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清华大学梅生伟:基于压缩空气储能的智慧微能源网

北极星储能网  来源:北极星储能网    2019/9/25 10:49:24  我要投稿  

北极星储能网讯:从传统电网,到微电网/微能源网,再到智慧微能源网,每个阶段不仅是生产、消费、规模的提升,更是技术、理念、社会需求的飞跃。在现今泛在能源互联网阶段,储能技术逐渐成为继源、网、荷之后,智慧能源互联网的又一重要组成部分,在未来智慧能源网中,发挥着重要作用,也将对电网的结构、运行的模式和能源的生产、消费模式产生革命性的影响。智慧微能源网正是在这一背景下产生和发展,是未来源-网-荷-储相互协调、智慧互联能源系统的重要的模式,将极大提升能源的综合利用效率,改变未来能源生产、分配、消费形式。

——清华大学教授梅生伟

2019年9月25日第二届中国储能西部论坛在青海举办。本次会议由中国能源研究会储能专委会,青海大学,黄河上游水电开发有限责任公司,国网青海省电力公司,青海能高新能源有限公司,华能清洁能源技术研究院,中关村产业技术联盟联合会,中关村海东科技园等联合主办,青海省清洁能源高效利用重点实验室、中关村储能产业技术联盟承办。北极星储能网对论坛进行全程直播。

会上清华大学教授梅生伟作题为“基于压缩空气储能的智慧微能源网”报告。

梅生伟.jpg

以下为发言实录:

清华大学教授梅生伟:

尊敬的史局长,吴参事,尊敬的各位专家,领导:很荣幸有今天这个机会代表青海大学新能源学院汇报一下近年来,我们在智慧微能源网方面的工作,今天汇报的核心是压缩空气储能技术,我们以此为基础初步构建了一个智慧微能源网的平台。汇报主要是分以下几个部分。

首先是工作概况。我们以压缩空气储能作为智慧微能源网的枢纽,打造了一个工程实践平台,这就是青海大学的智慧微能源网。平台位于图书馆的西侧,距离不到100米,欢迎专家、领导和老师们有时间去参观考察。实际上,图书馆中的微电网系统也是工程实践平台的一个重要部分。

当前我国的能耗总量和单位能耗量,均高于世界平均水平,所以发展清洁能源是能源升级转型的一个重要的战略举措。

以电力为核心的能源系统发展趋势,从传统互联电网,微电网,微能源网,发展到当前的智慧微能源网,每个阶段均有生产、消费、能量传递,尤其到了能源互联网的阶段,储能和综合能源系统是能源互联网的核心技术。因此,智慧微能源网作为能源互联网的一个重要的形式,是提升能源的综合利用效率的终极解决方案。

智慧微能源网技术基于微电网,所谓微电网,是某一个区域内含:清洁发电单元,储能,用的电以自用为主并且具有低碳环保等四大特征。

这样一个系统如何理解它的智能呢?有三个指标:安全、经济和环保。如果某一个微电网在运营过程中具有多指标趋优运行的能力,即可称为智慧微电网。智慧微电网具有零排放、自动发电、储电和外部配电网的交互控制、并网、离网的干扰极小和自用电比例高五大特征。进一步,将这个概念推广到智慧微能源网。它就是由微电网、区域热网,智能信息网等组成的能量枢纽,其表现形式可为冷热电联供能量枢纽。比如说天然气三联供系统,通过能量枢纽把冷热电进行集中管理,其中压缩空气储能就是运用这种储能特性,把不同形式的能量耦合起来,形成一个能源互联网。其多能互补方式可利用热-电-气-交通深度耦合实现进一步扩展,从而最大程度地消纳可再生能源。总之,从数学与系统的角度表述智慧或者智能的主要的特征,即智能系统应具有安全、经济、环保等多指标趋优能力。

现在介绍一下压缩空气储能技术,是否适合作能源互联网枢纽?这是我们8年前提出的非补燃压缩空气储能技术原理,简而言之,压缩空气储能系统是利用弃风弃光低谷电驱动压缩机,把空气压到高压储气室里,同时通过换热器将压缩热存至储热罐,从而实现电能向压力势能和压缩热能的解耦存储。需要发电的时候,释放高压空气,再经过热罐的加热,得到高温高压的空气,带动空气头品发电机发电,这套系统有两个非常显著的特征,一个是全部过程为物理过程,没有任何的排放,其工作介质就是空气。

第二,它是一个冷-热-电三联供系统,末端膨胀级的温度是可以调节的,可以调节到5度,2度,这样就产生冷量。在输出电力的同时,可以输出冷量。同时,存在热罐里的高品位压缩热用于发电,中低品位的热比如200度、150度可以供热,所以是天然的冷-热-电三联供。它对于环境很友好,因为储能介质就是空气,取之不尽,用之不竭,对环境不会有任何影响。

这是世界上第一个500kW非补燃的压缩空气储能电站,它有压缩机,储气罐,有热罐,存储压缩热,气和热混合形成高温高压的空气,驱动空气透平发电,效率是40%,已经接近德国补燃式压缩空气电站的效率(42%),但若把冷和热都算上,综合能源效率72%,这个电站建在安徽芜湖高新区,电站占地1千平方米,麻雀虽小但是五脏俱全,是一个可以并网的小型电站。

我们青海大学对这个电站又进行了重大的改进,芜湖系统的储热介质是水,温度超过130度,就要加氮防止气化,新的方案改成高温导热油储热,导热油存储温度能到320度左右,这样就形成了多能联供、多能联储的系统,图示显示的系统也是世界上第一个光热复合的压缩空气工业实验电站。它可以输入光伏电力,也可以输入光热,它存储的是高压空气,另外它的压缩热,还有槽式集热器的热能存在导热油罐里,形成冷-热-电三联供系统,用它来构建智慧微能源网,集成了10个子系统,同时建有智能监控系统,这10个子系统里,有多功能电站,有微电网,有光热系统,有第四代太阳能电池,等等,但核心是监控系统和压缩空气储能系统,二者把这些子系统给它集成,成为一个综合的能源系统。

系统图中,外层黄色能流表示电,中间红色能流表示热,内层蓝色能流表示冷,总之形成一个冷热电三联供系统。核心的枢纽,就是我们的压缩空气储能子系统。

微能源网中,第一个子系统是多功能电站,有6种光伏组件,三种逆变器,10种组合方式,可以模拟西部光伏电站主要的工作模式。

第二个子系统是50kW塔式光热系统,系统是由96片镜子组成定日镜,跟踪太阳,如果形成一个直径80厘米,600度的光斑,可以加热飞机的机翼切片,回收碳纤维材料,本质上就是光热电站。这个是回收的飞机的碳纤维材料,有非常高的再利用的价值,是循环经济的一个重要的手段。

进一步,我们国家有汽车,轮船的回收,在飞机回收方面还是空白,这个图表现的是美国亚利桑那飞机回收中心,去年到美国考察过,现在南航、东航的飞机还是送到美国去,青海德德令哈的条件比美国亚利桑那好得多,阳光条件,干燥度,尤其能源供给的条件很好,海西州已经启动建立了一个飞机回收工业园。

进一步根据高原广袤的地域,还有充足的阳光条件,构建了一个太阳能热气流发电系统,就是温室+烟囱,温室在太阳的照射下会升温,加上烟囱的负压作用,形成热气流。如此可在底部装一个涡轮机发电,这个系统就是利用充足的阳光和广袤的地域,没有任何的污染,建筑材料就是玻璃、钢材和混凝土,白天可以全功率发电,晚上可以半功率发电,我们在青海大学构建了亚洲第一个能够发电的热气流系统。

下面这个亮点项目,是全光谱光伏发电系统,传统光伏发电能够利用的光谱波长主要是紫外和可见光,波长大概200到800纳米,红外部分没有利用,这个能量大概占42%左右,如何实现热电转换,是这个的技术的核心。 利用波长分离器,红外光分离到一个吸热端,从而利用温差发电。至于光电转换,则采用聚光方式,加上热电转换,该系统效率能到32%左右,我们和武汉理工建了一个的100KW的实验系统。

就在现在做报告的这个图书馆,我们完成了光伏建筑一体化建设,也就是BIPV,有光伏屋顶,图书馆的阳光大厅装设的半透明的双玻光伏电池,西边的幕墙是光伏幕墙,门口大家进门的栏杆是双面电池,该系统在青海是首个完全光伏建筑一体化的创新研究平台,我们可以说,它实现了绿色能源的技术美与现代建筑艺术美的协调。

进一步要在边远地区打造基于太阳能的人居环境,提供一个综合能源系统解决方案,输入就是阳光,用各种储能的装置,比如说油罐,水罐,可以蓄冷,可以储热,输出可以是冷-热-电,大家看一下我们打造了100平米的人居环境,在这样的环境里,储存的热,高品位的300度的热可以拿去发电,150度的热可以做米饭,80度的热可以供暖,可以消毒,15度可以用于空调制冷,该技术可以实现边远地区,高原地区,分布式供能,尤其是解决牧民的定居问题。

利用青海丰富的盐湖资源,我们设计了一个太阳能盐池的发电实验平台,这个技术在国外美国和以色列已经很先进了,它的原理也非常简单,就是修一个太阳能的盐水池,1到2米的深度足矣,因为盐的浓度有梯度差,在底层形成高浓度的对流层,可见光,尤其是紫外进入到底层,在底层能够形成对流,中间有一个隔绝层,底层的热量在不断的集聚,我们在学校校园里建了4平米的实验系统,每天就能产生将近半吨的热水,此外,这样的系统可以用有机工质发电系统,成为智慧微能源网的一部分。

我们引进了现在世界上最先进的热声发电系统,有镜场、吸热口,热能吸收器,吸热口的面积很小,效率很高,能到30%以上,非常安静,没有噪声。基本的原理就是将太阳光聚集到吸热口,吸收器吸热,产生声波,进而转换为机械能,带动轴系做往复式运动,进而利用斯特林机发电。这是在青海大学安装的一个国内外目前最先进的热声系统。顶端装上塑料袋,是因为这个系统是在北京设计的,拿到青海来以后,这里的阳光条件太好了,达到它的设计工况上限,所以没办法装了塑料袋遮住一部分阳光。

最后是智慧微能源网的监控系统,这个监控系统能够实时监控10个子系统现场的运营工况,实现冷热电的安全、经济、环保的优化协调,系统占地大概1.7万平米,在国内的高校里面,据我们了解,是面积最大,设备最齐全,技术最先进的微能源系统。

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