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抽水蓄能电站:从技术、市场到未来全解析

作者:张启航 来源:交能网 时间:2019-06-05 浏览:

抽水蓄能是世界上最重要的储能技术之一,目前全世界装机容量超过127 GW。该技术自20世纪初开始使用,已有100年的历史。我国在上世纪60年代后期也开始了抽水蓄能电站的开发。 目前,抽水蓄能电站在电力辅助服务上扮演着不可替代的角色。就让本文带你简明全面了解抽水蓄能技术!

浙江安吉天荒坪抽水蓄能电站  

抽水蓄能技术原理及特点

抽水蓄能电站由两个相互连接且位于不同高度的水库组成。 管道将上部和下部水库连接。 在充电过程中,电动机将电能转换成机械能。 通过将水从下部水库通过管道输送到上部水库,泵将它们转化为势能。在低电时,存储在上部水库中的水可以通过涡轮机返回到下部水库,由此从势能产生机械能,并且在发电机的帮助下再次产生电能。储存的能量与水的总质量和上下两蓄水池之间的高度差的乘积成比例。

抽水蓄能电站作为一个中间存储系统,通常被用作电力辅助服务,以维持电网的稳定性。在新能源发电日益增多的今天,抽水蓄能的意义愈发重大。 一是解决电力系统日益突出的调峰问题;

二是发挥调压调相作用,保证电网电压稳定;三是发挥事故备用作用;此外,抽水蓄能电站还具有黑启动、系统特殊负荷等功能。

抽水蓄能电站结构及组成部分如下图所示:

1.   上水库,用于在较高地势差处蓄水

2.   进水结构,作为进水管道的入口,在维护时起到封闭作用

3.   上游管道及克服高度差的压力管,用于在上下水库之间运输水

4.   平压塔,用来降低压力并提高控制效率

5.   配备涡轮机和泵,发电机和电动机

6.   出口结构,可能带有平压塔,以连接下水库

7.   下水库,用于储水

抽水蓄能技术优缺点


抽水蓄能有着许多其他储能技术不可比拟的优点。抽水蓄能电站作为一项100年历史的技术,比起其他储能技术,已经发展的十分成熟。除此之外,抽水蓄能电站还有着长达80年甚至100年的使用寿命。现在的抽水蓄能电站还拥有极高的存储效率,可实现高达80%的整体效率。 能量流和各个组件的损耗如下图所示。并且除了充放电过程中的能量损耗,自身的损耗(所谓自放电率)极低。

诚然,抽水蓄能技术的缺点也是一目了然的。抽水蓄能电站的建设有着极大的地理限制,因为上下水库要求存在于较近的距离内,并有着较高的高度差。且在高度差有限的条件下,抽水蓄能电站所能达到的能量密度很为有限。除此之外,对该技术发展最大的限制是它极低的经济性,抽水蓄能电站的投资成本很高,回报周期很长,通常需要30年以上的回报周期,有些甚至根本不能盈利。

抽水蓄能在中国

我国抽水蓄能电站的发展起步较晚,在上世纪60年代后期才开始研究抽水蓄能电站的开发。但起步晚、起点高是我国抽水蓄能产业的特点。

我国抽水蓄能电站装机容量已居世界第一,截至2018年底中国抽水蓄能装机容量为30GW,占发电总装机1.6%;在建规模为50GW。据预测到2030年中国风抽水蓄能装机达130GW。未来十年,将新增抽水蓄能装机100GW。

我国已建和在建抽水蓄能电站主要分布在华南、华中、华北、华东等地区,以解决电网的调峰问题,按照国家“十三五”能源发展规划要求,“十三五”期间新开工抽水蓄能6000万千瓦,到2025年达到9000万千瓦左右。

我国的抽水蓄能电站一直没有成熟的商业模式,一直以来是把它当作电网的运行工具对待的,所以一直把它放在电网的管理之中。然而电力体制改革之后,电网为抽水蓄能电站出资却不能在电网运营中得到全部补偿,致使抽水蓄能电站发展积极性大打折扣。而如今随着电改的深入,峰谷电价制度的推进,以及各省在抽水蓄能商业模式上的诸多尝试,抽水蓄能电站的发展获得了再次迈进。例如湖南省抽水蓄能辅助服务专项市场采用双边协商交易和要约招标两种方式进行交易。

海中蓄能,未来抽水蓄能的进阶版

前文有述,抽水蓄能有着地理限制及能量密度低的缺点,这也是严重限制该技术发展的两大因素。为此,德国Fraunhofer研究所提出了名为海中蓄能(StEnSEA)的新技术。

2011年,物理学教授Horst Schmidt-Böcking博士(法兰克福歌德大学)和Gerhard Luther博士(萨尔大学)提出了一个新的泵储存系统的想法。该系统安置在海床中,利用大海深处的高水压来在空心体中存储电力。不久之后,Fraunhofer研究所验证了其可行性并成立专属部门进行研究,并在2016年11月在模型规模上进行了测试。

其蓄能主体为多个内直径30米的混凝土空心球。这些球会被放在600-800米深的海床上。每个球里都有一台水轮发电机和一台水泵。当电网负载低,电力多余时,水泵就会耗电把海水抽出,进行蓄能。当电网负载高,需要峰值发电时,这些球体的阀门就会打开,让涌进的海水驱动水轮发电。

研究人员们预计,如果使用5兆瓦的水轮发电机,每个30米直径空球可以最高连续发电4小时。意味着每个空球都可以存储20兆瓦时的电力。如果有80个以上的蓄能球被并联在一起,其总蓄能效果足以有效影响电网。该项目负责人MatthiasPuchta表示,通过全球探测,适合建造该系统的地点的总储能,加起来一共有8170亿千瓦时。

该项技术尚处于研究中,未来有望成为新的高效储能技术。

参考资料:

[1] Technologischer Überblick zur Speicherung von Elektrizität-ISEARWTH Aachen

[2] Stromspeicherpotenziale für Deutschland-Universität 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  

关键字:抽水蓄能电站

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