1.6.2　物理储能

(1)抽水蓄能电站

抽水蓄能电站利用电力系统低谷负荷时的低价格电力抽水到高处蓄存,在价格高的高峰负荷时段放水发电。它在负荷低谷时,吸收电力系统的有功功率抽水,这时它是用户;在负荷高峰时,向电力系统送电,这时它是发电厂,通过电能与水的势能的实时转换,实现电能的有效存储,进而提高系统中火电、核电以及风电的运行效率及资源利用率,有效调节了电力系统生产、供应、使用之间的动态平衡。

另外,它是以水为介质的清洁能源电源,并具备启停迅速,运行灵活、可靠,对负荷的急剧变化能做出快速反应的优势,适合承担系统调峰填谷、调频调相、紧急事故备用、黑启动等辅助服务任务。

可以说,抽水蓄能电站,是电力系统的储能器,是发电器,也是电网辅助服务器,是当前高效、成熟、环保、经济的大规模储能电源之一。

纯抽水蓄能电站:纯抽水蓄能电站发电量绝大部分来自抽水蓄存的水能。发电的水量基本上等于抽水蓄存的水量,重复循环使用。仅需少量天然径流,补充蒸发和渗漏损失。补充水量既可来自上水库的天然径流来源,也可来自下水库的天然径流来源。纯抽水蓄能电站要求有足够的库容来蓄存发电水量,上、下水库型式多样,在山区、江河梯级、湖泊甚至地下均可修建,不同型式上、下水库组合具有不同特点,构成了不同类型的抽水蓄能电站格局。我国所建的抽水蓄能电站大多数属于纯抽水蓄能电站,约占我国总蓄能装机规模的95%。如北京十三陵抽水蓄能电站,装机容量4h×200MW。

混合式抽水蓄能电站:混合式抽水蓄能电站厂内既设有抽水蓄能机组,也设有常规水轮发电机组。上水库有天然径流来源,既可利用天然径流发电,也可从下水库抽水蓄能发电。其上水库一般建于河流上,下水库按抽水蓄能需要的容积觅址另建。如中国的潘家口抽水蓄能电站,装机容量420MW,装有1台单机容量为150MW的常规机组和3台单机容量为90MW的抽水蓄能机组,多年平均年发电量6.2×108kW·h,其中3.89×108kW·h为天然径流发电量,2.31×108kW·h为抽水蓄能发电量。

调水式抽水蓄能电站:上水库建于分水岭高程较高的地方。在分水岭某一侧拦截河流建下水库,并设水泵站抽水到上水库。在分水岭另一侧的河流设常规水电站从上水库引水发电,尾水流入水面高程最低的河流。这种抽水蓄能电站的特点是:①下水库有天然径流来源,上水库没有天然径流来源;②调峰发电量往往大于填谷的耗电量。如中国湖南省慈利县慈利跨流域抽水蓄能工程,在沅江支流白洋河上源渠溶溪设水泵站引水至赵家垭水库,年抽水1670万立方米。赵家垭水库后设3级水电站共12.3MW,尾水流入澧水支流零溪河。该项工程多年平均年抽水用电量340万千瓦时,多年平均年发电量1390万千瓦时。

抽水蓄能发电电动机:抽水蓄能发电电动机既可作发电机发电,又可作电动机带动水泵抽水的同步电机。发电电动机性能应兼顾发电机和电动机两种工况运行要求。发电电动机要适应发电、抽水、调频、调相、进相和事故备用等运行工况及各种运行工况间转换的要求,且工况转换快速而频繁,通常每天起停2~5次。

抽水蓄能电站综合效率:即抽水蓄能电站循环效率,在每一次抽水发电的能量转换循环中,都有能量损失,使发电量小于抽水的耗电量,现代抽水蓄能电站的综合效率一般可达到75%~80%。

抽水蓄能电站运行方式:抽水蓄能电站采用兼具电动水泵和水轮发电机功能的可逆式机组,运行方式包括抽水、发电、发电方向调相和抽水方向调相等。

(2)压缩空气储能及超临界压缩空气储能

压缩空气储能技术利用空气作为储能介质,通过电能与高压空气内能的相互转化,实现电能储存和管理。在电网用电负荷低谷期(或电价较低时),电能驱动压缩机获得压缩空气,同时将高压空气密封在地下矿井、盐穴、过期油气井或高压储气容器中,在电网负荷高峰期释放压缩空气通过膨胀机并驱动发电机发电。

超临界压缩空气储能技术利用空气作为储能介质,通过电能与高压空气内能的相互转化,实现电能储存和管理。在电网用电负荷低谷期(或电价较低时),电能驱动压缩机将空气压缩至超临界状态(同时存储压缩热),并利用已存储的冷能将超临界空气冷却、液化并存储;在用电高峰,液态空气加压、吸热至超临界状态(同时冷能回收),并再进一步吸收压缩热后通过膨胀机驱动发电机发电。

(3)液化空气储能

该储能技术利用空气作为储能介质,通过电能与低温液态空气内能的相互转化,实现电能储存和管理。在电网用电负荷低谷期(或电价较低时),电能驱动制冷装置,经过压缩、换热、膨胀等过程,将环境空气液化,存储于低温储罐中;在电网负荷高峰期从储罐中释放液态空气,并升压、升温,然后驱动膨胀机,进而带动发电机发电。

(4)飞轮储能

该过程利用电动机带动飞轮高速旋转,将电能转化成动能进行储存;在需要的时候使用飞轮带动发电机发电,把动能转化为电能。飞轮储能的技术关键是高性能复合材料技术和超导磁悬浮技术。其中超导磁悬浮是降低损耗的主要方法,而复合材料能够提高储能密度,降低系统体积和重量。飞轮储能系统主要包括转子系统、轴承系统和能量转换系统3个部分。另外,还有一些支持系统,如真空、深冷、外壳和控制系统。

飞轮:飞轮是具有一定转动惯量的轴对称的圆盘、圆柱形的固体结构,一般由合金或高强度复合材料制成。飞轮储能的基本原理是电能与旋转体动能之间的转换:在储能阶段,通过电动机拖动与其共轴旋转的飞轮,使飞轮本体加速到一定的转速,将电能转化为机械能;在能量释放阶段,电动机作发电机运行,使飞轮减速,将飞轮中的动能转化为电能输出。

高速电机:高速电机通常是指转速超过104r/min的电机。因转速高,电机功率密度高,可以有效节约材料。飞轮储能所用的高速电机需要电动、发电双向运行、工作转速范围宽:通常最低运行转速是最高运行转速的1/2~1/3。

转子动力学:主要研究飞轮电机转子支承系统在旋转状态下的振动、平衡和稳定性的问题,尤其是研究接近或超过临界转速运转状态下转子的横向振动问题。

充放电控制器:是包含信号检测电路、信息处理、控制软件、信号输出电路的系统,实现对双向可逆运行变流器的电流、电压控制,完成电能在电机、变流器、电网电源、负载之间的转换和流动。

真空室:由结构材料制成的密闭容器,通常为薄壁圆筒结构,内部为真空,能够承受大气压力的载荷而不发生变形。

纤维增强复合材料:采用高性能玻璃纤维、碳纤维作为强化相,高分子聚合物作为基体相的复合材料,具有强度高、密度低的特点。

自耗散率:飞轮储能系统维持一定转速,处于立即可电动储能或发电释能时待机状态下所消耗的功率与飞轮储能系统额定最大发电功率之比。