1.6.2　物理儲(chǔ)能

(1)抽水蓄能電站

抽水蓄能電站利用電力系統(tǒng)低谷負(fù)荷時(shí)的低價(jià)格電力抽水到高處蓄存,在價(jià)格高的高峰負(fù)荷時(shí)段放水發(fā)電。它在負(fù)荷低谷時(shí),吸收電力系統(tǒng)的有功功率抽水,這時(shí)它是用戶;在負(fù)荷高峰時(shí),向電力系統(tǒng)送電,這時(shí)它是發(fā)電廠,通過(guò)電能與水的勢(shì)能的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)換,實(shí)現(xiàn)電能的有效存儲(chǔ),進(jìn)而提高系統(tǒng)中火電、核電以及風(fēng)電的運(yùn)行效率及資源利用率,有效調(diào)節(jié)了電力系統(tǒng)生產(chǎn)、供應(yīng)、使用之間的動(dòng)態(tài)平衡。

另外,它是以水為介質(zhì)的清潔能源電源,并具備啟停迅速,運(yùn)行靈活、可靠,對(duì)負(fù)荷的急劇變化能做出快速反應(yīng)的優(yōu)勢(shì),適合承擔(dān)系統(tǒng)調(diào)峰填谷、調(diào)頻調(diào)相、緊急事故備用、黑啟動(dòng)等輔助服務(wù)任務(wù)。

可以說(shuō),抽水蓄能電站,是電力系統(tǒng)的儲(chǔ)能器,是發(fā)電器,也是電網(wǎng)輔助服務(wù)器,是當(dāng)前高效、成熟、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)的大規(guī)模儲(chǔ)能電源之一。

純抽水蓄能電站:純抽水蓄能電站發(fā)電量絕大部分來(lái)自抽水蓄存的水能。發(fā)電的水量基本上等于抽水蓄存的水量,重復(fù)循環(huán)使用。僅需少量天然徑流,補(bǔ)充蒸發(fā)和滲漏損失。補(bǔ)充水量既可來(lái)自上水庫(kù)的天然徑流來(lái)源,也可來(lái)自下水庫(kù)的天然徑流來(lái)源。純抽水蓄能電站要求有足夠的庫(kù)容來(lái)蓄存發(fā)電水量,上、下水庫(kù)型式多樣,在山區(qū)、江河梯級(jí)、湖泊甚至地下均可修建,不同型式上、下水庫(kù)組合具有不同特點(diǎn),構(gòu)成了不同類型的抽水蓄能電站格局。我國(guó)所建的抽水蓄能電站大多數(shù)屬于純抽水蓄能電站,約占我國(guó)總蓄能裝機(jī)規(guī)模的95%。如北京十三陵抽水蓄能電站,裝機(jī)容量4h×200MW。

混合式抽水蓄能電站:混合式抽水蓄能電站廠內(nèi)既設(shè)有抽水蓄能機(jī)組,也設(shè)有常規(guī)水輪發(fā)電機(jī)組。上水庫(kù)有天然徑流來(lái)源,既可利用天然徑流發(fā)電,也可從下水庫(kù)抽水蓄能發(fā)電。其上水庫(kù)一般建于河流上,下水庫(kù)按抽水蓄能需要的容積覓址另建。如中國(guó)的潘家口抽水蓄能電站,裝機(jī)容量420MW,裝有1臺(tái)單機(jī)容量為150MW的常規(guī)機(jī)組和3臺(tái)單機(jī)容量為90MW的抽水蓄能機(jī)組,多年平均年發(fā)電量6.2×108kW·h,其中3.89×108kW·h為天然徑流發(fā)電量,2.31×108kW·h為抽水蓄能發(fā)電量。

調(diào)水式抽水蓄能電站:上水庫(kù)建于分水嶺高程較高的地方。在分水嶺某一側(cè)攔截河流建下水庫(kù),并設(shè)水泵站抽水到上水庫(kù)。在分水嶺另一側(cè)的河流設(shè)常規(guī)水電站從上水庫(kù)引水發(fā)電,尾水流入水面高程最低的河流。這種抽水蓄能電站的特點(diǎn)是:①下水庫(kù)有天然徑流來(lái)源,上水庫(kù)沒(méi)有天然徑流來(lái)源;②調(diào)峰發(fā)電量往往大于填谷的耗電量。如中國(guó)湖南省慈利縣慈利跨流域抽水蓄能工程,在沅江支流白洋河上源渠溶溪設(shè)水泵站引水至趙家埡水庫(kù),年抽水1670萬(wàn)立方米。趙家埡水庫(kù)后設(shè)3級(jí)水電站共12.3MW,尾水流入澧水支流零溪河。該項(xiàng)工程多年平均年抽水用電量340萬(wàn)千瓦時(shí),多年平均年發(fā)電量1390萬(wàn)千瓦時(shí)。

抽水蓄能發(fā)電電動(dòng)機(jī):抽水蓄能發(fā)電電動(dòng)機(jī)既可作發(fā)電機(jī)發(fā)電,又可作電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)水泵抽水的同步電機(jī)。發(fā)電電動(dòng)機(jī)性能應(yīng)兼顧發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)兩種工況運(yùn)行要求。發(fā)電電動(dòng)機(jī)要適應(yīng)發(fā)電、抽水、調(diào)頻、調(diào)相、進(jìn)相和事故備用等運(yùn)行工況及各種運(yùn)行工況間轉(zhuǎn)換的要求,且工況轉(zhuǎn)換快速而頻繁,通常每天起停2~5次。

抽水蓄能電站綜合效率:即抽水蓄能電站循環(huán)效率,在每一次抽水發(fā)電的能量轉(zhuǎn)換循環(huán)中,都有能量損失,使發(fā)電量小于抽水的耗電量,現(xiàn)代抽水蓄能電站的綜合效率一般可達(dá)到75%~80%。

抽水蓄能電站運(yùn)行方式:抽水蓄能電站采用兼具電動(dòng)水泵和水輪發(fā)電機(jī)功能的可逆式機(jī)組,運(yùn)行方式包括抽水、發(fā)電、發(fā)電方向調(diào)相和抽水方向調(diào)相等。

(2)壓縮空氣儲(chǔ)能及超臨界壓縮空氣儲(chǔ)能

壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)利用空氣作為儲(chǔ)能介質(zhì),通過(guò)電能與高壓空氣內(nèi)能的相互轉(zhuǎn)化,實(shí)現(xiàn)電能儲(chǔ)存和管理。在電網(wǎng)用電負(fù)荷低谷期(或電價(jià)較低時(shí)),電能驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)獲得壓縮空氣,同時(shí)將高壓空氣密封在地下礦井、鹽穴、過(guò)期油氣井或高壓儲(chǔ)氣容器中,在電網(wǎng)負(fù)荷高峰期釋放壓縮空氣通過(guò)膨脹機(jī)并驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。

超臨界壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)利用空氣作為儲(chǔ)能介質(zhì),通過(guò)電能與高壓空氣內(nèi)能的相互轉(zhuǎn)化,實(shí)現(xiàn)電能儲(chǔ)存和管理。在電網(wǎng)用電負(fù)荷低谷期(或電價(jià)較低時(shí)),電能驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)將空氣壓縮至超臨界狀態(tài)(同時(shí)存儲(chǔ)壓縮熱),并利用已存儲(chǔ)的冷能將超臨界空氣冷卻、液化并存儲(chǔ);在用電高峰,液態(tài)空氣加壓、吸熱至超臨界狀態(tài)(同時(shí)冷能回收),并再進(jìn)一步吸收壓縮熱后通過(guò)膨脹機(jī)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。

(3)液化空氣儲(chǔ)能

該儲(chǔ)能技術(shù)利用空氣作為儲(chǔ)能介質(zhì),通過(guò)電能與低溫液態(tài)空氣內(nèi)能的相互轉(zhuǎn)化,實(shí)現(xiàn)電能儲(chǔ)存和管理。在電網(wǎng)用電負(fù)荷低谷期(或電價(jià)較低時(shí)),電能驅(qū)動(dòng)制冷裝置,經(jīng)過(guò)壓縮、換熱、膨脹等過(guò)程,將環(huán)境空氣液化,存儲(chǔ)于低溫儲(chǔ)罐中;在電網(wǎng)負(fù)荷高峰期從儲(chǔ)罐中釋放液態(tài)空氣,并升壓、升溫,然后驅(qū)動(dòng)膨脹機(jī),進(jìn)而帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。

(4)飛輪儲(chǔ)能

該過(guò)程利用電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)飛輪高速旋轉(zhuǎn),將電能轉(zhuǎn)化成動(dòng)能進(jìn)行儲(chǔ)存;在需要的時(shí)候使用飛輪帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電,把動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能。飛輪儲(chǔ)能的技術(shù)關(guān)鍵是高性能復(fù)合材料技術(shù)和超導(dǎo)磁懸浮技術(shù)。其中超導(dǎo)磁懸浮是降低損耗的主要方法,而復(fù)合材料能夠提高儲(chǔ)能密度,降低系統(tǒng)體積和重量。飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)主要包括轉(zhuǎn)子系統(tǒng)、軸承系統(tǒng)和能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)3個(gè)部分。另外,還有一些支持系統(tǒng),如真空、深冷、外殼和控制系統(tǒng)。

飛輪:飛輪是具有一定轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的軸對(duì)稱的圓盤(pán)、圓柱形的固體結(jié)構(gòu),一般由合金或高強(qiáng)度復(fù)合材料制成。飛輪儲(chǔ)能的基本原理是電能與旋轉(zhuǎn)體動(dòng)能之間的轉(zhuǎn)換:在儲(chǔ)能階段,通過(guò)電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)與其共軸旋轉(zhuǎn)的飛輪,使飛輪本體加速到一定的轉(zhuǎn)速,將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能;在能量釋放階段,電動(dòng)機(jī)作發(fā)電機(jī)運(yùn)行,使飛輪減速,將飛輪中的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能輸出。

高速電機(jī):高速電機(jī)通常是指轉(zhuǎn)速超過(guò)104r/min的電機(jī)。因轉(zhuǎn)速高,電機(jī)功率密度高,可以有效節(jié)約材料。飛輪儲(chǔ)能所用的高速電機(jī)需要電動(dòng)、發(fā)電雙向運(yùn)行、工作轉(zhuǎn)速范圍寬:通常最低運(yùn)行轉(zhuǎn)速是最高運(yùn)行轉(zhuǎn)速的1/2~1/3。

轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué):主要研究飛輪電機(jī)轉(zhuǎn)子支承系統(tǒng)在旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下的振動(dòng)、平衡和穩(wěn)定性的問(wèn)題,尤其是研究接近或超過(guò)臨界轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下轉(zhuǎn)子的橫向振動(dòng)問(wèn)題。

充放電控制器:是包含信號(hào)檢測(cè)電路、信息處理、控制軟件、信號(hào)輸出電路的系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)對(duì)雙向可逆運(yùn)行變流器的電流、電壓控制,完成電能在電機(jī)、變流器、電網(wǎng)電源、負(fù)載之間的轉(zhuǎn)換和流動(dòng)。

真空室:由結(jié)構(gòu)材料制成的密閉容器,通常為薄壁圓筒結(jié)構(gòu),內(nèi)部為真空,能夠承受大氣壓力的載荷而不發(fā)生變形。

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料:采用高性能玻璃纖維、碳纖維作為強(qiáng)化相,高分子聚合物作為基體相的復(fù)合材料,具有強(qiáng)度高、密度低的特點(diǎn)。

自耗散率:飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)維持一定轉(zhuǎn)速,處于立即可電動(dòng)儲(chǔ)能或發(fā)電釋能時(shí)待機(jī)狀態(tài)下所消耗的功率與飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)額定最大發(fā)電功率之比。