重力發(fā)電公司的儲(chǔ)能系統(tǒng)示意圖
談到儲(chǔ)能人們很容易想到電池，但現(xiàn)有的電池技術(shù)很難滿足電網(wǎng)級(jí)儲(chǔ)能的要求。抽水蓄能和壓縮空氣儲(chǔ)能等傳統(tǒng)的儲(chǔ)能方式也在經(jīng)歷不斷改進(jìn)和創(chuàng)新。
儲(chǔ)能市場(chǎng)潛力巨大，根據(jù)市場(chǎng)調(diào)研公司Pike Research的預(yù)測(cè)，從2011年到2021年的10年間，將有1220億美元投入到全球儲(chǔ)能項(xiàng)目中來(lái)。
抽水蓄能發(fā)電的創(chuàng)新
抽水蓄能在儲(chǔ)能方式中長(zhǎng)期處于霸主地位。根據(jù)美國(guó)電力研究委員會(huì)（EPRI）公布的數(shù)據(jù)，抽水蓄能在全球儲(chǔ)能市場(chǎng)中容量最大，占總裝機(jī)容量的99%以上。雖貴為霸主，但抽水蓄能模式也有自身的不足，易受地形影響，推廣受到限制。所以，很多公司在研發(fā)新型的抽水蓄能模式。
丹麥一家名為Gottlieb Paludan的建筑設(shè)計(jì)所聯(lián)合丹麥技術(shù)大學(xué)推出了一個(gè)大膽的設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)被命名為“綠色電源島”（如圖1）。這種儲(chǔ)能系統(tǒng)包括一個(gè)海上人工島，并在島上修建一座深井蓄水池。人工島周圍要配備海上風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。當(dāng)海風(fēng)凌厲時(shí)，風(fēng)力發(fā)電驅(qū)動(dòng)水泵將海水從水庫(kù)中泵到海中。用能高峰時(shí)，海水回灌到蓄水池內(nèi)，海水回流形成的重力差可以驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)組發(fā)電。但是，這樣宏大的計(jì)劃仍停留在概念階段。
同樣以抽水蓄能為藍(lán)本，美國(guó)加州的重力發(fā)電公司（Gravity Power）設(shè)計(jì)出了另一種儲(chǔ)能系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括一大一小，兩個(gè)底部相連的充水豎井（如圖2）。平時(shí)，水從小豎井泵到大豎井里，此時(shí)大豎井中的活塞向上運(yùn)動(dòng)。用電高峰時(shí)，可使活塞退回大井，迫使水流外溢，推動(dòng)汽輪機(jī)做功發(fā)電。重力發(fā)電公司首席執(zhí)行官托馬斯·梅森表示，此系統(tǒng)適合安裝在高耗能地區(qū)，并希望這項(xiàng)技術(shù)在全球范圍內(nèi)得到推廣。該公司的創(chuàng)始人和首席技術(shù)官吉姆·費(fèi)斯克曾表示，該技術(shù)能在2013年建成商業(yè)電網(wǎng)規(guī)模的儲(chǔ)能設(shè)施。
一家總部設(shè)在美國(guó)加利福尼亞州圣摩尼卡的公司也在研發(fā)如何利用重力差原理儲(chǔ)能。這家名為Advanced Rail Energy Storage的公司將改裝后的軌道車和特制軌道作為它們研發(fā)儲(chǔ)能系統(tǒng)的核心部件。當(dāng)電力需求量少時(shí)，可以利用富余的電將軌道車推動(dòng)到山頂；當(dāng)用電負(fù)荷增加時(shí)，軌道車順勢(shì)倒退，將重力差轉(zhuǎn)換為驅(qū)動(dòng)力，推動(dòng)發(fā)電機(jī)組。如抽水蓄能電站，這種存儲(chǔ)系統(tǒng)需要借助地勢(shì)。
該公司表示，在地勢(shì)落差相同的條件下，這種存儲(chǔ)系統(tǒng)要比抽水蓄能系統(tǒng)更為高效。公司正在加州修建原型機(jī)組，預(yù)計(jì)在2013年能投入運(yùn)行。
壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)的改進(jìn)
雖然僅占到市場(chǎng)份額的0.5%，壓縮空氣儲(chǔ)能在國(guó)際儲(chǔ)能市場(chǎng)中仍位列第二。
壓縮空氣儲(chǔ)能的原理是將燃?xì)廨啓C(jī)的壓縮機(jī)和透平分開(kāi)，在儲(chǔ)能時(shí)，用電能將空氣壓縮并存于儲(chǔ)氣室中；在釋能時(shí)，高壓空氣從儲(chǔ)氣室釋放，進(jìn)入燃燒室膨脹做功發(fā)電。
當(dāng)前，這種技術(shù)比較成熟，已實(shí)現(xiàn)大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用。德國(guó)的一座壓縮空氣儲(chǔ)能電站的規(guī)模已達(dá)到29萬(wàn)千瓦。
壓縮空氣蓄能的一大缺陷在于效率較低。據(jù)悉，德國(guó)的壓縮空氣儲(chǔ)能工廠，效率只有42%。儲(chǔ)能效率低的原因在于空氣受到壓縮時(shí)溫度會(huì)升高，空氣釋放膨脹的過(guò)程中溫度會(huì)降低?，F(xiàn)有的壓縮空氣蓄能系統(tǒng)在壓縮空氣過(guò)程中一部分能量以熱能的形式散失，在膨脹之前就必須要重新加熱。通常以天然氣作為加熱空氣的熱源。這就導(dǎo)致蓄能效率降低，溫室氣體排放量增加。
還有幾家公司同樣以壓縮空氣蓄能為原型，開(kāi)發(fā)更高效的儲(chǔ)能系統(tǒng)。SustainX就是其中之一。這家借助達(dá)特茅斯大學(xué)工程學(xué)院的科研實(shí)力而成立的公司，得到了美國(guó)能源部和通用電氣公司的支持。該公司已研發(fā)出“恒溫壓縮空氣蓄能機(jī)組”。通過(guò)注入水蒸氣來(lái)去除壓縮空氣中的熱量。水蒸汽在吸收了壓縮空氣中的熱量后被儲(chǔ)存起來(lái)，等空氣膨脹過(guò)程中的再次加熱。
SustainX摒棄了傳統(tǒng)的地下鹽洞儲(chǔ)氣的做法，采用標(biāo)準(zhǔn)鋼管儲(chǔ)存壓縮空氣，這種做法更容易推廣。據(jù)悉，SustainX公司已建有一套發(fā)電功率為40千瓦的試驗(yàn)機(jī)組，并正與一家公用事業(yè)公司合作建造一套發(fā)電功率為1000-2000千瓦的機(jī)組。
總部設(shè)在馬薩諸塞州的General Compression公司同樣獲得了美國(guó)能源部的支持，開(kāi)發(fā)出一套恒溫壓縮空氣蓄能機(jī)組，主要應(yīng)用于風(fēng)電場(chǎng)。在能源巨頭康菲的資助下，該公司正在德克薩斯州修建發(fā)電功率為2000千瓦的試驗(yàn)機(jī)組。
