī)發(fā)電。可見,與深冷儲電技術(shù)相同,熱泵儲電技術(shù)也同時(shí)包含了電能與熱能之間復(fù)雜的轉(zhuǎn)化和熱能的轉(zhuǎn)移、儲存兩個(gè)過程。熱泵儲電技術(shù)由英國IsentropicEnergy公司提出,由于工作氣體的膨脹和壓縮過程構(gòu)成一個(gè)閉口循環(huán),一些壓縮熱性能更好的氣體例如氦氣、氬氣等可以用作系統(tǒng)的循環(huán)工質(zhì)以降低系統(tǒng)的工作壓力。雖然理論上熱泵儲電技術(shù)的儲能效率非常高,但是它的實(shí)際運(yùn)行效果非常依賴于壓氣機(jī)和透平的實(shí)際性能,即絕熱效率。更為重要的是由于兩個(gè)部件都要同時(shí)滿足正反轉(zhuǎn)時(shí)均有較高的效率,這對熱功轉(zhuǎn)化設(shè)備提出了非常高的要求。另外,如果集熱器和集冷器中循環(huán)氣體不能充分換熱,也會大大增加儲能過程中的能耗和減小釋能過程中的凈出功,使系統(tǒng)的儲電效率大大降低。2012年IsentropicEnergy公司獲得了1400萬英鎊的投資建造一個(gè)儲電能力為16MW·h的示范裝置,其設(shè)計(jì)的儲熱與儲冷溫度分別為500℃和-160℃,并且擬用氬氣作為循環(huán)工質(zhì),以沙礫作為儲熱和儲冷