压缩空气储能技术及发展趋势概述

计熠 霍玉龙 王冲 刘鑫

摘 要：介绍了压缩空气储能的基本原理，以是否需要补燃对其改进型的研究进展分别进行阐述，评价了不同系统的参数。简要概括水下压缩空气储能技术，罗列出近几年中国压缩空气储能研究进展的突破，同时针对各国对压缩空气储能系统的发展现状，提出了未来压缩空气储能技术发展方向。

关键词：压缩空气储能;研究进展;发展方向

中图分类号：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

由于社会对电力需求的增大导致的高峰供电短缺，发展大规模储能技术成为了解决该问题的有效途径。目前常见的储能技术有电池储能、抽水储能、飞轮储能、压缩空气储能等。其中抽水储能和压缩空气储可以作为大规模容量的商业化应用，但抽水储能限于地形约束，如在极寒、无丰富水源等地域无法使用，而压缩空气储能 （Compressed Air Energy Storage，CAES） 系统不受地理因素的限制，并且电量成本和相应速度都与其相当。目前CAES技术成熟，运行寿命长，可循环上万次，是能与抽水蓄能相媲美的大规模储电技术。

国家能源局统计[1]，截至2020年底，我国可再生能源发电装机达到9.34亿千瓦，同比增长约17.5%，其中风电装机2.81亿千瓦、光伏发电装机2.53亿千瓦。但由于风电、光伏等可再生能源的间接性和不确定性，直接并网后必定会对电网造成波动，CAES系统可通过对断续能量的储存并稳定释放，改善电能品质，提升电网稳定性，同时为可再生能源应用于微能源电网等提供可行性。对于提高可再生能源利用，同时实现我国能源结构转型起到了巨大的推动作用。因此，CAES是最具潜力的储能技术之一，必将对未来的电力和能源系统产生重要作用。

为了深入地理解压缩空气储能技术，本文介绍了CAES 系统的基本工作原理及技术特点，并以是否需要补燃进行分类，简要阐述了CAES性能优化方案，并且分析了水下CAES技术的优势与发展现状，最后基于CAES 技术研究以及国内外发展现状的基础上，探讨了未来 CAES 技术的发展趋势。

1 CAES系统基本工作原理

CAES技术的提出基于燃气轮机原理，其二者都有压缩机、透平与工作所需的相同的工质，而CAES相比于燃氣轮机，在工作方式上，压缩机与透平错时工作，在用电低峰时，CAES将电能用于空气压缩，并且将空气储存在矿井、储气罐、盐岩洞等储气装置中，在用电高峰时释放压缩空气推动透平发电。主要过程可分为压缩空气、储存空气、释放能量。如图1。因此在部件组成上，CAES比燃气轮机多增加了储气装置。CAES的核心部件，压缩机组采用多级压缩，级间冷却的工作模式，并且根据不同CAES系统，对于压缩机除满足高压比、流量大外也有不同要求，这与燃气轮机中压缩机部件有很大不同。在效率方面，相同的燃料消耗CAES系统的输出功率较传统的燃气轮机可以高出2倍左右[2]。

目前德国Huntorf与美国McIntosh压缩空气储能电站相继投入使用，但其电-电转换效率仍不理想，CAES技术一方面正朝向控制系统研究与优化、核心部件的改良以提高系统效率，另一方面部分CAES技术利用冷热电三联供特性，提高系统热能利用率。

2 CAES系统研究进展

2.1 多级压缩及增加回热器技术

国际上已投入使用的两座CAES均为补燃型。以Huntorf电站为例，该电站的额定输出功率为290 MW，2006年通过增加两透平前参数额定功率提高到了321 MW。在电站各部分?损中，去除燃烧室在燃烧过程不可避免的能量转化的损失外，排气?损占比最高，为10.46%[3]。其主要原因是工质在经过低压透平后温度超过400 ℃，仍有很大利用性。因此可以在增加回热器吸收废弃的热量用于预热即将进入透平的工质，与Huntorf电站对比燃烧室中天然气的消耗降幅33%，排气?损也降至2.37%。美国McIntosh压缩空气储能电站基于此技术将系统的循环效率提高了13%，系统性能得到优化。

2.2 进气喷雾技术

由于液体水雾的高密度和高热容量，在空气被压缩阶段可以对其进行持续冷却，使得压缩时温度只会略有升高而近似为等温压缩，因此提高压缩效率。进气喷雾技术早期应用燃气轮机领域，如W501A型燃气轮机基于此技术，发电率较之前提升20%。