压缩空气储能+的多能耦合技术研究进展

韩越, 李睿，孙世超，李季，朱学成，凌晨

(1.中国能源建设集团江苏省电力设计院有限公司，南京 211100；2.东南大学能源与环境学院，南京 210096)

全球资源和环境问题日益突出，发展绿色清洁的可再生能源成为了当前国内外的研究热点。然而，风电和光电受自然条件变化的影响，存在即发即用的特点，出现波动时将会对电网的频率产生影响，使供电品质下降。因此，利用储能来削峰填谷，可有效地解决新能源波动性问题，对提高可再生能源利用率、改善能源结构和实现“双碳”目标有着重大意义[1]。

常见的储能方式有抽水蓄能、电化学储能和压缩空气储能等[2]。抽水蓄能技术发展成熟且成本低廉，但受地理位置制约；电化学储能效率高，但储能容量小、成本高，难以满足大容量的电网负荷储能需求。与之相比，压缩空气储能(Compressed Air Energy Storage, 简称CAES)具有使用寿命长、储能容量大和运行成本低等优点，有着良好的发展前景。压缩空气储能技术存在多种能量形式转化，可与其它能源系统耦合形成优势互补，从而进一步提升储能系统的运行效率，同时也使被耦合能源的利用率提高。

本文以压缩空气储能技术与多能耦合技术的研究进展为中心，首先介绍了压缩空气储能技术的基本原理和国内外发展情况，随后研究了压缩空气储能技术与采用传统化石能源的系统(如内燃机、燃气轮机、煤电机组)和采用新能源的系统(如风电、光电)的耦合方式，并对未来储能及其耦合系统的发展形式作出了展望。

1 压缩空气储能技术概述

1.1 工作原理

压缩空气储能发电技术首先利用多余的电能驱动压缩机使空气被压缩为高压气体，储存在储气装置中，等到用电高峰期时释放储气装置中的高压空气，通过燃烧或换热等方式加热压缩气体，输送至膨胀机内膨胀做功，推动发电机发电，从而达到削峰填谷的作用[3]。压缩空气储能可分为补燃式和非补燃式两种。补燃式系统在膨胀释能的过程中，空气与其它化石燃料在燃烧室内燃烧驱动发电机发电。非补燃式系统分为无外来热源和有外来热源两种，其中，有外来热源型一般利用太阳能或煤电机组的多余热量加热空气膨胀做功；无外来热源型系统则增设储热装置，压缩过程产生的热量经导热介质换热后储存在储热罐中，在膨胀释能时储热罐中的热介质加热高压空气，实现压缩热的高效利用。

1.2 发展现状

世界上第一座投入商业运营的压缩空气储能电站于1978年由德国HUNTORF建成，采用传统补燃式系统，运行效率达到42%。1991年美国MCLNTOSH建成了世界第二座压缩空气储能电站，新增了余热回收系统，通过回收膨胀机排气废热来提高膨胀释能阶段的空气温度，减少了化石燃料的消耗量，并使系统的效率提高至54%[3]。

第二代压缩空气储能系统在第一代的基础上改进了膨胀机排气的余热利用系统，通过燃气轮机的排气预热空气，从而进一步提高了系统的整体效率。欧洲Alstorn公司在2003年提出了先进绝热压缩空气储能的概念，通过将空气压缩阶段产生的热能储存起来，并利用储存的压缩热在膨胀释能阶段加热储气库出口的空气[4]。该系统不仅避免了化石燃料的使用，更将系统的整体效率提高至70%。英国高瞻公司于2010年建设了首台液态压缩空气储能电站，通过将空气压缩至液态储存有效地减少了储气装置容积，解决了地域限制的问题。

我国对压缩空气储能技术的研究开展较晚，但工程建设进度排在世界前列。中国科学院工程热物理研究所在2013年建设了河北廊坊1.5 MW压缩空气储能电站，效率达到52%[5]。清华大学于2014年建设了非补燃式压缩空气储能示范系统TICC-500，效率为33%。由中盐集团、华能集团和清华大学承担建设的江苏金坛60 MW压缩空气储能示范项目于2021年成功并网，该项目集结了中国能源建设集团和东方电气等各方力量，实现了主装备完全国产化。中国科学院工程热物理研究所与有关单位合作，在贵州毕节和山东肥城先后建设了10 MW 压缩空气储能电站。此外，100 MW、300 MW以上的河北张北、湖北应城、江苏淮安和山东肥城(二期)等地的CAES电站也在紧锣密鼓的规划或建设阶段。

2 压缩空气储能与多能耦合

2.1 压缩空气储能-内燃机耦合系统

压缩空气可作为动力应用在气动发动机汽车上，与内燃机耦合成为混合动力发动机。美国加州大学开发的混合动力汽车使用压缩空气启动，持续行驶时则换用常规的汽油燃烧动力源，当减速刹车时将发动机作为压缩机实现能量回收，并用于下一次的汽车启动，该混合动力车在市区行驶时比常规内燃气汽车能耗减少了64%[6]。

压缩空气-内燃机耦合系统也可用于小范围供电供热。姚尔人[7]等提出了一种压缩空气储能耦合内燃机的冷热电联产系统，压缩空气储能-内燃机耦合冷热电联产系统如图1所示，压缩过程产生的压缩热和内燃机排气余热被用来预热储气室出口的空气，而后空气驱动膨胀机做功发电，经换热后再进入内燃机和天然气混燃驱动发电机发电。内燃机排气在完成预热后进入制冷机制冷，最后去换热器给用户供热，整个系统的火用效率可达51%。LI[8]等设计了压缩空气储能与柴油机的耦合系统，用于给一个村庄供电，模拟计算发现该系统的年燃料消耗量与纯柴油机发电系统相比降低了50%。

图1 压缩空气储能-内燃机耦合冷热电联产系统

2.2 压缩空气储能-燃气轮机耦合系统

燃气轮机和压气机同轴串联工作模式对机组的灵活性产生了极大的影响，此外压气机的耗能降低了机组的发电量。针对这一问题，董振斌[9]等提出了一种压缩空气储能-燃气轮机耦合发电系统如图2所示。在压缩储能模式时，燃气轮机与电机断开而压气机与电机连接，同步电机作为电动机使用，利用多余电能驱动压气机压缩空气并储存，压缩热被用于供热；在发电模式时，燃气轮机与电机连接而压气机与电机断开，同步电机作为发电机使用，储气罐内的压缩空气进入燃气轮机混燃做功发电。宋权斌[10]等通过一逆流换热器将压缩空气模块与燃气轮机冷热电联供模块耦合，经模拟计算得出采用该系统配置方案的2 MW的燃气轮机在夏季时可节省28.7%的成本。WANG[11]等指出，在应用于建筑群时，压缩空气储能耦合燃气轮机冷热电三联供系统还可连接太阳能发电系统，进一步扩大了应用范围。

图2 压缩空气储能-燃气轮机耦合发电系统

2.3 压缩空气储能-制冷循环耦合系统

压缩空气储能系统在膨胀做功环节需要吸收外界环境中的热量，针对这一特性，WANG[12]等设计了一种压缩空气储能-制冷循环耦合系统如图3所示，通过膨胀机驱动用于制冷的压缩机，压缩空气储能系统膨胀机和制冷系统蒸发器出口的冷空气混合后输出给用户提供冷量。该耦合系统每天工作10 h，可为200 m2的房间提供720 MJ的冷量，经热力学分析和制冷循环敏感性分析对比，该系统的经济性优于冰蓄冷系统和蒸发制冷系统。

图3 压缩空气储能-制冷循环耦合系统

2.4 压缩空气储能-火电机组耦合系统

电网的主要调峰任务由火电机组承担，然而电厂中设备的使用寿命和运行成本因此受到了极大的影响。王晓露[13]等提出了一种压缩空气储能与抽凝式热电联产机组耦合的系统，夜晚时用电负荷低而热负荷高，多余电能驱动压缩机将空气压缩后储存，而压缩热则同机组采暖抽气一起给用户供热；白天时用电负荷高而热负荷低，储气室中的高压空气输出至膨胀机做功，采暖抽汽则被用于预热空气。该耦合系统相比传统火电机组热电比进一步拓宽，火用效率提升了4%～31.4%。李斌[14]等对耦合方案展开研究，压缩空气储能-抽凝式热电联产机组耦合系统如图4所示，计算模型中火电机组为350 MW一次再热抽凝式，设有3台高加4台低加1台除氧器；绝热压缩空气储能系统容量为10 MW，设有4台压缩机和4台膨胀机。模拟结果表明，最佳耦合方案在储能阶段用凝结水回水吸收压缩热后回收至除氧器，在膨胀阶段用5号抽汽加热储气室出口空气后回收至5号低加。通过增大膨胀释能阶段空气流量和温度可提高膨胀机出力，从而提高火电机组对电网调峰指令的响应速度，快速完成并网任务。

图4 压缩空气储能-抽凝式热电联产机组耦合系统

2.5 压缩空气储能-可再生能源耦合系统

2.5.1 太阳能

在压缩空气储能-太阳能耦合系统中，储能时，光电或低谷电驱动压缩机压缩空气并储存，光热经太阳能集热器收集后通过蓄热介质储存在高温储罐中；释能时，压缩热和光能蓄热共同用于加热储气室出口的高压空气，而后空气被送往膨胀机做功发电。朱瑞[15]等研究了太阳能蓄热介质对储能耦合系统热力学性能的影响，采用导热油蓄热时储电折合转化系数为78.65%，太阳能折算发电效率为19.54%，采用熔融盐蓄热时转化系数和发电效率分别为109.71%和34.43%，太阳能利用效率和储电效率进一步提高。李斌[16]等在上文所提及的火电厂耦合压缩空气储能的系统方案上进行了改良，改用太阳能蓄热替代汽轮机5段抽汽预热储气室出口的高压空气，降低了机组的煤耗并提高了运行的稳定性，形成了“光火储”一体化发电系统，为传统火电机组灵活性改造提供了极具发展前景的设计方案。

2.5.2 风能

SUN[17]等提出了一种压缩空气储能与风能的耦合方案来缓解风力波动时风电对电网造成的冲击，利用电网低谷电驱动压缩机压缩空气，在低风速时储气室内高压空气释出进入膨胀机做功，通过传动机械作用于风机转轴上，从而稳定风机的输出功率。该耦合方案储能系统的效率为55%，适用于小型风电站。徐焕祥[18]设计了一种压缩空气储能-风能-柴油机集成发电系统如图5所示，压缩机将风能转化为高压空气内能储存，用电负荷低时压缩空气储能系统直接释放高压空气膨胀做功发电，用电负荷高时柴油机和储能系统共同发电，该系统比同样条件下蓄电池储能系统降低了84%的年均储能成本。

图5 压缩空气储能-风能-柴油机集成发电系统

风能、太阳能和储能耦合系统被称为“风光储”。CHEN[19]等将风能转化为压缩空气内能储存，将光能经蓄热器储存在热储罐中，在用电负荷增加时太阳能储热预热高压空气膨胀做功，该系统的效率可达46%，每发1 MW·h的电成本仅需$94.1。

邢志光[20]构想了一种风能-太阳能-海洋能耦合压缩空气储能的海上风电配置方案：根据海水波动和浮力原理，通过一种类似打气筒的海面振荡浮子不断将外界空气压缩至集气管中；海风带动风机叶轮旋转，驱动空气压缩机将空气压缩后送入集气管；太阳能被槽式集热管捕集，经导热油传热后预热集气管中的压缩空气，最后送入透平机膨胀发电。文中选用浙江舟山嵊泗岛附近海域为模拟区域设计了一座3 700 kW的海上风电站，全年发电量可达到0.324亿kW·h。

3 结语

压缩空气储能技术是提高能源利用率、进一步扩大可再生能源入网比例的有力支撑和内在需求。压缩空气储能技术可以和多种能源形式的热力系统相耦合，减少了化石燃料的消耗量，通过压缩热回收利用、增设光伏蓄热装置等手段可有效提高系统运行效率，降低发电成本。

基于压缩空气储能技术形成了“光火储”、“风光储”、海上风电站等新型储能发电集成系统，有着良好的发展前景和可实现性，可推动我国传统火电行业实现改造升级与转型，并为我国未来储能电站建设提供了思路。