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抽水蓄能電站:從技術、市場到未來全解析

作者:張啟航 來源:交能網 發布時間:2019-06-05 瀏覽:
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抽水蓄能是世界上最重要的儲能技術之一,目前全世界裝機容量超過127 GW。該技術自20世紀初開始使用,已有100年的歷史。我國在上世紀60年代后期也開始了抽水蓄能電站的開發。 目前,抽水蓄能電站在電力輔助服務上扮演著不可替代的角色。就讓本文帶你簡明全面了解抽水蓄能技術!

浙江安吉天荒坪抽水蓄能電站  

抽水蓄能技術原理及特點

抽水蓄能電站由兩個相互連接且位于不同高度的水庫組成。 管道將上部和下部水庫連接。 在充電過程中,電動機將電能轉換成機械能。 通過將水從下部水庫通過管道輸送到上部水庫,泵將它們轉化為勢能。在低電時,存儲在上部水庫中的水可以通過渦輪機返回到下部水庫,由此從勢能產生機械能,并且在發電機的幫助下再次產生電能。儲存的能量與水的總質量和上下兩蓄水池之間的高度差的乘積成比例。

抽水蓄能電站作為一個中間存儲系統,通常被用作電力輔助服務,以維持電網的穩定性。在新能源發電日益增多的今天,抽水蓄能的意義愈發重大。 一是解決電力系統日益突出的調峰問題;

二是發揮調壓調相作用,保證電網電壓穩定;三是發揮事故備用作用;此外,抽水蓄能電站還具有黑啟動、系統特殊負荷等功能。

抽水蓄能電站結構及組成部分如下圖所示:

1.   上水庫,用于在較高地勢差處蓄水

2.   進水結構,作為進水管道的入口,在維護時起到封閉作用

3.   上游管道及克服高度差的壓力管,用于在上下水庫之間運輸水

4.   平壓塔,用來降低壓力并提高控制效率

5.   配備渦輪機和泵,發電機和電動機

6.   出口結構,可能帶有平壓塔,以連接下水庫

7.   下水庫,用于儲水

抽水蓄能技術優缺點


抽水蓄能有著許多其他儲能技術不可比擬的優點。抽水蓄能電站作為一項100年歷史的技術,比起其他儲能技術,已經發展的十分成熟。除此之外,抽水蓄能電站還有著長達80年甚至100年的使用壽命。現在的抽水蓄能電站還擁有極高的存儲效率,可實現高達80%的整體效率。 能量流和各個組件的損耗如下圖所示。并且除了充放電過程中的能量損耗,自身的損耗(所謂自放電率)極低。

誠然,抽水蓄能技術的缺點也是一目了然的。抽水蓄能電站的建設有著極大的地理限制,因為上下水庫要求存在于較近的距離內,并有著較高的高度差。且在高度差有限的條件下,抽水蓄能電站所能達到的能量密度很為有限。除此之外,對該技術發展最大的限制是它極低的經濟性,抽水蓄能電站的投資成本很高,回報周期很長,通常需要30年以上的回報周期,有些甚至根本不能盈利。

抽水蓄能在中國

我國抽水蓄能電站的發展起步較晚,在上世紀60年代后期才開始研究抽水蓄能電站的開發。但起步晚、起點高是我國抽水蓄能產業的特點。

我國抽水蓄能電站裝機容量已居世界第一,截至2018年底中國抽水蓄能裝機容量為30GW,占發電總裝機1.6%;在建規模為50GW。據預測到2030年中國風抽水蓄能裝機達130GW。未來十年,將新增抽水蓄能裝機100GW。

我國已建和在建抽水蓄能電站主要分布在華南、華中、華北、華東等地區,以解決電網的調峰問題,按照國家“十三五”能源發展規劃要求,“十三五”期間新開工抽水蓄能6000萬千瓦,到2025年達到9000萬千瓦左右。

我國的抽水蓄能電站一直沒有成熟的商業模式,一直以來是把它當作電網的運行工具對待的,所以一直把它放在電網的管理之中。然而電力體制改革之后,電網為抽水蓄能電站出資卻不能在電網運營中得到全部補償,致使抽水蓄能電站發展積極性大打折扣。而如今隨著電改的深入,峰谷電價制度的推進,以及各省在抽水蓄能商業模式上的諸多嘗試,抽水蓄能電站的發展獲得了再次邁進。例如湖南省抽水蓄能輔助服務專項市場采用雙邊協商交易和要約招標兩種方式進行交易。

海中蓄能,未來抽水蓄能的進階版

前文有述,抽水蓄能有著地理限制及能量密度低的缺點,這也是嚴重限制該技術發展的兩大因素。為此,德國Fraunhofer研究所提出了名為海中蓄能(StEnSEA)的新技術。

2011年,物理學教授Horst Schmidt-B?cking博士(法蘭克福歌德大學)和Gerhard Luther博士(薩爾大學)提出了一個新的泵儲存系統的想法。該系統安置在海床中,利用大海深處的高水壓來在空心體中存儲電力。不久之后,Fraunhofer研究所驗證了其可行性并成立專屬部門進行研究,并在2016年11月在模型規模上進行了測試。

其蓄能主體為多個內直徑30米的混凝土空心球。這些球會被放在600-800米深的海床上。每個球里都有一臺水輪發電機和一臺水泵。當電網負載低,電力多余時,水泵就會耗電把海水抽出,進行蓄能。當電網負載高,需要峰值發電時,這些球體的閥門就會打開,讓涌進的海水驅動水輪發電。

研究人員們預計,如果使用5兆瓦的水輪發電機,每個30米直徑空球可以最高連續發電4小時。意味著每個空球都可以存儲20兆瓦時的電力。如果有80個以上的蓄能球被并聯在一起,其總蓄能效果足以有效影響電網。該項目負責人MatthiasPuchta表示,通過全球探測,適合建造該系統的地點的總儲能,加起來一共有8170億千瓦時。

該項技術尚處于研究中,未來有望成為新的高效儲能技術。

參考資料:

[1] Technologischer überblick zur Speicherung von Elektrizit?t-ISEARWTH Aachen

[2] Stromspeicherpotenziale für Deutschland-Universit?t Stuttgart

[3] https://baike.baidu.com/item/%E6%8A%BD%E6%B0%B4%E8%93%84%E8%83%BD%E7%94%B5%E7%AB%99

[4] http://www.sohu.com/a/128222287_354973

[5] https://en.wikipedia.org/wiki/Stored_Energy_at_Sea

[6] http://www.chinapower.com.cn/informationzxbg/20190212/1265552.html

[7]http://www.tftpjs.cn/ch/reader/create_pdf.aspx?file_no=20140301&year_id=2014&quarter_id=3&falg=1

關鍵字:抽水蓄能電站

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