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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

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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
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D0:10.13334.0258-8013.pcsee.2012.20.020第32卷第20期中国电机工程学报ol.32No.20Jul.15,2012882012年7月15日Proceedings of the CSEE2012 Chin.Soc.for Elec.Eng文章编号:0258-8013(2012)20-0088-08中图分类号:TK82文献标志码:A学科分类号:47040风光互补的压缩空气储能与发电一体化系统特性分析(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 andElectricity Production With Wind-solar Complementary MethodXU Yujie',CHEN Haisheng',LIU Jia,TAN Chunqing(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普其不稳定性与间歇性,实现储能与发电等多功能集成:基production system integrated with wind energy and solar于热效率、怎效率及储能效率3种评价准则,全面分析系统energy was proposed.The system utilizes complementarily的热力特性和储能特性,揭示透平进口压力和初温、压气机wind energy and solar energy,and improves their intermittent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and fluctuant characteristics by using compressed air energy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storage system.The system realizes multifunctional integration源的规模化发展以及大规模储能的发展提供了参考。of energy storage and electricity production.On the basis ofenergy efficiency,exergy efficiency and energy storage关键词:压缩空气储能:风光互补:电力储能:系统特性:efficiency,thermodynamic characteristic and energy storage发电characteristic were analyzed thoroughly,and vary behaviour of0引言the system performance with respect to turbine's initialpressure,initial temperature,turbine's efficiency and化石能源不断枯竭与环境日益恶化己成为制compressor's efficiency were revealed.The performance约全球经济与社会发展的重要瓶颈问题。为解决这analysis and comparison were conducted when the system一问题,除了广泛开展节约用能与提高化石能源利adopts constant-volume air storage tank and constant-pressure用效率外,大规模开发利用可再生能源成为全球能air storage tank,and the results show that thermodynamicperformance and energy storage performance will be upgraded源发展的重要选择与必然趋势山。风能与太阳能在if constant-pressure air storage tank is adopted.The research全球范围内分布最广泛、最丰富,是可再生能源开provides an important reference for renewable energy and发利用的重点山。large-scale energy storage development.风电是风能规模化开发利用的主要方式,但风KEY WORDS:compressed air energy storage;wind-solar电具有不稳定性和间歇性,对电网的调度、运行方complementary;electrical energy storage;system charac-式、可靠性、电能品质和运行成本都带来巨大的冲teristic;electricity generation击回。随着风电规模的日益增大,风电与电网的相摘要:提出一种新型的风光互补的储能与发电一体化系统,容性问题将越发突出,迫切需要可行的解决方案以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促进风电的大规模利用。目前主要有两种技术途基金项目:国家自然科学基金项目(5006079:51006097):科技北径:一种是将风能与其他能源组成互补系统,如风京专项项目。电与太阳能发电互补系统、风电与柴油机/燃气轮机Project Supported by the National Natural Science Foundation of发电互补系统等B,另一种为将风电与大规模储能China (50906079:51006097);Special Science and Technology Project ofBejing.(C)1994-2022 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http://www.cnki.net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89风光互补发电系统是利用当地风能和太阳能组的工业试验用中间机组,最大压力为8MPa。瑞资源的互补性,将风力发电机组和太阳能发电机组士ABB公司(现为阿尔斯通公司)正在开发联合循集成为一体的发电系统。己有的风光互补系统虽然环压缩空气储能发电系统,储能系统发电功率为具有极好的环保效益,但仍存在发展障碍:太阳能422MW,空气压力为3.3MPa,机组效率可达和风能都具有不稳定性和间歇性的缺点,虽然联合70.1%。目前除德、美、日、瑞士外,俄、法、意、利用可一定程度缓解其影响,但并不能彻底解决并卢森堡、南非、以色列和韩国等也在积极开发压缩网时所带来的问题山:己有的风光互补发电系统均空气储能电站123)。采用光伏发电,而且蓄能采用电池,成本较高:且本文利用风能与太阳能的互补性,并将其同压在己有的风光互补发电系统中,实质上风力发电与缩空气储能系统整合,利用压缩机级间排热、透平太阳能发电互为2个独立发电系统,未将风能与太排气余热、太阳能热替代燃烧室燃料燃烧加热透平阳能进行充分地综合利用,因而利用效率较低☒。进气,提出一种新型风光互补的储能与发电一体化目前,太阳能电池的转化效率较低,在7%~20%,系统:并对系统的热力特性和储能特性进行深入的各种蓄能电池(液流电池、钠硫电池、锂离子电池等)分析比较。的转化效率在75%~89%,所以传统的风/光/储系统1系统流程概述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%,加上逆变图1为本文提出的风光互补的储能与发电一体器等部件转化效率的影响,将使效率再降低化系统流程图。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,将高压空将风电与大规模储能技术相结合是规模化发气利用压缩机级间排热、透平回热、和太阳能加热展风电的重要途径5,16-17。目前己有的电力储能系升温,然后在透平中膨胀做功。该系统由风力发电统有抽水蓄能电站、压缩空气储能系统、蓄电池、机组、太阳能集热/蓄热装置、空气压缩机与存储装超导磁能、飞轮和电容等,其中,抽水蓄能和压缩置、压缩机级间排热/蓄热装置或透平排气余热回收空气储能是比较适合大规模储能系统的2种储能技多级透平术。抽水蓄能电站具有技术成熟、效率高、容量大、发电机储能周期长等优点,是目前广泛使用的大规模电力排气太阳能蓄热系统换热器储能系统,但受地理条件等因素制约,开发利用受到很大限制刀。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,驱动透平发储气罐风力发电系统空气电。a)回收压缩机级间排热压缩空气储能系统具有储能容量大、储能周期多级透平长、效率高和投资相对较小等优点,目前己有两座大规模压缩空气储能电站投入商业运行。第一座是太阳能蓄热/换热器太阳能蓄热系统1978年投入商业运行的德国Huntorf电站,机组输回热器出功率为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,储能耗电为多级压缩机风力发电系统46745MW-h,净发电量为39255MW-h,以高位发空气b)回收透平排气余热热量计的发电热耗为5565kJ/kW-h)。另外,日本图】风光互补的压缩空气储能与发电一体化系统流程图于2001年投入运行的上砂川盯压缩空气储能示范Fig.I Flow chart of compressed air energy storage and项目,输出功率为2MW,是日本开发400MW机electricity production system with wind energy and solar energy(C)1994-2022 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http://www.cnki.net90中国电机工程学报第32卷装置、透平膨胀机组成。(2)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(4)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,蓄热介质式中:刀m为基于热力学第一定律的系统热效率: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能效率:Wo为透平输出的总功:Wm为系统输入的储气室(罐)组成。本文系统采用四级间冷压缩机(图电能,即压气机的耗功:Qm为输入系统中太阳能中只用两级表示),利用风电将空气压缩至热量:Eor为输入系统中太阳能的热火用量:Wm80×105200×105Pa.为太阳能折算功,即根据目前槽式太阳能热发电技如图1(a)所示,压缩机级间排热/蓄热装置由蓄术水平,将系统中所利用的太阳能折算为太阳能所热和换热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能热发电效率。蓄热介质中,当系统发电时,利用存储的级间排热一般高压储气罐工作工况有2种:恒容,即储加热高压空气,增加膨胀机出功。但是,随着太阳气罐的体积不变,储气罐释放压力不断变化的高压能集热温度的升高,透平进口温度和出口温度均升空气,然后通过节流阀控制透平入口压力,商业运高。当透平出口温度高于压缩机级间排热温度时,行的压缩空气储能电站均采用这种方式:恒压,即系统只需回收利用透平排气余热,如图1(b)所示。储气罐向透平输送储气压力下的高压气体,即储气图1(b)中回热器替代了图1(a)的压缩机级间排热/罐压力恒定不变,这种形式的储气装置尚处于研发蓄热器。阶段。本文将对这2种方式进行分析。透平膨胀机由四级再热膨胀透平组成(图1中22恒压储气罐的系统热力特性用两级表示)。从储气罐输出的高压空气经压缩机级图2、3分别表示在压气机效率为80%、透平间排热或透平排气余热、太阳能加热到200~450℃,效率为85%的条件下,系统热效率和太阳能与输入然后到透平膨胀做功,输出稳定的电能。电热值比、效率和太阳能与输入电火㶲值比随透平2系统热力特性分析进口初压(等于压气机出口压力)和初温的变化曲线。可见,系统热效率和火用效率变化趋势相同:透2.1热力学分析方法平初温为200和250℃两条曲线,以及初温为300本文采用Aspen plus软件对风光互补的压缩空℃、压力大于120×105Pa部分曲线均随压力增加呈气储能与发电一体化系统进行模拟计算,系统采用上升趋势,这时系统以图1(a)所示方式运行,当压四级间冷压缩机、四级再热透平膨胀机、抛物槽式力增加时,输入系统中低品位太阳能减少,而且由太阳能蓄热系统。整个系统模拟计算采用透平排气带来的损失也减小。当透平初温为PENG-ROB物性参数,压缩机和透平膨胀机采用绝350~450℃时,以及初温为300℃且压力小于热模型,各级压缩机的压缩比和各级膨胀机的膨胀120×103Pa时,这时系统以图1(b)所示方式运行,比相同,换热器采用逆流换热器,最小换热温差大系统的热效率和火用效率随压力增加而下降,当压力于20℃。系统中影响系统热力性能的主要参数包增加时,由压缩机级间排热带来的损失增加。当压括压气机出口压力、压气机效率、透平初压、透平力一定时,图1(a)所示系统效率随透平初温的升高初温和透平效率。而降低,因为当温度升高时,每级透平排气温度均目前常用的储能系统效率评价准则有3种242),升高,导致回收利用的压缩机级间排热减少,而且由末级透平排气带来的损失也随之增加。当压力一定时,图1(b)所示系统效率随透平初温的升高而升1)高,因为压力不变时,压缩机级间排热损失一定,(C)1994-2022 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http://www.cnki.net
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