壓縮空氣儲能技術(shù)及發(fā)展趨勢概述

計熠 霍玉龍 王沖 劉鑫

摘?要：介紹了壓縮空氣儲能的基本原理，以是否需要補燃對其改進型的研究進展分別進行闡述，評價了不同系統(tǒng)的參數(shù)。簡要概括水下壓縮空氣儲能技術(shù)，羅列出近幾年中國壓縮空氣儲能研究進展的突破，同時針對各國對壓縮空氣儲能系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀，提出了未來壓縮空氣儲能技術(shù)發(fā)展方向。

關鍵詞：壓縮空氣儲能;研究進展;發(fā)展方向

中圖分類號：TM77

Abstract：This article reviews the basic principles of compressed air energy storage，and separately elaborates the research progress of its improved version based on whether supplementary combustion is required，and evaluates the parameters of different systems.Briefly summarize the underwater compressed air energy storage technology，and list the breakthroughs in the research progress of China's compressed air energy storage in recent years.In view of the current development status of compressed air energy storage systems in various countries，the development tendency of compressed air energy storage technology is discussed.

Key words：compressed air energy storage;research progress;development tendency

引言

由于社會對電力需求的增大導致的高峰供電短缺，發(fā)展大規(guī)模儲能技術(shù)成為了解決該問題的有效途徑。目前常見的儲能技術(shù)有電池儲能、抽水儲能、飛輪儲能、壓縮空氣儲能等。其中抽水儲能和壓縮空氣儲可以作為大規(guī)模容量的商業(yè)化應用，但抽水儲能限于地形約束，如在極寒、無豐富水源等地域無法使用，而壓縮空氣儲能 （Compressed Air Energy Storage，CAES） 系統(tǒng)不受地理因素的限制，并且電量成本和相應速度都與其相當。目前CAES技術(shù)成熟，運行壽命長，可循環(huán)上萬次，是能與抽水蓄能相媲美的大規(guī)模儲電技術(shù)。

國家能源局統(tǒng)計[1]，截至2020年底，我國可再生能源發(fā)電裝機達到9.34億千瓦，同比增長約17.5%，其中風電裝機2.81億千瓦、光伏發(fā)電裝機2.53億千瓦。但由于風電、光伏等可再生能源的間接性和不確定性，直接并網(wǎng)后必定會對電網(wǎng)造成波動，CAES系統(tǒng)可通過對斷續(xù)能量的儲存并穩(wěn)定釋放，改善電能品質(zhì)，提升電網(wǎng)穩(wěn)定性，同時為可再生能源應用于微能源電網(wǎng)等提供可行性。對于提高可再生能源利用，同時實現(xiàn)我國能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型起到了巨大的推動作用。因此，CAES是最具潛力的儲能技術(shù)之一，必將對未來的電力和能源系統(tǒng)產(chǎn)生重要作用。

為了深入地理解壓縮空氣儲能技術(shù)，本文介紹了CAES 系統(tǒng)的基本工作原理及技術(shù)特點，并以是否需要補燃進行分類，簡要闡述了CAES性能優(yōu)化方案，并且分析了水下CAES技術(shù)的優(yōu)勢與發(fā)展現(xiàn)狀，最后基于CAES 技術(shù)研究以及國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀的基礎上，探討了未來 CAES 技術(shù)的發(fā)展趨勢。

1?CAES系統(tǒng)基本工作原理

CAES技術(shù)的提出基于燃氣輪機原理，其二者都有壓縮機、透平與工作所需的相同的工質(zhì)，而CAES相比于燃氣輪機，在工作方式上，壓縮機與透平錯時工作，在用電低峰時，CAES將電能用于空氣壓縮，并且將空氣儲存在礦井、儲氣罐、鹽巖洞等儲氣裝置中，在用電高峰時釋放壓縮空氣推動透平發(fā)電。主要過程可分為壓縮空氣、儲存空氣、釋放能量。如圖1。因此在部件組成上，CAES比燃氣輪機多增加了儲氣裝置。CAES的核心部件，壓縮機組采用多級壓縮，級間冷卻的工作模式，并且根據(jù)不同CAES系統(tǒng)，對于壓縮機除滿足高壓比、流量大外也有不同要求，這與燃氣輪機中壓縮機部件有很大不同。在效率方面，相同的燃料消耗CAES系統(tǒng)的輸出功率較傳統(tǒng)的燃氣輪機可以高出2倍左右[2]。

目前德國Huntorf與美國McIntosh壓縮空氣儲能電站相繼投入使用，但其電-電轉(zhuǎn)換效率仍不理想，CAES技術(shù)一方面正朝向控制系統(tǒng)研究與優(yōu)化、核心部件的改良以提高系統(tǒng)效率，另一方面部分CAES技術(shù)利用冷熱電三聯(lián)供特性，提高系統(tǒng)熱能利用率。

2?CAES系統(tǒng)研究進展

2.1 多級壓縮及增加回熱器技術(shù)

國際上已投入使用的兩座CAES均為補燃型。以Huntorf電站為例，該電站的額定輸出功率為290 MW，2006年通過增加兩透平前參數(shù)額定功率提高到了321 MW。在電站各部分?損中，去除燃燒室在燃燒過程不可避免的能量轉(zhuǎn)化的損失外，排氣?損占比最高，為10.46%[3]。其主要原因是工質(zhì)在經(jīng)過低壓透平后溫度超過400 ℃，仍有很大利用性。因此可以在增加回熱器吸收廢棄的熱量用于預熱即將進入透平的工質(zhì)，與Huntorf電站對比燃燒室中天然氣的消耗降幅33%，排氣?損也降至2.37%。美國McIntosh壓縮空氣儲能電站基于此技術(shù)將系統(tǒng)的循環(huán)效率提高了13%，系統(tǒng)性能得到優(yōu)化。

2.2 進氣噴霧技術(shù)

由于液體水霧的高密度和高熱容量，在空氣被壓縮階段可以對其進行持續(xù)冷卻，使得壓縮時溫度只會略有升高而近似為等溫壓縮，因此提高壓縮效率。進氣噴霧技術(shù)早期應用燃氣輪機領域，如W501A型燃氣輪機基于此技術(shù)，發(fā)電率較之前提升20%。