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1、压缩空气储能系统技术发展前景1. 引言目前，依靠新能源缓解甚至解决传统化石能源危机并处理大量使用化石能源所伴随的环境污染，是一个重要的国家能源发展战略，但是新能源不可避免的问题是其发电具有波动性和间歇性，对其进行大规模开发和利用同时保证电力系统运行的安全稳定面临诸多挑战。据最新统计表明：到 2016 年 6 月底，风电累计并网容量达到 1.37 亿千瓦，但是全国的弃风率达 21% 1，造成了能量的严重浪费。采用储能系统将极大地改善风能的利用率，在用电低谷或者发电量充裕且超过需求的时候把电能储存起来，在用电高峰的时候再输出，使得负荷低谷时产出的低品位电能能够用到负荷高峰，转换为高品位电能，避免了
2、负荷低谷电的廉价化和弃用现象，让电厂机组保持高参数运行，维持高能效的同时不浪费电能，实现削峰填谷1-4。压缩空气储能作为一种具有重要发展前景的技术将会在可再生能源规模化利用中发挥重要的作用。2. 压缩空气储能的原理压缩空气储能(Compressed Air Energy Storage，简称 CAES)，在用电负荷低谷消耗电能(来自风电、太阳能发电、水电、常规火电等)带动压缩机生产出高压空气，存放在储气容器中(地下洞穴或者储气罐)， 随后释放高压空气与燃料混合燃烧或者经换热器升温后，在膨胀机里做功发电以满足负荷高峰的需求。CAES 技术用在大规模储能中，容量在 100300 MW 之间，效率达
3、到 40%50%，可以直接用在电网调峰，并可减小电厂装机容量5，在对地理条件要求不高的基础上，实现对能量的长时储存，不仅具有良好的经济性，还可以在很大的负荷范围内变动。压缩空气储能是基于燃气轮机技术提出的一种能量存储系统，在燃气轮机中，高压空气混合燃料一起燃烧后形成高温高压燃气，随后进入涡轮膨胀机做功，因为压缩空气的过程需要耗功，大约会占到输出功的 2/3，所以净功是比较低的。而压缩空气储能系统产生高压空气消耗的是供大于求的低谷电，并把电能以高压空气(510 MPa)的形式储存在储气装置中，发电时，高压空气混合燃料一起燃烧后形成高温高压燃气，再进入膨胀机做功，整个系统虽然是以燃气轮机为基础，但
4、压缩获得高压空气的过程与高压工质做功的过程是分时进行的，所以在消耗同样燃料情况下，能多获得一倍以上电力。整个压缩空气储能系统的构成分为六个部分6：压缩机，通常是带中间冷却的多级压缩机，用于消耗电能产生高压空气；膨胀机，通常是带中间再热的多级膨胀机；燃烧室或者换热器，用于做功气体升温或者回收余热；储气设备，有地下洞穴或储气罐；电动机或者发电机，在储能和释能时其功能进行切换；其他辅助设备和控制系统。3. 压缩空气储能的早期应用世界上最早投入运行的两座大型商业化运行的压缩空气储能电站是德国的 Huntorf 电站(如图1 所示) 和美国的 McIntosh 电站7 8。Huntorf 电站从 197
5、8 年建成一直运行至今，它的压缩和膨胀过程均为二级，为了减少压气机耗功，压缩时对空气进行级间冷却和级后冷却；为了提高膨胀过程功率，膨胀过程具有中间再热结构。储能阶段，电动机带动压缩机做功，对入口的常温常压气体进行二级压缩，同时使用冷却装置对空气进行级间冷却和级后冷却，然后储存在矿洞中。发电时，高压空气从储气装置中放出进入燃烧室，吸收天然气燃烧释放热量升温后，进入一级透平做功，为了增加功率，对一级透平排气再燃，进入二级透平，驱动透平带动发电机对外输电。储气装置位于地下 600 m 的废弃矿洞，可容纳 3.1 105 m3 的压缩空气，最高储存压力为 10 MPa。充气过程持续 8 h，可满足连续
6、发电 2 h，该电站在 1979 年至 1991 年之间一共并网超过 5000 次，平均可靠性 97.6%，平均可用率 86.3%，由于该系统将透平排气直接排入大气并未进行余热回收，其实际运行效率仅为 42%，造成了一定环境污染和能源浪费。McIntosh 电站在 1991 年启动运行，与 Huntorf 电站不同，该机组利用透平排气余热加热进入燃烧室前的压缩空气，流程如图2 所示，这种回热技术使得机组效率进一步提高。储气装置位于地下 450 m 的洞穴，可容纳 5.6 105 m3 的压缩空气，充气过程持续 41 h，制备的压缩空气能持续发电 26 h。由于具有回热结构，节能效果好、效率高，
7、McIntosh 电站的单位发电燃料消耗相对于Huntorf 电站节省了约 25%， 其效率提升至 54%。4. 不同特点的新型压缩空气储能系统两座已经商业化的压缩空气储能电站，存在着效率低、依赖燃烧室和化石燃料、对环境污染较大、依靠大型储气洞穴选址不灵活等问题。继两座电站之外，美国、日本相继建设了新的压缩空气蓄能系统9。为了实现压缩空气储能系统更好发展，国内外学者采用优化热力学循环、耦合利用新能源、与其他现有系统耦合、改变工质状态等方法，提出了许多带有不同特点的新型 CAES 系统。4.1. 带储热的压缩空气储能系统传统的压缩空气储能系统一般带有燃烧室，不能摆脱对传统化石燃料的依赖，同时会向
8、大气中排放大量的污染物。为了解决这个问题，国外学者提出了带储热的压缩空气储能系统10。电力压缩 机压缩机离合器发电机高压膨 胀机低压膨胀机P-51P-54燃烧室燃烧室冷却水储气洞穴Figure 1. Flowchart of Huntorf power plant of Germany图 1. 德国的Huntorf 电站流程图4.1.1. 先进绝热压缩空气储能系统(AA-CAES)先进绝热压缩空气储能系统(AA-CAES)是传统的空气压缩储能系统与储热蓄能的结合，去除了燃烧室，将空气压缩过程中的圧缩热储存起来，在高压空气膨胀做功时对其进行加热，系统如图 3 所示。理论上，将空气压缩至 10 M
9、P，温度将达到 650 11，因为系统没有燃烧室，为了达到要求的功率，压缩机需要更大压比，同时为了使膨胀机进口温度不致过高，需尽可能增大进气流量。该系统利用了空气压缩时的圧缩热，极大地提高了系统效率。目前先进绝热压缩空气储能系统效率已达 70% 12 13。当然由于增加了储热系统，系统初期投资要相应提高。4.1.2. 外来热源储热的压缩空气储能系统空气在绝热压缩过程中，要消耗更多的压缩功，降低了储能系统效率。所以通过存储外来热源代替燃烧室燃料热量，可进一步提高储能系统效率。该系统可利用太阳能热，电力、化工等行业余热以及生活废热作为储能系统外来热源，具有广泛适用性14。其中，最典型的是与太阳光热
10、结合的带储热压缩空气储能系统，如图 4 所示，将太阳能热量储存在系统储热装置中，在需要时加热压缩空气，驱动膨胀机做功。本系统既解决了太阳能不稳定和间歇性的问题，又为压缩空气储能系统提供了热量，提高了系统效率。4.2. 耦合新能源的压缩空气储能系统耦合新能源的压缩空气储能系统将压缩空气储能系统与可再生能源利用耦合起来，既可以确保电网电力压缩 机压缩机离合器发电机高压膨 胀机低压膨胀机P-54燃烧室燃烧室冷却水储气洞穴换热器P-62Figure 2. Flowchart of McIntosh power plant of America图 2. 美国的McIntosh 电站流程图电力离合器压缩机
11、发电机涡轮机空气储热装置压缩空气废气Figure 3. Flowchart of advanced adiabatic compressed air energy storage system图 3. 先进绝热压缩空气储能系统流程图集热储热装置电动机压缩机空气泵压缩空气Figure 4. Flowchart of compressed air energy storage system coupled with the external heat source for heat storage图 4. 外来热源储热的压缩空气储能系统流程图涡轮机发P-31 电机废气换热器的安全稳定，又成功降低了
12、“弃风”、“弃光”现象，实现大规模利用新能源目的15。4.2.1. 耦合风电的压缩空气储能系统耦合风电的压缩空气储能系统即将传统压缩空气储能系统与风力发电系统连接起来，如图 5 所示。当电网不能够容纳产生的全部风电时，将风电场的多余电力驱动储能系统压缩机，压缩并储存空气；当电网可以容纳时，存储的高压空气进入燃烧室吸热并通过膨胀机膨胀做功，弥补电网对电用户的供电不足16。杨科等建立了风电与压缩空气储能集成系统的理论模型并对该系统在额定、扰动工况下的能量转化规律进行研究和对比17，结果表明：在 1.5 MW 稳定工况下，储能阶段能量转化率为 79%，释能阶段能量转化率为 77%，系统的整体效率约为
13、 59%。谭靖等从经济性方面分析了耦合风电的压缩空气储能系统，结果表明该系统远优于燃煤调峰电站以及其他储能电站18。4.2.2. 风光互补的压缩空气储能系统风光互补发电系统是将风力发电机组和太阳能发电机组集成为一体的发电系统，虽然有一定的环保效益和稳定性，但是仍然存在不稳定和间歇性缺点，并未彻底解决并网带来的问题19。徐玉洁等人提出了一种新型风光互补的储能与发电一体化系统，如图 6 所示20。该系统由风力发电机组、太阳能集热/蓄热装置、空气压缩机与存储装置、压缩机级间排热/蓄热装置或透平排气余热回收装置、透平膨胀装置组成。在用电低谷期，风电将空气压缩至高压，并储存在储气装置中，当需要时，将高压
14、空气利用压缩机级间排热、透平回热、和太阳能加热升温，然后在透平中膨胀做功，补充风电的不足。该系统不仅有效解决了大规模利用可再生能源问题，还降低了系统成本，极大地提高了储能系统运行效率。研究表明在给定压缩机效率为 80%，透平效率为 85%的条件下系统热效率在 46%61%之间，储能效率在 52%78%之间。4.2.3. 耦合生物质能的压缩空气储能系统风耦合生物质能的压缩空气储能系统采用生物质气代替天然气等化石能源作为压缩空气储能的燃料， 既降低了温室气体的排放，又在一定程度上降低了对化石能源的依赖，一般是将生物质能气化为生物质 气之后应用于压缩空气储能中。由于生物质能的收集和气化带来的成本提高
15、可通过政府对生物质能的补 贴来弥补，该技术有一定的发展前景。4.3. 耦合传统热力循环的压缩空气储能系统传统压缩空气储能系统功能单一，运行方式不灵活，为了提高系统效率和更好地利用好现有设备，发电机发电机电网风电场燃烧室电动机压缩机 涡轮机废气空气尾气换热器压缩空气电网Figure 5. Flowchart of compressed air energy storage system coupled with wind power图 5. 耦合风电的压缩空气储能系统流程图风电场泵电动机压缩机 涡轮机废气空气尾气换热器压缩空气换热器集热储热装置Figure 6. Flowchart of com
