在堅硬岩石洞室中存儲壓縮空氣能量方麵,挪威獨特的高壓空氣墊調壓室是極好的先例。在電力供應滿足峰值要求有問題的地方,這一概念正在受到很大的重視。從空氣實踐獲得的空氣損失的經驗指出,在大多數情況下,未襯砌的岩石洞室,對壓縮空氣的密封是適合的,在少數情況下,為減少空氣損失,補救措施,直是必要的。水幕已被發現是控製空氣損失'的最有效的方法。
一、壓縮空氣能存儲、(CAES)的一般概念
電力需求,在每天和每個星期中,都是周期性變化的。在夜間電力需求低,早晨升高到中等值,而在下午則達到峰值。一天中,峰值僅延續幾個小時。同樣,在周末對電力的需求少於工作日。由於電力合理的價格儲存的困難,大型熱發電係統用以下方法來滿足如此變化的要求:基本負荷發電機組,主要由大功率的煤、核和水力發電廠組成,整天和全周運轉中等功率的機組在早晨起動;在峰值期間,由峰值機組補充不足的電力。然而,細值機組通常是燃油或燒天然氣的、昂貴的內燃渦輪機。用某一固定的、壓縮空氣的壓力差,把壓縮空氣壓入地下洞室,以代替泵將水抽入地麵水庫。是典型壓縮空氣能量存儲電廠的汞意圖。它主要由壓縮機、空氣庫、燃燒器、渦輪機和發動機發電機5個部分組成。在負荷循環的非峰值期間,渦輪機被分離,用電網剩於的基本負荷的電力,使發動機久發電機驅動壓縮機壓縮空氣,把它輸送到地下洞室中儲存。在負荷周期的過渡和峰值需求期間,發動機發電機與渦輪機連接,壓縮空氣從洞室中釋放出來,在燃燒室中用油或氣燃燒加熱、膨脹,通過渦輪機驅動發動機發電機。
地下空氣庫是壓縮空氣能儲存電廠的重要組成部分,它可以利用溶解開采的鹽丘、含水層或采空的硬岩洞室。壓縮空氣能儲存電廠中的鹽丘型空氣儲存是通過鑽孔注入淡水去溶解鹽,再抽出鹽水,從而在鹽丘中形成一個密封的洞室。當空氣釋放時壓力降低,因此要求有一個大的洞堂。為利用含水層作為壓縮空氣能儲存電廠的壓縮空氣庫,要鑽一些通過蓋層的井。在負荷周期中,壓縮空氣通過井注入該含水層,水被空氣排走。在發電周期中,通過排出的水施加圍壓,再把空氣推上去。壓縮空氣能儲存中作為壓縮空氣庫用的是堅硬岩石中的洞室是在地下開挖形成的空間。它有兩種不同的工作原理:均衡補償和非均衡補償。在均衡補償係統中,壓縮空氣庫通過垂直豎井與地表水庫連接,因此,除了水層高程的波動外,空氣壓力基本保持常量。這樣的岩石洞室的深度不能任意選擇,因為空氣壓力必須滿足機器的設計壓力。而氣壓與地表水庫水位和洞室中水層的水位差成比例。
則洞室深度應在500米深左右。在充入空氣時,水在均恒豎井中往上移動,由於空氣溶解跑出來,會發生一個稱做“香檳效應”的水力學問題。對該問題,加尼福尼亞電研究院已進行過詳細地研究,用較簡單的措施便可能解決。非均衡補償裝置是一種相對簡單的,有可變空氣壓力的封閉係統,與鹽丘庫相似。它的設計必須考慮很大的壓力變化和因快速壓力變化引起的溫度變化。最小洞室空氣運行壓力必須滿足渦輪機的壓力要求。這樣,大量空氣必須保留在洞室中。因此,水均衡補償的岩石洞室可以比相同體積的非勻衡補償洞室儲存較多的能量。
研究指出,壓縮空氣能儲存技術與其它能量儲存技術相比,如抽水畜能,在經濟、電力係統運轉和環境影響方麵有許多優點。本文將不詳細討論這些,而是集中討論壓縮空氣能儲存發電廠的地質方麵,特別是硬岩洞室。
二、挪威在空氣墊調壓洞室方麵的經驗
總結挪威空氣型調壓室方麵的經驗和調查把它用於壓縮空氣能儲存可行性方麵的研究工作,自1984年以來,已在開展。它由美國電力研究院和挪威皇家工業和科學研究委員會聯合主持的。中文是從該項最終研究報告下摘取的。
挪威的地形和地質條件對發展水電是十分有利的,特別是對地上發電廠。自1950年以來,它已成為主要的發電廣房。挪威約有地下水電隧道,它們逐漸往深處發展,已達1000米左右。使這些成為可能的原因之一是空氣墊概念的發明。
在寫這一論-文時,水幕正在投入運行裝水幕的。安裝水幕是因為現場很高的超壓力條件。水層基礎上的估算。水幕的運行十分理想。
三、壓縮空氣能存儲(SAES)的應用
從空氣墊調壓室運轉中積累的經驗,對壓縮空氣能存儲工廠的堅硬岩石洞室設計有很大的價值,特別是對空氣損失和必要時控製空氣損失的量測很有價值。此外,對全麵求得所論及的岩體參數也是有關的。
(一)洞室深度
壓縮空氣能存儲洞室能在多種超壓力條件下運行,那就是說,一些空氣的漏失將會發生。可接受的空氣損失已在空氣流的章節中論述空氣墊是在適當的超壓力條件下運行的。超壓力洞室能采用或不采用水幕進行設計。在沒有安裝水幕的地方,空氣漏失是通過岩體滲透性和岩體水壓力進行初步控製的。在安裝水幕的地方,水的消耗也是通過上述兩因素確定的。對這兩種因素而言洞室放在低滲透性和高水壓環境中是有利的。參考空氣流工程,概觀測量和反算岩體滲透性,可以確定,滲透性隨深度增加而降低。隨深度增加,水壓力的增加似乎是明顯的。雖然這一規律還會受到一些因素的影響,如,地形、區域性斷裂和洞室壓力。這促使莊縮空氣能儲存的洞室建在很深的地下。空氣墊工程的實踐和模擬已表明,在常規條件下,單個洞室被置於1.4倍洞室壓力相當水頭的深度上,對消除通過岩體的所有空氣漏失來說將是足夠的。