浙江安吉天荒坪抽水蓄能電站
抽水蓄能技術(shù)原理及特點(diǎn)
抽水蓄能電站由兩個(gè)相互連接且位于不同高度的水庫(kù)組成。 管道將上部和下部水庫(kù)連接。 在充電過(guò)程中，電動(dòng)機(jī)將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能。 通過(guò)將水從下部水庫(kù)通過(guò)管道輸送到上部水庫(kù)，泵將它們轉(zhuǎn)化為勢(shì)能。在低電時(shí)，存儲(chǔ)在上部水庫(kù)中的水可以通過(guò)渦輪機(jī)返回到下部水庫(kù)，由此從勢(shì)能產(chǎn)生機(jī)械能，并且在發(fā)電機(jī)的幫助下再次產(chǎn)生電能。儲(chǔ)存的能量與水的總質(zhì)量和上下兩蓄水池之間的高度差的乘積成比例。
抽水蓄能電站作為一個(gè)中間存儲(chǔ)系統(tǒng)，通常被用作電力輔助服務(wù)，以維持電網(wǎng)的穩(wěn)定性。在新能源發(fā)電日益增多的今天，抽水蓄能的意義愈發(fā)重大。 一是解決電力系統(tǒng)日益突出的調(diào)峰問(wèn)題;
二是發(fā)揮調(diào)壓調(diào)相作用，保證電網(wǎng)電壓穩(wěn)定; 是發(fā)揮事故備用作用;此外，抽水蓄能電站還具有黑啟動(dòng)、系統(tǒng)特殊負(fù)荷等功能。
三抽水蓄能電站結(jié)構(gòu)及組成部分如下圖所示：
1. 上水庫(kù)，用于在較高地勢(shì)差處蓄水
2. 進(jìn)水結(jié)構(gòu)，作為進(jìn)水管道的入口，在維護(hù)時(shí)起到封閉作用
3. 上游管道及克服高度差的壓力管，用于在上下水庫(kù)之間運(yùn)輸水
4. 平壓塔，用來(lái)降低壓力并提高控制效率
5. 配備渦輪機(jī)和泵，發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)
6. 出口結(jié)構(gòu)，可能帶有平壓塔，以連接下水庫(kù)
7. 下水庫(kù)，用于儲(chǔ)水
抽水蓄能技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)
抽水蓄能有著許多其他儲(chǔ)能技術(shù)不可比擬的優(yōu)點(diǎn)。抽水蓄能電站作為一項(xiàng)100年歷史的技術(shù)，比起其他儲(chǔ)能技術(shù)，已經(jīng)發(fā)展的十分成熟。除此之外，抽水蓄能電站還有著長(zhǎng)達(dá)80年甚至100年的使用壽命。現(xiàn)在的抽水蓄能電站還擁有極高的存儲(chǔ)效率，可實(shí)現(xiàn)高達(dá)80%的整體效率。 能量流和各個(gè)組件的損耗如下圖所示。并且除了充放電過(guò)程中的能量損耗，自身的損耗(所謂自放電率)極低。
誠(chéng)然，抽水蓄能技術(shù)的缺點(diǎn)也是一目了然的。抽水蓄能電站的建設(shè)有著極大的地理限制，因?yàn)樯舷滤畮?kù)要求存在于較近的距離內(nèi)，并有著較高的高度差。且在高度差有限的條件下，抽水蓄能電站所能達(dá)到的能量密度很為有限。除此之外，對(duì)該技術(shù)發(fā)展最大的限制是它極低的經(jīng)濟(jì)性，抽水蓄能電站的投資成本很高，回報(bào)周期很長(zhǎng)，通常需要30年以上的回報(bào)周期，有些甚至根本不能盈利。
抽水蓄能在中國(guó)
我國(guó)抽水蓄能電站的發(fā)展起步較晚，在上世紀(jì)60年代后期才開(kāi)始研究抽水蓄能電站的開(kāi)發(fā)。但起步晚、起點(diǎn)高是我國(guó)抽水蓄能產(chǎn)業(yè)的特點(diǎn)。
我國(guó)抽水蓄能電站裝機(jī)容量已居世界第一，截至2018年底中國(guó)抽水蓄能裝機(jī)容量為30GW，占發(fā)電總裝機(jī)1.6%;在建規(guī)模為50GW。據(jù)預(yù)測(cè)到2030年中國(guó)風(fēng)抽水蓄能裝機(jī)達(dá)130GW。未來(lái)十年，將新增抽水蓄能裝機(jī)100GW。
我國(guó)已建和在建抽水蓄能電站主要分布在華南、華中、華北、華東等地區(qū)，以解決電網(wǎng)的調(diào)峰問(wèn)題，按照國(guó)家“十三五”能源發(fā)展規(guī)劃要求，“十三五”期間新開(kāi)工抽水蓄能6000萬(wàn)千瓦，到2025年達(dá)到9000萬(wàn)千瓦左右。
我國(guó)的抽水蓄能電站一直沒(méi)有成熟的商業(yè)模式，一直以來(lái)是把它當(dāng)作電網(wǎng)的運(yùn)行工具對(duì)待的，所以一直把它放在電網(wǎng)的管理之中。然而電力體制改革之后，電網(wǎng)為抽水蓄能電站出資卻不能在電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)中得到全部補(bǔ)償，致使抽水蓄能電站發(fā)展積極性大打折扣。而如今隨著電改的深入，峰谷電價(jià)制度的推進(jìn)，以及各省在抽水蓄能商業(yè)模式上的諸多嘗試，抽水蓄能電站的發(fā)展獲得了再次邁進(jìn)。例如湖南省抽水蓄能輔助服務(wù)專(zhuān)項(xiàng)市場(chǎng)采用雙邊協(xié)商交易和要約招標(biāo)兩種方式進(jìn)行交易。
海中蓄能，未來(lái)抽水蓄能的進(jìn)階版
前文有述，抽水蓄能有著地理限制及能量密度低的缺點(diǎn)，這也是嚴(yán)重限制該技術(shù)發(fā)展的兩大因素。為此，德國(guó)Fraunhofer研究所提出了名為海中蓄能(StEnSEA)的新技術(shù)。
2011年，物理學(xué)教授Horst Schmidt-Böcking博士(法蘭克福歌德大學(xué))和Gerhard Luther博士(薩爾大學(xué))提出了一個(gè)新的泵儲(chǔ)存系統(tǒng)的想法。該系統(tǒng)安置在海床中，利用大海深處的高水壓來(lái)在空心體中存儲(chǔ)電力。不久之后，F(xiàn)raunhofer研究所驗(yàn)證了其可行性并成立專(zhuān)屬部門(mén)進(jìn)行研究，并在2016年11月在模型規(guī)模上進(jìn)行了測(cè)試。
其蓄能主體為多個(gè)內(nèi)直徑30米的混凝土空心球。這些球會(huì)被放在600-800米深的海床上。每個(gè)球里都有一臺(tái)水輪發(fā)電機(jī)和一臺(tái)水泵。當(dāng)電網(wǎng)負(fù)載低，電力多余時(shí)，水泵就會(huì)耗電把海水抽出，進(jìn)行蓄能。當(dāng)電網(wǎng)負(fù)載高，需要峰值發(fā)電時(shí)，這些球體的閥門(mén)就會(huì)打開(kāi)，讓涌進(jìn)的海水驅(qū)動(dòng)水輪發(fā)電。
研究人員們預(yù)計(jì)，如果使用5兆瓦的水輪發(fā)電機(jī)，每個(gè)30米直徑空球可以最高連續(xù)發(fā)電4小時(shí)。意味著每個(gè)空球都可以存儲(chǔ)20兆瓦時(shí)的電力。如果有80個(gè)以上的蓄能球被并聯(lián)在一起，其總蓄能效果足以有效影響電網(wǎng)。該項(xiàng)目負(fù)責(zé)人MatthiasPuchta表示，通過(guò)全球探測(cè)，適合建造該系統(tǒng)的地點(diǎn)的總儲(chǔ)能，加起來(lái)一共有8170億千瓦時(shí)。
該項(xiàng)技術(shù)尚處于研究中，未來(lái)有望成為新的高效儲(chǔ)能技術(shù)。
參考資料：
[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
