微小型压缩空气储能系统研究

　　风能、太阳能等可再生能源的非稳定输出特性对电网系统的安全运行影响很大。储能系统不仅可以调节电网负荷提高供电品质，而且可以作为应急电源。本文对不同储能方式进行了分析，研究了储存压力和流量等运行参数对微小型压缩空气储能系统输出功率与运行效率的影响，提出了风电单元配置微小型压缩空气储能系统的调控方案和需解决的关键技术，对储能系统发展和提高电网安全运行有参考意义。

1、前言

　　发展风能、太阳能等可再生能源是我国能源发展的重要战略。2012年出台的《风电发展“十二五”规划》指出，到2015年全国风电并网装机总容量达到1亿kW，到2020年达到2亿kW，但是，风力发电和光伏发电的输出特性波动较大，对电网安全有很大影响。真空技术网(http://www.chvacuum.com/)认为为了提升风电品质和解决遭遇突发状况时的应急供电问题，需要研究开发储能系统。

　　早在20世纪50年代，为确保核电的平稳运行，人们就开始策划建设以大电网调峰为目的的压缩空气储能示范电站。1978年世界上第一座压缩空气蓄能电站在德国投入商业运营，电站容量为290MW。示范电站在很大程度上依赖于采用化石燃料的常规燃气轮机技术，系统效率较低且污染环境。2009年，美国将压缩空气储能技术列入未来

　　十大能源技术之一。2010年美国能源部分别与太平洋燃气和电力公司(PG&E)以及纽约州立电力和燃气公司(NYSEG)签订了压缩空气储能系统示范工程合同，功率分别为150MW和300MW，两个项目采用地下储存压缩空气的模式，储能时间为10h。示范工程将在2015年完成性能和可靠性测试。

　　日本、瑞士、卢森堡等也在积极研究开发压缩空气储能技术，并规划建设压缩空气储能示范电站。日本能源厅和电源公司已研制出变压式和定压式两种压缩空气储能系统。

　　近年来，我国学者在压缩空气储能系统研究方面也取得了一定进展，如华北电力大学的压缩空气蓄能系统的热力性能计算与优化及其经济性分析研究，中国科学院基于超临界过程的压缩空气储能系统研究，哈尔滨电力部门利用地道作为储气容积的压缩空气储能电站开发等。但总体而言，我国压缩空气储能技术的研究开发特别是工程化实践尚处于初级阶段。

2、压缩空气储能系统分析

　　储能系统有多种形式，如抽水蓄能系统、电池蓄能系统、飞轮储能系统和压缩空气储能系统等。抽水蓄能系统技术成熟，但对地理环境要求较高，不适应于风电场应用;电池蓄能系统制造成本较高，且有二次污染问题;飞轮储能系统发电功率较小，大型化问题较多;压缩空气储能系统高效可靠、经济灵活，且环境友好，是储能领域发展的国际前沿技术。

　　对于大型并网型风电场，主要采用地下存储压缩空气的大型储能系统，而这种系统完全依赖于地质条件;对于微小型风力发电系统，可采用高压空气直接膨胀发电方式，以期在投入较少且无需外部燃料的情况下保证稳定的供电质量。采用地上存储压缩空气的小型压缩空气储能系统，通常利用压力管道或储气罐等来存储压缩空气，且系统安装不受地域条件限制。为了提高系统效率和增大存储量，最重要的措施就是提高系统的运行压力，但系统压力又与系统效率、运行可靠性等有关，需综合考虑。

　　提高系统的运行压力，可以提高压缩空气储能系统的储能密度，减小储气罐的体积。然而，不论是透平式结构还是容积式结构，尽管单级压缩或膨胀的最佳效率有一个最佳的压力比或膨胀比与其相对应，但单级压力比和膨胀比较小，提高储能系统的运行压力必然需要压缩机和膨胀机级数的增加。

　　多级高压力比压缩机需要通过中间冷却(级间)方式确保其运行效率和可靠性，高膨胀比的膨胀机则需要通过多级膨胀、中间加热的方式保证其效率和运行的可靠性。因此，储能系统运行压力的提高必然导致辅助设备的投入增加和系统复杂性，且多级压缩和多级膨胀增加了运行过程的不可逆损失。如果压缩空气的储存压力为1～3MPa，即压缩机的压缩比与膨胀机的膨胀比为30。根据文献，压缩机和膨胀机的效率会随压比的增加而降低，可采用如公式(1)和(2)进行计算，其变化趋势如图1所示。

图1 压比对压缩机和膨胀机效率的影响

　　在小型压缩空气储能系统中，需要考虑高压比时压缩机和膨胀机效率的变化对系统效率的影响。图2表示压缩空气储存压力对系统储能效率和储能密度的影响趋势，即压缩空气储能系统的储能密度随储存压力的升高而增大，但系统的储能效率随储气压力的升高而逐渐减低。因此，压缩空气储能系统的储存压力需要综合考虑系统效率、储能密度以及运行可靠性等因素进行优化选择。

图2 储存压力对压缩空气储能系统效率和储能密度的影响

　　不同压比下压缩空气储能系统的输出功率随流量的变化趋势如图3所示，压缩空气储能系统中压缩机功耗和膨胀机输出功都随着流量和压比的增大而增大，且压缩机的功耗增长速率明显。对于一定容量的压缩空气储能系统，膨胀机的流量由膨胀机的功率和运行压力共同决定。压缩机流量与膨胀机流量的比值反映了了压缩空气储能系统的充放电时间的大小。而在流量一定时，储气罐的容积大小决定了压缩空气储能系统调峰时间的长短，储气罐容积越大，系统的调峰时间越长。

图3 压缩空气储能系统输出功与流量的关系

3、微小型压缩空气储能系统及其关键技术

　　3.1、系统方案

　　我国风电场单机规模以2MW、3MW机组为主，开发重点为5MW。如果每台2MW或风电3MW机组配一微小型压缩空气储能系统，其原理见图4。在微小型压缩空气储能系统中，可根据发电功率选择膨胀机(结构型式)和发电机规格，根据气量和压力选择压缩机(结构型式)与储气罐大小。

图4 微小型压缩空气储能及其利用原理

　　调峰时间按15、30和60min计算，则理论上系统的最大效率和最小的储气罐容积如表1所示。从表1可以看出，在相同的调峰时间时，随着储气压力的提高，储气罐容积随之降低，但充能时间有所增大，同时压缩功耗增大，储能系统效率逐渐降低。因此，表1数据也表明微小型压缩空气储能系统的储气压力与储存容积、系统效率和储能密度等密切相关。

表1 微小型压缩空气储能系统参数与性能

　　3.2、经济性分析

　　压缩空气储能电站的经济效益主要包括静态效益和动态效益两部分。静态效益是该电站承担以峰填谷和能量转换功能时所体现的经济性和可靠性效益。动态效益是指由于储能电站的适应性、灵活性和高可靠性而在承担事故备用电源、负荷备用等时所体现的经济性和可靠性效益。压缩空气储能系统应用于风电场所担负的主要功能是尖峰容量和备用容量，减少风电的装机容量要求，从而实现节约风电设备的投资和运行费用。

　　3.3、关键参数与技术

　　(1)储气压力及其优化。压缩空气存储压力与发电系统的能量密度、储能系统的效率等关系密切，需要优化。为了提高压力降低存储容积，就需要选择不同结构型式的压缩机组和膨胀机组。

　　(2)膨胀比及其控制。在压缩空气储能系统中，膨胀过程常处于非稳定状态，入口参数变化对膨胀机的输出特性有很大影响，需要发展满足并网技术需求的输出性能调控技术。

　　(3)系统效率与提高效率的相关技术。实现储能系统在变工况下的高效、可靠与稳定运行，需提高压缩机(组)和膨胀机(组)效率，开发系统集成优化和控制策略，以及热管理技术，如压缩热的回收与集蓄等。

4、结论

　　(1)单套风电机组配备微小型压缩空气储能系统，可有效改善风力发电和光伏发电品质，并可作为应急电源，其运行维护方便，且这种配备出现故障时的影响面最小;

　　(2)压缩空气的储存压力是储能系统的关键参数，影响到系统效率和储能密度的大小。储存压力的选择，还需考虑系统的成本和运行可靠性;

　　(3)膨胀机设计制造和膨胀比控制技术，是微小型压缩空气储能系统发展的关键。