我国未来电力系统关键技术

来源:中国电机工程学会  发布时间:2017-10-23

        智慧能源互联网是我国未来电力系统的关键技术,也是实施“一带一路,,战略决策能源领域的关键技术,而突破大储能技术是关键中的关键。全国能源科学家应切实加强技术互通和合作,避免重复研究。

1智慧能源互联网群

        发展智慧能源互联网群,除应继续保持高压和交直流特高压的大电力系统的良好发展势头外,宜着力发展接近需求侧的智能能源互联网及智能能源互联网群。

       智能能源互联网必须具备四大特征:①其中至少有一种主要能源为清洁能源;②必须有足够容量的储能设备;③在网内所传输的不仅是电能,还应有其他形态的能源;④各种能源和储能系统构成可无人值守、优化的实时能量管理系统。

2大功率模块化压缩空气储能

       清华大学在国家电网公司的支持下,开发出一种迄今为止最先进的零排放、高密度、长寿命、无污染的储能系统,且后期处理也无污染,即大功率模块化压缩空气储能系统。其原理是把弃风电、弃光电加以利用,利用压缩空气实现储能系统运行。在空气压缩过程中会产生大量压缩热,每一环节产生的热量都需要及时冷却,否则压缩机温度会达到8000C,造成压缩机损毁。用于冷却产生的冷却水的水温很高,是宝贵的热水资源。

       该压缩空气储能系统(CAES )是一种天然的冷热电三联供系统,也是目前综合利用效率最高的储能系统。CAES不仅是微电网,更是微能源网。CAES在储、发4万kWh电量的情况下,能够供应1800t 120℃的热水和2.2万m2温度为4℃的冷气覆盖面积。

       目前,冬季散烧煤取暖是空气污染最大的危害之一。采用CAES系统供热,供暖所用热量约可覆盖1500户,可满足15km区域内居民的热水供应需求,如能推广实施,热水利用则成为供电以外的供暖新工艺。而4℃的冷风正是夏季蔬菜和水果保鲜所稀缺的资源。利用CAES系统供应冷气,蔬菜水果保鲜库可大大节省用电成本。这种电热冷三联供的储能系统被证明是最节能的储能系统。

       大功率模块化压缩空气储能除了具有环保效益之外,还具有极大的经济效益。假设一个5万kW的压缩空气储能系统,每天发电5h,则每日发电量为25万kWh,假设收入为1元//kWh,则每年售电收入9000万元。若投资4.5亿一5亿元,则投资回收期为4.4一5.5年。根据测算,在CAES系统运行过程中,发电量为25万kWh/天时,热水和冷气的收入与电费收入相当。故如热冷利用得法,投资回收期可缩短为3年。

       该储能方式更重要的意义在于,新型CAES的储能方式可取代传统的磷酸铁狸电池供电。CAES不仅单位电度投资低于狸电池,寿命还远高于狸电池。狸电池在每天浅充放电一次的情况下,“理想”值寿命仅为8年,而CAES的寿命为狸电池的5倍,至少可达40年。二者全寿命周期投资比为10:1.8,且狸电池对储存空间的温度、湿度参数要求很高,几乎要求达到恒温恒湿,该要求对于我国大部分地区需付出很高的额外代价。此外,狸电池的后处理投资较大,约为新电池的25%一30%。

       CAES无燃烧,故C02排放绝对为零,“空气进,空气出”。该系统对降低弃风能量有重大意义。如其推广应用,可使目前风电装机利用率提高10%一50%。仅以华能通辽公司6个风电场为例,2015年日弃风能量达100万kWh。在电改的体制下,压缩空气储能技术可利用峰谷电价差,为售电公司创造高额利润。

       CAES的可行性已被科学试验所证实。例如,在安徽省芜湖市国家级高新科技开发区,以院士工作站为依托,目前已完成一个500kW的小型CAES系统,经过一年的试运行,证明符合设计要求,该系统已于2016年7月完成验收。

3工程实践

       以青海大学微能源网为例,目前已完成七大项目。

       (1) 50kW多功能光伏电站(校园享纳)

       该光伏电站是国内首座组件类型齐全、测试功能完备的实验电站,服务于青海大学新能源光伏发电及材料专业的教学科研。运用单晶、多晶、双面、啼化镐、非晶、铜锢稼硒6种光伏电池组件,安装有微型逆变器、智能优化器、组串式逆变器3种逆变器,以组件、逆变器、支架多种方式分别进行组合,年发电量约为8万kWh。

       (2) 50kW光热回收飞机碳纤维(光伏驱动)

       近年来,高效、环保的回收碳纤维成研究热点。到2025年,全球将有超过8500架的民用飞机退役,而我国目前拥有客机2200多架,在未来10年也将迎来飞机的退役高峰。青海大学与国外某大公司“光热回收机翼碳纤维材料,,的研究项目已动工。以期建设碳纤维回收基地。该项目是青海大学首个国际合作项目,与美国某公司进行合作,是世界上首个光热回收机翼碳纤维系统。

       (3)100kW压缩空气储能(清洁储能)

       近年来,欧美等众多高校校园光伏工程建设如火如茶,基本实现校园能源和供应系统自给自足,但是国外校园光伏工程多数采用柴油发电机组或蓄电池作为应急电源。而CAES,无需燃料补燃,可实现零排放。

       太阳能光热复合的压缩空气储能发电系统,电换电储能效率可达50%以上。空气透平直联高速发电机,通过先进的电力电子技术实现调频、调压及精确快速响应控制。

       (4)高原热气流发电(集太阳能发电与生态保持于一体)

       该发电系统基于高原富光地区热气流发电技术的特性研究和集水土保持、农业生产及热气流发电等多功能于一体的系统方案设计与优化,并且基于青海地区太阳能热气流发电技术应用进行可行性分析。青海地貌适宜发展热气流发电,同时热气流发电具有改善环境的功能。该发电系统设计集热棚直径15m,烟囱高度12m,通过在集热棚内布置蓄热材料,延长发电时间,调节出力特性。

       (5)100kW光热光伏复合发电系统(新型全光谱发电)

         利用能源材料将太阳能直接转换为电能,其中有两大核心技术:一是光电转换技术,其核心是光电转换材料,可实现有效利用为58%E;二是热电转换技术,其核心是热电转换材料,可实现有效利用为42%E。该复合发电系统将太阳能热电转换技术和光电转换技术进行低成本集成复合,发展太阳能高效热电一光电复合发电技术,是国内首个全光谱复合发电系统,开辟了太阳能全光谱直接高效发电技术的新途径,拓展了高效太阳能发电的新领域。该系统共5套,每套设计发电功率20kW,合计100kW,总共占地面积约1000m2。

       (6) 110kW图书馆微电网系统(建筑与光伏发电技术相结合)

       该系统是青海省首个光伏建筑一体化创新研究平台,集绿色能源技术美与现代建筑艺术美为一体。

       (7)微能源网综合监控系统(微型智能调度机器人)

       该系统可实现多指标自趋优调度,多种能量优化管理,即微型智能调度机器人。

       以上是青海大学微能源网的七大项目,建立了太阳能综合利用智慧微能源网系统,实现了系统内部多种形式能量的高效调度利用,涵盖了太阳能光伏发电、光伏光热复合发电、热气流发电、光热利用等多种,可实现即发即用、高效集成的太阳能发电,开拓了太阳能光热利用的新领域。建设青海省智能调度机器人,可实现清洁能源的安全、高效、经济利用。

       (本文根据现场录音及演示文稿整理)

报告人简介:

        卢强,中国科学院院士,清华大学教授,电力系统线性和非线性最优控制学科体系的开拓者和奠基人。创建了电力系统混成控制理论,并用于东北互联系统、上海电力系统和深圳电网智能调度自动化系统。由他主持研发的世界上第一座无燃烧压缩空气储能发电系统,开拓了电力储能技术的新纪元。