韓越, 李睿，孫世超，李季，朱學(xué)成，凌晨

(1.中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)江蘇省電力設(shè)計(jì)院有限公司，南京 211100；2.東南大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院，南京 210096)

全球資源和環(huán)境問題日益突出，發(fā)展綠色清潔的可再生能源成為了當(dāng)前國(guó)內(nèi)外的研究熱點(diǎn)。然而，風(fēng)電和光電受自然條件變化的影響，存在即發(fā)即用的特點(diǎn)，出現(xiàn)波動(dòng)時(shí)將會(huì)對(duì)電網(wǎng)的頻率產(chǎn)生影響，使供電品質(zhì)下降。因此，利用儲(chǔ)能來削峰填谷，可有效地解決新能源波動(dòng)性問題，對(duì)提高可再生能源利用率、改善能源結(jié)構(gòu)和實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)有著重大意義[1]。

常見的儲(chǔ)能方式有抽水蓄能、電化學(xué)儲(chǔ)能和壓縮空氣儲(chǔ)能等[2]。抽水蓄能技術(shù)發(fā)展成熟且成本低廉，但受地理位置制約；電化學(xué)儲(chǔ)能效率高，但儲(chǔ)能容量小、成本高，難以滿足大容量的電網(wǎng)負(fù)荷儲(chǔ)能需求。與之相比，壓縮空氣儲(chǔ)能(Compressed Air Energy Storage, 簡(jiǎn)稱CAES)具有使用壽命長(zhǎng)、儲(chǔ)能容量大和運(yùn)行成本低等優(yōu)點(diǎn)，有著良好的發(fā)展前景。壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)存在多種能量形式轉(zhuǎn)化，可與其它能源系統(tǒng)耦合形成優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，從而進(jìn)一步提升儲(chǔ)能系統(tǒng)的運(yùn)行效率，同時(shí)也使被耦合能源的利用率提高。

本文以壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)與多能耦合技術(shù)的研究進(jìn)展為中心，首先介紹了壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)的基本原理和國(guó)內(nèi)外發(fā)展情況，隨后研究了壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)與采用傳統(tǒng)化石能源的系統(tǒng)(如內(nèi)燃機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)、煤電機(jī)組)和采用新能源的系統(tǒng)(如風(fēng)電、光電)的耦合方式，并對(duì)未來儲(chǔ)能及其耦合系統(tǒng)的發(fā)展形式作出了展望。

1 壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)概述

1.1 工作原理

壓縮空氣儲(chǔ)能發(fā)電技術(shù)首先利用多余的電能驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)使空氣被壓縮為高壓氣體，儲(chǔ)存在儲(chǔ)氣裝置中，等到用電高峰期時(shí)釋放儲(chǔ)氣裝置中的高壓空氣，通過燃燒或換熱等方式加熱壓縮氣體，輸送至膨脹機(jī)內(nèi)膨脹做功，推動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，從而達(dá)到削峰填谷的作用[3]。壓縮空氣儲(chǔ)能可分為補(bǔ)燃式和非補(bǔ)燃式兩種。補(bǔ)燃式系統(tǒng)在膨脹釋能的過程中，空氣與其它化石燃料在燃燒室內(nèi)燃燒驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。非補(bǔ)燃式系統(tǒng)分為無外來熱源和有外來熱源兩種，其中，有外來熱源型一般利用太陽能或煤電機(jī)組的多余熱量加熱空氣膨脹做功；無外來熱源型系統(tǒng)則增設(shè)儲(chǔ)熱裝置，壓縮過程產(chǎn)生的熱量經(jīng)導(dǎo)熱介質(zhì)換熱后儲(chǔ)存在儲(chǔ)熱罐中，在膨脹釋能時(shí)儲(chǔ)熱罐中的熱介質(zhì)加熱高壓空氣，實(shí)現(xiàn)壓縮熱的高效利用。

1.2 發(fā)展現(xiàn)狀

世界上第一座投入商業(yè)運(yùn)營(yíng)的壓縮空氣儲(chǔ)能電站于1978年由德國(guó)HUNTORF建成，采用傳統(tǒng)補(bǔ)燃式系統(tǒng)，運(yùn)行效率達(dá)到42%。1991年美國(guó)MCLNTOSH建成了世界第二座壓縮空氣儲(chǔ)能電站，新增了余熱回收系統(tǒng)，通過回收膨脹機(jī)排氣廢熱來提高膨脹釋能階段的空氣溫度，減少了化石燃料的消耗量，并使系統(tǒng)的效率提高至54%[3]。

第二代壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)在第一代的基礎(chǔ)上改進(jìn)了膨脹機(jī)排氣的余熱利用系統(tǒng)，通過燃?xì)廨啓C(jī)的排氣預(yù)熱空氣，從而進(jìn)一步提高了系統(tǒng)的整體效率。歐洲Alstorn公司在2003年提出了先進(jìn)絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能的概念，通過將空氣壓縮階段產(chǎn)生的熱能儲(chǔ)存起來，并利用儲(chǔ)存的壓縮熱在膨脹釋能階段加熱儲(chǔ)氣庫出口的空氣[4]。該系統(tǒng)不僅避免了化石燃料的使用，更將系統(tǒng)的整體效率提高至70%。英國(guó)高瞻公司于2010年建設(shè)了首臺(tái)液態(tài)壓縮空氣儲(chǔ)能電站，通過將空氣壓縮至液態(tài)儲(chǔ)存有效地減少了儲(chǔ)氣裝置容積，解決了地域限制的問題。

我國(guó)對(duì)壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)的研究開展較晚，但工程建設(shè)進(jìn)度排在世界前列。中國(guó)科學(xué)院工程熱物理研究所在2013年建設(shè)了河北廊坊1.5 MW壓縮空氣儲(chǔ)能電站，效率達(dá)到52%[5]。清華大學(xué)于2014年建設(shè)了非補(bǔ)燃式壓縮空氣儲(chǔ)能示范系統(tǒng)TICC-500，效率為33%。由中鹽集團(tuán)、華能集團(tuán)和清華大學(xué)承擔(dān)建設(shè)的江蘇金壇60 MW壓縮空氣儲(chǔ)能示范項(xiàng)目于2021年成功并網(wǎng)，該項(xiàng)目集結(jié)了中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)和東方電氣等各方力量，實(shí)現(xiàn)了主裝備完全國(guó)產(chǎn)化。中國(guó)科學(xué)院工程熱物理研究所與有關(guān)單位合作，在貴州畢節(jié)和山東肥城先后建設(shè)了10 MW 壓縮空氣儲(chǔ)能電站。此外，100 MW、300 MW以上的河北張北、湖北應(yīng)城、江蘇淮安和山東肥城(二期)等地的CAES電站也在緊鑼密鼓的規(guī)劃或建設(shè)階段。

2 壓縮空氣儲(chǔ)能與多能耦合

2.1 壓縮空氣儲(chǔ)能-內(nèi)燃機(jī)耦合系統(tǒng)

壓縮空氣可作為動(dòng)力應(yīng)用在氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)汽車上，與內(nèi)燃機(jī)耦合成為混合動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)。美國(guó)加州大學(xué)開發(fā)的混合動(dòng)力汽車使用壓縮空氣啟動(dòng)，持續(xù)行駛時(shí)則換用常規(guī)的汽油燃燒動(dòng)力源，當(dāng)減速剎車時(shí)將發(fā)動(dòng)機(jī)作為壓縮機(jī)實(shí)現(xiàn)能量回收，并用于下一次的汽車啟動(dòng)，該混合動(dòng)力車在市區(qū)行駛時(shí)比常規(guī)內(nèi)燃?xì)馄嚹芎臏p少了64%[6]。

壓縮空氣-內(nèi)燃機(jī)耦合系統(tǒng)也可用于小范圍供電供熱。姚爾人[7]等提出了一種壓縮空氣儲(chǔ)能耦合內(nèi)燃機(jī)的冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)，壓縮空氣儲(chǔ)能-內(nèi)燃機(jī)耦合冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)如圖1所示，壓縮過程產(chǎn)生的壓縮熱和內(nèi)燃機(jī)排氣余熱被用來預(yù)熱儲(chǔ)氣室出口的空氣，而后空氣驅(qū)動(dòng)膨脹機(jī)做功發(fā)電，經(jīng)換熱后再進(jìn)入內(nèi)燃機(jī)和天然氣混燃驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。內(nèi)燃機(jī)排氣在完成預(yù)熱后進(jìn)入制冷機(jī)制冷，最后去換熱器給用戶供熱，整個(gè)系統(tǒng)的火用效率可達(dá)51%。LI[8]等設(shè)計(jì)了壓縮空氣儲(chǔ)能與柴油機(jī)的耦合系統(tǒng)，用于給一個(gè)村莊供電，模擬計(jì)算發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)的年燃料消耗量與純柴油機(jī)發(fā)電系統(tǒng)相比降低了50%。

圖1 壓縮空氣儲(chǔ)能-內(nèi)燃機(jī)耦合冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)

2.2 壓縮空氣儲(chǔ)能-燃?xì)廨啓C(jī)耦合系統(tǒng)

燃?xì)廨啓C(jī)和壓氣機(jī)同軸串聯(lián)工作模式對(duì)機(jī)組的靈活性產(chǎn)生了極大的影響，此外壓氣機(jī)的耗能降低了機(jī)組的發(fā)電量。針對(duì)這一問題，董振斌[9]等提出了一種壓縮空氣儲(chǔ)能-燃?xì)廨啓C(jī)耦合發(fā)電系統(tǒng)如圖2所示。在壓縮儲(chǔ)能模式時(shí)，燃?xì)廨啓C(jī)與電機(jī)斷開而壓氣機(jī)與電機(jī)連接，同步電機(jī)作為電動(dòng)機(jī)使用，利用多余電能驅(qū)動(dòng)壓氣機(jī)壓縮空氣并儲(chǔ)存，壓縮熱被用于供熱；在發(fā)電模式時(shí)，燃?xì)廨啓C(jī)與電機(jī)連接而壓氣機(jī)與電機(jī)斷開，同步電機(jī)作為發(fā)電機(jī)使用，儲(chǔ)氣罐內(nèi)的壓縮空氣進(jìn)入燃?xì)廨啓C(jī)混燃做功發(fā)電。宋權(quán)斌[10]等通過一逆流換熱器將壓縮空氣模塊與燃?xì)廨啓C(jī)冷熱電聯(lián)供模塊耦合，經(jīng)模擬計(jì)算得出采用該系統(tǒng)配置方案的2 MW的燃?xì)廨啓C(jī)在夏季時(shí)可節(jié)省28.7%的成本。WANG[11]等指出，在應(yīng)用于建筑群時(shí)，壓縮空氣儲(chǔ)能耦合燃?xì)廨啓C(jī)冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)還可連接太陽能發(fā)電系統(tǒng)，進(jìn)一步擴(kuò)大了應(yīng)用范圍。

圖2 壓縮空氣儲(chǔ)能-燃?xì)廨啓C(jī)耦合發(fā)電系統(tǒng)

2.3 壓縮空氣儲(chǔ)能-制冷循環(huán)耦合系統(tǒng)

壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)在膨脹做功環(huán)節(jié)需要吸收外界環(huán)境中的熱量，針對(duì)這一特性，WANG[12]等設(shè)計(jì)了一種壓縮空氣儲(chǔ)能-制冷循環(huán)耦合系統(tǒng)如圖3所示，通過膨脹機(jī)驅(qū)動(dòng)用于制冷的壓縮機(jī)，壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)膨脹機(jī)和制冷系統(tǒng)蒸發(fā)器出口的冷空氣混合后輸出給用戶提供冷量。該耦合系統(tǒng)每天工作10 h，可為200 m2的房間提供720 MJ的冷量，經(jīng)熱力學(xué)分析和制冷循環(huán)敏感性分析對(duì)比，該系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性優(yōu)于冰蓄冷系統(tǒng)和蒸發(fā)制冷系統(tǒng)。

圖3 壓縮空氣儲(chǔ)能-制冷循環(huán)耦合系統(tǒng)

2.4 壓縮空氣儲(chǔ)能-火電機(jī)組耦合系統(tǒng)

電網(wǎng)的主要調(diào)峰任務(wù)由火電機(jī)組承擔(dān)，然而電廠中設(shè)備的使用壽命和運(yùn)行成本因此受到了極大的影響。王曉露[13]等提出了一種壓縮空氣儲(chǔ)能與抽凝式熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組耦合的系統(tǒng)，夜晚時(shí)用電負(fù)荷低而熱負(fù)荷高，多余電能驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)將空氣壓縮后儲(chǔ)存，而壓縮熱則同機(jī)組采暖抽氣一起給用戶供熱；白天時(shí)用電負(fù)荷高而熱負(fù)荷低，儲(chǔ)氣室中的高壓空氣輸出至膨脹機(jī)做功，采暖抽汽則被用于預(yù)熱空氣。該耦合系統(tǒng)相比傳統(tǒng)火電機(jī)組熱電比進(jìn)一步拓寬，火用效率提升了4%～31.4%。李斌[14]等對(duì)耦合方案展開研究，壓縮空氣儲(chǔ)能-抽凝式熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組耦合系統(tǒng)如圖4所示，計(jì)算模型中火電機(jī)組為350 MW一次再熱抽凝式，設(shè)有3臺(tái)高加4臺(tái)低加1臺(tái)除氧器；絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)容量為10 MW，設(shè)有4臺(tái)壓縮機(jī)和4臺(tái)膨脹機(jī)。模擬結(jié)果表明，最佳耦合方案在儲(chǔ)能階段用凝結(jié)水回水吸收壓縮熱后回收至除氧器，在膨脹階段用5號(hào)抽汽加熱儲(chǔ)氣室出口空氣后回收至5號(hào)低加。通過增大膨脹釋能階段空氣流量和溫度可提高膨脹機(jī)出力，從而提高火電機(jī)組對(duì)電網(wǎng)調(diào)峰指令的響應(yīng)速度，快速完成并網(wǎng)任務(wù)。

圖4 壓縮空氣儲(chǔ)能-抽凝式熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組耦合系統(tǒng)

2.5 壓縮空氣儲(chǔ)能-可再生能源耦合系統(tǒng)

2.5.1 太陽能

在壓縮空氣儲(chǔ)能-太陽能耦合系統(tǒng)中，儲(chǔ)能時(shí)，光電或低谷電驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)壓縮空氣并儲(chǔ)存，光熱經(jīng)太陽能集熱器收集后通過蓄熱介質(zhì)儲(chǔ)存在高溫儲(chǔ)罐中；釋能時(shí)，壓縮熱和光能蓄熱共同用于加熱儲(chǔ)氣室出口的高壓空氣，而后空氣被送往膨脹機(jī)做功發(fā)電。朱瑞[15]等研究了太陽能蓄熱介質(zhì)對(duì)儲(chǔ)能耦合系統(tǒng)熱力學(xué)性能的影響，采用導(dǎo)熱油蓄熱時(shí)儲(chǔ)電折合轉(zhuǎn)化系數(shù)為78.65%，太陽能折算發(fā)電效率為19.54%，采用熔融鹽蓄熱時(shí)轉(zhuǎn)化系數(shù)和發(fā)電效率分別為109.71%和34.43%，太陽能利用效率和儲(chǔ)電效率進(jìn)一步提高。李斌[16]等在上文所提及的火電廠耦合壓縮空氣儲(chǔ)能的系統(tǒng)方案上進(jìn)行了改良，改用太陽能蓄熱替代汽輪機(jī)5段抽汽預(yù)熱儲(chǔ)氣室出口的高壓空氣，降低了機(jī)組的煤耗并提高了運(yùn)行的穩(wěn)定性，形成了“光火儲(chǔ)”一體化發(fā)電系統(tǒng)，為傳統(tǒng)火電機(jī)組靈活性改造提供了極具發(fā)展前景的設(shè)計(jì)方案。

2.5.2 風(fēng)能

SUN[17]等提出了一種壓縮空氣儲(chǔ)能與風(fēng)能的耦合方案來緩解風(fēng)力波動(dòng)時(shí)風(fēng)電對(duì)電網(wǎng)造成的沖擊，利用電網(wǎng)低谷電驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)壓縮空氣，在低風(fēng)速時(shí)儲(chǔ)氣室內(nèi)高壓空氣釋出進(jìn)入膨脹機(jī)做功，通過傳動(dòng)機(jī)械作用于風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上，從而穩(wěn)定風(fēng)機(jī)的輸出功率。該耦合方案儲(chǔ)能系統(tǒng)的效率為55%，適用于小型風(fēng)電站。徐煥祥[18]設(shè)計(jì)了一種壓縮空氣儲(chǔ)能-風(fēng)能-柴油機(jī)集成發(fā)電系統(tǒng)如圖5所示，壓縮機(jī)將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為高壓空氣內(nèi)能儲(chǔ)存，用電負(fù)荷低時(shí)壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)直接釋放高壓空氣膨脹做功發(fā)電，用電負(fù)荷高時(shí)柴油機(jī)和儲(chǔ)能系統(tǒng)共同發(fā)電，該系統(tǒng)比同樣條件下蓄電池儲(chǔ)能系統(tǒng)降低了84%的年均儲(chǔ)能成本。

圖5 壓縮空氣儲(chǔ)能-風(fēng)能-柴油機(jī)集成發(fā)電系統(tǒng)

風(fēng)能、太陽能和儲(chǔ)能耦合系統(tǒng)被稱為“風(fēng)光儲(chǔ)”。CHEN[19]等將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為壓縮空氣內(nèi)能儲(chǔ)存，將光能經(jīng)蓄熱器儲(chǔ)存在熱儲(chǔ)罐中，在用電負(fù)荷增加時(shí)太陽能儲(chǔ)熱預(yù)熱高壓空氣膨脹做功，該系統(tǒng)的效率可達(dá)46%，每發(fā)1 MW·h的電成本僅需$94.1。

邢志光[20]構(gòu)想了一種風(fēng)能-太陽能-海洋能耦合壓縮空氣儲(chǔ)能的海上風(fēng)電配置方案：根據(jù)海水波動(dòng)和浮力原理，通過一種類似打氣筒的海面振蕩浮子不斷將外界空氣壓縮至集氣管中；海風(fēng)帶動(dòng)風(fēng)機(jī)葉輪旋轉(zhuǎn)，驅(qū)動(dòng)空氣壓縮機(jī)將空氣壓縮后送入集氣管；太陽能被槽式集熱管捕集，經(jīng)導(dǎo)熱油傳熱后預(yù)熱集氣管中的壓縮空氣，最后送入透平機(jī)膨脹發(fā)電。文中選用浙江舟山嵊泗島附近海域?yàn)槟M區(qū)域設(shè)計(jì)了一座3 700 kW的海上風(fēng)電站，全年發(fā)電量可達(dá)到0.324億kW·h。

3 結(jié)語

壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)是提高能源利用率、進(jìn)一步擴(kuò)大可再生能源入網(wǎng)比例的有力支撐和內(nèi)在需求。壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)可以和多種能源形式的熱力系統(tǒng)相耦合，減少了化石燃料的消耗量，通過壓縮熱回收利用、增設(shè)光伏蓄熱裝置等手段可有效提高系統(tǒng)運(yùn)行效率，降低發(fā)電成本。

基于壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)形成了“光火儲(chǔ)”、“風(fēng)光儲(chǔ)”、海上風(fēng)電站等新型儲(chǔ)能發(fā)電集成系統(tǒng)，有著良好的發(fā)展前景和可實(shí)現(xiàn)性，可推動(dòng)我國(guó)傳統(tǒng)火電行業(yè)實(shí)現(xiàn)改造升級(jí)與轉(zhuǎn)型，并為我國(guó)未來儲(chǔ)能電站建設(shè)提供了思路。