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电力的生产、输送和使用是同时发生的,一般情况下又不能储存,而电力负荷的需求却瞬息万变。一天之内,白天和前半夜的电力需求较高;下半夜大幅度地下跌,低谷有时只及高峰的一半甚至更少。鉴于这种情况,发电设备在负荷高峰时段要满发,而在低谷时段要压低出力,甚至得暂时关闭,为了按照电力需求来协调使用有关的发电设备,需采取一系列的措施。
抽水蓄能电站就是为了解决电网高峰、低谷之间供需矛盾而产生的,是间接储存电能的一种方式。它利用下半夜过剩的电力驱动水泵,将水从下水库抽到上水库储存起来,然后在次日白天和前半夜将水放出发电,并流入下水库。在整个运作过程中,虽然部分能量会在转化时流失,但相比之下,使用抽水蓄能电站仍然比增建煤电发电设备来满足高峰用电而在低谷时压荷、停机这种情况效益更佳[1]。除此以外,抽水蓄能电站还能担负调频、调相和事故备用等动态功能。因而抽水蓄能电站既是电源点,又是电力用户;并成为电网运行管理的重要工具,是确保电网安全、经济、稳定生产的支柱。抽水蓄能电站有发电和抽水两种主要运行方式。
随着世界能源日益紧缺和全球变暖趋势增强,作为节能减排的重要手段之一,世界风力发电发展迅速,技术不断进步。与其他可再生能源相比,风力发电最便宜,是我国重要的能源资源。但是风力发电受地域环境影响比较大,自然风存在随机性和不稳定等特点,大比重风电直接输入电网可能对电网安全稳定经济运行带来潜在风险,难以满足电网对于电能质量的要求。
为了保证电网按照要求安全、稳定和优质的运行,在将波动的风能引入到电网时必须采取适当的控制方法。在许多情况下,为了保证每年风力发电量电网中比较高的份额都需要采用蓄能系统。风电蓄能技术通过风电的转换储存,不仅可以向电网提供高品质的电能,而且也可以增加风电的运行效益,从而提高风电在能源市场的竞争力。
目前,储存风能的模型有很多种,其中抽水蓄能是当前最经济、最成熟的大规模储能装置。它可以直接平衡风力发电厂输出电力的波动。专利[2]公开了一种风电与蓄能联合系统,所述的水力发电系统包括上游水库、下游水库等。
本文在现有抽水蓄能及潮汐电站技术基础上,提出了一种新型的水力蓄能技术,并与现有技术进行了对比分析。
1 现有技术一
1.1 现有技术一的技术方案:
图1 现有抽水蓄能电站技术示意图
Fig.1 Section sketch of available pumped-storage power station
抽水蓄能电厂是水电厂的一种类型,它主要由上水库、引水系统、水电厂和下水库组成,如图1。在水电厂的上游建有蓄水库,下游也建有蓄水库,在电力系统高峰负荷时期,利用上水库的水通过引水系统闸门、管道和调压井等设施,将上水库水的位能转变成动能推动水轮机旋转,带动与水轮机同轴的发电机发电;在低谷负荷时期,将下水库的水再通过引水系统闸门、管道和调压井等设施抽回上水库蓄积起来,此时发电机转变为电动机,水轮机转变成水泵。
1.2 现有技术一的缺陷:
抽水蓄能电站需建设上、下两个水库,对生态环境会造成一定的影响,有些项目甚至对生态环境造成严重影响和破坏[3,4,5]。水电发电厂对环境造成的影响,抽水蓄能电站也一样,如:地质环境的影响及灾害隐患、植被破坏、河流的生态系统等。建设抽水蓄能电站同样需淹没大量耕地,造成耕地资源占用,且涉及到移民问题,因其占地和涉及人口多,部分库区耕地资源十分有限,导致人地矛盾集中。
另外,近年来海上风电的规模迅速扩大,由于风电输出不稳定的特点,必须配套以抽水蓄能为代表的蓄能措施。在无法借助天然河道与湖泊的情况下,现有抽水蓄能电站技术需要淹没大量耕地,很难在沿海寻找合适场址。
2 现有技术二
2.1 现有技术二的技术方案
潮汐发电是水力发电的一种。在有条件的海湾或感潮口建筑堤坝、闸门和厂房,围成水库,水库水位与外海潮位之间形成一定的潮差(即工作水头),从而可驱动水轮发电机组发电。
2.2 现有技术二的缺陷
潮汐发电站在设计上只能储存潮汐能,水位差涨落由自然决定,不能作为电力蓄能电站。
3 本技术方案的详细描述
3.1 所要解决的技术问题
本技术方案克服了现有抽水蓄能电站占用大量耕地、破坏生态环境、远离海上风电场址的缺陷[6]。本技术方案可以围海造田、增加土地,此外还可进行海产养殖及发展旅游。 本技术方案在海湾建设蓄能电站,可以用作海上风电及其他各种电源的蓄能电站。
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