風(fēng)電場和壓縮空氣儲能電站共同發(fā)展的必要性分析

閆方等

摘要：目前，我國風(fēng)電場裝機(jī)容量較大，但“棄風(fēng)”現(xiàn)象嚴(yán)重，風(fēng)能利用效率低。依照“有效發(fā)展”風(fēng)電的原則，提出風(fēng)電場和壓縮空氣儲能電站配套建設(shè)，可以有效改善風(fēng)電場發(fā)電的間歇性、波動性，實現(xiàn)風(fēng)電場電力的平滑輸出，而且可以改善風(fēng)電反調(diào)峰性能、參與電網(wǎng)調(diào)峰，提高風(fēng)電場運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)效益。與電池儲能電站、抽水蓄能電站相比，壓縮空氣儲能電站有明顯的建設(shè)優(yōu)勢。最后，提出了今后應(yīng)研究的重點。

關(guān)鍵詞：風(fēng)電場；壓縮空氣儲能（CAES）電站；共同發(fā)展；必要性；優(yōu)勢

中圖分類號：TM614 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-0079（2014）24-0115-02

近年來，我國風(fēng)電裝機(jī)規(guī)模不斷增大，但風(fēng)電場棄風(fēng)現(xiàn)象也愈發(fā)嚴(yán)重，經(jīng)濟(jì)損失較大。按照我國能源發(fā)展“十二五”規(guī)劃，“十二五”后幾年我國將大力發(fā)展清潔能源發(fā)電，“有效發(fā)展”風(fēng)電。預(yù)計至2015年，我國風(fēng)電裝機(jī)規(guī)模到1億千瓦，占全國總裝機(jī)的6.7%。

壓縮空氣儲能（CAES）電站是一種“電能-壓縮空氣內(nèi)能-電能”的儲能-釋能發(fā)電系統(tǒng)。雖然我國尚無建成的壓縮空氣儲能電站，但在德國、美國等國家已有比較成熟的技術(shù)，并已建立多個壓縮空氣儲能電站。CAES電站不僅可以實現(xiàn)“削峰填谷”調(diào)峰的作用，而且能有效改善風(fēng)電場發(fā)電的間歇性、波動性，實現(xiàn)風(fēng)電場電力的平滑輸出。為實現(xiàn)風(fēng)電的“有效發(fā)展”，本文重點分析了CAES電站和風(fēng)電場共同發(fā)展的必要性，以及CAES電站的建設(shè)優(yōu)勢，供探討。

一、我國風(fēng)電發(fā)展概況

截至2012年底，我國風(fēng)電裝機(jī)總?cè)萘窟_(dá)到75324.2MW，同比增長20.8%。其中2012年新增裝機(jī)12960MW（不包括臺灣地區(qū)）。中國并網(wǎng)風(fēng)電總?cè)萘窟_(dá)到60830MW，風(fēng)電已超過核電成為繼煤電和水電之后的第三大主力電源。其中，內(nèi)蒙古風(fēng)電裝機(jī)總?cè)萘窟_(dá)到18623.8MW，位居國內(nèi)風(fēng)電裝首位，占全國風(fēng)電總裝機(jī)容量的24.7%。

“十二五”后幾年，我國風(fēng)電發(fā)展的主要原則是“有效發(fā)展”風(fēng)電。實現(xiàn)集中與分散并舉，因地制宜開發(fā)利用風(fēng)能資源，建設(shè)大型風(fēng)電基地和中小型風(fēng)電場，推進(jìn)海上風(fēng)電規(guī)模化發(fā)展。統(tǒng)籌風(fēng)能資源開發(fā)、電力市場消納和輸送通道建設(shè)，推進(jìn)風(fēng)電與電力系統(tǒng)協(xié)調(diào)發(fā)展。預(yù)計到2015年，風(fēng)電裝機(jī)容量達(dá)到1億千瓦，占全國總裝機(jī)的6.7%（全國總裝機(jī)約14.9億kW）。

二、我國風(fēng)電利用情況

近年來，我國風(fēng)電場建設(shè)快速發(fā)展，但是風(fēng)電場“窩電”、“棄風(fēng)”現(xiàn)象比較嚴(yán)重。根據(jù)中國風(fēng)能協(xié)會統(tǒng)計，2011年中國約有120億千瓦時左右的風(fēng)電場電量由于被限而損失，折合標(biāo)準(zhǔn)煤約400萬tce（等價值0.335kgce/kWh，2010年全國電力行業(yè)平均發(fā)電煤耗水平，下同）。初步統(tǒng)計，2012年我國風(fēng)電因棄風(fēng)而導(dǎo)致的限電量約200億千瓦時，相當(dāng)于約670萬tce。可見，雖然我國風(fēng)電裝機(jī)容量很大，但風(fēng)電場并沒發(fā)發(fā)揮最大效能，據(jù)統(tǒng)計，2012年內(nèi)蒙古地區(qū)風(fēng)電裝機(jī)占我國風(fēng)電裝機(jī)總?cè)萘康?4.7%，位居第一，但是在風(fēng)電場最大棄風(fēng)裝機(jī)容量達(dá)到80%。大規(guī)模的風(fēng)電棄風(fēng)造成風(fēng)電這種綠色可再生能源的大量浪費(fèi)。

三、壓縮空氣儲能電站

1.壓縮空氣儲能電站工作原理

CAES電站由儲能系統(tǒng)與發(fā)電系統(tǒng)兩部分組成。儲能系統(tǒng)主要由電動機(jī)、空氣壓縮機(jī)機(jī)組、冷卻室、地下儲氣室組成。發(fā)電系統(tǒng)為實質(zhì)為汽輪機(jī)發(fā)電系統(tǒng)，包括換熱器、加熱室、汽輪機(jī)、發(fā)電機(jī)等部分。

2.國內(nèi)外發(fā)展概況

1978年，德國建成世界第一座示范性壓縮空氣儲能電站（Huntdorf），美國于1991年建成使用，隨后日本和以色列也都建成使用。其中截至2012年底，美國有三座壓縮空氣儲能電站，累計裝機(jī)容量3340MW。目前世界最大的壓縮空氣儲能電站在德國，裝機(jī)容量290MW，我國尚無建成的壓縮空氣儲能電站。

四、壓縮空氣儲能電站和陸上風(fēng)電場共同發(fā)展的必要性

1.有效改善風(fēng)電場運(yùn)行特性，提高供電質(zhì)量

CAES電站和風(fēng)電場共同發(fā)展，在夜間負(fù)荷低谷時將風(fēng)能以壓縮空氣的形式儲存，在白天負(fù)荷高峰時將壓縮空氣轉(zhuǎn)化為電能釋放，可有效消除風(fēng)電場供電的“間歇性”，保證風(fēng)電場聯(lián)系的連續(xù)供電，以滿足負(fù)荷需求。另外，壓縮空氣儲能電站發(fā)電系統(tǒng)為汽輪機(jī)發(fā)電系統(tǒng)，對風(fēng)電場有一定的電壓支撐，提高供電質(zhì)量。

壓縮空氣儲能電站與風(fēng)電場共同發(fā)展接入系統(tǒng)方案設(shè)想如下：在風(fēng)電場附近共同發(fā)展壓縮空氣儲能電站。儲能電站電力通過集電線路或電纜接入風(fēng)電場升壓站母線，最終利用風(fēng)電場并網(wǎng)線路接入系統(tǒng)。

2.改善風(fēng)電反調(diào)峰性能，參與系統(tǒng)調(diào)峰

系統(tǒng)的調(diào)峰能力跟電源結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。我國電源結(jié)構(gòu)以煤電為主，而在煤電裝機(jī)中供熱機(jī)組占有較大的比重，冬季供熱機(jī)組主要滿足供熱需求，供熱機(jī)組調(diào)節(jié)能力有限；而在水電裝機(jī)中，徑流式水電比重較大，調(diào)節(jié)性能好的水電裝機(jī)所占比重小，水電調(diào)峰能力很小，而目前我國的核電主要是帶基荷運(yùn)行，不參與調(diào)峰。長期以來我國電力系統(tǒng)調(diào)峰能力不足。

按照國家能源發(fā)展規(guī)劃，未來幾年我國將大力發(fā)展風(fēng)電、核電等清潔能源，改善電源結(jié)構(gòu)。目前看來，系統(tǒng)調(diào)峰能力將成為制約風(fēng)電等清潔能源發(fā)展的瓶頸之一，因此，發(fā)展清潔能源的配套建設(shè)調(diào)峰電源是非常必要的。

核電和風(fēng)電是我國清潔能源中所占比重較大的兩大部分。目前我國已投產(chǎn)及規(guī)劃建設(shè)的核電站主要位于沿海或水資源豐富地區(qū)，為滿足核電帶基荷運(yùn)行需要，配套建設(shè)抽水蓄能電站是不二選擇。而從我國風(fēng)電場建設(shè)情況來看，目前陸上風(fēng)電站占比例較大，主要分布在西北、華北、東北等地，水資源有限，抽水蓄能電站建設(shè)條件受限，需配套建設(shè)合適的調(diào)峰電源。

CAES電站和抽水蓄能電站的性質(zhì)都是儲能電站，同抽水蓄能電站，CAES電站同樣可以參與系統(tǒng)調(diào)峰。風(fēng)電場一般建設(shè)在風(fēng)資源豐富地區(qū)，壓縮空氣儲能電站通過和風(fēng)電場配套建設(shè)，在夜間負(fù)荷低谷時將風(fēng)電場發(fā)出的電能轉(zhuǎn)化為壓縮空氣的內(nèi)能儲存，不僅可以解決風(fēng)電場大量“棄風(fēng)”現(xiàn)象，而且能有效改善風(fēng)電的“反調(diào)峰”性能；在負(fù)荷高峰而風(fēng)較小時釋放壓縮空氣通過燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電，滿足高峰電力需求，能起到“削峰填谷”作用。

3.提高風(fēng)電場運(yùn)營的經(jīng)濟(jì)效益

就目前我國風(fēng)電場情況來看，風(fēng)電場裝機(jī)容量發(fā)展迅速，但風(fēng)電場棄風(fēng)現(xiàn)象嚴(yán)重，造成風(fēng)力資源利用效率低。2011年我國風(fēng)電棄風(fēng)電量約120億千瓦時，棄風(fēng)率為16%。2012年我國由于棄風(fēng)電量約200億千瓦時，棄風(fēng)率達(dá)20%，若按0.5元/度計算，2012年由于風(fēng)電棄風(fēng)而造成的經(jīng)濟(jì)損失達(dá)100億元。

目前我國風(fēng)電場建設(shè)及運(yùn)行主要原則是：風(fēng)電場一般以1回線路并網(wǎng)，如果風(fēng)電場送出線路故障或檢修、對側(cè)接入點故障或檢修，風(fēng)電場均需要全停機(jī)；規(guī)程規(guī)定，在負(fù)荷低谷時調(diào)度部門可采取措施讓風(fēng)電場壓出力或者切除整個風(fēng)電場。此外，目前我國風(fēng)電場基本采取就地接入地方電網(wǎng)，風(fēng)電場送出通道不足。上述因素是風(fēng)電場大量棄風(fēng)的直接原因。

若在風(fēng)電場附近配套建設(shè)壓縮空氣儲能電站，可在風(fēng)電場送出線路故障或檢修、負(fù)荷低谷時風(fēng)電場繼續(xù)發(fā)電儲能，減少“棄風(fēng)”現(xiàn)象，可以實現(xiàn)風(fēng)力資源的充分利用，提高風(fēng)電場運(yùn)營的經(jīng)濟(jì)效益。

五、建設(shè)壓縮空氣儲能電站的優(yōu)勢

目前，國內(nèi)外主要的儲能電站有電池儲能電站、抽水蓄能電站，壓縮空氣儲能電站雖然在國內(nèi)才剛剛起步，但國外已有相當(dāng)成熟的值得借鑒的技術(shù)經(jīng)驗。相比電池儲能電站和抽水蓄能電站，有以下較突出的優(yōu)勢：

第一，投資最?。弘姵貎δ茈娬就顿Y3000元/kW～15000元/kW（鋰電池投資最省，約3000元/kW）、抽水蓄能電站3600元/kW ～5000元/kW、壓縮空氣儲能電站3000元/kW～3300元/kW。

第二，占地面積最?。弘姵貎δ茈娬菊嫉孛娣e大，約為100～1500平米/MW（光伏電站中兆瓦級鋰離子電池電站占地最小，為100～150平米/MW）；抽水蓄能電站占地1500～1800平米/MW；壓縮空氣儲能電站3.7平米/MW（大部分設(shè)施位于地下）。

第三，建設(shè)條件要求低：壓縮空氣儲能電站無特定地理要求，壓縮空氣儲氣罐建于地下，不受地面條件的影響。電池儲能電站的建設(shè)要求大量的空地，抽水蓄能電站的建設(shè)對水源水質(zhì)、地質(zhì)條件要求比較高。

另外，壓縮空氣儲能電站在能量轉(zhuǎn)換效率、運(yùn)行壽命等方面也有一定優(yōu)勢。

六、結(jié)論及建議

近年來，我國風(fēng)電場“棄風(fēng)”現(xiàn)象嚴(yán)重，造成經(jīng)濟(jì)損失巨大，按照我國將大力發(fā)展風(fēng)電等清潔能源的思路，為提高風(fēng)能利用效率，實現(xiàn)風(fēng)電“有效發(fā)展”，配套建設(shè)儲能電源是非常必要的。CAES電站不僅能有效改善風(fēng)電場運(yùn)行特性，提高供電質(zhì)量，而且可以改善風(fēng)電場反調(diào)峰特性、參與系統(tǒng)調(diào)峰，同時提高風(fēng)電場運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)效益，為“有效發(fā)展”風(fēng)電提供必要條件。CAES電站同其他儲能電站相比，具有投資省、占地面積小、建設(shè)條件要求低等特點。建議相關(guān)部門研究CAES電站容量和風(fēng)電場容量的最佳匹配關(guān)系，以便應(yīng)用于工程實際。

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（責(zé)任編輯：王祝萍）