風(fēng)電、太陽(yáng)能發(fā)電自身固有的間歇性問(wèn)題是新能源發(fā)展的阿喀琉斯之踵。隨著新能源發(fā)電規(guī)模的繼續(xù)擴(kuò)大,這個(gè)問(wèn)題顯得更為迫切。將富余的能量?jī)?chǔ)存起來(lái),用能高峰期再釋放出來(lái),是解決新能源間歇性的重點(diǎn)。
談到儲(chǔ)能人們很容易想到電池,但現(xiàn)有的電池技術(shù)很難滿足電網(wǎng)級(jí)儲(chǔ)能的要求。抽水蓄能和壓縮空氣儲(chǔ)能等傳統(tǒng)的儲(chǔ)能方式也在經(jīng)歷不斷改進(jìn)和創(chuàng)新。
儲(chǔ)能市場(chǎng)潛力巨大,根據(jù)市場(chǎng)調(diào)研公司PikeResearch的預(yù)測(cè),從2011年到2021年的10年間,將有1220億美元投入到全球儲(chǔ)能項(xiàng)目中來(lái)。
抽水蓄能發(fā)電的創(chuàng)新
抽水蓄能在儲(chǔ)能方式中長(zhǎng)期處于霸主地位。根據(jù)美國(guó)電力研究委員會(huì)(EPRI)公布的數(shù)據(jù),抽水蓄能在全球儲(chǔ)能市場(chǎng)中容量最大,占總裝機(jī)容量的99%以上。雖貴為霸主,但抽水蓄能模式也有自身的不足,易受地形影響,推廣受到限制。所以,很多公司在研發(fā)新型的抽水蓄能模式。
綠色電源島
丹麥一家名為GottliebPaludan的建筑設(shè)計(jì)所聯(lián)合丹麥技術(shù)大學(xué)推出了一個(gè)大膽的設(shè)計(jì),該設(shè)計(jì)被命名為“綠色電源島”(如圖1)。這種儲(chǔ)能系統(tǒng)包括一個(gè)海上人工島,并在島上修建一座深井蓄水池。人工島周?chē)鋫浜I?a style="color: rgb(62, 62, 62); cursor: pointer; text-decoration: none;" target="_blank">風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。當(dāng)海風(fēng)凌厲時(shí),風(fēng)力發(fā)電驅(qū)動(dòng)水泵將海水從水庫(kù)中泵到海中。用能高峰時(shí),海水回灌到蓄水池內(nèi),海水回流形成的重力差可以驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)組發(fā)電。但是,這樣宏大的計(jì)劃仍停留在概念階段。
重力發(fā)電公司的儲(chǔ)能系統(tǒng)示意圖
同樣以抽水蓄能為藍(lán)本,美國(guó)加州的重力發(fā)電公司(GravityPower)設(shè)計(jì)出了另一種儲(chǔ)能系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括一大一小,兩個(gè)底部相連的充水豎井(如圖2)。平時(shí),水從小豎井泵到大豎井里,此時(shí)大豎井中的活塞向上運(yùn)動(dòng)。用電高峰時(shí),可使活塞退回大井,迫使水流外溢,推動(dòng)汽輪機(jī)做功發(fā)電。重力發(fā)電公司首席執(zhí)行官托馬斯·梅森表示,此系統(tǒng)適合安裝在高耗能地區(qū),并希望這項(xiàng)技術(shù)在全球范圍內(nèi)得到推廣。該公司的創(chuàng)始人和首席技術(shù)官吉姆·費(fèi)斯克曾表示,該技術(shù)能在2013年建成商業(yè)電網(wǎng)規(guī)模的儲(chǔ)能設(shè)施。
一家總部設(shè)在美國(guó)加利福尼亞州圣摩尼卡的公司也在研發(fā)如何利用重力差原理儲(chǔ)能。這家名為AdvancedRailEnergyStorage的公司將改裝后的軌道車(chē)和特制軌道作為它們研發(fā)儲(chǔ)能系統(tǒng)的核心部件。當(dāng)電力需求量少時(shí),可以利用富余的電將軌道車(chē)推動(dòng)到山頂;當(dāng)用電負(fù)荷增加時(shí),軌道車(chē)順勢(shì)倒退,將重力差轉(zhuǎn)換為驅(qū)動(dòng)力,推動(dòng)發(fā)電機(jī)組。如抽水蓄能電站,這種存儲(chǔ)系統(tǒng)需要借助地勢(shì)。
該公司表示,在地勢(shì)落差相同的條件下,這種存儲(chǔ)系統(tǒng)要比抽水蓄能系統(tǒng)更為高效。公司正在加州修建原型機(jī)組,預(yù)計(jì)在2013年能投入運(yùn)行。
壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)的改進(jìn)
雖然僅占到市場(chǎng)份額的0.5%,壓縮空氣儲(chǔ)能在國(guó)際儲(chǔ)能市場(chǎng)中仍位列第二。
壓縮空氣儲(chǔ)能的原理是將燃?xì)廨啓C(jī)的壓縮機(jī)和透平分開(kāi),在儲(chǔ)能時(shí),用電能將空氣壓縮并存于儲(chǔ)氣室中;在釋能時(shí),高壓空氣從儲(chǔ)氣室釋放,進(jìn)入燃燒室膨脹做功發(fā)電。
當(dāng)前,這種技術(shù)比較成熟,已實(shí)現(xiàn)大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用。德國(guó)的一座壓縮空氣儲(chǔ)能電站的規(guī)模已達(dá)到29萬(wàn)千瓦。
壓縮空氣蓄能的一大缺陷在于效率較低。據(jù)悉,德國(guó)的壓縮空氣儲(chǔ)能工廠,效率只有42%。儲(chǔ)能效率低的原因在于空氣受到壓縮時(shí)溫度會(huì)升高,空氣釋放膨脹的過(guò)程中溫度會(huì)降低。現(xiàn)有的壓縮空氣蓄能系統(tǒng)在壓縮空氣過(guò)程中一部分能量以熱能的形式散失,在膨脹之前就必須要重新加熱。通常以天然氣作為加熱空氣的熱源。這就導(dǎo)致蓄能效率降低,溫室氣體排放量增加。
還有幾家公司同樣以壓縮空氣蓄能為原型,開(kāi)發(fā)更高效的儲(chǔ)能系統(tǒng)。SustainX就是其中之一。這家借助達(dá)特茅斯大學(xué)工程學(xué)院的科研實(shí)力而成立的公司,得到了美國(guó)能源部和通用電氣公司的支持。該公司已研發(fā)出“恒溫壓縮空氣蓄能機(jī)組”。通過(guò)注入水蒸氣來(lái)去除壓縮空氣中的熱量。水蒸汽在吸收了壓縮空氣中的熱量后被儲(chǔ)存起來(lái),等空氣膨脹過(guò)程中的再次加熱。
SustainX摒棄了傳統(tǒng)的地下鹽洞儲(chǔ)氣的做法,采用標(biāo)準(zhǔn)鋼管儲(chǔ)存壓縮空氣,這種做法更容易推廣。據(jù)悉,SustainX公司已建有一套發(fā)電功率為40千瓦的試驗(yàn)機(jī)組,并正與一家公用事業(yè)公司合作建造一套發(fā)電功率為1000-2000千瓦的機(jī)組。
總部設(shè)在馬薩諸塞州的GeneralCompression公司同樣獲得了美國(guó)能源部的支持,開(kāi)發(fā)出一套恒溫壓縮空氣蓄能機(jī)組,主要應(yīng)用于風(fēng)電場(chǎng)。在能源巨頭康菲的資助下,該公司正在德克薩斯州修建發(fā)電功率為2000千瓦的試驗(yàn)機(jī)組。