郭丁彰 ，尹釗 ，周學志 ，徐玉杰 ，盛勇 ，索文輝 ，陳海生 ,4

（1中國科學院工程熱物理研究所，北京 100190；2中國科學院大學，北京 100049；3畢節(jié)高新技術產業(yè)開發(fā)區(qū)國家能源大規(guī)模物理儲能技術研發(fā)中心，貴州 畢節(jié) 551712；4中國科學院清潔能源創(chuàng)新研究院，遼寧 大連 116023）

大規(guī)模儲能技術是解決棄風、棄光問題，顯著提高可再生能源消納水平，推動主體能源由化石能源向可再生能源更替，實現“碳達峰”和“碳中和”的關鍵技術。其中，壓縮空氣儲能被視為最具發(fā)展?jié)摿Φ奈锢韮δ芗夹g，具有規(guī)模大、成本低、壽命長、對環(huán)境友好等特點，而且涉及冷、熱、電多種能量形式的存儲和轉化，便于耦合各種熱力系統(tǒng)，實現工作方式靈活性的改善以及系統(tǒng)效率的提高。

傳統(tǒng)壓縮空氣儲能通過多余電能將空氣進行壓縮存儲，需要用電時利用高壓儲氣推動膨脹機做功，同時利用燃料對進入膨脹機前的高壓儲氣進行加溫以提高功率密度，其原理如圖1所示[1]。世界上已有兩座大型傳統(tǒng)壓縮空氣儲能電站投入商業(yè)運行，包括德國Huntorf電站和美國McIntosh電站[2]，均采用天然地下鹽穴作為儲氣裝置，儲氣規(guī)模大、建造成本低，但是依賴于特殊地質地理條件。因此，近些年眾多學者提出人造洞穴儲氣、金屬材料高壓容器儲氣、柔性復合材料高壓儲氣和恒壓儲氣等技術措施，擺脫地理條件對壓縮空氣儲能系統(tǒng)的限制，促進其大規(guī)模推廣應用。如中國科學院工程熱物理研究所以金屬材料高壓容器作為儲氣裝置，分別于2013年和2016年建成國際首套1.5 MW和10 MW先進壓縮空氣儲能示范系統(tǒng)[3]。加拿大Hydrostor公司以復合材料柔性氣囊作為儲氣裝置，于2015年在多倫多建成了首個600 kW的水下壓縮空氣儲能示范工程[4]等。

圖1 傳統(tǒng)壓縮空氣儲能原理圖Fig.1 The schematic of conventional compressed air energy storage

本文對壓縮空氣儲能儲氣裝置進行了分類與總結，論述了天然地下洞穴、人造洞室、金屬材料儲氣裝置以及復合材料儲氣裝置的應用及特點。進一步地，總結儲氣裝置發(fā)展所面臨的挑戰(zhàn)，并對儲氣裝置未來的發(fā)展趨勢進行了展望。

1 儲氣裝置的分類

根據壓力是否變化，壓縮空氣儲能儲氣裝置可分為定壓和變壓儲氣裝置；根據能否移動，可分為固定式和移動式儲氣裝置[5]；根據應用場景不同，可分為地下、地面和水下儲氣裝置。不同類型儲氣裝置的應用及特點主要取決于其材料屬性，其應用及特點如表1所示。

表1 儲氣裝置的應用及特點Table 1 Application and characteristic of gas storage devices

2 儲氣裝置的應用

2.1 天然地下洞穴儲氣

天然地下洞穴規(guī)模大、建造成本低，在壓縮空氣儲能領域得到了較為廣泛的應用，主要包括天然鹽穴、地下含水層以及硬巖層洞穴等。

鹽穴具有較低的滲透率和良好的蠕變行為，密封性較好，力學性能穩(wěn)定，能夠適應運行過程中存儲壓力的交替變換，如圖2所示為鹽穴壓縮空氣儲能的工作原理。德國Huntorf電站和美國McIntosh電站均采用深埋地下的天然鹽穴作為儲氣裝置，儲氣規(guī)模分別為310000 m3和560000 m3，儲氣壓力可達10 MPa和7.5 MPa[2]。一般而言，只要向地下鹽層鉆孔，注水使鹽溶化即可形成用以儲氣的洞室，因此鹽巖洞儲氣成本較低，然而，建設鹽穴需要在有鹽礦資源分布的地區(qū)，地域上存在限制性。

圖2 鹽穴壓縮空氣儲能示意圖[1]Fig.2 Diagram of compressed air energy storage in salt caverns[1]

利用含水層進行儲氣，如圖3所示，壓縮空氣被儲存在滲透性強的多孔地層中，將地下水排出形成巨大氣泡，由于空氣-地下水界面的運動，儲氣壓力相對恒定，有利于壓縮機和膨脹機的運行。利用地下含水層進行儲氣更加經濟，在地質結構特性較好的條件下，成本約2～7 USD/kW·h[6]。但是，地下含水層儲氣同樣存在著選址困難的缺陷，而且墊氣層消耗大。目前，以地下含水層作為儲氣裝置尚未實現商業(yè)化應用，僅存在一些研究型項目，包括意大利Sesta的25 MW多孔巖層壓縮空氣儲能系統(tǒng)和采用多孔砂巖結構斜背層進行儲氣的美國IMAU項目等[7]。

圖3 含水層壓縮空氣儲能示意圖[6]Fig.3 Diagram of compressed air energy storage in aquifers[6]

硬巖層結構的洞穴較為常見，巖石堅硬具有更高的抗壓強度，但施工難度加大，費用較高。美國Ohio州的Norton壓縮空氣儲能項目，采用位于地下670 m深處的廢棄石灰?guī)r礦井儲存壓縮空氣，容量為9570000 m3，存儲壓力可達11 MPa[7]。

總之，天然地下洞穴規(guī)模大、成本低，優(yōu)勢明顯，但是受限于特殊地質地理條件，難以實現靈活布置和大范圍推廣，并且深埋地下，地質結構復雜，漏氣不易監(jiān)測，結構穩(wěn)定性難以得到有效保障，存在一定安全隱患。

2.2 人造洞室儲氣

人造洞室減弱了對于特殊地質地理條件的依賴，主要包括淺埋地下的人工內襯洞穴儲氣裝置以及用于水下的混凝土人造儲氣室。

人工內襯洞穴以混凝土作為襯砌，配合密封層和圍巖組成，如圖4所示[8]。其中，高壓儲氣所產生的荷載主要由圍巖承受，混凝土襯砌配合密封層確保密封良好，相比天然洞穴密封性更好，可使儲氣壓力更高。日本針對位于地下450 m，直徑6 m，容積約1600 m3的廢棄煤礦隧道，采用鋼筋混凝土作為襯砌，橡膠作為密封層，氣密性測試發(fā)現在0.9 MPa的儲氣壓力下每天最大泄漏率為0.5%[9]。瑞典在巖石層下115 m，以鋼筋混凝土作為襯砌，建設了人工巖洞，容積約40000 m3，儲氣壓力可達20 MPa[10]。韓國針對內襯巖石洞室的可行性和系統(tǒng)設計進行研究，其壓縮空氣儲能電站試點項目于2011年開始，位于地下100 m的石灰?guī)r內建設了直徑5 m，長度約200 m的隧道狀洞室，以混凝土作為襯砌，并采用300 mm的鋼板加強密封[11]。我國為驗證淺埋地下儲氣庫的可行性，在湖南長沙一花崗巖層內建造了淺埋硬巖試驗庫，埋深約110 m，凈空體積約28.8 m3，以設計壓力10 MPa進行了多次完整的壓縮空氣充放循環(huán)試驗，結果證明長時高壓儲氣條件下其密封性良好[12]。

圖4 淺埋地下的人工內襯洞室壓縮空氣儲能示意圖[8]Fig.4 Diagram of compressed air energy storage in artificial lined rock cavern[8]

可用于水下環(huán)境的混凝土人造儲氣室，也被嘗試作為水下壓縮空氣儲能系統(tǒng)的儲氣裝置。該儲氣裝置為開式結構，允許海水自由出入。壓縮空氣儲能時，利用高壓空氣將儲氣裝置內的海水排出。放氣釋能時，海水在靜水壓力作用下進入儲氣裝置維持氣源壓力恒定。加州大學圣地亞哥分校的Seymour等[13]提出利用寬30 m，高8 m，長300 m的混凝土箱作為儲氣裝置；北卡羅來納大學的Lim等[14]提出利用高8 m，底面邊長40 m，內部容積903 m3的混凝土室作為儲氣裝置。然而，水下混凝土人造儲氣室導致壓縮空氣中含水量較多，容易造成做功設備腐蝕損壞，目前尚未實現工程應用。

2.3 金屬材料儲氣

金屬材料壓力容器根據存儲壓力可分為低壓儲氣裝置(0.1 MPa≤P<1.6 MPa)、中壓儲氣裝置(1.6 MPa≤P<10 MPa)、高壓儲氣裝置(10 MPa≤P<100 MPa)以及超高壓儲氣裝置(P≥100 MPa)，其密封性好，運行可靠性高，設計制造技術成熟，而且安裝布置靈活。

《雨巷》的課堂教學實踐中，雖然抓住了重點，著重分析詩篇中多種朦朧的意象和“丁香姑娘”的象征意義，但傳遞的知識比較空洞、單調和缺乏新意。這種形式不利于學生語文操作能力和語文情感的養(yǎng)成，也不利于塑造學生的語文動機、態(tài)度和價值觀念。只有新穎、飽滿、有一定挑戰(zhàn)性和有布局的知識，才能盡可能滿足學生的好奇心和求知欲望，激起學生的學習興趣，維持學生的學習動力，為他們的語文操作能力和語文情感的養(yǎng)成提供充分的精神食糧。

金屬材料儲氣裝置比較常見的有圓筒形儲罐和球形儲罐。圓筒形儲罐一般由筒體、封頭以及法蘭、接管、密封元件和支座等零部件組成，主要分為立式和臥式。面積相同的情況下，球形儲罐容積一般大于圓筒形儲罐，而且相同的內壓下，球形儲罐的受力更加合理。但是，球形儲罐的制作材料以及工藝要求更高[15]。

相比儲罐儲氣，直徑較小的壓力管道儲氣便于集成管網形成規(guī)模，安裝布置更加靈活，目前在我國貴州10 MW先進壓縮空氣儲能示范項目中得到應用，如圖5所示。相比之下，管道儲氣方案在天然氣領域使用更為廣泛，其設計壓力通常在10 MPa以上，并不斷向高壓力、大口徑、高級鋼的方向發(fā)展[16]。

圖5 金屬管道儲氣裝置Fig.5 The metal pipe gas storage device

2.4 復合材料儲氣

增強熱塑性復合材料管道采用高強度的芳綸、玻璃纖維、玄武巖纖維、鋼絲等制成增強帶，內層和外層是耐腐蝕耐磨損的聚烯烴，承壓范圍7～25 MPa。而且，相比金屬材料，可減重約30%，耐腐蝕，抗疲勞，失效模式安全，生產同等體積的能耗僅是金屬材料的1/3～1/4，更加符合當今“節(jié)能減排”“低碳經濟”的發(fā)展趨勢[17-18]。據德國WEICON公司研究發(fā)現，增強熱塑性復合材料管道相比金屬材料管道可節(jié)省材料和加工費用超過25%，并且承受高壓的同時保持一定柔韌性，能夠做成盤管進一步降低運輸和安裝成本[19]。由此可知，利用復合材料管道替代金屬材料壓力管道進行儲氣具有一定的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

另一方面，水下恒壓儲氣方案中，儲氣裝置內外壓差較小，顯著降低了對于壓力容器承壓能力的要求。可任意折疊變形的柔性復合材料氣囊被成功應用在水下壓縮空氣儲能系統(tǒng)中，如圖6所示，諾丁漢大學Garvey團隊[20]委托加拿大Thin Red Line Aerospace公司制造了直徑1.8 m和直徑5 m的南瓜形柔性儲氣囊，分別進行了室內水箱實驗和25 m深的真實水下實驗。加拿大Hydrostor公司[21]利用水滴形氣囊作為儲氣裝置，在水下80 m進行了壓縮空氣儲能試驗。柔性復合材料氣囊通常以涂層織物為原料，具有密封性良好和耐腐蝕優(yōu)點，應用較為廣泛的涂層織物有聚氯乙烯(PVC)襯里涂層織物和聚氨酯(TPU)襯里涂層織物等。

圖6 復合材料氣囊：(a)南瓜形[20]；(b)水滴形[21]Fig.6 Composite material bag:(a)pumpkin shape[20];(b)drop shape[21]

3 儲氣裝置面臨的挑戰(zhàn)

3.1 精準熱力學模型

儲氣裝置充放氣過程中，氣體與外界進行質量交換，勢能變化的同時伴隨著熱量交換，其熱力學參數變化規(guī)律的精準預測對于系統(tǒng)參數設計和評價具有重要影響。目前，儲氣裝置熱力特性的研究通?；诤喕慕^熱模型[22-23]和等溫模型[24-25]。但事實上，不同類型儲氣裝置的傳熱過程差異明顯，與應用場景密切相關。

對于地下洞穴儲氣，一方面，儲能時氣體壓力和溫度升高，儲氣裝置壁面溫度隨之升高，而釋能時氣體壓力和溫度下降，前期存儲于圍巖內的熱量又傳遞至儲氣裝置內氣體，其壁面溫度隨之下降[26]；另一方面，地下儲氣裝置圍巖結構復雜，通常難以實現絕對密封。因此，急需結合實際對流傳熱過程以及泄漏的影響[27]，針對現有熱力學模型進行改進優(yōu)化。

對于地面高壓容器儲氣，其內部為復雜多變的強制對流換熱，外側為自然對流換熱，一般給定環(huán)境空氣溫度和自然對流換熱系數作為熱邊界條件[28-29]。然而，地面儲氣裝置傳熱機制與充放氣流量，最大儲氣壓力以及儲氣裝置的規(guī)模，形狀和布置方式等因素密切相關，因此針對結構多變的地面儲氣裝置，需要考慮真實環(huán)境，建立基于無量綱參數的通用關聯式，開展不同規(guī)模地面儲氣裝置內熱力學參數變化規(guī)律的預測。

對于水下柔性儲氣囊，儲能和釋能運行過程中氣囊會發(fā)生較大形變，對氣囊內部和外部流場具有顯著影響。與此同時，氣囊內部和外部的流場特性也決定著其變形規(guī)律。因此，不同于常規(guī)儲氣裝置，柔性氣囊內的熱力特性研究需基于雙向流固耦合模型，但目前相關研究匱乏。

3.2 地下洞穴儲氣穩(wěn)定性

對于鹽穴以及硬巖層洞穴，圍巖塑性區(qū)能夠較好地反映四周圍巖受力的危險區(qū)域，被視為穩(wěn)定性評價依據[30]。此外，地下幾十度的溫度變化至少能夠引起圍巖幾倍蠕變速率的變化[31]，因此其穩(wěn)定性分析也有賴于地下洞穴儲氣熱力耦合模型的建立[32-33]。在此基礎之上，還應考慮儲氣泄漏的影響[34]，構建真實運行工況，洞穴儲氣內部熱力響應和圍巖相互作用下的流熱固耦合模型。

對于以混凝土作為襯砌的人造洞穴，循環(huán)變化的壓力和溫度載荷容易使具有硬脆性的襯砌層出現裂紋[35-36]，從而導致密封失效。

對于地下含水層儲氣，由于空氣-地下水界面的運動儲氣壓力相對恒定，有利于系統(tǒng)效率的提升，但尚未實現工程應用。含水層滲透率和地質構造等固有條件對于含水層儲氣效率以及穩(wěn)定性均具有重要影響，然而相關研究匱乏。

3.3 復合材料儲氣結構特性

復合材料在壓縮空氣儲能領域的應用包括熱塑性復合材料高壓管道和水下柔性氣囊。

對于熱塑性復合材料高壓管道，其失效原因主要是壓力過高所致，因此強度分析至關重要。復合材料具有明顯的各向異性，某一纖維增強層失效時載荷會重新分配，應力變化極其復雜。因此，研究難點在于力學特性研究以及數學模型的建立。

對于水下柔性氣囊，充放氣過程中形成的折痕是其失效的主要原因，因此變形規(guī)律研究尤為重要。英國諾丁漢大學Garvey團隊[37]受啟發(fā)于超壓氣球的設計理念，將氣囊設計成南瓜形，并建立了該氣囊的二維有限元模型，研究了氣囊充滿狀態(tài)以及部分充氣狀態(tài)下的形變規(guī)律，但未考慮充放氣過程中氣囊形狀的動態(tài)變化。程涵[38]以流場力作為外載，利用薄殼單元建立了織物氣囊的三維模型，基于流固耦合方法獲得流場力作用下氣囊的折痕與褶皺位置。然而，該研究是基于準靜態(tài)過程，將氣囊變形過程進行了分段處理，并忽略了氣囊的實際材料特性?？傊詈先嵝詢饽覂炔苛鲃犹匦缘淖冃我?guī)律研究匱乏，亟待加強。

4 結 語

（1）天然地下洞穴儲氣規(guī)模大、成本低，然而依賴于特殊地質和地理條件，因此應積極研究開發(fā)人造洞室、金屬材料及復合材料儲氣等新型儲氣形式，擺脫壓縮空氣儲能系統(tǒng)對地理條件的依賴，促進其大規(guī)模推廣應用。

（2）對于新型儲氣形式，亟待進一步開展精準熱力學模型、地下洞穴穩(wěn)定性評價和復合材料儲氣結構特性等方面的研究工作，為壓縮空氣儲能系統(tǒng)儲氣裝置的選型與應用提供理論指導依據。

（3）熱塑性復合材料管道能夠承受高壓，具有耐腐蝕、抗疲勞等優(yōu)勢，且生產能耗低，可做成盤管降低運輸和安裝費用，有望取代金屬材料用于壓縮空氣儲能系統(tǒng)。此外，可任意折疊變形的柔性復合材料氣囊具有密封性良好和耐腐蝕優(yōu)點，可用于水下壓縮空氣儲能系統(tǒng)，具有良好的發(fā)展前景。