空氣儲能系統的研究現狀與發展趨勢

電力儲備系統通過特定介質存儲能，并根據需要釋放所存能量。發展電力儲能系統是可再生能源大規模利用的迫切需要,也是提高常規電力系統效率、安全性和經濟性的有效途徑,以及智能電網和分布式能源系統的關鍵技術。目前已有的電力儲能技術包括抽水蓄能電站、壓縮空氣、蓄電池、液流電池、超導磁能、飛輪和電容/超級電容等。但由于容量、儲能周期、能量密度、充放電效率、壽命、運行費用、環保等原因,迄今已在大規模(比如100MW以上)商業系統中運行的儲能系統僅有抽水蓄能電站和壓縮空氣兩種。抽水電站具有技術成熟、效率高、容量大、儲能周期長等優點,是目前廣泛使用的電力儲能系統。目前全球已有約200座抽水電站儲能系統在運行,總裝機容量超過110GW。但是,抽水電站儲能系統需要特殊的地理條件建造兩個水庫和水壩,因此選址困難,建設周期很長,初期投資巨大,甚至會大面積淹沒植被甚至城市,導致生態和移民問題。壓縮空氣儲能系統是另一種能夠實現大容量和長時間電能存儲的電力儲能系統。它通過壓縮空氣儲存多余的電能,在需要時,將高壓空氣釋放通過膨脹機做功發電。自從1949年StalLaval提出利用地下洞穴實現壓縮空氣儲能以來,國內外學者開展了大量的研究和實踐工作,并已有兩座大型電站分別在德國和美國投入商業運行。世界上第一座商業運行的壓縮空氣儲能電站是1978年投入運行的德國Huntorf電站,目前仍在運行中。機組的壓縮機功率60MW,釋能輸出功率為290MW,系統將壓縮空氣存儲在地下600米的廢棄礦洞中。機組可連續充氣8小時,連續發電2小時。1991年投入商業運行的美國Alabama州的McIntosh壓縮空氣儲能電站,其地下儲氣洞穴在地下450米,壓縮機組功率為50MW,發電功率為110MW,可以實現連續41小時空氣壓縮和26小時發電。另外日本、意大利、以色列等國也分別有壓縮空氣儲能電站正在建設過程中。我國雖然對壓縮空氣儲能系統的研發起步較晚,但隨著電力負荷峰谷比快速增加、可再生能源特別是風力發電的迅猛發展,迫切需要研究開發一種除抽水電站之外,能夠大規模長時間儲能技術。因此,對壓縮空氣儲能系統的研究已經得到相關科研院所、電力企業和政府部門高度重視,是目前大規模儲能技術的研發熱點。監獄燃氣儲能系統傳統壓縮空氣儲能系統是基于燃氣輪機技術發展起來的一種能量存儲系統。但與燃氣輪機工作原理不同的是壓縮空氣儲能系統的壓縮機和透平(渦輪)不同時工作,在儲能時,壓縮空氣儲能系統耗用電能將空氣壓縮并存于儲氣室中;在釋能時,高壓空氣從儲氣室釋放,進入燃氣輪機燃燒室同燃料一起燃燒后,驅動透平發電。由于儲能、釋能分時工作,在釋能過程中,并沒有壓縮機消耗透平的輸出功。因此,相比于消耗同樣燃料的燃氣輪機系統,壓縮空氣儲能系統可以多產生1倍以上的電力。如圖1所示,壓縮空氣儲能系統一般包括6個主要部件:(1)壓縮機:一般為多級壓縮機帶中間冷卻裝置,它將空氣壓縮并存于儲氣裝置中,使電能轉化為空氣的內能存儲起來;(2)膨脹機:一般為多級透平膨脹機帶級間再熱設備,利用壓縮空氣膨脹驅動透平做功,回收儲存在壓縮空氣中的能量;(3)燃燒室及換熱器:用于燃料燃燒和回收余熱等;(4)儲氣裝置:地下或者地上洞穴或壓力容器,用來儲存壓縮空氣;(5)電動機/發電機:通過離合器分別和壓縮機以及膨脹機聯接,兼有電動機和發電機的功能;(6)控制系統和輔助設備:包括控制系統、燃料罐、機械傳動系統、管路和配件等。同其他儲能技術相比,壓縮空氣儲能系統具有容量大、工作時間長、經濟性能好、充放電循環壽命長等優點。具體包括:(1)壓縮空氣儲能系統適合建造大型電站(>100MW),僅次于抽水電站;壓縮空氣儲能系統可以持續工作數小時乃至數天,工作時間長。(2)大型壓縮空氣儲能系統的單位建造成本和運行成本均比較低,低于抽水蓄能電站,具有很好的經濟性。(3)壓縮空氣儲能系統的壽命很長,可以儲/釋能上萬次,壽命可達40-50年;并且其效率可以達到70%左右,接近抽水蓄能電站。壓縮空氣儲能系統的缺點,包括:(1)傳統的壓縮空氣儲能系統不是一項獨立的技術,它必須同燃氣輪機電站配套使用;而且傳統的壓縮空氣儲能系統仍然依賴燃燒化石燃料提供熱源,一方面面臨化石燃料逐漸枯竭和價格上漲的威脅,另一方面其燃燒仍然產生氮化物、硫化物和二氧化碳等污染物,不符合綠色(零排放)、可再生的能源發展要求。(2)壓縮空氣儲能系統比較適合于大型系統,小型壓縮空氣儲能系統的效率較低;而大型系統需要特定的地理條件建造大型儲氣室,如巖石洞穴、鹽洞、廢棄礦井等,從而大大限制了壓縮空氣儲能系統的應用范圍。果汽式地調空間氣和可再生能源耦合的監獄空氣和空氣儲能系統為解決常規壓縮空氣儲能系統面臨的主要問題,即需要大型儲氣裝置和依賴燃燒化石燃料的問題,先后出現了帶蓄熱的壓縮空氣儲能系統、微小型壓縮空氣儲能系統、液化空氣儲能系統、超臨界壓縮空氣儲能系統、與可再生能源耦合的壓縮空氣儲能系統等。通常所說的帶儲熱的壓縮空氣儲能系統,又被稱為先進絕熱壓縮空氣儲能系統。壓縮空氣儲能系統中空氣的壓縮過程接近絕熱過程,存在大量的壓縮熱。帶儲熱的壓縮空氣儲能系統將空氣壓縮過程中的壓縮熱存儲在儲熱裝置中,并在釋能過程中,利用存儲的壓縮熱加熱壓縮空氣,然后驅動透平做功,相比于燃燒燃料的傳統壓縮空氣儲能系統,由于回收了空氣壓縮過程的壓縮熱,系統的儲能效率可以得到較大提高;同時,由于用壓縮熱代替燃料燃燒,系統去除了燃燒室,實現了零排放的要求。該系統的主要缺點是,由于添加了儲熱裝置,相比傳統的壓縮空氣儲能電站,該系統的初期投資成本將有所增加。小型壓縮空氣儲能系統的規模一般在10MW級,它利用地上高壓容器儲存壓縮空氣,從而突破大型傳統壓縮空氣電站對儲氣洞穴的依賴,具有更大的靈活性。相比于大型電站,它更適合于城區的供能系統——分布式供能、小型電網等,用于電力需求側管理、無間斷電源等;同時它也可以建于風電場等可再生能源系統附近,調節穩定可再生能源電力的供應等。微型壓縮空氣儲能系統的規模一般在幾kW到幾十kW級,它也是利用地上高壓容器儲存壓縮空氣,主要用于特殊領域(比如控制、通訊、軍事領域)的備用電源、偏遠孤立地區的微小型電網、以及壓縮空氣汽車動力等。液化空氣和超臨界壓縮空氣儲能系統是最近才提出的新型壓縮空氣儲能系統。由于液態空氣的密度遠大于氣態空氣的密度,液化空氣儲能系統不需要大型儲氣室。超臨界壓縮空氣儲能系統利用超臨界狀態下空氣的特殊性質,綜合了常規壓縮空氣儲能系統和液化空氣儲能系統的優點,具有儲能規模大、效率高、投資成本低、能量密度高、不需要大的儲存裝置等優點。目前這兩項技術尚處于研發階段。另一方面,由于太陽能、風能等可再生能源存在間歇性和不穩定性問題,壓縮空氣儲能和可再生能源耦合的系統可以將間歇式可再生能源“拼接”起來,并穩定地輸出,為可再生能源大規模利用提供有效的解決方案。通過帶儲熱的壓縮空氣儲能系統,可將太陽能之熱能存儲在儲熱裝置中,在需要時加熱壓縮空氣,然后驅動透平發電,從而可以解決太陽能的間歇性和不穩定性問題。除太陽能熱能外,電力、化工、水泥等行業的余熱、廢熱均可作為壓縮空氣儲能系統的外來熱源,帶儲熱的壓縮空氣儲能系統具有廣泛的應用前景。另外還可以耦合風力發電系統,在用電低谷,風電廠的多余電力驅動壓縮機,壓縮并儲存壓縮空氣;在用電高峰,壓縮空氣燃燒并進入燃氣透平發電,用以填補風電對電網/用戶的供電不足。壓縮空氣儲能系統還可以方便地同生物質能耦合。如果采用生物質代替天然氣作為壓縮空氣儲能的燃料,將可以降低系統溫室氣體的排放,并降低系統對天然氣供應的依賴。生物質一般首先氣化為合成氣,然后應用到壓縮空氣系統中。如果把政府對生物質發展的補貼,以及降低溫室氣體排放所節省的費用計算在內,那么將可以充分彌補因采用生物質燃料增加的費用,成為很有吸引力的技術。綜合來看,壓縮空氣儲能技術總體上比較成熟,雖然其能量轉換效率不如電池高,但是由于系統儲能規模大、平均成本較其他儲能