壓縮空氣儲能技術最新研究進展

路 唱，何 青

(華北電力大學能源動力與機械工程學院，北京 102206)

近年來，對于儲能的研究越來越受到各國科研人員的關注。儲能系統能夠與分布式能源系統相耦合以補償其小容量和不穩定負載[1]，因此大規模電力儲能技術急需得到研究和應用。

目前常見的大規模儲能方式分為以下三類：物理儲能、電化學儲能和電磁儲能[2]。其中，可以連接到電網并且大規模運行的儲能系統有抽水蓄能(Pumped Hydro)系統和壓縮空氣儲能(Compressed Air Energy Storage，簡稱CAES)系統。抽水蓄能技術相對成熟，效率高、容量大、壽命長。據估計，到2020年，中國建成并投入運行的抽水蓄能電站容量將達到40 000 MW[3]。然而抽水蓄能電站需要地勢差，且要在高低位置設置兩個水庫，因此對地理條件要求較高，建設周期較長，因此其發展受到了一定的限制。相較而言，壓縮空氣儲能系統建設成本低，不需要特殊地理條件，是最有發展前景的大規模儲能技術之一[4]。

本文將壓縮空氣儲能技術按容量、是否輔助燃燒兩個角度進行分類。綜述各類系統的原理，分析壓縮空氣儲能系統相較其他儲能技術的優勢。之后對國內外的研究現狀進行總結，包括系統優化、建模方法和分析方法，并介紹壓縮空氣儲能技術應用的方向。最后對未來的研究和發展趨勢進行預測。

1 壓縮空氣儲能分類與原理

1.1 分類

壓縮空氣儲能系統的種類有很多，分類方式也有很多，較常用的是按容量和是否輔助燃燒分類方法。

1.1.1按容量分類

根據存儲容量的不同，壓縮空氣儲能系統可分為大型、小型、和微型系統。

傳統的壓縮空氣儲能電站通常是容量約為100 MWh的大型系統。由于儲氣室體積比較大(105m3以上)，因此都選擇改造地下現有的天然鹽穴、硬巖層結構的礦井或洞穴，或者選擇人工儲氣裝置，例如廢棄的天然氣儲存室或者石油儲存室。大型CAES系統的的特點是容量大，成本低，一般用于電網削峰填谷和平衡電力負荷，也可以用來穩定可再生能源發電的輸出。

小型壓縮空氣儲能系統的規模通常為10 MWh級。與大型系統相比，它的儲氣室容積較小，可以使用地上的高壓容器儲存來壓縮空氣，這樣一來就突破了大型壓縮空氣電站對地下儲氣洞穴的依賴，因此靈活性更高。小型CAES系統主要用于城區的分布式發電系統、小型電網等；此外，它還可以圍繞諸如風力發電廠等可再生能源發電系統建造，以調節可再生能源電力的供應。

微型壓縮空氣儲能系統的容量范圍在幾千瓦時到幾十千瓦時級，它同樣也是利用地上高壓容器作為儲氣室來儲存壓縮空氣。其優點是選址靈活，環境友好，安全可靠[5-8]。微型CAES系統主要用于特殊領域，如在控制、通信、軍事領域充當備用電源；也可用于偏遠孤立地區等電力負荷小的微小型電網。

1.1.2按是否輔助燃燒分類

傳統壓縮空氣儲能系統在釋能過程中，空氣需先與燃料混合之后再進入透平，屬于補燃式系統。在傳統壓縮空氣儲能系統的基礎上增加儲熱環節，可以將壓縮過程中的壓縮熱存儲在儲熱裝置中，然后在釋能過程中，利用存儲的壓縮熱在壓縮空氣進入透平做功之前對其進行預熱。這種帶蓄熱環節的壓縮空氣儲能系統，稱為先進絕熱壓縮空氣儲能系統(adiabatic CAES, 簡稱A-CAES)。A-CAES系統利用儲熱代替化石燃料燃燒，不消耗燃料，因此與傳統系統相比，其在經濟和環保方面具有突出的優點。然而由于系統復雜，成本較高，且受到壓縮機的材料受到限制[9]，至今沒有商業運行的A-CAES電廠。

無熱源的壓縮空氣儲能系統既不需要用燃燒燃料來預熱空氣，也不需要其他外來熱源。根據熱力學原理，等溫壓縮過程消耗最少量的壓縮功，而等溫膨脹過程產生最大的膨脹功。在理想條件下，等溫壓縮空氣儲能系統(Isothermal CAES, 簡稱I-CAES)的循環效率是100%[10-11]。因此，盡可能實現等溫壓縮和等溫膨脹就不需要額外消耗燃料或提供熱源。目前實現等溫過程的方法有噴射水霧、液體活塞、噴射水泡沫等方法。

1.2 原理

壓縮空氣儲能系統在用電低谷時段通過壓縮空氣來儲存電能，在用電高峰時段通過釋放壓縮空氣以產生電能。傳統壓縮空氣儲能主要由三個過程組成：壓縮空氣、儲存空氣和膨脹釋能。在儲能期間，空氣通過壓氣機被壓縮，然后儲存于在儲氣室中；在釋能期間，高壓空氣進入透平中膨脹做功。傳統壓縮空氣儲能系統的原理如圖1所示，主要由以下幾個部件組成[12]。

(1)壓縮機：通常為帶有中間冷卻裝置的多級壓縮機，用于壓縮空氣。

(2)儲氣室：用于儲存壓縮空氣的地下、地上的洞穴或壓力容器。

(3)燃燒室：用于燃料燃燒，高壓空氣與燃料在燃燒室混合燃燒后進入透平。

(4)膨脹機：通常為具有級間再熱設備的多級膨脹透平。

(5)電動機/發電機：通過離合器分別聯接壓縮機和透平。

(6)其他控制設備及輔助設備：如燃料罐、冷卻系統、機械傳動系統和換熱器等。

圖1 傳統壓縮空氣儲能系統原理示意圖

與傳統壓縮空氣儲能系統相比，A-CAES系統增加了蓄熱環節。在儲能期間，壓縮機壓縮空氣，在這個過程中空氣通過換熱器把熱量傳遞給儲熱介質，再將儲熱介質收集起來儲存在蓄熱器高溫罐內，空氣則進入儲氣室等待做功。在釋能期間， 高壓空氣先流經換熱器吸熱，再進入透平做功， 帶動發電機發電，儲熱介質在高低溫罐中被循環利用[13]。兩級壓縮兩級膨脹的A-CAES系統原理圖如圖 2所示。

圖2 兩級壓縮-兩級膨脹 A-CAES 系統原理圖

I-CAES系統的原理與傳統CAES不同，其壓縮與膨脹功能在一個活塞中實現。在儲能期間，電網向系統輸入電能以帶動電機運轉，電機驅動活塞壓縮空氣以實現壓縮機的功能。通過在壓縮期間噴射水霧、噴射泡沫或利用液體活塞進行大面積的熱交換以實現等溫壓縮， 這部分熱量儲存在水或水泡沫中，高壓空氣被分離并儲存在儲氣罐中。在釋能過程中，高壓空氣和高壓水進入活塞中膨脹，活塞驅動發電機發電。等溫壓縮空氣儲能系統的原理如圖 3所示。

圖3 等溫壓縮空氣儲能系統原理圖

1.3 優勢

與其他幾種大型儲能技術相比，壓縮空氣儲能系統具有成本低、投資少、容量大、負荷范圍大的優點，具體包括以下幾個方面。

(1) 建設成本低，初期投資少。與抽水蓄能電站相比，壓縮空氣儲能系統不需要大規模土建工程，因此成本大大降低。

(2) 容量大，負荷范圍大。大型壓縮空氣儲能系統的容量僅次于抽水蓄能電站，約為100 MW，可以持續工作數小時乃至數天，工作時間長。

(3) 響應速度快。壓縮空氣儲能系統可以在幾分鐘內從啟動達到滿負荷運行， 遠低于普通的燃煤或燃電站的啟動時間。

(4) 壽命長。壓縮空氣儲能系統可以儲能、釋能數萬次，壽命可達40至50年。

2 CAES研究進展

傳統壓縮空氣儲能技術以德國Huntorf電站和美國McIntosh電站為代表。Huntorf電站于1978年投入運行，是世界上首座商業化運行的電廠。它是典型的傳統CAES，燃燒廢氣直接排向大氣，由于廢氣仍然具有較高的溫度，造成了熱能的浪費，因此其效率僅為40%左右[14]。McIntosh電站在Huntorf電站的基礎上增設了回熱器，用于從廢氣中回收熱能，在壓縮空氣在進入燃燒室之前對其進行預熱，從而將系統效率提高至54%。

傳統壓縮空氣儲能系統存在以下幾個問題。

(1)需要使用化石燃料，有溫室氣體的排放。在傳統壓縮空氣儲能系統中，空氣進入透平做功之前需先與化石燃料混合燃燒。一方面，化石燃料資源逐漸枯竭，價格上漲，系統成本增加；另一方面化石燃料燃燒會生成二氧化碳，不符合綠色、可再生的能源發展要求。

(2)廢熱利用不足。在能量儲存階段，空氣被壓縮以產生壓縮熱；在釋能階段，透平排氣仍具有一定溫度。傳統壓縮空氣儲能系統沒有利用這兩部分能量，導致系統循環效率較低。

(3)效率較低。傳統壓縮空氣儲能系統的效率僅為40%左右，而抽水蓄能電站的效率可以達到70%～80%。

近年來，為了提高壓縮空氣儲能系統的效率，改善系統性能，各國科研人員對于壓縮空氣儲能技術進行了更加深入廣泛的研究，提出了彌補傳統CAES系統缺點的各種新型系統，例如水下壓縮空氣儲能系統，液化空氣儲能與超臨界壓縮空氣儲能等；同時探索出了新的建模方法和分析方法。

2.1 新型壓縮空氣儲能系統

水下壓縮空氣儲能系統的壓縮過程是等壓的，儲氣室內的壓力恒定，因此壓縮機和膨脹機總是能在額定工況附近工作，這就使膨脹和壓縮過程都具有較高的效率[15-16]。而且由于它的儲氣裝置位于水下，即使發生事故，造成的破壞與危害也小于傳統地下壓縮空氣儲能系統。

傳統CAES系統低效的原因之一在于壓縮空氣的體積能量密度較低，雖然可以通過增加壓力來增加其能量密度，但壓力的提高受到儲氣裝置承壓性能和成本的限制，因此出現了液態空氣儲能(liquid air energy storage, LAES)和超臨界壓縮空氣儲能系統(supercritical CAES, SC-CAES)。液態空氣儲能技術是在用過剩的電能在用電低谷時期液化和儲存空氣，并在電力消耗的高峰期對空氣加壓升溫以釋放能量。LAES能量密度很大，且不受地理條件的限制[17]。2015 年春，英國 Highview Power Storage公司投資建造了世界首臺商業規模運行的LAES電廠。

SC-CAES兼具AA-CAES與LAES的優點，系統不需要設置燃燒室，空氣以液態形式儲存[18]。當用電低谷時，空氣被壓縮到超臨界狀態，在蓄熱換熱器中冷卻到常溫后，利用存儲的冷能將其等壓冷卻液化，在節流后常壓存儲于低溫儲罐中。用電高峰時，液態空氣經低溫泵加壓至超臨界壓力后，輸送到蓄冷換熱器加熱至常溫，在吸收壓縮熱后經膨脹機膨脹做功。中國科學院工程熱物理研究所一直在進行超臨界壓縮空氣儲能系統的研發工作，目前1.5 MW級示范系統已經建成，下一步計劃是建設規模為 10 MW 級的示范系統[19]。

2.2 CAES系統的建模與分析技術

對于研究和設計CAES系統來說，建立系統模型能夠對整個系統的運行過程進行模擬，得到最佳運行參數。不同的建模方法計算出的結果不盡相同，因此建立合適的模型對于優化系統參數、得到更精確的運行結果有著重要意義。

文獻[20]基于傳統壓縮空氣儲能系統建立了計算模型。模型將系統分為蓄能和發電兩個子系統，先對兩個子系統進行熱力學分析，之后分別在Aspen軟件模擬，得到系統相關參數。

文獻[21-22]對于非補燃式壓縮空氣儲能系統的動態模型進行了研究，其特點是利用模塊化建模技術，即對系統的各個組分建立一體化模型，包括渦輪壓縮機、石子填充床、儲氣室、渦輪膨脹機、永磁發電機等設備。首先根據計算流體力學和熱力學原理，利用MATLAB數值計算方法求解動態方程，之后在Gambit、MATLAB等平臺上搭建模型，進行仿真。通過動態仿真實驗能夠獲得系統動態過程中的數據及參數變化曲線。

文獻[13]闡述了利用Aspen Plus軟件針對先進絕熱壓縮空氣儲能系統自定義了一種蓄熱器模型，其中蓄熱器模塊的模型用 Fortran 語言進行編寫。將編寫的蓄熱器模塊嵌入到壓縮空氣儲能系統中，便可以對系統進行計算，得到各個節點的參數結果。

在獲得模擬結果后，對結果的分析方法同樣影響到系統效率的計算。正交設計(Orthogonal Experimental Design,簡稱 OED)是一種研究多因素水平的試驗設計方法，特點是從全面試驗中挑選部分具有代表性的進行試驗，這樣就可以通過較少的試驗找出因素水平的優化組合，分析各因素的優化效果。根據壓縮空氣儲能系統的結構特性，華北電力大學何青等人采用正交設計和數值模擬的方法，對壓縮空氣儲能系統的壓縮機絕熱效率、級間冷卻溫度、儲氣室最低工作壓力、回熱度、膨脹機絕熱效率和燃燒室效率等6個參數進行實驗設計和數值模擬，分析了模擬實驗的結果[23]，得到了設計參數對于系統效率的影響程度。

粒子群算法(Particle Swarm Optimization，簡稱 PSO)是一種在迭代法基礎上創造的求解全局優化問題的方法。文獻[24]提出了改性粒子群優化方法，對多個運行參數進行整體優化，從而為提高系統儲能效率提供參考。結果表明，用這種方法進行計算的儲能效率最高可以達到 69.945%，優化算法具有較好的全局收斂性和較高的精確度。

基于CAES系統流程的對稱性，文獻[25]提出了適用于壓縮空氣儲能系統的對應點分析方法，建立了對應點效率、對應設備擁效率、設備因子和恢復系數等數學模型，這些模型能反映系統局部和整體的恢復能力、對應設備的性能，以及系統優化改進方向。

3 CAES系統的綜合應用

3.1 具有壓縮空氣儲能系統的海上風電系統

風力的強度具有隨機性，這會導致風力機輸入功率的隨機波動， 為了穩定這種波動，可將壓縮空氣儲能系統引入風力發電系統，以改善輸出電力的品質。此外，儲能系統還可以提高風能的利用率，在風力大時將超過額定功率部分的能量儲存起來，在輸入風功率低于額定功率時再釋放出來，這樣，可以有效地避免發電機過載的問題而不浪費風能。文獻[26]提出了采用液體活塞開式蓄能器的全液壓風力發電壓縮空氣儲能系統，利用海水冷卻液體活塞中壓縮空氣產生的熱量，使得壓縮過程近似等溫。

3.2 CAES與其他系統的耦合

文獻[27]提出了一種將壓縮空氣儲能與內燃機相耦合的冷熱電聯產系統。該系統的特點是空氣在透平膨脹機中完成做功之后，進入換熱器換熱。在溫度降低后與天然氣混合進入內燃機燃燒，從而驅動發電機發電。內燃機可回收的廢熱有兩部分：排氣及缸套水。內燃機的排氣首先經過儲氣室的出口預熱膨脹透平進氣，然后進入吸收式制冷機進行制冷，最后進入換熱器向用戶供熱；內燃機缸套水通過與冷卻水換熱從而加熱冷卻水，并直接向用戶供熱，冷卻后的缸套水再次進入內燃機進行循環。該系統發電能力強，能量能夠完全利用。

文獻[28]提出了一種與有機朗肯循環(Organic Rankine Cycle, ORC)耦合的壓縮空氣儲能系統。有機朗肯循環是以低溫有機物為工質的朗肯循環，其優點是可以回收中、低品位的焓熱。對于該系統，有機朗肯循環的熱源來自于兩個部分，一部分是壓縮空氣過程中產生的壓縮熱，另一部分是換熱器的余熱。理論計算表明，與不使用ORC相比，與ORC耦合的壓縮空氣儲能的效率能夠提高3.32%～3.95%。

文獻[29]提出了一種壓縮空氣重力儲能系統(Compressed Air Gravity Energy Storage System, CAGES )，它將壓縮空氣儲能系統與抽水蓄能結合。該系統不受抽水蓄能電站對于地理位置的限制，也解決了傳統壓縮空氣儲能系統效率較低的問題。在儲能階段，氣體經壓縮機壓縮過后進入儲氣室中，同時水泵推動水池中的水上升，空氣被進一步壓縮。系統中存儲了壓縮空氣的動能和水的重力釋能。除了能提高系統效率，由于系統不需要冷卻器，因此投資成本也有所降低。

文獻[30]在AA-CAES的基礎上提出了帶有高溫和低溫兩個儲熱單元的高溫混合動力壓縮空氣儲能系統(High Temperature Hybrid Compressed Air Energy Storage, HTH-CAES)。這種設計解決了AA-CAES系統中缺少承受高溫高壓的材料的問題。輸入系統內的電能分為兩個部分，一部分用于壓縮空氣，另一部分通過焦耳加熱直接轉化成熱能被儲存。將純壓縮轉化為部分儲熱，不但能夠增加系統的能量儲存能力，當負載變化時還能在不改變系統結構的情況下實現系統的動態放大或縮小。經計算HTH-CAES與同配置的AA-CAES系統相比效率提高了6%。

此外，文獻[31]提出與預冷器耦合的壓縮空氣儲能系統(Novel Compressed Air Energy Sorage (CAES) System Combined Withpre-cooler, PC-CAES)，該系統能夠減少儲能過程中壓縮機的能耗，并且提高系統效率。其特點是使用空氣調節器對壓縮機入口的空氣進行預冷。當壓縮機的壓比為確定值時，其耗功與入口空氣溫度成正比。因此，降低壓縮機進氣溫度能夠減少耗功并提高系統效率。計算結果表明使用PC-CAES可將系統效率提高3%。

4 CAES發展方向

從20世紀40年代壓縮空氣的概念首次被提出至今，壓縮空氣系統的理論研究已經日益完善。理論上，壓縮空氣儲能系統的效率最高可以達到70%。然而，商業運行的壓縮空氣儲能電站至今仍舊只有McIntosh電站在Huntorf電站兩座。其原因有兩個方面。

(1)壓縮空氣儲能系統關鍵部位的材料和技術還不夠成熟。如帶有儲熱環節的系統需要性能良好的儲熱材料，AA-CAES系統需要耐高溫高壓的機械設備，帶有地下儲氣室的系統需要對地質條件進行考察評估等。

(2) 壓縮空氣儲能系統的作用主要在于將可再生能源拼接起來，形成穩定的電力供應。然而可再生能源如風能、太陽能除初始投資外發電成本幾乎為零，因此出現了大量“棄風棄光”現象。若采用壓縮空氣儲能的成本大于“棄風棄光”的成本，則壓縮空氣儲能技術很難大規模商業應用。

因此，未來對于壓縮空氣儲能技術的研究重點應集中在以下幾個方面。

(1)關鍵技術的突破。如多級壓縮機和多級透平機的內部機理，蓄冷蓄熱材料的傳熱特性等。

(2)儲能系統與電力系統耦合時的關鍵問題。如機組的調節特性，系統集成控制技術與并網接入技術等。

(3)小型、微型壓縮空氣儲能系統結構簡單，投資少，不受地理條件限制，可優先發展，用于分布式能源、汽車、備用電源等。

4 結語

壓縮空氣儲能系統是一種相對成熟的技術，具有成本低、容量大、壽命長的優點，是最具潛力的儲能技術之一。近年來國內外研究人員對于壓縮空氣儲能技術進行了廣泛深入的研究：提出了許多新型系統，包括水下壓縮空氣儲能系統、液化空氣儲能系統、超臨界壓縮空氣儲能系統等。通過優化建模方法和數據分析方法，提高了壓縮空氣儲能系統的理論效率。隨著技術的進步和可再生能源的發展，壓縮空氣儲能技術將得到大規模應用。