新型物理储能技术路线分析.pdf

第 卷第期 年 月 电站辅机P o w e rS t a t i o nA u x i l i a r yE q u i p m e n t V o l N o J u n 文章编号:()新型物理储能技术路线分析杨闯,朱曙荣,边技超,杨乐(北京电力设备总厂有限公司,北京 ;中国能建集团装备有限公司,北京 )摘要:将储能技术纳入能源系统可以改善电力供需不匹配等状况,并且会为能源系统带来技术、经济和环境效益.对压缩空气储能、重力储能、飞轮储能三种主流新型物理储能的技术路线进行分析后,得出压缩空气储能功率等级最高,适用于建设大规模储能系统,MW级压缩空气储能电站关键设备研制等技术将会被重点关注,但是其能量转换效率略低,未来需要逐步解决能量损失大等问题.重力储能和飞轮储能功率等级较低,可通过建设多个储能群来提升储能系统功率和容量.通过总结三种储能方式的特点以及发展趋势,为能源系统中新型物理储能技术路线的规划提供综合参考.关键词:新型物理储能;压缩空气储能;重力储能;飞轮储能;技术路线中图分类号:T K 文献标识码:AA n a l y s i s f o rN e wP h y s i c a lE n e r g yS t o r a g eT e c h n o l o g yR o u t eY a n gc h u a n g,Z h uS h u r o n g,B i a nJ i c h a o,y a n g l e(B e i j i n gP o w e rE q u i p m e n tG r o u pC o,L t d,B e i j i n g ,C h i n a;C h i n aE n e r g yE n g i n e e r i n gG r o u pE q u i p m e n tC o,L t d,B e i j i n g ,C h i n a)A b s t r a c t:I n t e g r a t i n ge n e r g ys t o r a g et e c h n o l o g yi n t ot h ee n e r g ys y s t e mc a na m e l i o r a t et h em i s m a t c hb e t w e e ns u p p l ya n dd e m a n do f e l e c t r i c i t ya n db r i n gt e c h n i c a l,e c o n o m i ca n de n v i r o n m e n t a l b e n e f i t s t ot h ee n e r g ys y s t e m T h i sp a p e rm a i n l ya n a l y z e s t h e t e c h n o l o g yr o u t e so fc o m p r e s s e da i re n e r g ys t o r a g e,g r a v i t ye n e r g ys t o r a g ea n df l y w h e e le n e r g ys t o r a g e T h r o u g ha n a l y s i s,i ti sc o n c l u d e dt h a ta m o n gt h e s et h r e en e w p h y s i c a le n e r g ys t o r a g e,c o m p r e s s e da i re n e r g ys t o r a g eh a st h eh i g h e s tp o w e rg r a d e,w h i c hi ss u i t a b l ef o rt h ec o n s t r u c t i o no fl a r g es c a l ee n e r g ys t o r a g es y s t e m T h ed e v e l o p m e n to fk e ye q u i p m e n to f MWc o m p r e s s e da i re n e r g ys t o r a g ep o w e r s t a t i o nw i l lb ef o c u s e do n,b u t i t se n e r g yc o n v e r s i o ne f f i c i e n c y i ss l i g h t l yl o w,a n dt h ep r o b l e m ss u c ha s l a r g ee n e r g yl o s sc a nb eg r a d u a l l yi m p r o v e d i nt h e f u t u r e G r a v i t ye n e r g ys t o r a g ea n df l y w h e e le n e r g ys t o r a g eh a v e l o w e rp o w e r l e v e l s,s ot h ee n e r g ys t o r a g es y s t e mp o w e r a n dc a p a c i t yc a nb e i m p r o v e db yb u i l d i n gm u l t i p l ee n e r g ys t o r a g e c l u s t e r s B ys u mm a r i z i n g t h ec h a r a c t e r i s t i c sa n dd e v e l o p m e n tt r e n do ft h et h r e ee n e r g ys t o r a g e m o d e s,t h i sp a p e rp r o v i d e sac o m p r e h e n s i v er e f e r e n c e f o r t h ep l a n n i n go fn e wp h y s i c a l e n e r g ys t o r a g e t e c h n o l o g yr o u t e s i nt h ee n e r g ys y s t e mK e yw o r d s:n e wp h y s i c a le n e r g ys t o r a g e;c o m p r e s s e da i re n e r g ys t o r a g e;g r a v i t ye n e r g ys t o r a g e;f l y w h e e le n e r g ys t o r a g e;t e c h n i c a l r o u t e收稿日期:作者简介:杨闯(),男,工程硕士,助理工程师,主要从事物理储能相关技术研究.引言可再生能源具有替代传统能源发电的巨大潜力,但其间歇性、随机性和波动性是重大问题,严重影响电网稳定性和负载平衡,导致供需不匹配.储能技术可用于促进可再生能源的利用、提高系统杨闯,等:新型物理储能技术路线分析电站辅机总第 期(N o )运行稳定性、调节频率,还可用于电网调峰、平滑负荷、提高用电设备利用率及降低用电成本.然而,储能技术种类繁多,在不同的应用场景中科学地选择储能技术显得尤为重要.储能包括储电、储热、储冷三种形式,在储电方面又分为物理储能和化学储能.与化学储能相比,物理储能的优势更显著,如寿命长、方便维修、安全性强等,已经成为可再生能源发电配套的重要选项.新型物理储能是指除抽水蓄能外的新型电储能技术,包括压缩空气储能、飞轮储能、重力储能等.本文主要分析三种新型物理储能方式的原理及技术路线等,并总结了每种储能方式的优势和不足,在新能源发电及电网调峰调频等领域中,为新型物理储能技术路线的选择提供参考.压缩空气储能的技术路线及主要设备压缩空气储能是指在充电过程中利用电网中低谷电或新能源中不稳定的弃风、弃光等电能驱动压缩机,吸取环境空气并将其压缩至高压空气储存在储气装置中,使电能转化为压缩空气的内能;在放电过程中,释放出高压空气,推动空气膨胀机做功发电,使压缩空气的内能重新转化为电能.传统补燃式压缩空气储能传统补燃式压缩空气储能系统的原理如图所示,此系统在膨胀机前需要设置燃烧室,通过燃料燃烧来加热膨胀机入口的压缩空气,以提升空气膨胀机进气温度,提高空气做功能力.其主要设备有空气压缩机、膨胀机、电动机、发电机、储气室、燃烧器等.图传统补燃式压缩空气储能系统原理图 先进绝热压缩空气储能先进绝热压缩空气储能系统原理如图所示,在压缩过程中,通过采取良好的保温隔热措施,尽量降低压缩机与环境的换热而减少热量耗散,可以使压缩过程最大限度地接近绝热压缩过程,或者说实现准绝热压缩过程.释能过程中,储存的压缩热能可用于加热膨胀机入口空气,实现无须补充燃料的非补燃式压缩空气储能.其主要设备有压缩机、电动机、发电机、换热器、蓄热器、膨胀机和储气室等.图先进绝热压缩空气储能系统原理图 等温压缩空气储能等温压缩空气储能系统原理如图所示,储能系统在加压过程中通过连续冷却空气来降低热量损失,并且在气体释放过程中使用回收的压缩余热来维持等温膨胀.其主要设备有液体活塞、电动机、发电机、储气室、液压泵和液压马达等.图等温压缩空气储能系统原理图图液态空气储能系统原理图 液态空气储能/超临界空气储能液态空气储能系统原理如图所示,储能过程中,利用电能驱动压缩机压缩空气并液化储存在液态空气储罐中,同时回收未液化空气的冷能.释能电站辅机总第 期(N o )杨闯,等:新型物理储能技术路线分析时,液态空气经过泵加压后经过蓄冷器回收并储存冷能,此时液态空气已经转化为气态空气,气态空气通过加热器形成高温高压空气推动空气膨胀机做功.其主要设备有压缩机、膨胀机、电动机、发电机、液态空气储罐、换热器、节流阀、蓄冷器、蓄热器和低温泵等.压缩空气储能外部热源耦合耦合外部热源的压缩空气储能系统原理如图所示,系统在膨胀过程中利用太阳能、风能、工业废热或电厂余热等热源来逐级加热高压空气,提高空气做工能力.其主要设备有压缩机、电动机、发电机、换热器、外热源、膨胀机和储气室等.图耦合外部热源的压缩空气储能系统原理图 重力储能的技术路线及主要设备重力储能系统主要利用谷电或过剩电力驱动起重机等设备提升重物储存势能,用电高峰时重物下落带动发电机发电,重物一般选择金属、砂石、混凝土等密度较大的建筑废料.海下储能系统海下储能系统原理如图所示,在海洋底部放置中空球体,当水从球体中被抽出来时储存能量.释能时,在海水静压力的作用下,海水会流入中空球体内,并通过涡轮机发电.其主要设备有发电机/电动机、水泵、中空球体储罐等.图海下储能系统原理图 活塞水泵结构活塞水泵结构储能系统原理如图所示,在有富余电力时利用液压系统举起活塞.当需要电力时,活塞下沉,利用活塞的重量挤压密封储水池中的水流经涡轮机发电.其主要设备有发电机/电动机、活塞、水泵等.图活塞水泵结构储能系统原理图 基于构筑物结构基于构筑物结构重力储能方式包括储能塔结构、支撑架和承重墙等.如图所示,储能塔结构是依靠起重机将重物以码垛的形式堆叠到一定高度来储存能量,释能时依次放下重物.支撑架和承重墙结构原理与储能塔结构类似,利用支撑架或承重墙支撑和堆叠重物.其主要设备有起重机、重物、支撑架、滑轮组、发电机/电动机等.图储能塔结构储能系统原理图 基于山体落差机车斜坡轨道系统如图所示,机车斜坡轨道结构的重力储能系统采用成熟的轨道技术,储能时电动机驱动大量机车上坡,将电力转化为重力势能.当释能时,大量机车在重力的作用下运动至山下,此时链条带动发电机发电.其主要设备有起重机、机车、轨道、链条、发电机/电动机等.杨闯,等:新型物理储能技术路线分析电站辅机总第 期(N o )图机车斜坡轨道结构储能系统原理图 基于山体落差山地缆绳索道结构山地缆绳索道结构的重力储能系统 原理如图 所示,是指在陡峭的峡谷或山的边缘建造两台起重机,储能时通过阀门释放储存的砂子和砾石并将其装载到储存容器中,利用缆绳或索道结构将重物从较低的储存地点移动到较高的山体上.其主要设备有砂砾储存站、起重机、缆绳、存放砂石的筐、发电机/电动机等.图 山地缆绳索道结构储能系统原理图 基于地下竖井基于地下竖井结构的重力储能系统原理如图 所示,储能时利用电能来提升悬挂的重物以储存能量.释能时重物落下至竖井底部释放能量.其主要设备有支架、滑轮、缆绳、电动机/发电机、重物、卷筒、液力耦合器等.图 基于地下竖井的重力储能系统原理图 飞轮储能的技术路线及主要设备如图 所示,飞轮储能是一种简单的动能存储形式,充电时电能转化为飞轮转子的机械能,放电时转子机械能转化为电能,并且系统的响应速度非常快,能够在短时间内实现高效率的存储.随着磁轴承和高效电机/发电机的引入,飞轮储能已成为新型物理储能中的有力竞争者.飞轮储能主要设备有飞轮转子、轴承系统、电动机、发电机、电力电子变换器以及真空室.图 飞轮储能系统原理图 轴承目前飞轮储能系统按选择的轴承不同 有以下四种技术路线:()机械球轴承机械球轴承具有初始成本低、结构简单等优点,但很少用于支撑飞轮转子,原因是转子转速高,摩擦损失大.在大多数情况下,球轴承与磁轴承辅助使用,或作为捕捉轴承,在磁轴承失效时捕捉转子.磁轴承与转子无接触,损耗小,不磨损,不需要润滑,缺点是成本较高、结构复杂.()被动磁轴承被动磁轴承系统没有外部控制,由永磁体组成,永磁体提供悬浮飞轮的斥力.飞轮储能系统工作时,转子先在机械备用轴承上旋转,当转子转速超过某个临界速度,被动磁轴承就会发挥作用.被动磁轴承的刚度较低,且在转子振动过程中刚度无法调节.()主动磁轴承主动磁轴承系统利用位置反馈控制器和一组电磁制动器使转子悬浮,功率放大器将电流驱动到制动器,制动器激发磁场并产生力使转子悬浮.非接触式涡流位置传感器测量转子瞬时位置,并将信号送入主动磁轴承控制器,将位置设定值与实际值进行比较,控制功率放大器的输出电流.反馈控制器通过主动调节系统的刚度和阻尼来降低飞轮转子的振动.电站辅机总第 期(N o )杨闯,等:新型物理储能技术路线分析()超导磁轴承超导磁轴承由超导定子和永磁转子组成,飞轮利用高温超导体的作用力实现无接触悬浮.超导磁轴承的成功利用仍然需要被动磁轴承和主动磁轴承,并且储能系统里的低温恒温器表面的涡流和高温超导体的磁滞容易造成超导磁轴承旋转损耗.飞轮转子材料飞轮储能转子材料的强度和密度决定了飞轮转子的能量容量.碳纤维复合材料和合金钢是制造转子常用的两种材料,表给出了不同转子材料的数据.更高强度的转子意味着可实现更高的转速,因此复合转子的转速可达数万转/分钟,而钢制转子的转速通常为数千转/分钟.材料的选择取决于能源需求、风险、成本和应用领域.表转子材料材料密度/(k gm)强度/MP a能量密度/(M Jk g)钢(A I C I )锰铝合金(A l M n M g)钛合金(T i A lZ r)碳纤维复合材料(S)碳纤维复合材料(M S)碳纤维复合材料(T G)三种新型物理储能方式对比表,对三种新型物理储能进行了技术比较,重力储能的成本最低,响应速度为秒级,但是以固体为介质的重力储能系统功率等级最大只达到 MW,适用于建设中等容量和功率的储能系统,通过增加被提升物的质量和提升高度可提高储能系统的功率和容量.活塞水泵结构的重力储能虽然可以达到 MW功率等级,但是技术不成熟,活塞与水池壁之间的密封性使其足以抵抗水压是该项技术最 大 的 难 点.压 缩 空 气 储 能 系 统 可 以 达 到 MW功率等级,容量可达到 MWh,并且能量密度大,适合作为大规模、长时间的储能模式.压缩空气储能响应速度与功率、能量成本都介于重力储能和飞轮储能之间,运行寿命较长,但是在不耦合其他外部热源的情况下,其能量转换效率要低于飞轮储能.飞轮储能的能量转换效率最高,但飞轮储能的缺点是系统存在摩擦损耗,自放电率高,运行寿命也相对较短,并且初始成本相对较高,功率等级低,可以通过设置多个飞轮组成飞轮组来提高整个储能系统的功率等级.表三种新型物理储能方式对比储能方式功率/MW能量转换效率/响应速度功率成本/(元kW)能量成本/元(k Wh)规模/(MWh)能量密度/(Whk g)寿命/年压缩空气储能 分钟级 重力储能 秒级 飞轮储能 分钟级 三种新型物理储能方式发展趋势()压缩空气储能国内 MW级以上大型压缩空气储能设备制造技术尚不成熟,MW级压缩空气储能电站的系统集成、关键设备研制、自动控制及智能化运行技术亟须开发突破.液态空气储能系统和超临界压缩空气系统能量密度大,储气装置体积小,但系统热量损失大,储能效率低,未来可逐步解决能量损失大的技术问题.采用液态/超临界空气储能技术外部热/冷源耦合的方式,可提高系统储能效率,小容量储气罐也解决了对热源地和储气装置选址的限制问题,适合未来的发展方向.()重力储能可根据不同地理位置和储能容量需求来设计重力储能系统方案,储能介质可以选择混凝土、砂石等建筑废料,可有效提高系统建设的经济性.基于山体落差和地下竖井的重力储能系统结构更加稳定,承重能力强,相关的电动机/发电机技术、吊装技术等将会被重点关注.通过建设多个重力储能系统集群,可以使其储能容量和功率更大,从而适合大规模储能方案,但是同时选址会受到相应限制.杨闯,等:新型物理储能技术路线分析电站辅机总第 期(N o )()飞轮储能在飞轮储能系统中相比于机械轴承、主/被动磁轴承和超导磁轴承,混合轴承(不同轴承的混合)可达到优势互补,更具有研究价值.高转速飞轮储能系统转子质量小、体积小、储能密度高,优势更明显,更具有发展前景.提高转速是提高飞轮储能量的有效途径,转速提升的关键是转子材料,大多飞轮转子材料可承受的边缘线速度较低,限制了飞轮储能系统的发展,可承受高速旋转的复合材料转子飞轮适合未来发展趋势.结论本文主要对压缩空气储能、重力储能、飞轮储能的技术路线进行分析对比以及探讨其发展趋势.通过分析可以看出,压缩空气储能更适合作为大规模、长时间的储能模式,在压缩空气储能技术路线中液态空气储能系统能量密度大,选址更灵活,但储能效率低,未来可逐步解决能量损失大等技术问题.重力储能可选择建筑废料作为储能介质,更具有成本优势.飞轮储能能量转换效率高,但是功率等级相对较低,可研发复合材料飞轮转子来提升储能功率.重力储能与飞轮储能更适用于建设中等容量和功率的储能系统,但是通过建设多个储能系统集群可以使其储能功率和容量增大.参考文献:任炬光,张力,金立,等考虑可再生能源消纳的建筑综合能源系统日前经济调度模型J工程科学与技术,():龚一平,王晨晖,修晓青,等大规模储能技术及多功能应用研究综述J供用电,():胡娟,杨水丽,侯朝勇,等规模化储能技术典型示范应用的现状分析与启示J电网技术,():B UD TM,WO L FD,S P ANR,e t a l Ar e v i e wo nc o m p r e s s e da i re n e r g ys t o r a g e:B a s i cp r i n c i p l e s,p a s t m i l e s t o n e sa n dr e c e n td e v e l o p m e n t sJA p p l i e dE n e r g y,:李季,黄恩和,范仁东,等压缩空气储能技术研究现状与展望J汽轮机技术,():,徐卫君,张伟,胡宇涛,等先进绝热压缩空气储能多能流优化调度模型J电工技术学报,():何青,王珂等温压缩空气储能技术及其研究进展J热力发电,():张建军超临界压缩空气储能系统的换热及蓄热问题研究D北京:中国科学院大学,蔡杰,张松岩,杜治,等含光热集热模块的先进绝热压缩空气储能系统容量配置策略J电力自动化设备,():S L O C UM A H,F E NN E L L G E,D UN D A R G,e ta l O c e a nr e n e w a b l ee n e r g ys t o r a g e(O R E S)s y s t e m:A n a l y s i so fa nu n d e r s e ae n e r g ys t o r a g ec o n c e p tJ P r o c e e d i n g so f t h eI E E E,():B O THACD,KAMP E R MJ C a p a b i l i t ys t u d yo fd r yg r a v i t ye n e r g ys t o r a g eJ J o u r n a l o fE n e r g yS t o r a g e,():王粟,肖立业,唐文冰,等新型重力储能研究综述J储能科学与技术,():HUNTJD,Z AK E R IB,F A L C HE T T A G,e ta l M o u n t a i ng r a v i t ye n e r g ys t o r a g e:A n e w s o l u t i o nf o rc l o s i n gt h eg a pb e t w e e ne x i s t i n gs h o r t a n dl o n g t e r ms t o r a g et e c h n o l o g i e sJE n e r g y,():MO R S T YNT,CH I L C OT T M,MC C U L L O C H M DG r a v i t ye n e r g ys t o r a g e w i t hs u s p e n d e d w e i g h t sf o ra b a n d o n e d m i n es h a f t sJA p p l i e dE n e r g y,():于苏杭,郭文勇,滕玉平,等飞轮储能轴承结构和控制策略研究综述J储能科学与技术,():张维煜,张林东,于焰均磁悬浮支承飞轮系统稳定运行关键技术综述J西南交通大学学报,():戴兴建,胡东旭,张志来,等高强合金钢飞轮转子材料结构分析与应用J储能科学与技术,():Z HOU L,Q IZR e v i e wo ff l y w h e e le n e r g ys t o r a g es y s t e mC/S o l a rW o r l dC o n g r e s s 陈海生,凌浩恕,徐玉杰能源革命中的物理储能技术J中国科学院院刊,():罗桂平,卫宏强,孟德超,等飞轮储能技术研究进展J中国科技纵横,():B E R R A D AA,L OUD I Y IK C h a p t e rE n e r g yS t o r a g eME l s e v i e r I n c :