压缩空气储能技术优化方法

2023-06-23 理论教育版权反馈

【摘要】：当用电高峰时，再利用洞窟中的压缩空气驱动涡轮机进行发电，将空气能转换为电能。由热力学定律可知，在气体压缩过程中，空气会变热，为了增加储能的空间，可以考虑在空气被注入洞窟前先进行冷却处理。而当将洞窟中的压缩空气解压时，空气又会变冷，可能会因为温度过低而损坏设备。在空气解压缩过程中将所蓄热量用来加热空气。图6-3 绝热CAES系统示意图压缩空气储能主要用于长时间大容量储能。

压缩空气储能（CAES）系统的结构与抽水蓄能系统的结构相似，其不同点是采用空气而不是水作为储能介质，如图6-2所示。另外，CAES系统的结构更加简单，与抽水蓄能系统相比，只需建设一个储气罐即可。其主要工作过程如下：利用从电网获取的电能驱动电动机带动压缩机工作，将空气压缩至一定压强（如75×10⁵ Pa），注入密封的洞窟中，洞窟可以是一个天然的蓄水层、一个溶漓盐穴或一个人造的石岩洞。当用电高峰时，再利用洞窟中的压缩空气驱动涡轮机进行发电，将空气能转换为电能。由热力学定律可知，在气体压缩过程中，空气会变热，为了增加储能的空间，可以考虑在空气被注入洞窟前先进行冷却处理。而当将洞窟中的压缩空气解压时，空气又会变冷，可能会因为温度过低而损坏设备。因而，释放压缩空气发电时，可先将压缩空气在换热器中进行预加热，加热所需的热量主要通过燃烧废气来获得，然后再将压缩空气与少量的天然气或油混合，并在燃烧室中燃烧，所产生的热气膨胀推动涡轮机运行并发电。

图6-2 CAES系统示意图

从理论上讲，上述过程应该是恒温的。但在实际过程中，由于技术和热动力学的限制，很难做到这一点。假设的最大储能可以用式（6-2）描述，根据理想气体状态方程，对于恒温过程这个值是常数。

PV=nRT （6-1）

式中，P为气体的压强；V为气体体积；n为气体的摩尔数；R为玻尔兹曼常数；T为气体温度。

根据定义，恒温过程中气体所做的功等于

W_AB=nRT1n（P_A/P_B）（6-2）

在恒温过程中，存在以下关系式

P_AV_A=P_BV_B（6-3）

由于不同装置的效率以及不论压缩还是解压缩都不是一个恒温过程，所以做的功一定会减少。

典型的CAES系统由以下5个基本子系统构成：

1）可逆式电动机/发电机。

2）两阶段或多阶段带中间冷却器和后冷却器的空气压缩机。

3）换热器以及高压和低压涡轮机。

4）密封的洞窟。

5）控制系统、燃料储存系统、电网接入等。

CAES系统主要有轴系统和双轴系统两类。在单轴CAES系统中，电气设备具备电动和发电双向能量流控制功能。在充气模式（即空气压缩阶段）时，该电气设备可作为原动机驱动压缩机进行空气压缩。此时，电动机与压缩机通过联轴器连接在一起；而当CAES系统工作在放气阶段时，压缩机与电气设备断开，联轴器又将电气设备与燃气轮机连接在一起。此时燃气轮机驱动这些电气设备，使其作为发电机使用。

在双轴CAES系统中，存在两个相互独立的能量流控制系统。其中一个轴连接电动机与压缩机，另一个轴连接涡轮机与发电机。就所储能量的数量和储能时间而言，CAES与调峰用抽水蓄能系统没有很大的区别。两种系统均可以被设计成能储存大量电能，时间长达数月。

CAES系统具有良好的动态特性。在正常情况下，它可以在大约12min内达到额定功率；而在紧急启动时可以在9min内达到额定功率。此外，如果利用天然的地质构造，CAES系统并不需要庞大的投资支出。它的基本限制是热力学定律和需要维持恒温过程。由于后者实际上是不可能的，因此在空气解压缩过程中必须提供热量，而在压缩空气过程中热量被浪费。因此，整个系统不能被称为纯储能系统。为了释放储存的能量，必须采用燃气轮机。

然而，还有另一种绝热CAES系统的思路。这种系统的结构如图6-3所示。空气经过压缩后进行冷却，在冷却过程中产生的能量并没有损失掉，而是储存在蓄热器中。在空气解压缩过程中将所蓄热量用来加热空气。这种方案不需要基于燃气轮机发电。整个过程中没有额外的燃料消耗。

图6-3 绝热CAES系统示意图

压缩空气储能主要用于长时间大容量储能。直到现在，CAES系统一直被认为是适用于大规模电力系统功率调节的大型储能装置。目前，很多研究人员都在研究如何将小型CAES系统应用于分布式发电和不间断电源，并考虑将其用来替代电池储能系统。

总之，就目前的技术水平，压缩空气储能只有在大规模应用时才有较好经济效益。就储能容量而言，只有调峰用抽水蓄能系统可以与之相比。由于损耗很小，CAES系统的储能时间可以长达一年多。

压缩空气储能技术优化方法

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