陳海生，劉金超,2，郭 歡,2，徐玉杰，譚春青

（1中國科學(xué)院工程熱物理研究所，北京 100190；2中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100190）

儲能通過一定介質(zhì)存儲能量（主要是電能），在需要時將所存能量釋放，以提高能量系統(tǒng)的效率、安全性和經(jīng)濟(jì)性[1-2]。儲能是目前制約可再生能源大規(guī)模利用的最主要瓶頸之一，也是提高常規(guī)電力系統(tǒng)效率、安全性和經(jīng)濟(jì)性以及分布式能源系統(tǒng)和智能電網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)，因此成為了當(dāng)前電力和能源領(lǐng)域的研發(fā)和投資熱點(diǎn)。

壓縮空氣儲能（compressed air energy storage,CAES）和抽水蓄能被公認(rèn)為是比較適合大容量和長時間電能存儲的儲能系統(tǒng)[3]。壓縮空氣儲能系統(tǒng)通過壓縮空氣儲存多余的電能，在需要時，將高壓空氣釋放通過膨脹機(jī)做功發(fā)電。自從 1949年Stal Laval提出利用地下洞穴實(shí)現(xiàn)壓縮空氣儲能以來[4]，

國內(nèi)外學(xué)者開展了大量的研究和實(shí)踐工作，并已有兩座大型電站分別在德國和美國投入商業(yè)運(yùn)行。另外日本、意大利、以色列等國也分別有壓縮空氣儲能電站正在建設(shè)過程中[5-7]。我國對壓縮空氣儲能系統(tǒng)的研發(fā)雖然起步較晚，但已得到相關(guān)科研院所、電力企業(yè)和政府部門的高度重視，是目前大規(guī)模儲能技術(shù)的研發(fā)熱點(diǎn)[7]。

本文將對壓縮空氣儲能的技術(shù)原理和發(fā)展現(xiàn)狀做簡要講解。

1 技術(shù)原理

圖1 燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)原理圖Fig.1 Principle of gas turbine

壓縮空氣儲能是基于燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)提出的一種能量存儲系統(tǒng)。圖1為燃?xì)廨啓C(jī)的工作原理圖，空氣經(jīng)壓氣機(jī)壓縮后，在燃燒室中利用燃料燃燒加熱升溫，然后高溫高壓燃?xì)膺M(jìn)入透平膨脹做功。燃?xì)廨啓C(jī)的壓氣機(jī)需消耗約2/3的透平輸出功，因此燃?xì)廨啓C(jī)的凈輸出功遠(yuǎn)小于透平的輸出功。壓縮空氣儲能系統(tǒng)的壓縮機(jī)和透平不同時工作（圖2和圖3），在儲能時，壓縮空氣儲能系統(tǒng)耗用電能將空氣壓縮并存于儲氣室中；在釋能時，高壓空氣從儲氣室釋放，進(jìn)入燃燒室利用燃料燃燒加熱升溫后，驅(qū)動透平發(fā)電。由于儲能、釋能分時工作，在釋能過程中，并沒有壓縮機(jī)消耗透平的輸出功，因此，相比于消耗同樣燃料的燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)，壓縮空氣儲能系統(tǒng)可以多產(chǎn)生2倍甚至更多的電力[3]。壓縮空氣儲能具有適用于大型系統(tǒng)（100 MW 級以上）、儲能周期不受限制、系統(tǒng)成本低、壽命長等優(yōu)點(diǎn)；但存在對大型儲氣室、化石燃料的依賴等問題。

壓縮空氣儲能的工作過程同燃?xì)廨啓C(jī)類似，如圖 4所示。假定壓縮和膨脹過程均為單級過程[圖4(a)]，則壓縮空氣儲能系統(tǒng)的工作過程主要包括如下4個。

（1）壓縮過程 1—2 空氣經(jīng)壓縮機(jī)壓縮到一定的高壓，并存于儲氣室；理想狀態(tài)下空氣壓縮過程為絕熱壓縮過程 1—2，實(shí)際過程由于不可逆損失為 1—2'。

圖2 壓縮空氣儲能系統(tǒng)原理圖Fig.2 Principle of CAES

（2）加熱過程2—3 高壓空氣經(jīng)儲氣室釋放，同燃料燃燒加熱后變?yōu)楦邷馗邏旱目諝猓灰话闱闆r下，該過程為等壓吸熱過程。

（3）膨脹過程 3—4 高溫高壓的空氣膨脹，驅(qū)動透平發(fā)電；理想狀態(tài)下，空氣膨脹過程為絕熱膨脹過程3—4，實(shí)際過程由于不可逆損失為3—4′。

（4）冷卻過程 4—1 空氣膨脹后排入大氣，然后下次壓縮時經(jīng)大氣吸入；這個過程為等壓冷卻過程。

壓縮空氣儲能系統(tǒng)同燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)的工作過程的主要區(qū)別在于：① 燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)上述4個過程連續(xù)進(jìn)行，即圖4(a)中4個過程完成一個回路，而壓縮空氣儲能系統(tǒng)中壓縮過程1—2同加熱和膨脹過程（2—3—4）不連續(xù)進(jìn)行，中間為空氣存儲過程；② 燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)不存在空氣存儲過程，壓縮空氣在儲氣室中的存儲過程在圖中沒有示出，一般情況下壓縮存儲過程中溫度會有所少量降低，但容積保持不變，在熱力學(xué)上是一個定容冷卻過程。

圖3 壓縮空氣儲能系統(tǒng)工作原理Fig.3 Operation principle of CAES

圖4 壓縮空氣儲能的工作過程Fig.4 Working process of CAES

壓縮空氣儲能系統(tǒng)實(shí)際工作時，常采用多級壓縮和級間/級后冷卻、多級膨脹和級間/級后加熱的方式，其工作過程如圖4(b)所示。圖4(b)中，過程2'—1'和過程 4'—3'分別表示壓縮的級間冷卻和膨脹過程級間加熱過程。

2 關(guān)鍵技術(shù)

壓縮空氣儲能系統(tǒng)一般包括6個主要部件：①壓縮機(jī)，一般為多級壓縮機(jī)帶中間冷卻裝置；② 膨脹機(jī)，一般為多級透平膨脹機(jī)帶級間再熱設(shè)備；③ 燃燒室及換熱器，用于燃料燃燒和回收余熱等；④ 儲氣裝置，地下或者地上洞穴或壓力容器；⑤電動機(jī)/發(fā)電機(jī)，通過離合器分別和壓縮機(jī)以及膨脹機(jī)聯(lián)接；⑥控制系統(tǒng)和輔助設(shè)備，包括控制系統(tǒng)、燃料罐、機(jī)械傳動系統(tǒng)、管路和配件等。

壓縮空氣儲能系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)包括高效壓縮機(jī)技術(shù)、膨脹機(jī)（透平）技術(shù)、燃燒室技術(shù)、儲氣技術(shù)和系統(tǒng)集成與控制技術(shù)等。壓縮機(jī)和膨脹機(jī)是壓縮空氣儲能系統(tǒng)的核心部件，其性能對整個系統(tǒng)的性能具有決定性影響。盡管壓縮空氣儲能系統(tǒng)與燃?xì)廨啓C(jī)類似，但壓縮空氣儲能系統(tǒng)的空氣壓力比燃?xì)廨啓C(jī)高得多。因此，大型壓縮空氣儲能電站的壓縮機(jī)常采用軸流與離心壓縮機(jī)組成多級壓縮、級間和級后冷卻的結(jié)構(gòu)形式；膨脹機(jī)常采用多級膨脹加中間再熱的結(jié)構(gòu)形式。相對于常規(guī)燃?xì)廨啓C(jī)，壓縮空氣儲能系統(tǒng)的高壓燃燒室的壓力較大。因此，燃燒過程中如果溫度較高，可能產(chǎn)生較多的污染物，因而高壓燃燒室的溫度一般控制在 500 ℃以下。壓縮空氣儲能系統(tǒng)要求的壓縮空氣容量大，通常儲氣于地下鹽礦、硬石巖洞或者多孔巖洞，對于微小型壓縮空氣儲能系統(tǒng)，可采用地上高壓儲氣容器以擺脫對儲氣洞穴的依賴等。

3 發(fā)展現(xiàn)狀

目前，世界上已有兩座大型壓縮空氣儲能電站投入商業(yè)運(yùn)行。第一座是1978年投入商業(yè)運(yùn)行的德國Huntorf電站（圖5），目前仍在運(yùn)行中。機(jī)組的壓縮機(jī)功率60 MW，釋能輸出功率為290 MW，系統(tǒng)將壓縮空氣存儲在地下600 m的廢棄礦洞中，礦洞總?cè)莘e達(dá)3.1×105m3，壓縮空氣的壓力最高可達(dá)100 bar（1 bar=105Pa）。機(jī)組可連續(xù)充氣8 h，連續(xù)發(fā)電2 h。第二座是于1991年投入商業(yè)運(yùn)行的美國Alabama州的McIntosh壓縮空氣儲能電站（圖6）。其地下儲氣洞穴在地下 450 m，總?cè)莘e為5.6×105m3，壓縮空氣儲氣壓力為7.5 MPa。該儲能電站壓縮機(jī)組功率為50 MW，發(fā)電功率為110 MW，可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)41 h空氣壓縮和26 h發(fā)電。該電站由 Alabama州電力公司的能源控制中心進(jìn)行遠(yuǎn)距離自動控制。

美國Ohio州Norton從2001年起開始建一座2700 MW 的大型壓縮空氣儲能商業(yè)電站，該電站由9臺300 MW機(jī)組組成。壓縮空氣存儲于地下670 m的地下巖鹽層洞穴內(nèi)，儲氣洞穴容積為9.57×106m3。日本于2001年投入運(yùn)行的上砂川盯壓縮空氣儲能示范項(xiàng)目，位于北海道空知郡，輸出功率為4 MW，是日本開發(fā)400 MW機(jī)組的工業(yè)試驗(yàn)用中間機(jī)組。它利用廢棄的煤礦坑（約在地下450 m處）作為儲氣洞穴，最大壓力為8 MPa。瑞士ABB公司（現(xiàn)已并入阿爾斯通公司）正在開發(fā)聯(lián)合循環(huán)壓縮空氣儲能發(fā)電系統(tǒng)。目前除德國、美國、日本、瑞士外，俄羅斯、法國、意大利、盧森堡、南非、以色列和韓國等也在積極開發(fā)壓縮空氣儲能電站。

我國對壓縮空氣儲能系統(tǒng)的研究開發(fā)開始比較晚，但隨著電力儲能需求的快速增加，相關(guān)研究逐漸被一些大學(xué)和科研機(jī)構(gòu)所重視。中國科學(xué)院工程熱物理研究所、華北電力大學(xué)、西安交通大學(xué)、華中科技大學(xué)等單位對壓縮空氣儲能電站的熱力性能、經(jīng)濟(jì)性能、商業(yè)應(yīng)用等進(jìn)行了研究，但大多集中在理論和小型實(shí)驗(yàn)層面，目前還沒有投入商業(yè)運(yùn)行的壓縮空氣儲能電站。中國科學(xué)院工程熱物理研究所正在開展 1.5 MW 先進(jìn)壓縮空氣儲能示范工作。

圖5 德國Huntorf 電站Fig.5 Hutorf CAES station in Germany

4 應(yīng)用領(lǐng)域

CAES最初的主要目的是用于電網(wǎng)調(diào)峰和調(diào)頻，如德國Huntorf電站和美國McIntosh電站的建設(shè)就是用來調(diào)峰調(diào)頻，隨著CAES技術(shù)及相關(guān)技術(shù)的發(fā)展和微型CAES（10～50 MW）的出現(xiàn)，CAES應(yīng)用越來越廣泛，在可再生能源、分布式能源、汽車、UPS電源等方面得到了應(yīng)用。

（1）調(diào)峰 大規(guī)模CAES最重要的應(yīng)用就是電網(wǎng)調(diào)峰和調(diào)頻，用于調(diào)峰的 CAES電站可分為兩類，在電網(wǎng)中獨(dú)立的 CAES電站和與電站匹配的CAES系統(tǒng)。

（2）調(diào)頻 CAES另一個很重要的應(yīng)用就是電網(wǎng)調(diào)頻，CAES電站可以像其它燃?xì)廨啓C(jī)電站、抽水蓄能電站、火電站一樣起到調(diào)頻作用。由于其用的是低谷電能，可做電網(wǎng)第一調(diào)頻廠運(yùn)行。當(dāng)其與其它儲能技術(shù)如超級電容、飛輪儲能結(jié)合時，調(diào)頻速度更快。

（3）可再生能源 通過CAES可以將間斷的可再生能源儲存起來，在用電高峰期釋放，起到促進(jìn)可再生能源大規(guī)模利用和提供高峰電量的作用等。主要包括與風(fēng)電結(jié)合的CAES，與太陽能/光伏結(jié)合的CAES，以及與生物質(zhì)結(jié)合的CAES等。

（4）分布式能源系統(tǒng) 大電網(wǎng)與分布式能源系統(tǒng)相結(jié)合是未來高效、低碳、高安全性能源系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。儲能系統(tǒng)作為負(fù)荷平衡裝置和備用電源等是解決分布式能源系統(tǒng)波動大、故障率高等缺點(diǎn)的主要途徑。由于CAES由于其與制冷/制熱/冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)很容易結(jié)合的優(yōu)點(diǎn)，在分布式能源系統(tǒng)中將有很好的應(yīng)用。

（5）其它應(yīng)用 CAES在汽車動力、UPS電源等方面有廣泛的應(yīng)用前景。

5 發(fā)展趨勢

壓縮空氣儲能在容量、功率等級、放電時間、成本等方面都與抽水蓄能技術(shù)相近，特別在要求大規(guī)模（如數(shù)百兆瓦）儲能而又沒有條件實(shí)施抽水蓄能的情況下，壓縮空氣儲能將有廣闊的應(yīng)用前景。2010年，美國著名的咨詢公司Pike Research發(fā)布了他們對壓縮空氣儲能的 2010—2020年的預(yù)測。由于壓縮空氣儲能在大規(guī)模儲能技術(shù)的 3個主要參數(shù)：容量或額定功率（數(shù)百兆瓦），放電時間（數(shù)或數(shù)十小時）以及能源成本（數(shù)百美元/千瓦時）方面表現(xiàn)優(yōu)秀，Pike Research公司估計(jì)，壓縮空氣儲能系統(tǒng)市場將從2010年的453 MW增加到2020年的近7 GW。

同時，我們也必須看到常規(guī)壓縮空氣儲能存在對大型儲氣室、化石燃料的依賴等問題，必須在地形條件和供氣保障的情況下才可能得到大規(guī)模應(yīng)用。帶儲熱的壓縮空氣儲能系統(tǒng)（AA-CAES），除去了燃燒室，具有效率高、無污染的特點(diǎn)，并可以方便地和太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)結(jié)合，是壓縮空氣儲能技術(shù)的重要發(fā)展方向。液態(tài)空氣儲能系統(tǒng)（LAES）和超臨界空氣儲能系統(tǒng)（SCAES）將空氣在液態(tài)下存儲，大幅減小儲氣室的體積，從而擺脫對大型地下儲氣室的限制，也是壓縮空氣儲能技術(shù)的重要發(fā)展方向。小型壓縮空氣儲能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，功能靈活。它利用高壓容器代替儲氣洞穴，能夠擺脫傳統(tǒng)壓縮空氣儲能系統(tǒng)對地形的依賴，可以用于備用電源、汽車動力和分布式供能系統(tǒng)等，具有廣泛的應(yīng)用前景。壓縮空氣儲能與可再生能源的耦合系統(tǒng)可以解決可再生能源的間斷性和不穩(wěn)定性問題，是提高風(fēng)能、太陽能等可再生能源大規(guī)模利用的迫切需要，將是壓縮空氣儲能技術(shù)的近期主要發(fā)展方向。

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