水下压缩空气储能研究进展

王志文，熊 伟，王海涛，王祖温



水下压缩空气储能研究进展

王志文，熊 伟，王海涛，王祖温

（大连海事大学船舶机电装备研究所，辽宁 大连 116026）

压缩空气储能技术是目前储能技术的研究热点之一。水下压缩空气储能利用水的静压特性实现压缩空气的等压存储，具有系统效率较高、受地形限制小、储能规模灵活可变的特点，尤其适合于海上风能等可再生能源的规模化存储。本文简要介绍了压缩空气储能技术的工作原理与发展，通过对比分析阐明了水下压缩空气储能所具有的优势，全面分析了水下压缩空气储能技术的研究进展，对采用柔性储能包的水下压缩空气储能技术进行了重点分析，并对水下压缩空气储能系统开发的关键技术进行了总结和展望。

水下压缩空气储能；等压；流体静压；可再生能源；储能包

储能是指在能量富余的时候，利用特殊技术与装置把能量储存起来，并在需要时将存储的能量释放出来，从而调节能量供求在时间和强度上的不匹配问题[1]。按照能量存储的形式不同可分为机械储能、电化学储能、电磁储能等。机械储能又可细分为抽水储能、压缩空气储能和飞轮储能，电化学储能主要包括铅酸、锂离子、钠硫、液流电池储能等，电磁储能包括超级电容器储能、超导磁蓄能，此外还有氢能存储、热能存储等[1-6]。

近十几年来，全球可再生能源开发利用发展迅速。以风能开发为例，到2013年末为止，我国风力发电累计装机总量为91.4 GW，占全球总容量的28.7%。我国拥有丰富的海上风能资源，“十二五”曾规划至2015年海上风力发电安装容量达到5 GW，至2020年安装容量达到30 GW的发展目标，但到目前为止，目标远未实现。2014年8月，国家发改委提出对发展海上风电进行政府补贴，积极推动海上风电发展。文献[7]研究分析预测中国将在2020年迎来海上风能发展的黄金时期。美国也计划加速海上风场的开发，计划到2020年实现海上风力发电安装容量10 GW，到2030年达到54 GW的 目标[8]。

可再生能源（风能、太阳能、水能、海洋能等）的大规模开发利用势在必行，但可再生能源存在能量密度低、间歇性、随机性等先天性缺陷[9-10]，阻碍其高效、低成本和规模化开发利用。尤其是可再生能源电能的波动性会对电网造成较大冲击，降低电网的稳定性。储能技术与可再生能源发电技术相结合，不仅可以提高系统的稳定性、改善电能品质，还可以提高可再生能源利用率。目前，可再生能源消费占我国能源消费总量的比重还很低，未来可再生能源的大规模开发利用必然需要规模化储能技术的支持，而且近年来随着分布式能源系统的快速发展，对电网经济性、可靠性要求的不断提高，储能技术的发展需求愈发紧迫。

目前，商业化大规模储能技术只有抽水储能和压缩空气储能。抽水储能具有技术成熟、效率高、容量大、储能周期长等优点，是目前应用最为广泛的电能存储技术。但是，抽水储能电站需要建造上下两个水库和水坝，地理条件要求特殊，建设周期长，初期投资大，甚至会引发生态环境问题[3,11]。目前，压缩空气储能成为大规模储能技术的研究热点，具有可靠性高、经济性好、对环境影响小等优点，有望成为抽水储能的替代技术。但是大规模地下压缩空气储能仍受到地质条件的限制，对存储地形有较为严苛的要求。随着分布式电力系统的发展，人们开始更多地关注微小型压缩空气储能系统[1]。水下压缩空气储能作为压缩空气储能技术的一种，充分利用了水的静压特性来实现压缩空气的定压存储，受到了越来越多人的关注，尤其适用于海上风能等可再生能源的规模存储。

1 压缩空气储能

压缩空气储能技术是在燃气轮机技术的基础上发展起来的[5]，相比于燃气轮机发电，消耗等量的燃料能够输出更多的电能。传统压缩空气储能系统原理图如图1所示，当电网电能富足时，使用此时的低价电能驱动电动机压缩机压缩空气，将低价电能以压缩空气能量的形式进行存储。大规模压缩空气储能通常选择地质条件合适的蓄水层、岩洞和废弃矿洞进行高压压缩空气的存储。在用电高峰期，将存储的高压压缩空气释放出来供给燃料燃烧，产生的高温高压燃气驱动膨胀机做功发电，生产高价电能。

第一座投入商业运行的德国Huntorf压缩空气储能电站就是基于此原理建成的，自1978年至今运行良好，电站初始额定功率为290 MW，于2006年对透平膨胀机部分进行了改进，降低了高压透平的进气温度，增加了低压透平的进气温度和压力，从而使输出功率提高到了321 MW[12]。Huntorf压缩空气储能电站将高压压缩空气存储在地下600 m深的废弃矿洞中，存储容量为3.1×105m³，最高存储压力可达10 MPa。每生产1 kW·h电能需要消耗0.8 kW·h电能和1.6 kW·h天然气能量，系统能量效率为41.7%，电站可连续发电2 h。

美国阿拉巴马州的McIntosh压缩空气储能电站于1991年投入商业运营，电站额定功率为110 MW，高压压缩空气存储在地下457 m深、容积5.6×105m3的地下岩洞，存储压力为4.5～7.5 MPa。德国Huntorf压缩空气储能电站的燃烧废气直接排向大气，废气仍然具有较高的温度，造成了热能的浪费。McIntosh压缩空气储能电站则引入了回热器回收废气中的热能，其原理如图2所示，存储的压缩空气在进入燃烧室之前，进入回热器利用高温废气进行加热，从而提高了系统能效，McIntosh压缩空气储能电站能量效率为53.8%，每生产1 kW·h电能需要消耗0.69 kW·h电能和1.17 kW·h天然气能量。McIntosh压缩空气储能电站能在100 MW负荷下连续工作26 h，发电时从启动到带满负荷仅需10 min。

德国Huntorf压缩空气储能电站与美国阿拉巴马州的McIntosh压缩空气储能电站是目前世界上仅有的两座投入商业运营的大规模压缩空气储能电站，也被称为第一代压缩空气储能技术[13]。

第一代压缩空气储能技术主要存在以下显著缺陷：① 压缩过程中产生的大量热能被浪费；② 仍然需要消耗燃料，产生大量二氧化碳排放。

为了解决传统压缩空气储能技术的以上缺陷，一些新的压缩空气储能概念被提出，主要有先进绝热压缩空气储能、第二代压缩空气储能技术、等温压缩空气储能。此外，为了提高系统效率和灵活性，发展了压缩空气储能与其它热力系统耦合系统；为了提高压缩空气能量密度先后出现了液态空气储能与超临界压缩空气储能系统等[14]。

1.1 先进绝热压缩空气储能

不同于传统的压缩空气储能技术，先进绝热压缩空气储能（AACAES，advanced adiabatic compressed air energy storage）将压缩过程中产生的大量热能通过热能存储单元进行存储，在膨胀释能阶段，用此部分存储的热能加热压缩空气，提高压缩空气能量，从而提高系统总效率。更重要的是，因为先进绝热压缩空气储能系统不需要燃烧化石燃料，因此不会产生污染气体排放。AACAES系统原理图如图3所示，图中压缩机和膨胀机均可为多段压缩和膨胀。

欧盟合作项目EC DGXII contract ENK6 CT-2002-00611探索研究了其技术与经济可行 性[15-16]。德国莱茵电力公司（RWE Power）、美国通用电气（GE）、德国宇航中心（DLR）等6家合作单位于2010年正式立项联合开发世界上首套商业化示范项目ADELE[17]，研究指出目前开发的技术关键在于高效储热装置、耐高温高压压缩机及变压透平膨胀机的研发。要求压缩机在承受100 bar（1bar=105Pa）压力和600 ℃高温的同时还必须具有较高的效率，透平膨胀机则要求在入口压力剧烈变化时仍然具有较高的 效率。

1.2 第二代压缩空气储能技术

第二代压缩空气储能技术是由美国Energy Storage and Power公司[18-19]在Alabama传统（第一代）压缩空气储能电站长期积累的丰富管理经验的基础上改进提出的。仍然保持了传统压缩空气储能的基本结构，增加了后发电循环部分（即辅助燃气轮机循环），引入空气喷射和空气冷却，后发电循环部分产生的高温排气对进入空气透平之前的压缩空气进行加热，如图4(a)和4(b)所示，第二代压缩空气储能技术优势在于使用现有的技术成熟的标准产品就能够实现，不需要研发新技术。分析表明，第二代压缩空气储能系统具有更高的效率、相对低的碳排放和良好的经济性。理论计算表明，采用第二代压缩空气储能技术生产的电能只有30%～40%来自于燃气轮机系统，其余60%～70%的电能全由空气透平生产。

1.3 等温压缩空气储能

等温压缩空气储能是指空气在压缩和膨胀的过程无限接近于等温过程，由热力学可知，等温压缩过程消耗的压缩功最少，等温膨胀过程产生的膨胀功最多。当前主要通过使用具有高比热容液体的方法来实现等温压缩膨胀。如美国SustainX公司和LightSail Energy公司开发的等温压缩空气储能装置具有很高的效率（约90%的系统总热效率），但是还未能达到大规模商业化水平[9,20]。类似的还有美国明尼苏达大学Li等[21-23]设计的液体活塞压缩/膨胀机，旨在实现近似等温压缩膨胀。瑞士洛桑联邦理工学院Favrat等[24]进行的螺杆式压缩/膨胀机效率研究，通过向喷水来接近等温过程，实验表明效率显著提高。

1.4 压缩空气储能与其它热力系统耦合系统

为了提高系统工作方式的灵活性，改善系统的效率和适应特殊用途等，先后出现了多种压缩空气储能和其它热力循环系统耦合的系统。如压缩空气储能-燃气轮机耦合系统、压缩空气储能-燃气蒸汽联合循环耦合系统、压缩空气储能-内燃机耦合系统、压缩空气储能-制冷循环耦合系统、压缩空气储能-可再生能源耦合系统等。文献[3]对多能量压缩空气储能耦合系统进行了较为详细的概述，本文不再赘述。

1.5 液态空气储能与超临界压缩空气储能

压缩空气的体积能量密度较低，通过增加压力来增加其能量密度受到储气装置耐压性能和成本的限制，因此出现了液态空气储能和超临界压缩空气储能系统。液态空气储能技术由英国伯明翰大学丁玉龙教授提出，由英国Highview Power Storage公司实现商业化，第一台MW·h级（350 kW/2.5 MW·h）系统已经建成并已接入储热装置；第二座5 MW/15 MW·h的商业示范系统正在建设中，并且已经完成了20 MW/120 MW·h系统的初步设计。中国科学院工程热物理研究所正在研发超临界压缩空气储能系统，其1.5 MW示范实验系统已经建成，下一步将建设10 MW 级示范系统[25-28]。

2 水下压缩空气储能

压缩空气储能系统通常将高压压缩空气存储在容积固定的岩洞、矿洞以及人造刚性容器中。存储的压缩空气在释放时需要经过减压阀进行节流减压减至预定的较低压力，在节流减压过程中浪费了大量的有用能[29-30]。如果不对高压压缩空气进行减压，就会造成膨胀机入口压力不断变化，使膨胀机长时间工作在非额定工况，导致膨胀机效率恶 化[9,11,17]；或者通过变段数膨胀机来适应不断变化的气源压力[15,17]。此外定容存储也会导致压缩过程效率较低。如果能够保持储气室内压力恒定，就能 够有效避免上述弊端，等压压缩空气储能技术应运而生。

等压压缩空气储能能够保持存储的压缩空气压力恒定，从而能够使压缩机和膨胀机始终工作在额定工况附近，使膨胀和压缩过程均具有较高的效率。以德国Huntorf压缩空气储能电站为例，在输出功率相同的条件下，定压压缩空气储能系统只需要定容变压储能系统储气容积的23%[31]。当前主要的等压压缩空气储能系统都是利用水的静压特性实现的，其基本原理可以由式(1)解释，储气室内气体压力等于水面压力0加上补偿水柱产生的压力，式中为水的密度，为重力加速度，为补偿水柱高度。其实现方式可以概括为两种，分别如图5(a)～5(c)和图5(d)～5(e)所示。对于大规模压缩空气储能而言，图5(a)～5(c)的储气室通常为传统压缩空气储能采用的岩洞，图5(a)所示为较早的等压压缩空气储能概念模型[11,32]，补偿水池水面压力为大气压力，若要保持储气室内较高的储气压力，可以通过将补偿水池布置在较高的海拔高度或将储气室挖掘在地下很深的位置来增加补偿水柱高度，对系统所处的地理位置要求很高，选址困难，且会使建造成本急剧增加。此后，基于此系统还先后出现了两种改进型的等压压缩空气储能系统，如图5(b)～5(c)所示。图5(b)所示系统[33]为在前系统基础上增加了液压泵，系统主要缺陷在于系统所生产电能的15%用于驱动液压泵。在图5(b)所示系统的基础上又提出了图5(c)所示系统[10,34-35]，将液压储能与压缩空气储能相结合，提高系统能效。图5(d)～5(e)为典型水下压缩空气储能系统[36-38]原理图，根据电站所处位置可以分为海基与陆基两种，将压缩空气存储在水下（如海底和湖底），利用水的静压特性保持压缩空气压力恒定，目前水下压缩空气储能受到了越来越多的关注，尤其适合于海上可再生能源的规模化存储，也可以存储富余的陆上电能。

（b）带水泵的水补偿定压压缩空气储能

（e）陆基水下压缩空气储能

图5 定压压缩空气储能系统原理图

Fig.5 Land-based underwater CAES system

等压压缩空气储能系统存储压力可根据式(1)计算

（1）

水下压缩空气储能不仅具有等压压缩空气储能的优点，还能够从一定程度上摆脱对特殊储气地形的严格限制，即使发生失效事故，造成的破坏与危害也较地下压缩空气储能小。地下大规模压缩空气储能通常需要在储气岩洞中保持一定的最小气压，以防止因地质不稳发生坍塌事故，而水下压缩空气储能系统则不需要保留部分压缩空气来保持储气室内的压力。

水下压缩空气储能与其它压缩空气储能系统相比，特点主要在于储气容器与储气场所的不同。水下压缩空气储能装置仍然可以与前面提到的先进绝热压缩空气储能、等温压缩空气储能等先进技术相结合，实现较高的系统效率和低碳排放。此外，因为压缩空气储能和部分物理储氢技术有一定的相似性，水下压缩空气储能也可以作为未来规模化氢能存储的一种可行选择。

3 水下压缩空气储能最新进展

与其它压缩空气储能技术相比，水下压缩空气储能技术的特点在于储气容器置于水下。总的来说，水下储气容器可以分为两大类：刚性容器和柔性容器。刚性容器有固定的外形和容积，压缩空气与水是直接接触的，水可以自由进出储气室，储气室内气体压力恒定，始终保持当前深度的静水压力。柔性储气包（energy bag）没有固定的外形，储气包外部形态会随着水深、储气量、水流等因素而变化，又可细分为两种：开式和闭式储气包，开式储气包与刚性容器相似，允许高压水进入储气包，而闭式储气包中压缩空气和水不会直接接触。

下文分别对采用刚性储气容器和柔性储气包的水下压缩空气储能系统研究现状进行综合分析。

3.1 刚性容器储气

加州大学圣地亚哥分校的Seymour等[39-40]早在1997年就提出了使用刚性容器进行水下压缩空气储能，刚性容器为气动管路，海水能够自由进出管路，在对压缩空气进行存储时，压缩空气将管路内的海水排走，在释放压缩空气时，海水流入管路保持压缩空气压力稳定。图6为Seymour等提出的带有压载柜的水下压缩空气储能装置，并提出在美国卡尔斯巴德附近海域建造一处230 MW的水下压缩空气储能电站，将16 km长的气动管路安置于水下650 m深度，气动管路沿海底峡谷布置，既能够缩短离海岸的距离，又能够很好地避免强海底洋流的破坏。据估计，230 MW的水下压缩空气储能系统能够减少圣地亚哥地区40%的电力需求变化。

图6 带压载柜的水下压缩空气储能气动管路 Fig.6 CAES air pipeline with ballasted tank

Purtz[41]于2010年提出了带有热存储单元的水下等压绝热压缩空气储能系统，如图7所示。富余的电能驱动压缩机压缩空气，高温压缩空气通过绝热管路进入到热能存储单元，冷却后的压缩空气进入刚性储气容器进行存储，同时，压缩空气将海水排出储气容器。在释放压缩空气时，压缩空气经过热能存储单元被加热。因为储气容器壁面内外压力基本相同，因此不需要很高的耐压强度，成本也就能够大大降低。同时也指出存在的问题，如材料的耐腐蚀性、浮动平台的定位、管路的漂移以及潜在的环境问题。其中，水下绝热管路及蓄热单元的绝热保温性能是最大的难点。

图7 等压绝热水下压缩空气储能系统 Fig.7 Schematic diagram of isobaric adiabatic submerged CAES system

佛罗伦萨大学Fiaschi等[42]在其多种储能方式耦合的海上可再生能源平台研究中也提出了使用类似的水下压缩空气储能装置进行压缩空气的水下定压存储。平台构想图和系统构成如图8(a)和8(b)所示，能够为海岛地区提供足够的能量来源。风力发电机、太阳能电池板和波浪能回收装置分别将海上风能、太阳能、波浪能转化成压缩空气能量进行存储，压缩热通过岩床储热单元进行存储，经过储热单元后的压缩空气仍然具有较高的温度，再经过海水换热器进行冷却，以便能够存储更多的压缩空气。因为最终压缩空气在储气室内与海水直接接触，换热良好，因此海水换热器并不是必需的。此系统将压缩空气存储在位于水下100 m深度的刚性储气室中，100 m也是大多数沿海地区大陆架所能达到的深度。分析结果表明，系统每年能够生产1.77× 105 kW·h电能。

（a）平台构想图

（b）系统结构示意图 图8 多种储能方式耦合的海上可再生能源平台 Fig.8 Offshore platform for renewable energy including diversified storage

北卡罗来纳大学Lim等[36-37]提出了一种新的混凝土储气结构，如图9所示。分别在水流速度0.1 m/s、1 m/s和10 m/s的情况下进行了流场分析，结果表明混凝土储能结构完全能够安全地安置在海底，不需要额外的压载，并在水下压缩空气储能的基础上提出了水下电解储能系统的设想。

（a）剖视图

（b）三维示意图 图9 水下混凝土储气室 Fig.9 Underwater concrete compressed air reservoir

我国华北电力大学姜彤等[43]在其专利《海洋压缩空气储能系统》中提出了一种无底沉箱的储气模型，如图10所示。管道采用可伸缩结构，在海水涨落时能够克服海平面涨落造成的位移差，使沉箱结构在海水中的深度保持不变，高压气体压力保持不变。专利还提出了与虚拟抽水蓄能电站相结合的海洋压缩空气储能系统，但没有考虑充放气过程中浮力的急剧变化。

图10 无底沉箱储气系统 Fig.10 CAES with bottomless sinking caisson

此外，麻省理工学院Slocum等[44]还提出一种结合了水下压缩空气储能与抽水储能的球形海洋可再生能源存储模型，其原理图见图11。从2008年开始研究，2011年首次发表其研究成果。与以上提出的水下压缩空气储能系统不同，该球形混凝土装置在储能时通过水泵将储能室内水排出，使内部形成真空状态，气体压力只有0.05倍大气压。当发电时，因内外压差的作用，海水进入球形储能室，驱动水轮机发电。通过简单的实验研究发现实验系统效率只有11%，主要是因为采用了叶片泵而不是可逆式水轮机，此外，实验系统形成的水压较低，导致装置并不能工作在额定工况，直接导致系统效率低。装置还能够为海上浮动风力发电机提供锚泊，为海洋生物提供人工礁石，可以回收利用大量的煤灰。该项研究认为65%的效率是肯定能达到的。下一步将会将直径为3 m的混凝土储能球安置于水下30～40 m进行实验研究。

（b）释能发电模式 图11 球形海洋可再生能源存储模型[44] Fig.11 Schematic diagram of sphere ocean renewable energy storage[44]

两位德国学者[45]也曾提出类似的构想，认为装置效率可以达到80%，并可以作为未来的储氢场所，但是并没有进行深入研究的计划。

变风量空调系统是通过改变室内的送风量来对室内的温度进行调节的全空气空调系统，其送风状态保持不变。定风量空调系统是通过控制风量来保证空调区域温度和湿度要求的空调系统，具有单个区域控制能力强、局部区域运行灵活性和节能性好等优点。

3.2 柔性容器储气

采用柔性容器进行水下压缩空气存储最早是由Liang等[46-47]在1987年和1989年两项专利中提出并改进的。带储热的水下压缩空气储能系统，整体系统原理图如图12所示。图13为储气包外形及安装固定示意图，柔性储能包不同充气状态下的形态如图14所示，随着储气量的变化，储气包的形态也会随之发生变化。专利还提出了采用水泵串并联转换的布置方式，使系统在不稳定的风力条件下能够有稳定的电力输出。

图12 带储热的水下压缩空气储能系统 Fig.12 Underwater CAES system with heat storage

图13 柔性储气包外形和布置示意图[47] Fig.13 Configuration and mooring of flexible energy bag[47]

（a）100%充气 （b）50%充气 （c）30%充气 （d）0充气 图14 不同储气量时储能包的形态 Fig.14 Configuration of energy bag at different level of charging

英国诺丁汉大学Garvey领导的课题组从2007年开始研究水下压缩空气储能，重点放在了柔性储能包的研究设计工作上，对设计的新型储能包进行了优化与试验研究。在可再生能源-压缩空气储能耦合系统[48-49]（ICARES，integrated compressed air renewable energy system）中提出将压缩空气存储在水下，如图15所示。ICARES系统将过剩的可再生能源直接转化成压缩空气能量，不出现中间电能的形式，将压缩空气存储在水下500 m深度的柔性储能包内，大量的压缩热存储在一种有9层嵌套结构的浮式储热装置中，最外三层主要为海水，中间三层传热介质为矿物油，内部三层以熔盐为传热介质，储热介质为碎岩石床，储热装置还可以收集部分太阳能，研究表明其效率可以达到85%[50-51]。参考水下打捞提升气囊、载荷测试水囊、航空气球以及降落伞的设计，重新将柔性储气包进行了改进设计，最终方案如图16所示的旋转对称结构[49]。

图15 ICARES系统示意图[49] Fig.15 Schematic diagram of an ICARES system[49]

图16 5m直径储能包示意图[54] Fig.16 Side and top views of the 5 m diameter prototype[54]

Pimm等[49,52-53]针对柔性储能包建立了3种不同精度的模型，即使建立的精度最高的三维有限元分析模型也未能总是得到非完全充气状态下储气包形态的理想结果，模型还有待于进一步完善，并基于一定的前提假设，以单位存储能量花费最少为目标进行优化，降低水下压缩空气储能成本。此外，其研究过程中并没有考虑水流对储能包形态的影响。这是在后期设计研究中必须予以考虑的。

他们委托加拿大Thin Red Line Aerospace公司制造了直径1.8 m的储能包和直径5 m的储能包进行实验。两个1.8 m的储能包在水箱中进行实验，直径5 m的储能包在英格兰北部奥克尼浅海区域进行实验[49,54]。将直径1.8 m的储能包在透明水箱内进行实验发现，当储气包进气口在底部时，在储气包进水时，水会堵塞气管，使储气包失效。当进气口在顶部时，充放气过程中软管比较容易发生缠绕和弯折，可以增加气管的刚度来减轻甚至避免气管缠绕弯折，更倾向于将进气口布置在顶部。但对于闭式储气包而言，当进气口安装在顶部时，如果水渗入到储气包内，会在底部积聚成封闭水池，如果不能及时排出，就会使储气包的有效容积不断减小，因此，必须考虑将积聚在储气包底部的水排出。

图17所示为浅海水下实验系统示意图，集装箱内布置有压缩机、控制系统等，压载方式为171 t的重物压载。5 m直径的储气包发生了较大泄漏，经过检修后泄漏量显著减小，但是此情况是在浅水低压环境下的结果，随着水深、气体压力的增加以及环境的恶化，泄漏量可能会急剧增加。实验发现泄露几乎是不可避免的，也就是说储能包的完全密封是难以实现的，即使实现，所需成本也会非常高。

图17 浅海水下实验系统示意图 Fig.17 Schematic diagram of offshore experiment system in shallow sea

从2009年开始，加拿大温莎大学Carriveau领导的课题组与加拿大Hydrostor公司合作对水下压缩空气储能系统进行了综合性的探索研究。其前期在安大略湖进行的探索实验系统如图18和图19所示[55-56]。当储能包被布置在水下80 m深处时，可持续供应3 h、1 MW电能。Hydrostor计划在阿鲁巴岛安装更大、更深的水下压缩空气储能设施。

图18 水下压缩空气储能测试系统 Fig.18 Experimental configuration of pilot project

图19 水下压缩空气储能测试柔性储气包[56] Fig.19 Energy bag of pilot project[56]

Cheung[38,57]对如图20所示的带储热的水下压缩空气储能系统进行了综合研究，建立了简单的系统稳态模型，借助一阶灵敏度分析研究了不同系统参数变化对系统效率的影响，分析表明管路尺寸、压缩机和膨胀机效率、热能存储效率对系统效率影响最大。当压缩机、膨胀机效率及换热器效率较高时，系统总效率可以达到71%。在此基础上，借助遗传算法，以系统效率最大、花费最小和收益最大为目标进行了优化，应用伪权向量多指标决策方法在帕累托前端中确定了最优解，系统效率为68.5%左右，每循环收益为53.5美元左右。花费则随着利率的增加而增加。

图20 带储热的水下压缩空气储能系统 Fig.20 Underwater CAES system with heat storage

Vasel-Be-Hagh[58-61]主要借助有限元流场分析研究了小水流速度条件下储能包的水动力学特性以及流场特性。首先基于URAMS k-w湍流模型和LES Dyna-SM湍流模型研究了独立的单个储能包的受力及流场特性，然后研究了如图21所示的组合式储能包的受力及流场特征。分析表明，采用LES Dyna-SM湍流模型比采用URAMS k-w湍流模型能够更有效地预测流场特征。仿真过程中假设储能包外部形态并不随水流状况的变化而变化，这与实际情况会有一定差别，但是总的来说，其研究对储能包在水下安装固定提供了有价值的参考依据。此外，基于类似的方法还研究了串联式的3个圆柱形刚性水下储气装置的受力及流场特征[62]。也提出了一种通过集成水下水电涡轮机的水下压缩空气储能系统来提高系统能效[63]。

（b）分散布局 图21 组合式储能包模型[61] Fig.21 Floral configuration of energy bags[61]

此外，美国Bright Energy Storage Technologies公司[64]从2013年也开始了水下压缩空气储能研究，使用薄壁容器存储压缩空气，但没有详细指出容器的材质与类型。同样采用蓄热式压缩空气储能技术，不燃烧化石燃料。

4 关键技术

综上分析，相比于刚性容器储气，柔性容器储气具有更高的可行性，也是当前水下压缩空气储能研究相对较为成熟的。水下压缩空气储能技术与其它压缩空气储能技术面临同样的困难，下文主要针对水下压缩空气储能所独有的技术特点总结其关键技术。

4.1 储能包设计与优化

水下储能包的应用是水下压缩空气储能系统的特点，也是水下压缩空气储能的关键所在。首先，储气包必须具有足够高的强度、水密性、气密性、耐腐蚀性，并能够长期适应恶劣的水下环境，海洋生物的附着是一个较为严重的问题，反之，水下压缩空气储能装置对海洋环境的影响也还有待于进一步研究验证。储能包设计可以参考气动液压人工肌肉、水下提升气囊、载荷测试水囊以及航空气球的设计方式，并采用多层结构设计。

储能包的尺寸有两种选择：大型和小型。规模化存储可以通过多个大型储能包实现，也可以通过大量的小型储气包实现。大型储气包能够存储大量压缩空气，但是一旦失效，对系统影响很大，且大型储能包尺寸很大，跨越的水深也大，也就导致内部存储的压缩空气压力会有较大变化，而且水越浅越明显，若水深度很大则影响相对较小。小型储气包虽然储气量较小，但是一旦某一个储气包损坏失效，对系统的影响较小。且其尺寸小，水深跨度小，在浅水区性能更优。所以大型储气包和小型储气包各有优劣，从恒压特性上看，大型储气包更适合于深水存储，小型储气包更适合于浅水区储能。此外，大储气包与小储气包选择带来的一系列成本变化还需要进一步研究比较。

开式和闭式储气包的利弊在前面已经作了简单比较与分析，开式储气包中压缩空气与水直接接触，高盐度和湿度的压缩空气对系统提出了比较高的要求，同时储气包的成本会降低。闭式储气包能够将压缩空气与海水隔离开，对系统耐腐蚀性和密闭性要求比较低，如若需要长期保持闭式储气包的密封性，则其成本必然会增加很多。可以考虑将开式储能包和闭式储能包进行融合设计，使闭式储能包即使密封失效也能像开式储能包一样工作。

4.2 热能存储

热能存储按储热方式的不同主要分为3类：显热储热、潜热储热（相变储热）和化学反应储热。化学反应储热的储能密度比较高，但研究还不成 熟[27]，且系统复杂精密，安全性和可控性差，使用和维护成本高[65]。显热储热是利用物质具有一定热容的特性，提高储热材料的温度来存储热能，通常要求储罐具有较好的绝热保温性能，目前，显热储热技术是应用最广的一种储热方式。水具有较高的比热容，是最常见的显热储热介质之一，但在大气压力下，当温度达到100 ℃时即开始汽化，若要提高储热温度，就需要昂贵的绝热压力容器。导热油一般应用于中高温储热[66]，但导热油成本较高。在水下压缩空气储能系统中，利用岩石、砂砾等固体储热材料既能储热又可以作为储能包的压载物。还可以考虑同时利用海水和石子填充床进行低、中、高温分级储热，储热材料既便于获取，降低了成本，又对环境无污染，可以作为一种近期低成本的储热方案。但是显热储热材料具有导热系数低、储/放热速率低、储热密度小、温度不断变化等诸多缺陷。潜热储热（相变储热）是利用储热材料在相变过程中吸收和释放相变潜热的特性来进行储热，与显热储热相比较，相变储热具有储热温度近似恒定和储热密度大（可达显热储热的5~10倍甚至更高[67]）的优势，成为近年来储热领域的研究重点[68-69]，具有极大的发展潜力。目前相变储热材料主要有有机类、熔融盐类、合金类及复合类等。熔融盐类相变储热材料具有相对较低的价格、较大的储热密度和较宽的温度应用区间，是目前中高温相变储热材料的首选。复合相变储热材料不仅仅能够保持储热密度大和能量输出稳定等优点，还能够提高相变储热材料热导率和克服熔盐腐蚀问题，是未来发展的趋势与研究重点[68,70]。随着相变储热材料性能的不断改善提高，未来也必将成为水下压缩空气储能系统热能存储的最佳选择之一。

4.3 压载、布置与回收技术

水下压缩空气储能最大的挑战之一就是储能包的有效压载，储能包产生的浮力与储气容积是成正比的，如水下100 m3的压缩空气能够产生接近 100 t的浮力，如果仅仅采用重物压载，不仅成本高，而且不利于布置回收。可参考水下系泊系统的设计与实施方法[71-72]，如鱼雷锚就具有成本低、安装便捷、竖向抗拔承载力大的优点[73]。此外，还需要研究大水流等恶劣水文条件下柔性储能包的水动力学特性，研究其受力及流场特性，保证储能包的有效压载和恶劣水文条件下的适应性。

储能包的布置与回收技术可以借鉴水下提升气囊和打捞浮筒的布置与回收方式[74]。若储能包布置深度较大，则必须借助于水下机器人进行布置与回收。在储能包设计过程中也要充分考虑其布置与回收的方便性。

4.4 深水高压实验研究

已有实验研究都是浅水或水箱实验研究，深水高压环境下储能包的性能还有待于进一步验证。深水试验可以先通过陆上密闭高压水箱进行实验研究，验证其可行性以及发现可能会存在的问题，如储能包水下高压环境下的充放气特性研究。

4.5 失效后果及处理

要实现规模化水下压缩空气储能，需要将诸多储能包进行串并联组合。当单个或少数储能包损坏失效时，必须保证系统其它储能包的有效工作。失效储气包对其它联系在一起的储气包的影响，失效事故发生时如何阻止高压海水随气动管路进入系统，造成系统的整体事故呢？这需要对储能包的组合方式进行合理设计安排，还需要合理设置气路开关装置。当储能包突然失效时，储气包内气体大量溢出，随着上升过程中压力的降低，气体容积会急剧增加，会对水面上经过的船舶安全造成危害。如Vasel-Be-Hagh等[75]就研究了储气气球失效时内部气体溢出的状况。

加强对蔬菜种植户的科技培训，按农时季节和生产需要及时分乡（镇）分村划片开展各类培训，经常深入设施温室大棚集中区进行现场咨询和指导，为广大菜农提供更好的信息和技术服务，提高菜农科学种菜水平和农产品质量安全意识，提高设施蔬菜生产销售的整体水平。建立蔬菜市场价格信息网络，及时提供市场信息，指导蔬菜生产和市场销售。

5 结 语

随着可再生能源的快速规模化开发利用，大规模储能技术也快速发展。压缩空气储能技术是继抽水储能之后最具有技术和经济可行性的规模化储能技术。传统压缩空气储能技术仍存在较多缺陷，为此先后出现了众多压缩空气储能新概念，弥补传统技术的不足。本文对压缩空气储能新技术进行了简单的总结。定压压缩空气储能比定容压缩空气储能具有诸多优势，水下压缩空气储能利用水的静压特性实现定压压缩空气储能。与其它压缩空气储能技术相比，水下压缩空气储能主要特点在于储气容器与场所的不同，本文按刚性容器和柔性容器的分类方式对水下压缩空气储能技术的研究进展进行了综合分析，重点对柔性储能包的相关研究进行了分析。理论上，水下压缩空气储能系统具有优良的性能，但是仍然有许多难题需要解决，水下压缩空气储能系统开发的关键技术几乎都是围绕储能包展开的，高性能储能包的研究将会成为水下压缩空气储能技术的关键。

城市化率越高，农村土地流转率越高。城市化的基本特征是农村人口向城市转移，农业向第二、三产业转变。从人口转移的角度看，农民放弃农业生产，获得非农就业机会时，更倾向于在城市或郊区定居；从产业转变的角度看，企业需要更多的资金、技术、资源来扩大规模，同时也提供了更多的就业机会，吸引了农村剩余劳动力。为了迎合产业转型升级、人口转移流动的目的，城市建设用地、居住用地的需求快速增长，在一定程度上推动了农村土地流转系统，有利于提高土地的节约集约度，缓解人地矛盾。

水下压缩空气储能技术尤其适合于海上风能等可再生能源的规模化存储，未来具有良好的发展前景，当前研究仍处于试验探索阶段，需要进一步完善与发展。

参 考 文 献

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高压输电线路施工中应注重杆塔质量，施工初期结合项目周边气候特点，选择杆塔类型，以确保杆塔与区域自然环境相适应，最大程度规避因气候因素导致的设备故障及损失。依据土质情况优选杆塔底基方案。倘若土质比较松散，要用岩石嵌固杆塔底基，使其更加稳定，以免发生杆塔倾斜或断裂情况。反之，施工区域分布岩石，锚杆基础为最佳选择，借助固有岩石进行钻孔操作，并固定锚杆，增加杆塔底基坚固性，节约资源。依据实际工程情况，考量选择直线型结构杆塔或耐张型结构杆塔，确保铁路畅通及线路的科学分配[1]。

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安：首先，我认为没有“阿根廷学派”的概念，阿根廷确实有一批钢琴家，也有自己的风格，但这样的风格首先发源于那不勒斯，可谓原汁原味的“那不勒斯风格”。而说起法国钢琴学派，这对我当然影响巨大，因为除齐科里尼以外，帕内拉教授也曾与玛格丽特·隆学习，尽管当我们回听两人的录音时，很难相信二人均出自隆夫人门下。

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辐射区域是指服务品牌所关注的目标人群或地域。比如，公共图书馆的目标人群一般是普通公民，包括上班族、退休人员、学生、特殊人群等，覆盖范围比较广，地域除了在本市，也可能扩展到邻近省市。而高校图书馆的目标人群相对比较单一，地域面积小，一般控制在校内。辐射区域的设定可以为品牌的设计、品牌文化的确定等方面提供方向性指导。

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A review on underwater compressed air energy storage

WANG Zhiwen, XIONG Wei, WANG Haitao, WANG Zuwen

(Institute of Ship Electromechanical Equipment, Dalian Maritime University, Dalian 116026, Liaoning, China)

Abstract： Underwater compressed air energy storage (UCAES) uses the hydrostatic pressure of water to realize isobaric storage of the compressed air. The advantages of such a method include high efficiency, reduced topographical limitations, and flexibility in storage scale, providing a potentially suitable technology for storing offshore renewable energy. In this paper, a brief review is given first on emerging compressed air energy storage technologies, the focus is the on the UCAES. We introduce the working principle and current state of research in the UCAES. We also perform an analyses on the technology particularly UCAES combined with the use of a flexible energy bag. Finally, key future technology developments and outlook of the UCAES are summarized.

Key words：underwater compressed air energy storage; isobaric; hydrostatic pressure; renewable energy; flexible storage bag

doi：10.3969/j.issn.2095-4239.2015.06.006

中图分类号：TK 02

文献标志码：A

文章编号：2095-4239（2015）06-585-14

收稿日期：2015-06-11；修改稿日期：2015-07-28。基金项目：国家科技支撑计划项目（2014BAK05B06）。第一作者：王志文（1989—），男，博士研究生，主要研究方向为水下压缩空气储能，E-mail：wangzhiwen@dlmu.edu.cn；通讯联系人：熊伟，教授，主要研究方向为流体传动与控制、救助打捞，E-mail：xiongwei@dlmu.edu.cn。