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                风能存储技术

                发布时间: 2014-07-15 13:01:42   作者:无   来源:

                 

                第一部分:概述
                第二部分:技术原理
                第三部分:国内发展和应用现状
                第四部分;国外发展和应用现状
                第五部分:供应商信息
                第六部分:经典案例
                第七部分:参考文献
                 
                概述
                由于风能的不稳定,风力机产出的功常出现波动与变化;并且由风力机带动的负荷也经常发生着变化。例如,联网的风力发电机组在设计风速范围内向电网中送电,风力不足时就从电网中吸收电流,在这里,电网就被当作了大型并网风力机风能的存储器;中小型单独运行的风力发电机则常配备蓄电池蓄能,以应对风况、载荷的变化;随时变化的风能用于提水、制热时,负荷也随季节、时日、时刻、环境条件和使用要求的变化而变化,一般情形下,高峰和低谷是的负荷还有较大差异。在风能利用系统中,应用储能技术是解决风能不稳定和负荷峰谷比问题的极为重要的措施。
                将富余的风能存储起来,以满足负荷高峰时的需求,还期望风能存储装置能尽量减少存储-转换中的能量损失。风能被存储的最终产品有电能、水力势能、机械能、热能、氢能和化学能。
                 
                技术原理
                (1)电池储能技术:
                由风能转化的电能采用电池来存储是最简便的方法。这时,电能以直流电的形式存在。由于电能供应大多是以交流电的方式完成,而交流电形式的电能是不能存储的,所以通常情况下从装备有交流发电机的风力发电机组得到的交流电再存入电池之前要做直流整流,而在取用能量时又要通过交流逆变器。所有这些过程都是有损失的,而且使存储成本明显上升。
                由于电池的充放电既不能过量也不能过亏,一般来说只能使用电池容量的50%~60%,,加之充放电过程有能量损失,所以电池存储电能的效率不高,只有50%,并且电池的另一缺陷是充电次数受到限制,最好的情形也就是可充电2000~3000次。
                电池规格是按照工作电压及储蓄电能的容量来划分的。如需要不同的电压和容量时,可采用多个电池串联或并联的方法来达到目的。
                一般电池的放电时间在8~20h范围内。电池的储蓄容量是指在某特定时间内连续释放所存的电能的安培小时数。
                电池必须保存在清洁干燥的地方。环境温度会直接影响电池效率。此外其安置处要有良好通风,因为一般电池工作时会释放出氢气,通风不良易引起爆炸事故。
                (2)水力储能技术:
                在水资源充足并有大容量高水位水箱或水库的情况下,可以用风能来驱动水泵,构建一个水力储能系统。当风能过量时,风力机带动水泵把水从低水位抽到高水位。当风能减小或电网中的功率不足时,就可取用存储的水力势能,采用水力涡轮发电机发电。当风能减小或电网中功率不足时,就可取用存储的水力势能,采用水力涡轮发电机发电。泵和涡轮机的作用能由一个可逆的水轮机担当,以简化设备。但这样的机组也有缺点,即在同一时刻,它不可能作为泵和涡轮机同时运行。
                按目前水力涡轮和水泵的技术水平,水力涡轮及效率为0.85~0.91,水泵效率为0.83~0.87,加上水在管道内的流动摩擦损失,抽水蓄能的能量转换效率一般为0.68~0.75
                (3)飞轮储能技术:
                飞轮存储器是一种典型的容量有限、存储时间较短的储能器。由于受飞轮材料强度和结构尺寸的限制,并且随着存储时间延长,能量损失加大,所以它不适合大容量、长时间的存储。
                以角速度ω绕轴线z转动的飞轮所具有的动能为
                Ed=1/2Jzzω2
                式中Jzz——飞轮对轴线z的转动惯量,kg/m2Jzz=∑miri2,其中mi为分布质量,ri为分布质量距飞轮轴线的距离。
                用较大质量分布在距离飞轮轴线的远端;采用高强度的碳纤维材料,在保证强度、刚度的前提下,提高飞轮转速;都可以提高飞轮存储风能的容量。
                旋转飞轮与空气摩擦以及轴承部位的摩擦是造成储存能量损失的主要原因。飞轮摩擦功率可损失掉储蓄功率的4%~10%。计及飞轮轴承的损耗,在短时间内进行能量转换时,飞轮自身的转换功率最高可达95%。减小飞轮摩擦功率的措施有:改进飞轮结构;提高气流的雷诺数;减小飞轮的直径与转速;降低飞轮周围空气的密度。但直径、转速减小将降低飞轮蓄能的容量;在大功率风力机的飞轮处抽真空以降低空气密度。为减少飞轮轴轴承摩擦耗功,可采用空气动压轴承或磁悬浮轴承以替代通常使用的油膜滑动轴承、滚动轴承。
                飞轮蓄能不但在风能利用、电力调峰、不间断电源方面得到应用,也在低轨道卫星电池和姿态控制等领域得到广泛研究和应用。
                (4)压缩空气储能技术:
                压缩空气储能(CAES)是一种新型的储能方式,它比抽水蓄能装置的建造要节省费用和时间,特别适用于缺水干旱地区风能存储的需要。建造CAES装置的一个关键是如何解决压缩空气的存储问题。对于小型装置,可采用强度高、容量大的金属容器;对于大中型装置,目前已有3种储气方法,即利用地下岩盐内岩洞、利用挖掘成的岩洞、利用现存岩洞。
                CAES系统由两个独立的部分组成,充气(压缩)循环和排气(膨胀)循环。压缩时,电动机/发电机作为电动机工作,使用相对较便宜的低谷电驱动压缩机,将高压空气压入储气室,这时膨胀机处于脱开状态。用电高峰时,合上膨胀端的联轴器,电动机/发电机作为发电机发电,这是从储气室出来的空气先经过回热器预热(使用膨胀机排气作加热气源),然后在燃烧室内进一步加热进入膨胀系统。
                (5)热能存储技术:
                由风能制热时,必须安装热能存储器。在电热冷联产压缩空气蓄能技术和采暖空调技术中,为了使能量经济合理地使用,并连续稳定地满足用户的要求,也需要有相应的热能、冷量存储器。他们的存储是通过对材料冷却、加热、溶解、凝固或者蒸发来完成的。
                ①显热存储
                显热存储是通过存储材料的温度上升(或下降)而存储(释放)热能,其蓄热能力主要取决于材料的比热容和密度。
                随着工质温度升高而吸热,随着工质温度降低二放热的现象被称为显热。为提高蓄热量,要求工质有较高的比热容,要求系统中介质的质量要大,还要求输入和输出热量时工质的温度变化范围较大。但由于一般蓄热介质的比热容较小,工质质量增加时也将加大蓄热装置的体积;而工质温度变化范围扩大将增加热流的不稳定性,为此,需要采用调节和控制装置,从而会提高系统的成本与运行的复杂程度。
                目前,常用的储热介质是水、土壤、岩石和溶盐等。与其他储热液体介质相比,基本都满足显热存储介质要求的工质是水。它的单位体积热容量最大;由于安全性好,他还可以兼做储热介质和用户侧载热介质,是系统中不必再设置热交换器。当需要以较高温度存储热能时,就要采用单位体积热容量高的固体作为高温显热式蓄热介质。可供选择的材料有:花岗岩、氧化铝、氧化镁及铁等金属。
                ② 潜热存储
                潜热存储利用材料从固态变为液态时需要吸收相变热而将热能存储起来,进行逆过程时,则释放相变热。存储相同多的热量,潜热储能器所需要的容积比显热存储设备尺寸小很多。此外,物质的相变实在恒定温度下进行的,这个特性又使相变蓄热器能够保持恒定温度下的供热能力和基本恒定的热力效率。当所选取材料的相变温度与蓄热用户的要求基本一致,可无需设置温度调节、控制装置,以便简化系统构成,节省投资。
                目前,使用最为广泛的相变材料是无机盐类(水合盐)和石蜡等有机材料;而以相变形式划分,可将相变材料分为固-液相变和固-固相变蓄热材料。
                ③蓄冷技术
                风能通过吸收式制冷机或压缩式制冷机可制造冷量;剩余风能用电热冷联产产生压缩空气蓄能技术储蓄时,也有冷量产出。为了风能产出的冷量被合理利用,就需要蓄冷技术。目前,以显热方式运行的蓄冷常用介质有水和盐水,潜热蓄冷常用介质为冰、共晶盐、水化合物等相变物质。
                (6)氢能存储技术:
                氢能是指游离的分子氢所具有的能量,而不是成为化合态的氢元素的能量。氢能是一种二次能源,可长期储存、便于输送、能高效的使用,还可以再生和循环利用,并且没有或很少有污染。利用负荷低谷时的风能储蓄采用电解水的方法制氢,再利用高压气态储存、低温液氢储存或化学储存,即可实现风能的存储。
                 
                国内发展和应用现状
                全国陆地可利用风能资源3亿千瓦,加上近岸海域可利用风能资源,共计约10亿千瓦,发展潜力巨大。
                为了合理有序的开发现有风能资源,首先需要进行的就是加强产业服务体系建设,扶持建立风能资源评价,风电场设计选址,产品标准,技术规范,设备检测与认证的专门机构。培育一批风电技术服务机构,建成较健全的风电产业服务体系。建设2~3座公共风电测试试验基地,为风电机组产品认证和国内自主研制风电设备提供试验检测条件。目前,工信部与国家能源局等相关管理部门目前正研究制定规范风电投资市场,完善风电设备产品标准及质量认证体系的相关政策,保证风电产品质量,促进成本降低。
                风电产业的发展和进步不应盲目追求风电机组的装机容量,而应从我国各地区风场风资源的优劣、当地电力需求及电网输配电能力状况、风机性能及发展通盘规划,有序调控、全面协调、均衡平稳地发展。
                 
                国外发展和应用现状
                在1970-1980年代的第一次能源危机期间,已经出现的许多零星的实例。所谓短期,是指十几小时至几天,相当于太阳能和风能的变化周期。所谓分散,是指以单个建筑为单位,并且以多种不同的方式储存能量。如果太阳能和风能变成了总能量供应的主流,能量的短期分散和储存势在必行。在这里,我把太阳能和风能的短期分散储存作为和大电网能量传输供应方案平行的一个能量供应方案来讨论。这一方案由于避免了昂贵的直流-交流变流器和电网的建设费,减少了能量变换和传输过程中的损耗,在经济上是合理的。从产业发展的角度看,太阳能和风能的短期分散储存的设备会形成一个新的大规模的工业部门。由于人力、资源和国内市场的优势,中国将在这一新兴的工业中占主导地位。
                 
                供应商信息
                美国Alabama电气公司
                美国电力科学研究院
                 
                经典案例
                风能存储-真空库引力装置,它是直接利用风轮带动变速箱调速后连接交流发电机发电输入整流器整流成交流电源输出到用户,其特征在于风轮连接真空泵,抽气管道两头分别连接真空泵吸气管接头和真空存储库的首端抽气管道接头开关,真空管道两头分别连接真空存储库尾端的各真空输出管道接头开关和引力装置的固定滑板面上两端的各真空输入管道接头、各通气管接头、各活动滑板的各通管患通气缸体内,各圆滑动销套进各调节弹簧并连接各活动滑板,各活动滑板连接底板,底板连接气缸体,气缸体仙套入活塞,活塞连接连杆、曲轴、飞轮,曲轴支承轴承、气缸体支承架轴承、底座构成。
                 
                参考文献
                [1] 廖建勋,廖善任. 风能存储——真空库引力装置[P]. 45[中国|广西], 实用新型专利,99212935,2000年10月25日.
                [2] 陈成钧. 太阳能和风能的短期分散储存[EO/OL]. http://www.chvacuum.com/application/else/121713.html. 2009-12-31.