风光互补的压缩空气储能与发电一体化系统特性分析

第 20 期
徐玉杰等：风光互补的压缩空气储能与发电一体化系统特性分析
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风光互补发电系统是利用当地风能和太阳能 资源的互补性，将风力发电机组和太阳能发电机组 集成为一体的发电系统。已有的风光互补系统虽然 具有极好的环保效益，但仍存在发展障碍：太阳能 和风能都具有不稳定性和间歇性的缺点，虽然联合 利用可一定程度缓解其影响，但并不能彻底解决并 网时所带来的问题
XU Yujie1, CHEN Haisheng1, LIU Jia2, TAN Chunqing1
(1. Institute of Engineering Thermophysics, Chinese Academy of Sciences, Haidian District, Beijing 100190, China; 2. Graduate University of Chinese Academy Science, Haidian District, Beijing 100190, China) ABSTRACT: A novel energy storage and electricity 善其不稳定性与间歇性， 实现储能与发电等多功能集成； 基 火用效率及储能效率 3 种评价准则， 全面分析系统 于热效率、 的热力特性和储能特性， 揭示透平进口压力和初温、 压气机 和透平效率对系统性能的影响规律； 分析比较了系统采用等 容储气罐和等压储气罐对性能的影响， 指出利用等压储气罐 能有效提高系统热力性能和储能性能。 研究结果为可再生能 源的规模化发展以及大规模储能的发展提供了参考。 关键词：压缩空气储能；风光互补；电力储能；系统特性； 发电
0 引言
化石能源不断枯竭与环境日益恶化已成为制 约全球经济与社会发展的重要瓶颈问题。为解决这 一问题，除了广泛开展节约用能与提高化石能源利 用效率外，大规模开发利用可再生能源成为全球能 源发展的重要选择与必然趋势[1]。风能与太阳能在 全球范围内分布最广泛、最丰富，是可再生能源开 发利用的重点[1]。 风电是风能规模化开发利用的主要方式，但风 电具有不稳定性和间歇性，对电网的调度、运行方 式、可靠性、电能品质和运行成本都带来巨大的冲 击[2]。随着风电规模的日益增大，风电与电网的相 容性问题将越发突出，迫切需要可行的解决方案以 促进风电的大规模利用。目前主要有两种技术途 径：一种是将风能与其他能源组成互补系统，如风 电与太阳能发电互补系统、 风电与柴油机/燃气轮机 发电互补系统等[3-5]； 另一种为将风电与大规模储能 技术相结合[5-10]。
多级透平 发电机 排气 间冷蓄热/ 换热器 电动机 多级压缩机 空气 (a) 回收压缩机级间排热 多级透平 发电机 太阳能蓄热/ 换热器 排气 回热器 太阳能蓄热系统 太阳能蓄热/ 换热器 太阳能蓄热系统
储气罐
风力发电系统
间冷器
间冷器 多级压缩机
电动机
储气罐
空气 (b) 回收透平排气余热
风力发电系统
图1
风光互补的压缩空气储能与发电一体化系统流程图
Fig. 1 Flow chart of compressed air energy storage and electricity production system with wind energy and solar energy
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中
国
电
机
工
[7]
1 系统流程概述
图 1 为本文提出的风光互补的储能与发电一体 化系统流程图。在该系统中，风电将空气压缩至高 压，并储存在储气室(罐)中，当需要时，将高压空 气利用压缩机级间排热、透平回热、和太阳能加热 升温，然后在透平中膨胀做功。该系统由风力发电 机组、太阳能集热/蓄热装置、空气压缩机与存储装 置、 压缩机级间排热/蓄热装置或透平排气余热回收
production system integrated with wind energy and solar energy was proposed. The system utilizes complementarily wind energy and solar energy, and improves their intermittent and fluctuant characteristics by using compressed air energy storage system. The system realizes multifunctional integration of energy storage and electricity production. On the basis of energy efficiency, exergy efficiency and energy storage efficiency, thermodynamic characteristic and energy storage characteristic were analyzed thoroughly, and vary behaviour of the system performance with respect to turbine’s initial pressure, initial temperature, turbine’s efficiency and compressor’s efficiency were revealed. The performance analysis and comparison were conducted when the system adopts constant-volume air storage tank and constant-pressure air storage tank, and the results show that thermodynamic performance and energy storage performance will be upgraded if constant-pressure air storage tank is adopted. The research provides an important reference for renewable energy and large-scale energy storage development. KEY WORDS: compressed air energy storage; wind-solar complementary; electrical energy storage; system characteristic; electricity generation 摘要：提出一种新型的风光互补的储能与发电一体化系统， 该系统互补利用风能与太阳能， 并通过压缩空气储能系统改
程
学
报
第 32 卷
装置、透平膨胀机组成。 太阳能集热/蓄热装置由太阳能集热器、 太阳能 吸收与输送热量装置、蓄热/换热器等组成。太阳能 集热器将太阳能聚集成高能流密度的中高温热能， 加热来自蓄热/换热器的蓄热介质， 高温蓄热介质将 热量提供给透平进口的高压空气，以增加动力输 出。如果采用抛物槽式太阳能集热系统，蓄热介质 采用导热油，温度可达 500℃左右。 空气压缩机与存储装置由多级压缩机与高压 储气室(罐)组成。本文系统采用四级间冷压缩机(图 中只用两级表示)，利用风电将空气压缩至 80105~200105Pa。 如图 1(a)所示， 压缩机级间排热/蓄热装置由蓄 热和换热 2 部分组成。为了提高系统的储能效率， 当系统储电时，回收压缩机级间排热并将其储存在 蓄热介质中，当系统发电时，利用存储的级间排热 加热高压空气，增加膨胀机出功。但是，随着太阳 能集热温度的升高，透平进口温度和出口温度均升 高。当透平出口温度高于压缩机级间排热温度时， 系统只需回收利用透平排气余热，如图 1(b)所示。 图 1(b)中回热器替代了图 1(a)的压缩机级间排热/ 蓄热器。 透平膨胀机由四级再热膨胀透平组成(图 1 中 用两级表示)。 从储气罐输出的高压空气经压缩机级 间排热或透平排气余热、 太阳能加热到 200~450℃， 然后到透平膨胀做功，输出稳定的电能。
；已有的风光互补Байду номын сангаас电系统均
采用光伏发电，而且蓄能采用电池，成本较高；且 在已有的风光互补发电系统中，实质上风力发电与 太阳能发电互为 2 个独立发电系统，未将风能与太 阳能进行充分地综合利用，因而利用效率较低
[12]
。
目前，太阳能电池的转化效率较低，在 7%~20%， 各种蓄能电池(液流电池、 钠硫电池、 锂离子电池等) 的转化效率在 75%~89%，所以传统的风/光/储系统 中太阳能光伏发电通过电池储能后再释放电，导致 整体的能量转化效率更低，在 5%~18%，加上逆变 器等部件转化效率的影响，将使效率再降低 10%[13-15]左右。 将风电与大规模储能技术相结合是规模化发 展风电的重要途径[5,16-17]。目前已有的电力储能系 统有抽水蓄能电站、压缩空气储能系统、蓄电池、 超导磁能、飞轮和电容等，其中，抽水蓄能和压缩 空气储能是比较适合大规模储能系统的 2 种储能技 术。抽水蓄能电站具有技术成熟、效率高、容量大、 储能周期长等优点，是目前广泛使用的大规模电力 储能系统，但受地理条件等因素制约，开发利用受 到很大限制 。压缩空气储能是另一种能够实现大 容量和长时间电能存储的储能技术。它通过压缩空 气储存多余的电能，在需要时，高压空气从储气室 释放，进入燃烧室同燃料一起燃烧后，驱动透平发 电。 压缩空气储能系统具有储能容量大、储能周期 长、效率高和投资相对较小等优点，目前已有两座 大规模压缩空气储能电站投入商业运行。第一座是 1978 年投入商业运行的德国 Huntorf 电站，机组输 出功率为 290MW，压缩空气压力达 10MPa。第二 座是于 1991 年投入商业运行的美国 Alabama 州的 McIntosh 压缩空气储能电站，机组输出功率 为 110MW ，压缩空气压力为 7.5MPa ，储能耗电为 46745MWh，净发电量为 39255MWh，以高位发 热量计的发电热耗为 5565kJ/(kWh)。另外，日本 于 2001 年投入运行的上砂川盯压缩空气储能示范 项目，输出功率为 2MW，是日本开发 400MW 机
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第 32 卷 第 20 期 2012 年 7 月 15 日
中
国 电 机 工 程 学 Proceedings of the CSEE 中图分类号：TK 82
报
Vol.32 No.20 Jul.15, 2012 ©2012 Chin.Soc.for Elec.Eng. 学科分类号：470·40
文章编号：0258-8013 (2012) 20-0088-08
[11]
组的工业试验用中间机组，最大压力为 8MPa。瑞 士 ABB 公司(现为阿尔斯通公司)正在开发联合循 环压缩空气储能发电系统，储能系统发电功率为 422MW ， 空 气 压 力 为 3.3MPa ， 机 组 效 率 可 达 70.1%。目前除德、美、日、瑞士外，俄、法、意、 卢森堡、南非、以色列和韩国等也在积极开发压缩 空气储能电站[18-23]。 本文利用风能与太阳能的互补性，并将其同压 缩空气储能系统整合，利用压缩机级间排热、透平 排气余热、太阳能热替代燃烧室燃料燃烧加热透平 进气，提出一种新型风光互补的储能与发电一体化 系统；并对系统的热力特性和储能特性进行深入的 分析比较。
文献标志码：A
风光互补的压缩空气储能与发电一体化系统 特性分析
徐玉杰 1，陈海生 1，刘佳 2，谭春青 1
(1．中国科学院工程热物理研究所，北京市 海淀区 100190； 2．中国科学院研究生院，北京市 海淀区 100190)
Performance Analysis on an Integrated System of Compressed Air Energy Storage and Electricity Production With Wind-solar Complementary Method
基金项目：国家自然科学基金项目(50906079；51006097)；科技北 京专项项目。 Project Supported by the National Natural Science Foundation of China (50906079；51006097); Special Science and Technology Project of Bejing.