空氣也能這樣玩?水下恒壓壓縮空氣儲(chǔ)能來(lái)了!

　　海上可再生能源發(fā)電，尤其是風(fēng)電，已進(jìn)入規(guī)?；l(fā)展時(shí)期。據(jù)報(bào)道，2023年全球海上風(fēng)電新增裝機(jī)7.3GW，累計(jì)超過(guò)50GW，其中，中國(guó)海上風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)達(dá)到37.7GW。

　　由于可再生能源具有波動(dòng)性、隨機(jī)性和不可預(yù)測(cè)性，難以滿足居民用戶穩(wěn)定用能需求。儲(chǔ)能通過(guò)在電力過(guò)剩時(shí)儲(chǔ)存盈余電力，在電力不足時(shí)釋放儲(chǔ)存的能量補(bǔ)充電力缺口，能夠?qū)崿F(xiàn)可再生能源平滑輸出，保障用戶用能需求，在發(fā)電側(cè)與用戶側(cè)之間建立起一條彈性紐帶。

　　隨著海上可再生能源大規(guī)模發(fā)展，海上儲(chǔ)能需求急劇增加。如何開(kāi)發(fā)出經(jīng)濟(jì)、適用、可靠的海上儲(chǔ)能技術(shù)是儲(chǔ)能相關(guān)從業(yè)者們首先需要解決的問(wèn)題。

　　壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)

　　壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)是基于燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)發(fā)展起來(lái)的物理儲(chǔ)能技術(shù)，系統(tǒng)原理如下圖所示，具有儲(chǔ)能規(guī)模大、放電時(shí)間長(zhǎng)、建設(shè)和運(yùn)行成本低、壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)。

　　儲(chǔ)能時(shí)，利用過(guò)剩或非峰值電能驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)，將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)壓縮機(jī)(一種將低壓氣體提升為高壓氣體的機(jī)械)將空氣從低壓狀態(tài)壓縮至高壓狀態(tài)，并將高壓空氣儲(chǔ)存在儲(chǔ)氣裝置(鹽穴、人工硐室或儲(chǔ)氣罐)中，最終將電能轉(zhuǎn)換成空氣熱能和壓力能。

　　釋能時(shí)，高壓空氣從儲(chǔ)氣裝置釋放，進(jìn)入燃燒室同燃料一起燃燒，或在換熱器中被其他熱流體加熱，高溫高壓氣體驅(qū)動(dòng)透平(將流體介質(zhì)中的能量轉(zhuǎn)換成機(jī)械功的機(jī)器)旋轉(zhuǎn)，透平帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，最終將空氣內(nèi)能轉(zhuǎn)換成電能。

壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)示意圖 (圖片來(lái)源：中國(guó)科學(xué)院工程熱物理研究所)

　　中國(guó)科學(xué)院工程熱物理研究所從2004年開(kāi)始開(kāi)展不需要燃燒燃料的先進(jìn)壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)研究，完成了先進(jìn)壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)從kW級(jí)到300MW級(jí)的蛻變，成功將先進(jìn)壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)從理論研究推向商業(yè)化應(yīng)用階段。

　　另辟蹊徑

　　無(wú)論是傳統(tǒng)壓縮空氣儲(chǔ)能，還是目前已進(jìn)入商業(yè)化初期的先進(jìn)壓縮空氣儲(chǔ)能，均采用容積不變的儲(chǔ)氣裝置，屬于恒容壓縮空氣儲(chǔ)能。但現(xiàn)行的恒容壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)，難以滿足海上可再生能源開(kāi)發(fā)對(duì)儲(chǔ)能技術(shù)的迫切需求，它面臨三大關(guān)鍵限制因素：

　　第一，沿海特殊的地理環(huán)境中，沒(méi)有密封性好的地下鹽穴、無(wú)法建設(shè)地下人工儲(chǔ)氣硐室，地面空間不足以安置大規(guī)模儲(chǔ)氣罐，因此難以找到合適的大規(guī)模儲(chǔ)氣場(chǎng)所;

　　第二，采用恒容儲(chǔ)氣，儲(chǔ)釋能過(guò)程中儲(chǔ)氣裝置內(nèi)部壓力和溫度不斷變化，為使得透平輸出功率相對(duì)穩(wěn)定，需要通過(guò)節(jié)流閥調(diào)節(jié)進(jìn)氣壓力，能量損失大，效率有待進(jìn)一步提高;

　　第三，受限于儲(chǔ)氣裝置內(nèi)部壓力變化和調(diào)節(jié)需求，設(shè)備需要不斷變化運(yùn)行工作狀態(tài)，以適應(yīng)儲(chǔ)氣庫(kù)內(nèi)壓力和調(diào)節(jié)需求，頻繁變化工況中效率急劇下降，缺乏可再生能源側(cè)集成儲(chǔ)能系統(tǒng)的相關(guān)理論支持。

　　針對(duì)以上關(guān)鍵限制因素，中國(guó)科學(xué)院工程熱物理研究所儲(chǔ)能研發(fā)中心的研究人員準(zhǔn)備另辟蹊徑——開(kāi)發(fā)水下恒壓壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)。

　　我們知道，水下特定位置的水壓與水深一一對(duì)應(yīng)，只要水深不變，水壓便維持不變，因此，設(shè)法將水壓傳遞給儲(chǔ)氣裝置內(nèi)部的空氣就可實(shí)現(xiàn)恒壓儲(chǔ)氣和恒壓放氣。

　　科研人員由此發(fā)展了閉式柔性儲(chǔ)氣裝置和開(kāi)式剛性儲(chǔ)氣裝置兩種類型的水下恒壓儲(chǔ)氣裝置。

　　柔性儲(chǔ)氣裝置外壁與水接觸，水壓通過(guò)柔性儲(chǔ)氣裝置傳遞給裝置內(nèi)部空氣，儲(chǔ)氣裝置內(nèi)部氣量變化只會(huì)影響儲(chǔ)氣裝置內(nèi)部實(shí)際空間大小，不會(huì)導(dǎo)致壓力變化。

　　開(kāi)式剛性儲(chǔ)氣裝置底部開(kāi)孔，直接與水接觸，在充放氣過(guò)程中，水通過(guò)開(kāi)孔進(jìn)入或被排出儲(chǔ)氣裝置。同樣地，儲(chǔ)氣裝置內(nèi)部氣量變化不會(huì)導(dǎo)致壓力變化。

　　這兩種儲(chǔ)氣裝置均能實(shí)現(xiàn)裝置內(nèi)部空氣在排氣壓力不變的情況下完全釋放，可以完全利用儲(chǔ)氣空間，儲(chǔ)能密度高。

　　由于儲(chǔ)/釋能過(guò)程中，儲(chǔ)氣庫(kù)內(nèi)壓力均維持不變，壓縮機(jī)和透平的工作壓力也可以根據(jù)儲(chǔ)氣庫(kù)設(shè)計(jì)壓力最優(yōu)化設(shè)計(jì)，且始終工作在設(shè)計(jì)點(diǎn)附近，系統(tǒng)能量損失小，運(yùn)行效率高。

　　通過(guò)對(duì)比研究發(fā)現(xiàn)，恒壓系統(tǒng)較恒容系統(tǒng)效率高3%-6%，且儲(chǔ)氣壓力越大，恒壓系統(tǒng)儲(chǔ)能密度優(yōu)勢(shì)越明顯，絕熱恒壓系統(tǒng)儲(chǔ)能密度可達(dá)恒容系統(tǒng)3倍及以上。

　　不斷優(yōu)化海上、陸地應(yīng)用

　　現(xiàn)行的壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)受限于沿海陸地資源條件，而水下恒壓壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)恰好能夠利用水下寬廣的海床和水下恒溫恒壓環(huán)境，作為儲(chǔ)氣場(chǎng)所，儲(chǔ)氣規(guī)模不受限制，為海上可再生能源大規(guī)模發(fā)展提供高效、低成本的儲(chǔ)能技術(shù)支撐。

　　通過(guò)水下恒壓壓縮空氣儲(chǔ)能與海上可再生能源共建，協(xié)同規(guī)劃，就能實(shí)現(xiàn)不穩(wěn)定、不可控的可再生能源平滑輸出，為沿海用戶提供穩(wěn)定可靠的綠色電力供應(yīng)。

　　該技術(shù)除了可以應(yīng)用在海上可再生能源開(kāi)發(fā)中，還可用于對(duì)現(xiàn)有的壓縮空氣儲(chǔ)能電站進(jìn)行升級(jí)改造。通過(guò)給現(xiàn)有的壓縮空氣儲(chǔ)能電站增加地面水池和敷設(shè)直通儲(chǔ)氣裝置底部聯(lián)通管道，實(shí)現(xiàn)恒壓運(yùn)行，系統(tǒng)額定效率有望提高3%-6%，避免恒容儲(chǔ)氣使系統(tǒng)偏離設(shè)計(jì)工況運(yùn)行，降低電站運(yùn)維難度，大幅提高電站運(yùn)行壽命。

　　近年來(lái)，我們從優(yōu)化設(shè)計(jì)、優(yōu)化運(yùn)行及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證三個(gè)層面展開(kāi)恒壓壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)研究。

　　在優(yōu)化設(shè)計(jì)方面：建立了適合于水下恒壓壓縮空氣儲(chǔ)能的分析方法，確定了能量損失的源頭，揭示了壓力能與熱能協(xié)同高效儲(chǔ)存理論，進(jìn)一步建立了能量損失極小化的優(yōu)化方法;

　　在優(yōu)化運(yùn)行方面：通過(guò)理論分析與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合的方法揭示了恒壓壓縮空氣儲(chǔ)能關(guān)鍵參數(shù)調(diào)節(jié)特性，提出了多參數(shù)聯(lián)合變工況調(diào)控策略，大幅拓寬高效運(yùn)行范圍。

　　在實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證方面：為突破水下實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地和成本限制，提出了基于深水模擬裝置的恒壓壓縮空氣儲(chǔ)能實(shí)驗(yàn)技術(shù)，采用高壓水和高壓氣模擬柔性氣囊外部深水環(huán)境，搭建了兆瓦級(jí)恒壓壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，設(shè)計(jì)儲(chǔ)氣壓力等效水深約700米。我們已完成了系統(tǒng)性能實(shí)驗(yàn)與測(cè)試，經(jīng)具有CNAS資質(zhì)的第三方測(cè)試，系統(tǒng)效率達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平，較同規(guī)模恒容系統(tǒng)高出6.7%。

　　同時(shí)，我們也開(kāi)展了儲(chǔ)能系統(tǒng)與可再生能源耦合調(diào)控實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果顯示，系統(tǒng)具有很好的負(fù)荷跟隨性能，實(shí)驗(yàn)功率跟隨誤差不超過(guò)±5%，且效率均維持在額定效率的90%以上，驗(yàn)證了恒壓系統(tǒng)作為發(fā)電側(cè)儲(chǔ)能的可行性。

恒壓壓縮空氣儲(chǔ)能試驗(yàn)平臺(tái)示意圖 (圖片來(lái)源：中國(guó)科學(xué)院工程熱物理研究所)

兆瓦級(jí)恒壓壓縮空氣儲(chǔ)能實(shí)驗(yàn)平臺(tái) (圖片來(lái)源：中國(guó)科學(xué)院工程熱物理研究所)

　　結(jié)語(yǔ)

　　未來(lái)我們將進(jìn)一步對(duì)水下恒壓壓縮空氣儲(chǔ)能的關(guān)鍵部件進(jìn)行深入研究，突破關(guān)鍵設(shè)備在沿海地帶高鹽霧、高濕度等特殊環(huán)境下長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行的能力，攻克開(kāi)式水下恒壓壓縮空氣儲(chǔ)能中壓縮空氣在水中的溶解難題、閉式水下恒壓壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)中柔性儲(chǔ)氣裝置錨固問(wèn)題，開(kāi)展水下壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)工程示范。

　　相信在不久的將來(lái)，水下恒壓壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)將逐漸發(fā)展成熟并進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化階段，為海上可再生能源發(fā)展保駕護(hù)航，為實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)注入新的活力。