2024儲能技術(shù)培訓(xùn)教程課件

儲能技術(shù)培訓(xùn)教程課件2024目錄第1章儲能概述第2章抽水蓄能第3章壓縮空氣儲能第4章電化學(xué)儲能

第5章氫儲能第6章儲熱技術(shù)第7章飛輪、超導(dǎo)與超級電容器第8章儲能電站運(yùn)行控制第9章儲能經(jīng)濟(jì)性分析第1章儲能概述儲能的概念儲能的作用儲能的分類儲能發(fā)展簡史未來儲能發(fā)展動向我國儲能現(xiàn)狀及挑戰(zhàn)本書主要內(nèi)容總結(jié)與展望1.1

儲能的概念廣義的儲能從廣義上講，儲能即能量存儲，具體是指通過某種介質(zhì)或設(shè)備，將一種能量用相同或不同形式的能量存儲起來，在某一時刻再根據(jù)需要以特定的形式進(jìn)行釋放的過程。廣義的儲能包括一次能源（原煤、原油、天然氣、核能、太陽能、水能和風(fēng)能等）、二次能源（電能、氫能、煤氣和汽油等）和熱能等各種形式的能量的存儲。狹義的儲能從狹義上講，儲能是指利用機(jī)械、電氣、化學(xué)等的方式將能量存儲起來的一系列技術(shù)和措施。本書介紹的儲電、儲熱和儲氫即屬于狹義的儲能。1.1

儲能的概念儲能的基本特性存儲容量。顧名思義，存儲容量是指儲能系統(tǒng)所能存儲的有效能量，主要用于描述儲能系統(tǒng)對能量的存儲能力。實(shí)際使用能量。實(shí)際使用能量是指儲能系統(tǒng)在應(yīng)用過程中所能釋放的有效能量，主要用于描述儲能系統(tǒng)對能量的釋放能力。能量轉(zhuǎn)換效率。能量轉(zhuǎn)換效率是指儲能系統(tǒng)在完成某次充放電循環(huán)后，所能釋放的有效能量與所能存儲的有效能量的比值。由于能量在存儲

過程中會產(chǎn)生損耗，能量轉(zhuǎn)換效率小于1。能量密度。從質(zhì)量或體積的角度，能量密度可分為質(zhì)量能量密度與體積能量密度，分別對應(yīng)單位質(zhì)量或體積的儲能系統(tǒng)所能存儲的有效能量。1.1

儲能的概念儲能的基本特性功率密度。與能量密度類似，功率密度可分為質(zhì)量功率密度與體積功率密度，分別對應(yīng)單位質(zhì)量或體積的儲能系統(tǒng)所能輸出的最大功率。受儲能材料限制，儲能系統(tǒng)通常難以兼具較高的能量密度和功率密度。比如，抽水蓄能系統(tǒng)的能量密度較大，但功率密度較??；蓄電池的功率密度普遍較高，但能量密度往往偏小。自放電率。自放電率是指儲能系統(tǒng)在單位時間內(nèi)的自放電量，主要用以反映儲能系統(tǒng)對所存儲的能量的保持能力。循環(huán)壽命。儲能系統(tǒng)每經(jīng)歷一個完整的能量存儲和釋放過程，便稱為一個循環(huán)。儲能系統(tǒng)在壽命周期內(nèi)所能實(shí)現(xiàn)的最大循環(huán)次數(shù)，稱為循環(huán)壽命。其它指標(biāo)。除上述指標(biāo)外，常用的儲能技術(shù)指標(biāo)還包括技術(shù)成熟度、兼容性、可移植性、安全性、可靠性和環(huán)保性等。1.2

儲能的作用儲能是可再生能源規(guī)模化發(fā)展的重要支撐一方面，儲能可以提高可再生能源并網(wǎng)消

納率。另一方面，儲能可以提高可再生能源電力系統(tǒng)的安全性及電能質(zhì)量，從根本上促進(jìn)可再生能源的開發(fā)利用。儲能電池是新能源汽車的核心部件未來電動汽車中的電池系統(tǒng)可以作為一個存儲單元與電網(wǎng)進(jìn)行互動，從而降低用電成本。另一方面，儲能電池系統(tǒng)還能在汽車減速制動過程中將汽車的部分動能轉(zhuǎn)化為電能并存儲起來，降低能耗。1.2

儲能的作用儲能是現(xiàn)代電網(wǎng)的重要組成部分儲能作為最具代表性的靈活調(diào)節(jié)資源，可以提高現(xiàn)代電網(wǎng)的安全穩(wěn)定性，電網(wǎng)也將由“源-網(wǎng)-荷”的傳統(tǒng)運(yùn)行模式逐漸過渡到“源-網(wǎng)-荷-儲”的協(xié)調(diào)運(yùn)行模式。儲能是構(gòu)建能源互聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵支撐技術(shù)儲能包括電化學(xué)儲能、壓縮空氣儲能、儲熱

和儲氫等不同形式的能源儲存方式，可以建立多種能源之間的耦合關(guān)系，發(fā)揮能量中轉(zhuǎn)、匹配和優(yōu)化等作用，是構(gòu)建能源互聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵支撐技術(shù)。1.3

儲能的分類根據(jù)儲能載體的類型分類根據(jù)儲能載體的類型，儲能一般可分為機(jī)械類儲能、電氣類儲能、電化學(xué)儲能、熱儲能和氫儲能五大類。1.3

儲能的分類根據(jù)儲能的作用時間分類根據(jù)儲能的作用時間不同，可將儲能分為分鐘級以下儲能、分鐘至小時級儲能和小時級以上儲能。時間尺度主要儲能類型運(yùn)行特點(diǎn)主要應(yīng)用場景分鐘級以下超級電容器超導(dǎo)儲能飛輪儲能動作周期隨機(jī)毫秒級響應(yīng)速度大功率充放電輔助一次調(diào)頻提高系統(tǒng)電能質(zhì)量分鐘至小時級電化學(xué)儲能充放電轉(zhuǎn)換頻繁秒級響應(yīng)速度能量可觀二次調(diào)頻跟蹤計(jì)劃出力平滑可再生能源發(fā)電提高輸配電設(shè)施利用率小時級以上抽水蓄能壓縮空氣儲能儲熱儲氫大規(guī)模能量存儲削峰填谷負(fù)荷調(diào)節(jié)1.3

儲能的分類機(jī)械類儲能目前，機(jī)械類儲能技術(shù)主要包括抽水蓄能、壓縮空氣儲能和飛輪儲能。抽水蓄能抽水蓄能是以水為能量載體的一種儲能技術(shù)。在電力系統(tǒng)負(fù)荷低谷時，通過電動機(jī)機(jī)械做功，把將下游水庫的水抽到上游水庫，將過剩的電能轉(zhuǎn)換成水體勢能的形式儲存起來；在負(fù)荷高峰時，通過發(fā)電機(jī)將存儲在上游水庫的水體勢能轉(zhuǎn)換成電能以供應(yīng)電力系統(tǒng)的尖峰電量。抽水蓄能具有調(diào)峰、調(diào)頻、調(diào)相、緊急事故備用和黑起動等功能，在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用最為廣泛。1.3

儲能的分類機(jī)械類儲能壓縮空氣儲能壓縮空氣儲能是以壓縮空氣為載體的一種儲能技術(shù)。儲能時，電能或機(jī)械能驅(qū)動壓縮機(jī)從環(huán)境中吸取空氣將其壓縮至高壓狀態(tài)并存入儲氣裝置，即將電能或機(jī)械能轉(zhuǎn)化為壓縮空氣的內(nèi)能和勢能；釋能時，儲氣裝置中存儲的壓縮空氣進(jìn)入空氣透平中膨脹做功發(fā)電，壓縮空氣中蘊(yùn)含的內(nèi)能和勢能重新轉(zhuǎn)化為電能或機(jī)械能。壓縮空氣儲能可廣泛用于電源側(cè)、電網(wǎng)側(cè)和用戶側(cè)，發(fā)揮調(diào)峰、調(diào)頻、容量備用、無功補(bǔ)償和黑啟動等作用。1.3

儲能的分類機(jī)械類儲能飛輪儲能飛輪儲能系統(tǒng)是電能與飛輪機(jī)械能的一種轉(zhuǎn)換裝置。儲能時，電機(jī)驅(qū)動飛輪高速旋轉(zhuǎn)，將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能存儲起來；釋能時，電機(jī)工作在發(fā)電機(jī)狀態(tài)，使飛輪減速，將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。飛輪儲能壽命長，充電時間短，功率密度大，轉(zhuǎn)換效率高，污染低，維護(hù)少，但其儲能密度低，自放電率較高。飛輪儲能適用于電能質(zhì)量控制、不間斷電源等對儲能調(diào)節(jié)速率要求高、但儲能時間短的場景。1.3

儲能的分類電氣類儲能電氣類儲能主要包括超導(dǎo)儲能和超級電容儲能。超導(dǎo)儲能超導(dǎo)儲能利用超導(dǎo)線圈將電能通過整流逆變器轉(zhuǎn)換成電磁能的形式存儲起來，在需要時再通過整流逆變器將電磁能轉(zhuǎn)換為電能釋放出來。超導(dǎo)儲能具有響應(yīng)速度快(ms級)，比功率大（104~105kW/kg），儲能密度大(108J/m3)，轉(zhuǎn)換效率高(≥95%)，易于控制，且?guī)缀鯚o污染，但目前主要處于示范應(yīng)用階段，離大規(guī)模應(yīng)用仍有較大距離。超導(dǎo)線圈制冷劑低溫容器電源持續(xù)電流回路1.3

儲能的分類電氣類儲能超級電容儲能超級電容由活性炭多孔電極和電解質(zhì)構(gòu)成，其電容值達(dá)法拉級以上。超級電容在儲能過程中遵循電化學(xué)雙電層理論，通過電極與電解液形成的界面雙電層來收藏電荷，從而將電能儲存于電場中。超級電容儲能充電速度快，功率密度高，對環(huán)境溫度適應(yīng)力強(qiáng)，對環(huán)境友好，但其續(xù)航能力較差，且依賴新材料的發(fā)展。目前，超級電容儲能通常應(yīng)用于提高電

能質(zhì)量等場合。雙電層電解液電極板負(fù)荷1.3

儲能的分類電化學(xué)儲能電化學(xué)儲能通過電化學(xué)反應(yīng)實(shí)現(xiàn)電能與化學(xué)能之間的相互轉(zhuǎn)換。根據(jù)溫度的差異，電化學(xué)儲能可分為室溫電池和高溫電池兩類。其中，室溫電池主要包括鉛酸電池、鋰離子電池和液流電池；高溫電池主要為鈉硫電池。一般認(rèn)為，電化學(xué)儲能的投資成本低于250美元/kWh、儲能壽命超過15年（4000個充放電次數(shù)）和儲能效率高于80%時具有較大的規(guī)模化應(yīng)用前景。目前，鉛酸電池和鋰離子電池已實(shí)現(xiàn)了大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化，特別是高比能鋰離子電池在電動汽車領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。1.3

儲能的分類電化學(xué)儲能鉛酸電池鉛酸電池是利用鉛在不同階態(tài)之間的固相反應(yīng)來實(shí)現(xiàn)充放電。傳統(tǒng)的鉛酸電池的電極由鉛及其氧化物制成，電解液為硫酸溶液。超級鉛酸電池通過超級電容器的活性炭電極材料形成雙電層儲能機(jī)制，可以改善鉛酸電池的倍率放電性能，延長其脈沖放電壽命，提高其接收電荷的能力。鉛酸電池安全可靠，價格低廉，性能優(yōu)良等優(yōu)點(diǎn)，是目前應(yīng)用最為廣泛的電池之一。然而，鉛是非環(huán)保材料，需要回收利用。1.3

儲能的分類電化學(xué)儲能鋰離子電池鋰離子電池是一種二次電池（充電電池），主要依靠鋰離子在正極和負(fù)極之間的移動進(jìn)行能量存儲與釋放。充電時，正極的鋰原子變?yōu)殇囯x子，通過電解質(zhì)向負(fù)極移動，在負(fù)極與外部電子結(jié)合后還原回鋰原子進(jìn)行存儲；放電過程正好與此相反。鋰離子電池的能量密度高，自放電率低，壽命長，且無記憶效應(yīng)，易于快充快放，但成本偏高。隨著技術(shù)的發(fā)展以及成本的下降，近年來鋰離子的應(yīng)用規(guī)模越來越大，前景被廣泛看好。1.3

儲能的分類電化學(xué)儲能液流電池液流電池全稱為氧化還原液流電池，其工作原理是：先將活性物質(zhì)溶解于正負(fù)儲

液罐的溶液中，利用送液泵使電解液不斷

循環(huán)，并在正負(fù)極發(fā)生氧化還原反應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)電池的充電和放電。液流電池具有壽命長、自放電率低、環(huán)境友好和安全性高等優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是能量效率和能量密度都不高。目前，全釩液流電池、鋅溴液流電池等已初步實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化應(yīng)用。1.3

儲能的分類電化學(xué)儲能鈉硫電池鈉硫電池是一種以熔融金屬鈉為負(fù)極，以熔融態(tài)的硫?yàn)檎龢O和以陶瓷管為電解質(zhì)隔膜的熔融鹽二次電池。通過鈉與硫的化學(xué)反應(yīng)將電能儲存起來；用能時再將化學(xué)能轉(zhuǎn)化成電能并釋放出去。鈉硫電池具有體積小、容量大、壽命長、效率高和穩(wěn)定性較強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，但其運(yùn)行溫度在300℃以上，需滿足嚴(yán)格的操作和維護(hù)要求。目前，鈉硫電池主要應(yīng)用于電網(wǎng)削峰填谷和大規(guī)模可再生能源并網(wǎng)、輔助電源等領(lǐng)域。1.3

儲能的分類熱儲能熱儲能即儲熱技術(shù)，有兩個關(guān)鍵環(huán)節(jié)和三種主要存儲方式。兩個關(guān)鍵環(huán)節(jié)其一是熱能的傳遞，即如何選用合適的傳熱工質(zhì)和換熱器結(jié)構(gòu)，使得儲熱系統(tǒng)能夠高效地在熱能富余時從熱源吸熱，而在熱能短缺時向負(fù)載供熱；其二是熱能的儲存，即如何選取合適的儲熱材料及盛放儲熱材料的容器，使得整個儲熱系統(tǒng)不僅能夠在大量充、放熱的交變過程中保持性能的穩(wěn)定，而

且在儲存過程中能夠?qū)崮軗p失降到最低。三種主要存儲方式儲熱主要有三種方式：顯熱儲熱、潛熱儲熱（也稱為相變儲熱）和熱化學(xué)儲熱。1.3

儲能的分類熱儲能顯熱儲熱顯熱儲熱主要利用儲熱材料溫度的變化來進(jìn)行熱量存儲與釋放。按儲熱材料的差異，顯熱儲熱可分為固體顯熱儲熱和液體顯熱儲熱兩種。顯熱儲熱是發(fā)展最早、技術(shù)最成熟和應(yīng)用的最多的儲熱方式之一，但也存在儲能密度低、儲能時間短、溫度波動范圍大及儲能系統(tǒng)規(guī)模過于龐大等缺點(diǎn)。液體顯熱儲熱的應(yīng)用場景：水箱儲熱固體顯熱儲熱的應(yīng)用場景：填充床儲熱1.3

儲能的分類熱儲能潛熱儲熱潛熱儲熱是利用物質(zhì)在凝固/熔化、凝結(jié)/氣化、凝華/升華等過程中需要吸收或放出相變潛熱的原理進(jìn)行儲熱，也稱為相變儲熱。相變分為“固—液”、“液—?dú)狻薄ⅰ皻狻獭奔啊肮獭獭钡刃问?，其中“液—固”相變最為常見。潛熱儲熱有著較高的儲熱密度和穩(wěn)定性。適用于中低溫的相變材料有冰、石蠟等，典型應(yīng)用場

景包括廢熱回收、太陽能供暖和空調(diào)系統(tǒng)等；適用于高溫的相變材料有高溫熔化鹽類、混合鹽類和金屬及合金等，典型應(yīng)用場景包括熱機(jī)、太陽能光熱電站、磁流體發(fā)電以及人造衛(wèi)星等。1.3

儲能的分類熱儲能熱化學(xué)儲熱熱化學(xué)儲熱技術(shù)通過可逆的化學(xué)吸附或化學(xué)反應(yīng)存儲和釋放熱能。熱化學(xué)儲熱的密度遠(yuǎn)高于顯熱儲熱和相變儲熱，既可以對熱能進(jìn)行長期儲存，還可以實(shí)現(xiàn)冷熱的復(fù)合儲存，且熱量損失小。熱化學(xué)儲熱在余熱/廢熱回收等領(lǐng)域都得到了應(yīng)用，但尚未實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。從長遠(yuǎn)看，熱化學(xué)儲熱技術(shù)是儲熱技術(shù)的重要發(fā)展方向。用于區(qū)域供熱和制冷的熱化學(xué)吸附儲熱系統(tǒng)1.3

儲能的分類氫儲能氫儲能的基本原理是將水電解得到氫氣，并以高壓氣態(tài)、低溫液態(tài)和固態(tài)等形式進(jìn)行存儲。氫氣具有燃燒熱值高、大規(guī)模存儲便捷、可轉(zhuǎn)化形式廣和環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)，受到了能源行業(yè)的高度重視，具有極大

的發(fā)展?jié)摿?。其缺點(diǎn)是能量轉(zhuǎn)換率相對較低，且目前的氧儲能技術(shù)的成本仍然比較高，這也在一定程度上阻礙了氫儲能技術(shù)的規(guī)?；瘧?yīng)用。光伏電解水制氫-儲氫-氫能綜合利用示范系統(tǒng)1.4

儲能發(fā)展簡史根據(jù)各歷史階段儲能的使用特點(diǎn)，可以將整個儲能發(fā)展歷史大致分為三個時期，即初步探索期、多元發(fā)展期和高速發(fā)展期。18世紀(jì)末-20世紀(jì)上半葉20世紀(jì)中葉-20世紀(jì)末21世紀(jì)以來初步探索期多元發(fā)展期高速發(fā)展期電化學(xué)儲能和抽水蓄能的發(fā)展相對較快多種儲能技術(shù)得到了初步的探索電化學(xué)儲能和抽水蓄能等電力儲能技術(shù)有了新的發(fā)展壓縮空氣儲能、超導(dǎo)磁儲能、熱儲能等儲能技術(shù)初登歷史舞臺電化學(xué)儲能和抽水蓄能蓬勃發(fā)展超級電容和超導(dǎo)儲能應(yīng)用潛力巨大飛輪儲能與壓縮空氣儲能迎來新發(fā)展熱儲能和氫儲能發(fā)展活力充足1.4

儲能發(fā)展簡史初步探索期（18世紀(jì)末-20世紀(jì)上半葉）1799187918821898第一個一次電池——伏特電池杜瓦瓶提出雙電層概念18391859燃料電池鉛酸電池鎳鎘電池鋅錳電池1866189919世紀(jì)末-20世紀(jì)上半葉發(fā)展相對緩慢，主要用于調(diào)節(jié)常規(guī)水電站發(fā)電的季節(jié)不平衡性1.4

儲能發(fā)展簡史多元發(fā)展期（20世紀(jì)中葉-20世紀(jì)末）1949195719691970后197019601952氫的大規(guī)模液化和存儲獲得成功雙電層電容器首個鋰電池第一座壓縮空氣儲能電站非補(bǔ)燃壓縮空氣儲能19781990后1960后金屬氫化物儲氫批量生產(chǎn)超級電容器1979推出新型超級電容器1980后超導(dǎo)儲存系統(tǒng)開始高速發(fā)展美國進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化發(fā)展19901995后抽水蓄能發(fā)展進(jìn)入成熟期，增長開始變慢1990后液流電池鋰離子電池197919901.4

儲能發(fā)展簡史高速發(fā)展期（21世紀(jì)以來）21世紀(jì)以來，能源與環(huán)境成為世界的兩大主題，儲能也迎來了前所未有的發(fā)展良機(jī)。此外，科學(xué)技術(shù)的發(fā)展大大推動了儲能技術(shù)的進(jìn)步。

電化學(xué)儲能：更環(huán)保、性能和壽命更高、向小、輕、薄方向發(fā)展

抽水蓄能：新能源發(fā)展帶來的調(diào)峰調(diào)頻需求使抽水蓄能裝機(jī)容量增加超級電容儲能：作為蓄電池的輔助電源而在電動汽車領(lǐng)域得到應(yīng)用超導(dǎo)儲能：低溫超導(dǎo)儲能系統(tǒng)商品化，高溫超導(dǎo)儲能系統(tǒng)被日益重視

飛輪儲能：在風(fēng)力發(fā)電平滑、分布光伏發(fā)電波動調(diào)控的應(yīng)用前景良好壓縮空氣儲能：發(fā)展出多種非補(bǔ)燃壓縮空氣儲能技術(shù)，形成示范電站熱儲能：潛熱儲熱和熱化學(xué)儲熱提高了儲熱密度，具有廣闊應(yīng)用前景氫儲能：氫燃料電池技術(shù)越發(fā)被重視，氫儲能的發(fā)展前途無量1.5

未來儲能發(fā)展動向成熟的交易機(jī)制與商業(yè)模式將促使儲能由強(qiáng)配轉(zhuǎn)向主動發(fā)展受儲能成本、壽命等因素影響，儲能實(shí)現(xiàn)商業(yè)化發(fā)展仍存在一定挑戰(zhàn)，儲能配置仍以政策驅(qū)動為主。隨著儲能成本的下降、壽命的提高以及交易機(jī)制的完善和商業(yè)模式的成熟，儲能的收益將得以凸顯，儲能將由強(qiáng)配轉(zhuǎn)向主動發(fā)展。能源轉(zhuǎn)型呼喚更高比例、更具價值的儲能系統(tǒng)隨著越來越多的可再生能源并網(wǎng)發(fā)電，高比例的儲能必不可少。在電力系統(tǒng)內(nèi)部，儲能需要將電網(wǎng)、負(fù)荷、光伏電站、風(fēng)場緊密連結(jié)，實(shí)現(xiàn)“源網(wǎng)荷儲一體化”和“風(fēng)光水火儲一體化”兩個“一體化”；在不同行業(yè)之間，儲能也有利于實(shí)現(xiàn)能量在交通、制造、建筑等各個行業(yè)的優(yōu)化整合，實(shí)現(xiàn)能源在不同行業(yè)與環(huán)節(jié)的相互轉(zhuǎn)化與互補(bǔ)互濟(jì)，提升能源的價值。1.5

未來儲能發(fā)展動向新基建時代將賦予儲能系統(tǒng)更豐富的內(nèi)涵儲能技術(shù)可廣泛應(yīng)用于5G基站建設(shè)、特高壓、城際高速鐵路和城市軌道交通、新能源汽車充電樁、大數(shù)據(jù)中心、人工智能、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域，是新基建不可或缺的重要保障。反之，新基建的發(fā)展也將給儲能的發(fā)展帶來了新的機(jī)遇，賦予儲能系統(tǒng)更豐富的內(nèi)涵。共享儲能將使儲能的應(yīng)用更為便捷與高效對于儲能而言，共享經(jīng)濟(jì)同樣有望發(fā)揮巨大作用。一方面，不同新能源場站或用戶對儲能資源的需求具有時間上的互補(bǔ)性，通過共享儲能可以顯著提高

儲能資源利用率；另一方面，分散在電網(wǎng)中的儲能資源具有空間上的互補(bǔ)性，通過就近調(diào)用儲能資源，可以有效降低網(wǎng)損，提高系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性；此外，共享儲能以聯(lián)盟形式參與電網(wǎng)運(yùn)行和進(jìn)行投資決策時，還可以憑借規(guī)模效應(yīng)獲得更多的服務(wù)定價收益和政策激勵收益，進(jìn)一步提升儲能的經(jīng)濟(jì)性。1.6

我國儲能現(xiàn)狀及挑戰(zhàn)我國儲能現(xiàn)狀目前，儲能產(chǎn)業(yè)在我國還處于發(fā)展的初級階段，儲能的商業(yè)模式還未成熟，價格機(jī)制相對缺乏，但隨著新能源的快速發(fā)展，我國的儲能市場潛力巨大，有可能成為全球最大的儲能市場。2015-2020年中國儲能項(xiàng)目累計(jì)裝機(jī)規(guī)模

2015-2020年中國電化學(xué)儲能項(xiàng)目累計(jì)裝機(jī)規(guī)模結(jié)論：我國儲能項(xiàng)目累計(jì)裝機(jī)規(guī)模保持逐年增長，2020年達(dá)到了35.6GW，同比增長9.88%。其中，電化學(xué)儲能項(xiàng)目的發(fā)展最為迅速，2020年達(dá)到了3269.2MW，同比增長91.23%，新增裝機(jī)規(guī)模首次突破1GW大關(guān)。1.6

我國儲能現(xiàn)狀及挑戰(zhàn)我國儲能現(xiàn)狀2020年中國儲能市場累計(jì)裝機(jī)規(guī)模分布情況2020年中國電化學(xué)儲能應(yīng)用場景結(jié)論1：從我國儲能市場累計(jì)裝機(jī)規(guī)模

分布情況上看，抽水蓄能的占比最大，為89.3%；電化學(xué)儲能位列第二，其中的鋰離子電池的累計(jì)裝機(jī)規(guī)模占比最大。結(jié)論2：中國電化學(xué)儲能在電源側(cè)輔助服務(wù)、新能源與儲能聯(lián)合運(yùn)行兩方面的應(yīng)用最廣，而在分布式微網(wǎng)中的應(yīng)用最少。1.6

我國儲能現(xiàn)狀及挑戰(zhàn)我國儲能的挑戰(zhàn)儲能缺乏長效機(jī)制：一是儲能市場仍以政策驅(qū)動為主，缺乏配套的使用細(xì)則和行為規(guī)范等制度；二是我國電力市場仍處于電力市場建設(shè)的初始階段，缺少針對性的儲能交易品種和機(jī)制，盈利模式不夠清晰。儲能的技術(shù)和非技術(shù)成本過高：一方面受儲能原材料、技術(shù)發(fā)展水平等限制；另一方面受國內(nèi)儲能電站建設(shè)、并網(wǎng)驗(yàn)收、融資等環(huán)節(jié)影響。儲能的標(biāo)準(zhǔn)體系尚未完善：儲能的種類較多，應(yīng)用場景多樣，尚未形成相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)體系，影響行業(yè)快速良性發(fā)展。儲能的系統(tǒng)集成技術(shù)不夠成熟：儲能行業(yè)存在非專業(yè)集成、非一體化設(shè)計(jì)、未全面測試驗(yàn)證等問題，系統(tǒng)拼湊現(xiàn)象嚴(yán)重，不僅造成系統(tǒng)效率低下，還暗

藏安全隱患。1.6

我國儲能現(xiàn)狀及挑戰(zhàn)應(yīng)對挑戰(zhàn)的措施加強(qiáng)國家規(guī)劃對于儲能行業(yè)發(fā)展的引領(lǐng)作用：明確儲能行業(yè)發(fā)展目標(biāo)、重點(diǎn)任務(wù)及實(shí)施路徑，科學(xué)指導(dǎo)儲能產(chǎn)業(yè)健康有序發(fā)展。提高各省區(qū)政策的穩(wěn)定性和可持續(xù)性：提高政策的穩(wěn)定性和可持續(xù)性，才能讓投資者從“快進(jìn)快出”轉(zhuǎn)向長遠(yuǎn)發(fā)展，從而穩(wěn)步推動儲能的規(guī)?；瘧?yīng)用。建立更為完善的儲能價值評價體系：建立更多元化的儲能價值評價體系，并針對不同的儲能應(yīng)用場景，在電廠、電網(wǎng)、電力用戶乃至社會團(tuán)體和政府之間的分?jǐn)倷C(jī)制，為儲能價值的量化評估與成本分?jǐn)偺峁┮罁?jù)。建立儲能市場機(jī)制：理順儲能的市場機(jī)制和電價機(jī)制，形成更為成熟的儲能商業(yè)模式，提高儲能的盈利能力，從而促進(jìn)儲能的規(guī)?；瘧?yīng)用。加快建立儲能技術(shù)及應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)體系：加快儲能標(biāo)準(zhǔn)的制定工作，緊跟國際標(biāo)準(zhǔn)的步伐，在國際標(biāo)準(zhǔn)中爭取更多話語權(quán)，爭取將我國的技術(shù)、示范項(xiàng)目技術(shù)成果納入國際標(biāo)準(zhǔn)中，避免出現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)滯后于市場的現(xiàn)象。1.7

本書主要內(nèi)容本書按照儲能的“本體技術(shù)一集成技術(shù)一工程應(yīng)用”思路進(jìn)行闡述。第2-7章依次介紹抽水蓄能、壓縮空氣儲能、電化學(xué)儲能、氫儲能和儲熱等儲能技術(shù)。第8章主要介紹了儲能電站的運(yùn)行控制，包括儲能集成的主要模式、基本原理、運(yùn)行控制方法等加快建立儲能技術(shù)及應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)體系。第9章介紹了儲能經(jīng)濟(jì)性分析的基本原理、儲能在電力系統(tǒng)中應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)性分析方法以及儲能梯次利用的基本原理與方法。總結(jié)與展望廣義的儲能包括一次能源、二次能源和熱能等各種形式的能量的存儲；狹義的儲能是指利用機(jī)械、電氣、化學(xué)等的方式將能量存儲起來的一系列技術(shù)和措施，通常指儲電、儲熱和儲氫；儲能是現(xiàn)代電網(wǎng)、可再生能源高占比系統(tǒng)、新能源電動汽車、“互聯(lián)網(wǎng)+”智慧能源的重要組成部分和關(guān)鍵支撐技術(shù)；儲能根據(jù)不同載體技術(shù)類型可分為機(jī)械類儲能、電氣類儲能、電化學(xué)儲能、熱儲能和氫儲能五大類；儲能技術(shù)已經(jīng)歷了初步探索、多元發(fā)展和高速發(fā)展三個歷史時期；我國儲能產(chǎn)業(yè)還處于發(fā)展的初級階段，我們需要認(rèn)清挑戰(zhàn)，解決問題；未來幾十年，全球?qū)τ谛履茉吹牟季謺o儲能帶來非常大的應(yīng)用空間。第2章抽水蓄能抽水蓄能電站概述抽水蓄能電站的原理抽蓄機(jī)組的運(yùn)行模式抽水蓄能電站的應(yīng)用案例總結(jié)與展望2.1

抽水蓄能電站概述抽水蓄能電站的基本概念抽水蓄能是一種以水為能量載體，通過抽水和放水過程實(shí)現(xiàn)能量存儲和利用的儲能技術(shù)。抽水蓄能電站，一般由上水庫、輸水系統(tǒng)、廠房和下水庫等組成。抽水蓄能電站的上水庫用于儲蓄能量。下水庫用于儲蓄上水庫發(fā)電過程放下來的水。輸水系統(tǒng)是電站儲蓄的水在上水庫與下水庫之間雙向流動的傳輸通道。2.1

抽水蓄能電站概述抽水蓄能電站的作用抽水蓄能電站可有效調(diào)節(jié)電力系統(tǒng)的供需，使其達(dá)到動態(tài)平衡，大幅度提

高電網(wǎng)的運(yùn)行安全和供電質(zhì)量。具體作用包括削峰填谷、調(diào)頻、調(diào)相（調(diào)壓）、事故備用和黑啟動等。削峰填谷在用電負(fù)荷高峰時段向電網(wǎng)提供電能；在用電負(fù)荷低谷時段消納電網(wǎng)中其他電源（如火電、風(fēng)電和太陽能等）過剩的電量。2.1

抽水蓄能電站概述抽水蓄能電站的作用調(diào)頻抽水蓄能電站的調(diào)頻作用又稱負(fù)荷自動跟蹤作用。抽水蓄能電站具有啟停速度快、工況轉(zhuǎn)換迅速能隨時并迅速地調(diào)整出力以消除功率的不平衡量，實(shí)現(xiàn)頻率穩(wěn)定。調(diào)相抽水蓄能電站的調(diào)相作用又稱為調(diào)壓作用。抽水蓄能發(fā)電機(jī)的調(diào)相運(yùn)行方式可分為調(diào)相運(yùn)行和進(jìn)相運(yùn)行兩種。調(diào)相運(yùn)行是指發(fā)電機(jī)向電網(wǎng)輸送感性無功功率的運(yùn)行狀態(tài)。進(jìn)相運(yùn)行是指發(fā)電機(jī)吸收電網(wǎng)的感性無功功率的運(yùn)行狀態(tài)。2.1

抽水蓄能電站概述抽水蓄能電站的作用事故備用抽水蓄能電站的事故備用作用是指抽水蓄能電站可以作為電力系統(tǒng)中備用容量的組成部分之一。黑啟動抽水蓄能電站的黑啟動作用是指抽水蓄能電站可在無外界電力供應(yīng)的情況下，迅速自啟動，并為其他機(jī)組提供啟動功率，使電力系統(tǒng)在短時間內(nèi)恢復(fù)供電，保證電力系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行。2.1

抽水蓄能電站概述抽水蓄能電站的類別及其特點(diǎn)2.1

抽水蓄能電站概述按開發(fā)方式分類引水式抽水蓄能電站：一般建在天然高度落差較大、流量相對較小的山區(qū)或丘陵地區(qū)的河流上。根據(jù)廠房在輸水系統(tǒng)中的位置，可進(jìn)一步分為首部式布置、中部式布置和尾部式布置三種。抬水式抽水蓄能電站：一般在天然河道中攔河筑壩形成上水庫，以抬高上水庫的水位。抬水式抽水蓄能電站的布置形式主要分為壩后式布置和河岸式布置。2.1

抽水蓄能電站概述引水式抽水蓄能電站首部式布置首部式布置的抽水蓄能電站將廠房布置在輸水系統(tǒng)的上游側(cè)，靠近上水庫。常用于水頭不太高的電站。中部式布置中部式布置的抽水蓄能電站一般將廠房布置在輸水系統(tǒng)的中部。中部地形一般不太高，電站的上下游一般都有比較長的輸水道。尾部式布置尾部式布置的抽水蓄能電站一般將廠房布置在輸水系統(tǒng)的下游側(cè)，靠近下水庫。目前在抽水蓄能電站中應(yīng)用較多。2.1

抽水蓄能電站概述抬水式抽水蓄能電站壩后式布置壩后式布置的抽水蓄能電站將廠房布置在壩的后側(cè)，一般為地面式，不需承受水壓。壩后式抽水蓄能電站的水頭一般較低，但機(jī)組安裝高程普遍較高。河岸式布置河岸式布置的抽水蓄能電站將廠房布置在河岸邊或河岸內(nèi)。河岸式布置抽水蓄能電站的引水道多采用山體隧洞；2.1

抽水蓄能電站概述按天然徑流條件分類純抽水蓄能電站純抽水蓄能電站的上水庫一般沒有或只有少量的天然來水進(jìn)入。純抽水蓄能電站一般水頭較高，上水庫和下水庫常的庫容大小相似?；旌鲜匠樗钅茈娬净旌鲜匠樗钅茈娬镜纳纤畮煲话憬ㄔ诤哟ㄉ匣蚶锰烊缓醋鳛樯纤畮欤哂刑烊粡搅鲄R入，其來水流量可達(dá)到安裝常規(guī)水輪發(fā)電機(jī)組承擔(dān)系統(tǒng)負(fù)荷的要求。混合式抽水蓄能電站又稱為常蓄結(jié)合式抽水蓄能電站?；旌鲜匠樗钅茈娬緩S房內(nèi)所安裝的機(jī)組一般由兩部分組成，一部分是常規(guī)水輪發(fā)電機(jī)組，另一

部分是抽水蓄能機(jī)組。2.1

抽水蓄能電站概述按水庫座數(shù)分類兩庫式抽水蓄能電站兩庫式抽水蓄能電站指具有兩座水庫的抽水蓄能電站。兩庫式抽水蓄能電站是比較常見的抽水蓄能電站。三庫式抽水蓄能電站三庫式抽水蓄能電站是指具有三座水庫的抽水蓄能電站。三庫式抽水蓄能電站一般是由一座上水庫與兩座下水庫組成。當(dāng)兩座下水庫是相鄰水電站梯級的兩座水庫，可實(shí)現(xiàn)同流域抽水蓄能；當(dāng)兩座下水庫是相鄰流域的兩座水電站

水庫，可實(shí)現(xiàn)跨流域抽水蓄能。2.1

抽水蓄能電站概述按發(fā)電廠房形式分類地面式抽水蓄能電站地面式抽水蓄能電站采用地面式廠房。地面式廠房一般適用于水頭不太高，下游水位變化幅度不太大和地質(zhì)條件不宜做地下廠房的抽水蓄能電站，在抽水蓄能電站中應(yīng)用較少。半地下式抽水蓄能電站半地下式抽水蓄能電站采用半地下式廠房。半地下廠房能適應(yīng)抽水蓄能機(jī)組較大的淹沒深度和下游水位較大的變幅，在抽水蓄能電站中應(yīng)用較多。地下式抽水蓄能電站地下式抽水蓄能電站采用地下式廠房。地下廠房由于能夠適應(yīng)尾水位的變化和抽水蓄能機(jī)組需要較大淹沒深度的要求，在抽水蓄能電站中應(yīng)用最多。2.1

抽水蓄能電站概述按水頭高低分類低水頭抽水蓄能電站低水頭抽水蓄能電站水頭在100m以下。我國的潘家口抽水蓄能電站是典型的低水頭抽水蓄能電站。中水頭抽水蓄能電站中水頭抽水蓄能電站水頭在100~700m之間的抽水蓄能電站稱為中水頭抽水蓄能電站。我國的廣州抽水蓄能電站是典型的中水頭抽水蓄能電站。高水頭抽水蓄能電站高水頭抽水蓄能電站水頭在700m以上的抽水蓄能電站稱為高水頭抽水蓄能電站。我國的河北豐寧抽水蓄能電站是典型的高水頭抽水蓄能電站。電站單位kW造價通常隨水頭的增高而降低，具有較大的經(jīng)濟(jì)性。2.1

抽水蓄能電站概述按機(jī)組型式分類分置式(四機(jī)式)抽水蓄能電站分置式抽水蓄能電站在分置式抽水蓄能機(jī)組中，水泵、水輪機(jī)、電動機(jī)和發(fā)電機(jī)這四種部件是分開布置的，占地大，布置復(fù)雜，工程投資大，目前已很少被采用。串聯(lián)式(三機(jī)式)抽水蓄能電站串聯(lián)式抽水蓄能電站的電動機(jī)和發(fā)電機(jī)功能被集成到同一臺機(jī)組中,抽水蓄能電

機(jī)同時與水輪機(jī)和水泵相聯(lián)結(jié)，稱為串聯(lián)式機(jī)組。串聯(lián)式機(jī)組具有較高的運(yùn)行

效率，但工程投資偏大。可逆式抽水蓄能電站可逆式抽水蓄能電站在串聯(lián)式抽水蓄能電站的基礎(chǔ)上將水泵和水輪機(jī)合并為—套，稱為可逆式水泵水輪機(jī)?？赡媸剿盟啓C(jī)具有貫流式、軸流式、斜流式和混流式四種結(jié)構(gòu)，可以適應(yīng)不同應(yīng)用場景下的水流差異。2.1

抽水蓄能電站概述按水庫調(diào)節(jié)周期分類日調(diào)節(jié)抽水蓄能電站日調(diào)節(jié)抽水蓄能電站是指以日為循環(huán)周期的抽水蓄能電站。目前的大部分純抽水蓄能電站都屬于日調(diào)節(jié)抽水蓄能電站。周調(diào)節(jié)抽水蓄能電站周調(diào)節(jié)抽水蓄能電站是指以周為循環(huán)周期的抽水蓄能電站。一般周調(diào)節(jié)抽水蓄能電站的庫容應(yīng)滿足電力系統(tǒng)一周以內(nèi)對調(diào)峰的需求。季調(diào)節(jié)抽水蓄能電站季調(diào)節(jié)抽水蓄能電站是指以季為循環(huán)周期的抽水蓄能電站。一般季調(diào)節(jié)抽水蓄能電站的庫容應(yīng)滿足電力系統(tǒng)一季度以內(nèi)對調(diào)峰的需求。年調(diào)節(jié)抽水蓄能電站年調(diào)節(jié)抽水蓄能電站是指以年為循環(huán)周期的抽水蓄能電站。一般年調(diào)節(jié)抽水蓄能電站的庫容應(yīng)滿足電力系統(tǒng)一年以內(nèi)對調(diào)峰的需求。年調(diào)節(jié)抽水蓄能電站中多數(shù)為混合式抽水蓄能電站。2.2

抽水蓄能電站的原理抽水蓄能電站的能量轉(zhuǎn)換過程在電力系統(tǒng)負(fù)荷低谷時：將電網(wǎng)過剩的電能先轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，再把過剩的電能轉(zhuǎn)換而來的機(jī)械能以水體的勢能形式儲存起來；在電力系統(tǒng)負(fù)荷轉(zhuǎn)為高峰時：再將這部分水體的重力勢能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，最后機(jī)械能重新轉(zhuǎn)換為電能，以彌補(bǔ)電力系統(tǒng)的尖峰容量和電量不足，滿足系統(tǒng)調(diào)峰需求。2.2

抽水蓄能電站的原理抽水蓄能電站的能量轉(zhuǎn)換過程水庫水位正常蓄水位：抽水蓄能電站正常運(yùn)行情況下，水庫蓄水能達(dá)到的最高水位。死水位：抽水蓄能電站正常運(yùn)行情況下，水庫蓄水的最低工作水位。工作深度：水庫的正常蓄水位與死水位之間的高程差（高度落差）。水庫水頭最大水頭：抽水蓄能電站的上、下水庫的水面高度落差的最大數(shù)值。最小水頭：抽水蓄能電站的上、下水庫的水面高度落差的最小數(shù)值。平均水頭：取最大水頭和最小水頭的算術(shù)平均值。水庫庫容

蓄能庫容：水庫在正常蓄水位與死水位之間所包含的庫容。上水庫與下水庫之間的水面高度落差越大（水頭越大），存于上水庫的能量也越大。2.2

抽水蓄能電站的原理抽水蓄能電站的水頭特性抽水蓄能電站的水頭特性主要用以描述該電站的水頭值與蓄水量之間的變化規(guī)律。在抽水蓄能電站完成一次完整的抽水和發(fā)電的循環(huán)過程中，電站水頭值與蓄水位將在一個范圍內(nèi)變化。電站的最大、最小水頭計(jì)算公式如下電站的最大水頭上水庫的正常蓄水位下水庫的死水位電站的最小水頭上水庫的死水位下上水庫的正常蓄水位2.2

抽水蓄能電站的原理抽水蓄能電站的水頭特性抽水蓄能電站的水頭與蓄水位的變化規(guī)律主要由水庫形狀以及庫容大小決定。假定上水庫從正常蓄水位Z開始放水，當(dāng)放水量達(dá)到ΔV

時，其水位下U降N

至Z

；此1

U1時，下水庫由于接收到ΔV

的水量，其水位LD

L1當(dāng)上水庫的蓄水位下降至死水位Z

后，抽水蓄能電站不再能繼續(xù)放水發(fā)電，下UD水庫的蓄水位也將上升至其正常蓄水位Z。此時，LN抽水蓄能電站的水頭最小注：抽水蓄能電站的水頭可通過上水庫放水曲線與下水庫的蓄水曲線的垂直距離表示。也由死水位Z

上升至Z

。12.2

抽水蓄能電站的原理抽水蓄能電站的水頭特性對圖2-16中同一橫坐標(biāo)的上水庫放水曲線與下水庫的蓄水曲線取差值，便可制作出圖2-17所示的抽水蓄能電站的水頭特性。一般而言，庫容越大，水頭變化特性曲線就越平緩，反之亦然。取差值2.2

抽水蓄能電站的原理蓄能水庫的能量特性蓄能水庫的能量特性主要用以描述抽水蓄能電站的發(fā)電量與上水庫蓄能庫容的放水量之間的關(guān)系。抽水蓄能電站的主要任務(wù)是調(diào)峰，因而系統(tǒng)能容納的調(diào)峰容量（功率）N（kW）或調(diào)峰電量（能量）

E

（kWh）是決定上、下水庫容積的主要依據(jù)。T在規(guī)劃選點(diǎn)或可行性研究階段，蓄能庫容V

可按下式估算。Sh

日發(fā)電小時數(shù)，單位小時K

損失系數(shù)，由水庫表面蒸發(fā)、水庫滲漏和事故庫容等因素所確定，數(shù)值不小于1。2.2

抽水蓄能電站的原理蓄能水庫的能量特性在所能修建的水庫的容積無法達(dá)到調(diào)峰所需蓄能庫容要求時，只能按照所能建成的最大庫容確定該抽水蓄能電站的調(diào)峰能力。當(dāng)K=1，η

=85%時，上水庫的放水量ΔV與發(fā)電量E

的關(guān)系式為TT在一次完整的放水發(fā)電調(diào)峰運(yùn)行過程中，發(fā)電量E

為T發(fā)電工況的運(yùn)行效率，單位%。2.2

抽水蓄能電站的原理蓄能水庫的能量特性利用抽水蓄能電站的水頭-能量特性圖，可求出上水庫從某一水位開始放水至另一水位對應(yīng)的發(fā)電量。在抽水蓄能電站運(yùn)行過程中，可借助蓄能水庫的能量特性圖計(jì)算用去的蓄能量和尚存的蓄能量，或用來預(yù)測發(fā)多少電時上水庫水位將下降至何處。2.2

抽水蓄能電站的原理抽水蓄能電站的綜合效率抽水蓄能電站的綜合效率η（即抽水用電與放水發(fā)電的電量轉(zhuǎn)換效率）是衡量抽水蓄能電站調(diào)峰循環(huán)過程中電量轉(zhuǎn)換效率的一個重要指標(biāo)。抽水蓄能電站的綜合效率η為：發(fā)電工況下的運(yùn)行效率，由輸水系統(tǒng)、水輪機(jī)、

發(fā)電機(jī)和主變壓器的發(fā)電工況運(yùn)行效率組成。抽水工況下的運(yùn)行效率，由輸水系統(tǒng)、水輪機(jī)、

發(fā)電機(jī)和主變壓器的抽水工況運(yùn)行效率組成。2.2

抽水蓄能電站的原理抽水蓄能電站的綜合效率抽水蓄能電站綜合效率主要由變壓器、電動機(jī)、水泵、輸水系統(tǒng)等工作部件的運(yùn)行效率共同決定。一般情況下，抽水蓄能電站的容量越大，綜合效率就越高。對于中小型抽水蓄能電站，其綜合效率一般為0.67~0.70之間；對于大型抽水蓄能電站，其綜合效率一般都在0.7以上，條件優(yōu)越的大型抽水蓄能電站的綜合效率甚至可以達(dá)到0.78。運(yùn)行工況抽水工況發(fā)電工況電站綜合效率工作部件變壓器電動機(jī)水泵輸水系統(tǒng)輸水系統(tǒng)水輪機(jī)發(fā)電機(jī)變壓器運(yùn)行效率0.9950.9780.9110.9790.9710.9070.9760.9950.7422.2

抽水蓄能電站的原理解：由公式(2-3)先求抽水蓄能電站的蓄能庫容V

，即S由V

結(jié)合公式(2-3)，可反推求出最大調(diào)峰容量N和調(diào)峰電量E

，即S

T2.3

抽蓄機(jī)組的運(yùn)行模式抽蓄機(jī)組的工況靜止工況靜止工況指抽水蓄能機(jī)組處于停機(jī)靜止?fàn)顟B(tài)。此時，機(jī)組可作靜止備用，以便在電網(wǎng)發(fā)生緊急情況下快速投入使用；可對機(jī)組安排檢查維修，提高運(yùn)行安全性。此外，為了機(jī)組安全性，靜止工況還可以作為發(fā)電工況和抽水工況切換的過渡狀態(tài)。發(fā)電工況及抽水工況發(fā)電工況指抽水蓄能機(jī)組處于發(fā)電狀態(tài)。當(dāng)電力負(fù)荷出現(xiàn)高峰時，抽水蓄能機(jī)組運(yùn)行在發(fā)電工況，向電力系統(tǒng)輸送電能。抽水工況指抽水蓄能機(jī)組處于抽水狀態(tài)。當(dāng)電力負(fù)荷低谷時，抽水蓄能機(jī)組運(yùn)行在抽水工況，消納系統(tǒng)中多余的電能。2.3

抽蓄機(jī)組的運(yùn)行模式調(diào)相工況調(diào)相工況指抽水蓄能機(jī)組處于調(diào)相狀態(tài)，與系統(tǒng)進(jìn)行無功功率的交換，以調(diào)節(jié)電網(wǎng)電壓。根據(jù)機(jī)組運(yùn)行在發(fā)電和抽水兩種不同的模式可以進(jìn)一步分為發(fā)電調(diào)相工況和抽水調(diào)相工況。調(diào)相工況下機(jī)組與電網(wǎng)交換的有功功率，機(jī)組輸出的有功功率和電磁功率可近似為0。從而有空載電勢，正比于勵磁電流電網(wǎng)電壓，保持恒定不變

定子電流功角，

超前 的角度功率因數(shù)角，

超前 的角度2.3

抽蓄機(jī)組的運(yùn)行模式機(jī)組調(diào)相運(yùn)行向量圖2.3

抽蓄機(jī)組的運(yùn)行模式機(jī)組調(diào)相運(yùn)行V形曲線

V形曲線的最低點(diǎn)對應(yīng)狀態(tài)1，此時定子電流為0，機(jī)組與電網(wǎng)并未交換無功功率。

V

形

曲

線

的

右

側(cè)電

流

滯

后

電

壓

9對

應(yīng)

狀

態(tài)

2

，

此

時

定

子0

°

，

機(jī)

組

向

電

網(wǎng)

輸

出感性無功功率

V形曲線的左側(cè)對應(yīng)狀態(tài)3，此時定子電流超前電壓9

0

°，機(jī)組向電網(wǎng)吸收感性無功功率調(diào)相原理可總結(jié)為：增加勵磁電流機(jī)組輸出的無功功率增加（吸收的無功

功率減少）；減小勵磁電流輸出的無功功率減少（吸收的無功功率增加）。2.3

抽蓄機(jī)組的運(yùn)行模式發(fā)電調(diào)相工況與抽水調(diào)相工況的區(qū)別轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向不同：轉(zhuǎn)子在發(fā)電方向下的轉(zhuǎn)向與抽水方向下的相反。保護(hù)配置不同在發(fā)電和抽水兩種不同的工況下，機(jī)組的電壓、電流相序相反，因此一些與相位相序有關(guān)的保護(hù)需要分開配置，如負(fù)序過電流保護(hù)、相序保護(hù)、失磁保護(hù)和失步保護(hù)等。使用頻次不同抽水調(diào)相工況作為機(jī)組抽水工況起動的一個過渡狀態(tài)，十分常見。相較之下，發(fā)電調(diào)相工況僅在電網(wǎng)遭遇緊急情況時才會啟用。2.3

抽蓄機(jī)組的運(yùn)行模式解：首先求解電網(wǎng)相電壓，即可做出相量圖：2.3

抽蓄機(jī)組的運(yùn)行模式由圖可得：進(jìn)一步可算出調(diào)整勵磁前后機(jī)組輸出的無功功率為：故增發(fā)的無功功率為：2.3

抽蓄機(jī)組的運(yùn)行模式抽蓄機(jī)組的工況切換工況切換方式常見的工況切換一般的方式有12種：(1)靜止至發(fā)電;(2)發(fā)電至靜止;(3)靜止至發(fā)電方向調(diào)相；(4)發(fā)電方向調(diào)相至靜止;(5)靜止至抽水;(6)抽水至靜止；(7)靜止至抽水方向調(diào)相;(8)抽水方向調(diào)相至靜止;(9)發(fā)電至發(fā)電方向調(diào)相；(10)發(fā)電方向調(diào)相至發(fā)電;(11)抽水至抽水方向調(diào)相;(12)抽水方向調(diào)相至抽水；發(fā)電發(fā)電調(diào)相抽水調(diào)相靜止抽水發(fā)電方向抽水方向2.3

抽蓄機(jī)組的運(yùn)行模式抽蓄機(jī)組的起動對于四機(jī)式和三機(jī)式的抽蓄機(jī)組，其內(nèi)部負(fù)責(zé)抽水和負(fù)責(zé)發(fā)電的結(jié)構(gòu)相對獨(dú)立，不需要特殊的起動方法。對于二機(jī)式抽蓄機(jī)組，由于其使用同一套設(shè)備來實(shí)現(xiàn)抽水和發(fā)電的功能，起動方式十分復(fù)雜。因此下面將以二機(jī)式抽水蓄能機(jī)組為例來介紹抽水蓄能機(jī)組的起動方式。起動電動機(jī)起動起動電動機(jī)起動將專門的起動電動機(jī)與抽蓄機(jī)組相連接。起動時通過起動起動電動機(jī)來牽引抽蓄機(jī)組起動。起動電動機(jī)起動的接線簡單，獨(dú)立性高；起動電動機(jī)不僅可以在起動時提供動力矩，還可以在制動時提供阻力矩；起動電動機(jī)需架設(shè)在抽蓄機(jī)組之上，增加了廠房高度，導(dǎo)致投資增加。2.3

抽蓄機(jī)組的運(yùn)行模式異步起動基本方法：在發(fā)電電動機(jī)的勵磁繞組短接后，給定子繞組通電；在定子繞組產(chǎn)生磁場和轉(zhuǎn)子繞組產(chǎn)生磁場的相互作用下，轉(zhuǎn)子側(cè)將產(chǎn)生異步轉(zhuǎn)矩帶動轉(zhuǎn)子加速；當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速達(dá)到同步轉(zhuǎn)速時加上主勵磁，將電機(jī)拉進(jìn)同步。根據(jù)定子繞組所接電壓大小可分為全壓起動，降壓起動和部分繞組起動，如下圖所示：2.3

抽蓄機(jī)組的運(yùn)行模式異步起動特點(diǎn)

全壓起動下定子繞組所接電壓為電網(wǎng)電壓，轉(zhuǎn)子繞組所受異步轉(zhuǎn)矩較大，響應(yīng)快，耗時少。但在起動初期，起動電流過大，不利于機(jī)組和電網(wǎng)的安全運(yùn)行，因此，全壓起動僅適用于起動容量少的機(jī)組，并且要求盡可能減少起動時轉(zhuǎn)子所受阻力。

降壓起動下定子繞組所接電壓為降壓后的電網(wǎng)電壓。根據(jù)不同的降壓原理可分為電抗器降壓起動，起動變壓器降壓起動，主變抽頭降壓起動等。降壓起動起動電流小，對機(jī)組和電網(wǎng)正常運(yùn)行的影響較小，但起動轉(zhuǎn)矩小，起動過程耗時長。

部分繞組起動利用改接定子繞組來降低起動電壓，可將其看作一種特殊的降壓起動。與降壓起動相類似，部分繞組起動起動電流較小，起動時間延長。2.3

抽蓄機(jī)組的運(yùn)行模式同步起動同步起動利用頻率可變的電流來帶動機(jī)組起動。根據(jù)可變電流來源不同可分為背靠背同步起動和靜止變頻器同步起動。背靠背同步起動背靠背同步起動的起動電流由另一臺發(fā)電機(jī)提供。起動前，發(fā)電機(jī)與待起動機(jī)組需處于靜止?fàn)顟B(tài)。起動時，待起動機(jī)組在起動電流的作用下逐漸增加至額定轉(zhuǎn)速。當(dāng)符合并網(wǎng)條件時，將待起動機(jī)組并入電網(wǎng)，并切斷發(fā)電機(jī)。背靠背同步起動的起動電流適用范圍廣，對電網(wǎng)沖擊??；響應(yīng)慢，耗時較長起動設(shè)備簡單，但接線復(fù)雜發(fā)電電動機(jī)（起動用）發(fā)電電動機(jī)（被起動）勵磁裝置廠用電母線水泵水輪機(jī)（被起動）水泵水輪機(jī)（起動用）2.3

抽蓄機(jī)組的運(yùn)行模式靜止變頻器起動具有耗時短、對系統(tǒng)沖擊小、起動成功率高等優(yōu)點(diǎn)，是目前抽水蓄能機(jī)組的主流起動方式靜止變頻器同步起動靜止變頻器起動的起動電流由電力電子

變頻電路提供。起動時先閉合開關(guān)S和斷路器

CB2，接通主勵磁回路，再閉合斷路器CB1，產(chǎn)生頻率逐漸上升的電流。在此電流的作用下機(jī)組不斷加速，符合并網(wǎng)條件后并入電網(wǎng)，并切除變頻裝置TR-輸出變壓器REC-整流器INV-逆變器

DCL-直流平波電抗器ACL-交流電抗器2.3

抽蓄機(jī)組的運(yùn)行模式半同步起動半同步起動結(jié)合了異步起動和同步起動的特點(diǎn)。半同步起動先起動發(fā)電機(jī)，為被起動機(jī)組提供電壓。被起動機(jī)組在發(fā)電機(jī)提供的電壓下異步起動，待被起動機(jī)組加速到與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速相當(dāng)時，閉合機(jī)組勵磁回路，使其以同步起動方式加速到額定轉(zhuǎn)速。半同步起動的特點(diǎn)與背靠背起動的特點(diǎn)基本相同。但由于異步起動過程的存在，發(fā)電機(jī)在起動多臺機(jī)組時無需回到靜止?fàn)顟B(tài)，因而速動性較背靠背同步

起動好。2.3

抽蓄機(jī)組的運(yùn)行模式抽蓄機(jī)組的制動抽蓄機(jī)組從其他工況切換至靜止工況時，由于轉(zhuǎn)動部分的慣性較大，依靠機(jī)組本來配備的水力制動、風(fēng)耗制動和軸承制動等機(jī)械制動方式難以使機(jī)組在短時間內(nèi)停轉(zhuǎn)，影響了機(jī)組的速動性。因而需要引入電氣制動。不同制動方法制動轉(zhuǎn)矩對比結(jié)論：機(jī)械制動轉(zhuǎn)矩隨著轉(zhuǎn)速下降而減少，而電氣制動則相反。這說明了電氣制動在低轉(zhuǎn)速下能發(fā)揮更大的作用，印證了電氣制動的有效性。2.3

抽蓄機(jī)組的運(yùn)行模式電氣制動的缺陷

當(dāng)轉(zhuǎn)速過低時，磁通強(qiáng)度不足，難以在定子側(cè)感應(yīng)出電流，因此電氣制動轉(zhuǎn)矩會急劇下降至零。從而電氣制動存在失效點(diǎn)。

如右圖，當(dāng)轉(zhuǎn)速小于S時，隨著轉(zhuǎn)速降低，電氣制動轉(zhuǎn)矩急劇下降，因此S為對應(yīng)失效點(diǎn)。S的計(jì)算公式如下：定子內(nèi)阻電機(jī)縱軸電抗由上式可知，不能通過無限制地增加外接電阻來提高制動轉(zhuǎn)矩，因?yàn)檫@樣會導(dǎo)致電氣制動會在高轉(zhuǎn)速下失效。2.3

抽蓄機(jī)組的運(yùn)行模式抽蓄機(jī)組的運(yùn)行指標(biāo)由于抽蓄機(jī)組作為抽蓄電站的“心臟”，牽一發(fā)而動全身，因此有必要對抽蓄機(jī)組的運(yùn)行狀況進(jìn)行評估。機(jī)組的運(yùn)行指標(biāo)分為可用率和起動成功率，下面分別對其進(jìn)行介紹。抽蓄機(jī)組由不同元件組合而成，故機(jī)組可用率可由元件可用率計(jì)算得到。下面先介紹元件可用率計(jì)算方法，再給出機(jī)組可用率計(jì)算公式。元件可用率（1）故障率和故障密度函數(shù)：2.3

抽蓄機(jī)組的運(yùn)行模式特別地，當(dāng)故障率為常數(shù)時，有（2）修復(fù)率和修復(fù)密度函數(shù)：類似地，當(dāng)修復(fù)率為常數(shù)時,兩者有如下關(guān)系元件可用率經(jīng)推導(dǎo)可得到兩者關(guān)系為2.3

抽蓄機(jī)組的運(yùn)行模式（4）平均修復(fù)時間：平均修復(fù)時間是元件修復(fù)密度函數(shù)的數(shù)學(xué)期望：特別地，當(dāng)故障率為常數(shù)時類似地，當(dāng)修復(fù)率為常數(shù)時,兩者有如下關(guān)系：元件可用率（3）平均無故障工作時間：平均無故障工作時間為故障密度函數(shù)的數(shù)學(xué)期望2.3

抽蓄機(jī)組的運(yùn)行模式（6）元件可用率計(jì)算公式由數(shù)理統(tǒng)計(jì)相關(guān)知識可知，元件可用率近似等于平均運(yùn)行時間內(nèi)平均無故障工作時間所占比例：特別地，當(dāng)故障率和修復(fù)率均為常數(shù)時，有元件可用率（5）平均運(yùn)行時間：平均運(yùn)行時間是平均故障時間和平均修復(fù)時間之和：2.3

抽蓄機(jī)組的運(yùn)行模式元件基本組合方式及其計(jì)算公式串聯(lián)組合方式如圖所示，當(dāng)組成元件中的任意一個變得不可用時，機(jī)組也會變得不可用。此時組合元件的計(jì)算公式為并聯(lián)組合方式如圖所示，當(dāng)組成元件中的所有變得不可用時，機(jī)組才會變得不可用。此時組合元件的計(jì)算公式為：2.3

抽蓄機(jī)組的運(yùn)行模式起動成功率起動成功率為一段時間內(nèi)（如一月、一年等），機(jī)組起動成功次數(shù)與機(jī)組起動總次數(shù)的比值，計(jì)算公式如下：起動成功次數(shù)起動總次數(shù)起動失敗次數(shù)發(fā)電方向起動失敗次數(shù)抽水方向起動失敗次數(shù)起動成功率影響因素

起動因素。起動過程中靜止變頻器的信號傳輸鏈路受到外界因素干擾導(dǎo)致起動失敗。

調(diào)相壓水因素。在機(jī)組起動初期需要調(diào)相壓水，壓水太過和壓水不足都會導(dǎo)致起動失敗。

設(shè)計(jì)因素。隨著運(yùn)行狀況不斷變化，老式機(jī)組往往不能滿足運(yùn)行條件，導(dǎo)致起動失敗。2.3

抽蓄機(jī)組的運(yùn)行模式可用率與起動成功率的關(guān)系

過度追求高可用率必然會壓縮機(jī)組停運(yùn)檢修時間，造成導(dǎo)致起動成功率降低。因此需要平衡好可用率和起動成功率之間的關(guān)系，合理安排檢修時間。

隨著監(jiān)測技術(shù)的不斷進(jìn)步，能夠更有針對性地對機(jī)組進(jìn)行檢修，可以實(shí)現(xiàn)可用率和起動成功率的同步提高。工況切換時間工況切換時間是機(jī)組運(yùn)行的重要指標(biāo)。為了減少對電網(wǎng)的影響，工況切換時間要控制的盡量短。但過短的切換時間會對機(jī)組造成較大的沖擊。2.3

抽蓄機(jī)組的運(yùn)行模式再由可用率的計(jì)算公式得2.3

抽蓄機(jī)組的運(yùn)行模式注：本題如果積分較難計(jì)算，則可用下述方法計(jì)算運(yùn)行可用率首先由故障密度函數(shù)以及連續(xù)停運(yùn)時間的分布可知進(jìn)一步由指數(shù)分布下故障率、修復(fù)率與平均無故障工作時間、平均修復(fù)時間的關(guān)系可得2.4

抽水蓄能電站的應(yīng)用案例國內(nèi)典型應(yīng)用案例潘家口混合式抽水蓄能電站在京津唐電網(wǎng)中的應(yīng)用電站簡介潘家口混合式抽水蓄能電站位于河北省遷西縣境內(nèi)，電站最大水頭85.7m，最小水頭36.0m。電站的上水庫是一個多年調(diào)節(jié)水庫，在蓄水發(fā)電的同時，還兼顧防洪和向天津和唐山兩市供水的任務(wù)。下水庫屬于日調(diào)節(jié)水庫。運(yùn)行情況電站的運(yùn)行采用常蓄結(jié)合方式，以減少下游需水量對電站發(fā)電量的影響。當(dāng)下游需水量小于電站常規(guī)發(fā)電機(jī)組最低發(fā)電用水量時，可用抽水蓄能機(jī)組抽水補(bǔ)充常規(guī)機(jī)組的發(fā)電用水量。當(dāng)下游需水量大于電站常規(guī)發(fā)電機(jī)組最大發(fā)電用水量時，多出的水量可用于電站的抽水蓄能機(jī)組發(fā)電。2.4

抽水蓄能電站的應(yīng)用案例國外典型應(yīng)用案例日本葛野川抽水蓄能電站電站簡介葛野川抽水蓄能電站是由日本東京電力公司投資修建的純抽水蓄能電站，位于日本山梨縣。上水庫的庫容為1120萬立方米；下水庫的庫容為1150萬立方米；上、下水庫的調(diào)節(jié)庫容均為830萬立方米。電站設(shè)計(jì)的最大水頭為728m，額定水頭為714m。運(yùn)行情況葛野川抽水蓄能電站采用純抽水蓄能方式，即在用電低谷時，將下水庫的水抽到上水庫；在用電高峰時，再將上水庫的水放出至下水庫來發(fā)電。通過這種方式，可以削峰填谷，保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行?？偨Y(jié)與展望

抽水蓄能電站是一種特殊形式的水電站，一般由上水庫、輸水系統(tǒng)、廠房、下水庫和開關(guān)站等組成。

電力系統(tǒng)通過抽水蓄能電站以能量轉(zhuǎn)換的方式，將電能在時間重新分配，從而可以協(xié)調(diào)電力系統(tǒng)的發(fā)電和用電在時間上和數(shù)量上的不一致性。

抽水蓄能電站集儲能與發(fā)電兩大功能于一體，對電網(wǎng)具有削峰填谷

的功能，同時還具有調(diào)頻、調(diào)相(調(diào)壓)、事故備用、黑啟動等功能。

抽水蓄能電站的水頭特性，就是電站水頭值與上水庫蓄能庫容的放水量間的關(guān)系。

水庫的能量特性，就是電站發(fā)電量與上水庫蓄能庫容的放水量間的關(guān)系?？偨Y(jié)與展望

利用電站的水頭-能量特性圖，可求出上水庫從某一水位開始放水至另一水位止可得到的發(fā)電量。

抽蓄機(jī)組的基本工況包括靜止工況、發(fā)電工況、抽水工況和調(diào)相工況。其中調(diào)相工況可分為發(fā)電調(diào)相和抽水調(diào)相，兩者原理相同，運(yùn)行特點(diǎn)不同。

抽蓄機(jī)組常見的工況切換有12種方式，其中起動和制動是工況切換過程中需要重點(diǎn)討論的問題。

二機(jī)可逆式機(jī)組有起動電動機(jī)起動、異步起動、同步起動和半同步起動四種方式。制動主要依靠電氣制動。

機(jī)組的可用率和起動成功率是機(jī)組運(yùn)行要求的主要指標(biāo)，兩者是相互聯(lián)系的；總結(jié)與展望

近年來，涌現(xiàn)出了一批新型抽水蓄能技術(shù)，其中，最具有代表性的是變速抽水蓄能技術(shù)和海水抽水蓄能技術(shù)，它們一定程度上指明了抽水蓄能技術(shù)未來的發(fā)展方向。變速抽水蓄能機(jī)組具有自動跟蹤電網(wǎng)頻率變化和高速調(diào)節(jié)有功功率等優(yōu)點(diǎn)。由于可變速機(jī)組可運(yùn)行水頭范圍增大，可以降低上水庫大

壩高度，節(jié)省建設(shè)成本。海水抽水蓄能利用大海作為下水庫，電站的建設(shè)對環(huán)境的影響較小。同時，利用大海作為下水庫不僅能夠節(jié)省下水庫的建設(shè)費(fèi)用，而且不受補(bǔ)水水量的限制，使得大型抽水蓄能電站選址較容易。第三章壓縮空氣儲能壓縮空氣儲能概述壓縮空氣儲能熱力學(xué)基礎(chǔ)先進(jìn)絕熱壓縮空氣儲能壓縮空氣儲能熱力學(xué)分析壓縮空氣儲能應(yīng)用案例總結(jié)與展望3.1

壓縮空氣儲能概述3.1.1

壓縮空氣儲能基本概念壓縮空氣儲能系統(tǒng)，就是采用壓縮空氣作為能量載體，實(shí)現(xiàn)能量存儲和跨時間、空間轉(zhuǎn)移和利用的一種能源系統(tǒng)，主要可以分為儲能和釋能兩個基本工作過程：

儲能時，電動機(jī)驅(qū)動壓縮機(jī)由環(huán)境中吸取空氣將其壓縮至高壓狀態(tài)并存入儲氣裝置，電能在該過程中轉(zhuǎn)化為壓縮空氣的內(nèi)能

釋能時，儲氣裝置中存儲的壓縮空氣進(jìn)入空氣透平中膨脹做功發(fā)電，壓縮空氣中蘊(yùn)含的內(nèi)能和勢能在該過程中重新轉(zhuǎn)化為電能壓縮空氣儲能系統(tǒng)基本原理示意圖3.1

壓縮空氣儲能概述3.1.2

壓縮空氣儲能的作用大功率儲能單機(jī)功率可達(dá)數(shù)百兆瓦，并且可在實(shí)際運(yùn)行過程中實(shí)現(xiàn)功率的實(shí)時調(diào)整長周期儲能可實(shí)現(xiàn)日調(diào)度、周調(diào)度甚至季調(diào)度的長周期儲能長時間供電可通過調(diào)整輸出功率實(shí)現(xiàn)長時間供電多能聯(lián)儲多能聯(lián)供多能聯(lián)儲聯(lián)供能力，可與光熱、地?zé)帷⒐I(yè)余熱結(jié)合，作為清潔能源系統(tǒng)能量樞紐壓縮空氣儲能系統(tǒng)應(yīng)用場景3.1

壓縮空氣儲能概述3.1.3

壓縮空氣儲能分類及技術(shù)路線3.1.3.1

壓縮空氣儲能分類壓縮空氣儲能系統(tǒng)一般分類3.1

壓縮空氣儲能概述3.1.3

壓縮空氣儲能分類及技術(shù)路線3.1.3.2

補(bǔ)燃式壓縮空氣儲能工作原理借鑒燃?xì)鈩恿ρh(huán)，在壓縮空氣儲能系統(tǒng)膨脹機(jī)前設(shè)置燃燒器，利用天然氣等燃料與壓縮空氣混合燃燒，以提升空氣透平膨脹機(jī)進(jìn)氣溫度技術(shù)特點(diǎn)結(jié)構(gòu)簡單，技術(shù)成熟度高、設(shè)備運(yùn)行可靠、投資成本低，具有較長的使用壽命，具備與燃?xì)怆娬绢愃频目焖夙憫?yīng)特性；在當(dāng)前大力發(fā)展綠色能源、控制碳排放量的大背景下，碳排放已成為其最大弊端補(bǔ)燃式壓縮空氣儲能系統(tǒng)3.1

壓縮空氣儲能概述3.1.3

壓縮空氣儲能分類及技術(shù)路線3.1.3.3

絕熱式壓縮空氣儲能工作原理通過提升壓縮機(jī)單級壓縮比獲得較高品位的壓縮熱能并存儲起來；釋能過程中，利用儲存的壓縮熱加熱透平膨脹機(jī)入口空氣，實(shí)現(xiàn)無需補(bǔ)充燃料的壓縮空氣儲能。根據(jù)儲熱溫度不同，可分為高溫(>400℃)和中溫(<400℃)兩個技術(shù)路線技術(shù)特點(diǎn)高溫絕熱壓縮空氣儲能超高溫壓縮和高溫固體蓄熱技術(shù)存在技術(shù)瓶頸，難以實(shí)現(xiàn)；中溫絕熱壓縮空氣儲能關(guān)鍵設(shè)備技術(shù)成熟、成本合理，系統(tǒng)穩(wěn)定性、可控性較強(qiáng)，具備多能聯(lián)儲、多能聯(lián)供的能力，易于實(shí)現(xiàn)工程化應(yīng)用高溫絕熱壓縮空氣儲能系統(tǒng)中溫絕熱壓縮空氣儲能系統(tǒng)3.1

壓縮空氣儲能概述3.1.3

壓縮空氣儲能分類及技術(shù)路線3.1.3.4

等溫式壓縮空氣儲能工作原理采用準(zhǔn)等溫過程實(shí)現(xiàn)空氣壓縮和膨脹。壓縮過程中實(shí)時分離壓縮熱能和壓力勢能，使壓縮空氣不發(fā)生較大的溫升；在膨脹過程中，實(shí)時將存儲的壓縮熱能回饋給壓縮空氣，使壓縮空氣不發(fā)生較大的溫降等?溫技壓術(shù)縮特空點(diǎn)氣儲能優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行參數(shù)低，但其裝機(jī)功率一般較小，儲能效率較低，等溫的壓縮過程和膨脹過程也難以實(shí)現(xiàn)，僅適用于小容量的儲能場景等溫壓縮空氣儲能系統(tǒng)3.1

壓縮空氣儲能概述3.1.3

壓縮空氣儲能分類及技術(shù)路線3.1.3.5

復(fù)合式非補(bǔ)燃壓縮空氣儲能工作原理太陽能光熱、地?zé)岷凸I(yè)余熱均可滿足壓縮空氣儲能系統(tǒng)膨脹過程中的加熱需求，這種通過多種能源系統(tǒng)復(fù)合實(shí)現(xiàn)非補(bǔ)燃壓空縮氣儲能的系統(tǒng)稱為復(fù)合式壓縮空氣儲能系統(tǒng)，其工作原理與絕熱式壓縮空氣儲能類似技術(shù)特點(diǎn)復(fù)合壓縮空氣儲能系統(tǒng)具有較強(qiáng)的多能聯(lián)儲、多能聯(lián)供的能力，可以實(shí)現(xiàn)多種能量形式的儲存、轉(zhuǎn)換和利用，滿足不同形式的用能需求，提升系統(tǒng)能量綜合利用效率復(fù)合式壓縮空氣儲能系統(tǒng)光熱復(fù)合式壓縮空氣儲能系統(tǒng)3.1

壓縮空氣儲能概述，3.1.3

壓縮空氣儲能分類及技術(shù)路線3.1.3.6

深冷液化空氣儲能工作原理深冷液化空氣儲能在壓縮、膨脹和儲熱方面與絕熱式壓縮空氣儲能類似，所不同的是液態(tài)空氣儲能增加了蓄冷系統(tǒng)，其包

括能儲過程中空氣的冷卻、液化、分離、儲存和釋能過程中空氣的氣化技術(shù)特點(diǎn)最大的優(yōu)點(diǎn)是空氣以常壓液態(tài)形式儲存，儲能密度高，可大大減少儲氣系統(tǒng)的容積，減少電站對地形條件的依賴。但由于增

加蓄冷系統(tǒng)，導(dǎo)致系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜深冷液態(tài)空氣儲能系統(tǒng)深冷液態(tài)空氣儲能試驗(yàn)系統(tǒng)3.2

壓縮空氣儲能熱力學(xué)基礎(chǔ)3.2.1

熱力學(xué)第一定律熱力學(xué)第一定律(能量守恒定律)熱量可以從一個物體傳遞到另一個物體，也可以與其他形式的能量互相轉(zhuǎn)換，在上述傳遞或轉(zhuǎn)換過程中，能量的總量保持不變。對于閉口系統(tǒng)，熱力學(xué)第一定律數(shù)學(xué)表達(dá)式為式中，dE為系統(tǒng)總能的變化，δQ為系統(tǒng)由外界吸收熱量與向外釋放熱量之差，δW為系統(tǒng)向外界做功與外界向系統(tǒng)做功之差；對于一個熱力系統(tǒng)，其內(nèi)部能量E

由系統(tǒng)內(nèi)部物質(zhì)的內(nèi)能U、宏觀的動能Ek和重力勢能Eg組成，即3.2

壓縮空氣儲能熱力學(xué)基礎(chǔ)3.2.1

熱力學(xué)第一定律體積功邊界上某一微元面積δA在壓強(qiáng)p作用下沿法線移動dx并引起體積變化dV，則壓強(qiáng)p在該過程中對系統(tǒng)所做的功為體積功，表達(dá)式為流動功對于存在物質(zhì)傳遞的熱力過程，熱力系統(tǒng)中工質(zhì)在壓力作用下的流動過程也存在功的傳遞，稱為流動功，此時微元的體積未發(fā)生變化，其表達(dá)式為體積功示意圖流動功示意圖3.2

壓縮空氣儲能熱力學(xué)基礎(chǔ)3.2.1

熱力學(xué)第一定律開口系能量守恒方程和閉口系不同，開口系能量守恒中還需要考慮工質(zhì)進(jìn)出帶來的能量變化和流動功，其表達(dá)式為式中cf為工質(zhì)的流速；z為工質(zhì)在重力場中的高度；g為重力加速度；下標(biāo)in和

out分別表示進(jìn)口和出口參數(shù)。在壓縮空氣儲能研究中，一般忽略空氣的動能和勢能，則該表達(dá)式可簡化為開口系統(tǒng)能量守恒示意圖3.2

壓縮空氣儲能熱力學(xué)基礎(chǔ)3.2.1

熱力學(xué)第一定律穩(wěn)定流動的開口系能量方程對于達(dá)到穩(wěn)定流動狀態(tài)的開口系統(tǒng)，即系統(tǒng)內(nèi)各處物質(zhì)的狀態(tài)參數(shù)都處于穩(wěn)定狀

態(tài)，則此時系統(tǒng)內(nèi)部總能不變，進(jìn)出系統(tǒng)的物質(zhì)的量也一致，其表達(dá)式為技術(shù)功可通過工程機(jī)械技術(shù)手段施加或應(yīng)用的功稱作技術(shù)功，包括體積功、動能、勢能等，因此穩(wěn)定流動的開口系能量方程可簡化為3.2

壓縮空氣儲能熱力學(xué)基礎(chǔ)3.2.1

熱力學(xué)第一定律穩(wěn)定流動的開口系能量方程應(yīng)用√壓縮機(jī)能量方程忽略熱量及動能、勢能差√透平機(jī)能量方程忽略熱量及動能、勢能差√換熱器能量方程換熱過程無功的交換，動能、勢能差壓縮機(jī)透平機(jī)換熱器3.2

壓縮空氣儲能熱力學(xué)基礎(chǔ)例3-1：已知空氣透平進(jìn)口空氣的焓值h1為599.85

kJ/kg，流速cf

1為30

m/s；透平出口空氣焓值h2為352.03

kJ/kg，流速cf

2為70

m/s；散熱損失和勢能差可以忽略不計(jì)。試求1

kg空氣流經(jīng)空氣透平時對外界做的功。若空氣流量m為20

t/h，試求空氣透平的功率。從上例中可以看出，相對于焓值的變化247.82

kJ/kg，工質(zhì)動能的變化僅為2.0

kJ/kg，動能的變化對透平機(jī)做功能力的影響不大，因此在工程領(lǐng)域中，常常忽略動能的變化。3.2

壓縮空氣儲能熱力學(xué)基礎(chǔ)3.2.2

理想氣體及其熱力學(xué)過程理想氣體狀態(tài)方程通過測定溫度T、壓力p和比體積v(或密度ρ)三個基本可測狀態(tài)參數(shù)，可以確定氣體所處的熱力學(xué)狀態(tài)，其相互關(guān)系為：比熱容定容比熱容cv和比定壓比熱容cp的相互關(guān)系為3.2

壓縮空氣儲能熱力學(xué)基礎(chǔ)例3-2：某氣體的氣體常數(shù)R為0.287

kJ/(kg·

K)，其在某狀態(tài)下的比定壓比熱容cp為1.0065

kJ/(kg·

K)，試求其比定容比熱容cv及比熱容比γ。3.2

壓縮空氣儲能熱力學(xué)基礎(chǔ)3.2.2

理想氣體及其熱力學(xué)過程熵(Entropy)根據(jù)熱力系統(tǒng)發(fā)生耗散效應(yīng)時的熱力學(xué)溫度T和耗散的熱量Q，定義衡量熱力過程不可逆程度的熱力學(xué)狀態(tài)參數(shù)熵，其表達(dá)式為：dS越大，說明熱力過程中能量的耗散越大，不可逆程度越大。根據(jù)熵的定義、理想氣體狀態(tài)方程、理想氣體比熱容表達(dá)式，可進(jìn)一步得到理想氣體比熵的不同表達(dá)式3.2

壓縮空氣儲能熱力學(xué)基礎(chǔ)3.2.2

理想氣體及其熱力學(xué)過程理想氣體絕熱過程絕熱過程是中系統(tǒng)與外界不發(fā)生熱量傳遞，因而系統(tǒng)熵增為零，可逆的絕熱過程也稱等熵過程。等熵過程中的比熱容比通常用k表示，稱為定熵指數(shù)或絕熱指數(shù)。絕熱過程中理想氣體狀態(tài)參數(shù)的關(guān)系式為對于復(fù)雜的熱力學(xué)過程，仍然可以采用類似的形式來描述n—多變指數(shù)√若n為零，即p為常數(shù)，為等壓過程；√若n為1，即pv為常數(shù)，為等溫過程；√若n為k，即為絕熱指數(shù)，為等熵過程；√若n為無窮大，即v為常數(shù)，為等容過程3.2

壓縮空氣儲能熱力學(xué)基礎(chǔ)3.2.2

理想氣體及其熱力學(xué)過程理想氣體熱力學(xué)過程計(jì)算公式定值比熱容的假設(shè)下，理想氣體各熱力學(xué)過程的計(jì)算公式如下3.2

壓縮空氣儲能熱力學(xué)基礎(chǔ)例3-3：空氣穩(wěn)定流經(jīng)散熱良好的壓縮機(jī)，入口參數(shù)為p1=0.101

MPa，t1=20℃，可逆絕熱壓縮到出口壓力p2=0.82

MPa，然后進(jìn)入儲罐。假設(shè)空氣的流量m=2.5

kg/s，比定壓比熱容cp=1.004

kJ/(kg·K)，絕熱指數(shù)k=1.4，試求空氣的出口溫度及壓縮機(jī)的功率。3.2

壓縮空氣儲能熱力學(xué)基礎(chǔ)例3-4：空氣穩(wěn)定流經(jīng)散熱良好的壓縮機(jī)，入口參數(shù)為p1=0.101

MPa，t1=25℃，可逆絕熱壓縮到出口壓力p2=1.25

MPa，然后進(jìn)入儲罐。假設(shè)空氣的流量m=1.3

kg/s，氣體常數(shù)

R=0.287

kJ/(kg·K)，試求壓縮機(jī)的功率：(1)壓縮過程為等溫壓縮；(2)壓縮過程為

n=1.28的多變過程；(3)壓縮過程為絕熱等熵壓縮，k=1.4。3.2

壓縮空氣儲能熱力學(xué)基礎(chǔ)3.3

先進(jìn)絕熱壓縮空氣儲能3.2.3

熱力學(xué)第二定律熱力學(xué)第二定律熱力學(xué)第二定律在能量守恒的基礎(chǔ)上進(jìn)一步指出：熱量會自發(fā)地由高溫向低溫傳遞，但不會自發(fā)地由低溫向高溫傳遞，這樣逆溫差的熱量傳遞過程需要消耗能量實(shí)際熱力過程往往伴隨著因摩擦、電磁等因素導(dǎo)致的能量耗散，這種耗散一般以熱量形式發(fā)生。根據(jù)熱力學(xué)第二定律，存在耗散效應(yīng)的熱力過程是不可自發(fā)逆轉(zhuǎn)的。熵的定義為判斷熱力過程不可逆程度提供了依據(jù)，熵越大，說明熱力過程中能量的耗散越大，不可逆程度越大3.2

壓縮空氣儲能熱力學(xué)基礎(chǔ)3.2.3

理想氣體及其熱力學(xué)過程?(Exergy)溫度為T0的環(huán)境條件下，熱源所提供的熱量中可轉(zhuǎn)化為有用功的最大值稱為?，用Ex,Q來表示，其表達(dá)式為式中，T為熱源的溫度，T0為參考狀態(tài)下的參考溫度，一般選取為當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境溫度。?的大小能夠作為衡量熱源品位高低的參數(shù)對于穩(wěn)定流動的工質(zhì)，其?一般是指其能量焓中的?，稱為焓?，表示為對于確定的環(huán)境狀態(tài)，穩(wěn)定流動工質(zhì)?只取決于給定狀態(tài)，是個狀態(tài)參數(shù)3.3

先進(jìn)絕熱壓縮空氣儲能3.3.1

系統(tǒng)基本原理先進(jìn)絕熱壓縮空氣儲能運(yùn)行過程可劃分為能量輸入、熱勢解耦輸出四個基本過程、

熱

勢

耦

合

和

能

量√能量輸入：電能驅(qū)動壓縮機(jī)進(jìn)行準(zhǔn)絕熱壓縮，將環(huán)境中的空氣吸入后壓縮至高溫高壓，電能轉(zhuǎn)化為壓縮空氣的內(nèi)能，從而完成能量的輸入√熱勢解耦：在儲能側(cè)換熱器內(nèi)，高溫高壓空氣和換熱介質(zhì)進(jìn)行換熱，空氣溫度降低進(jìn)入儲氣裝置，換熱介質(zhì)升溫后進(jìn)入儲熱系統(tǒng)中進(jìn)行存儲，從而實(shí)現(xiàn)壓縮熱能和壓力勢能的解耦存儲√熱勢耦合：在釋能側(cè)換熱器內(nèi)，高溫儲熱介質(zhì)加熱儲氣系統(tǒng)中釋放的高壓空氣進(jìn)入空氣透平膨脹機(jī)，熱介質(zhì)溫度降低后返回儲熱系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)壓縮熱能和壓力勢能的耦合過程√能量輸出：熱勢耦合過程生成的高溫高壓空氣進(jìn)入空氣透平膨脹機(jī)中膨脹做功，完成內(nèi)能向機(jī)械能的轉(zhuǎn)化，而機(jī)械能最終在發(fā)電機(jī)中轉(zhuǎn)化為電能，實(shí)現(xiàn)電能的再生和輸出3.3

先進(jìn)絕熱壓縮空氣儲能3.3.1

系統(tǒng)基本原理3.3.1.1

能量輸出壓縮過程中產(chǎn)生的熱量大部分來不及傳遞給周圍環(huán)境，因此空氣壓縮過程往往可簡化為絕熱過程進(jìn)行分析計(jì)算。為獲得較高的壓力，一般需要采用多級壓縮機(jī)串聯(lián)的形式。當(dāng)各級壓縮比相等時，理論上整個多級壓縮過程消耗的技術(shù)功最小。3.3

先進(jìn)絕熱壓縮空氣儲能例3-5：某壓縮空氣儲能系統(tǒng)壓縮部分采用四級壓縮、級間換熱器冷卻的方式。空氣的初始狀態(tài)為p0=