海上可再生能源發(fā)電，尤其是風(fēng)電，已進(jìn)入規(guī)模化發(fā)展時(shí)期。據(jù)國(guó)際可再生能源署（IEA）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。據(jù)中國(guó)風(fēng)能協(xié)會(huì)（CWEA）報(bào)道，2023年中國(guó)海上風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)達(dá)到37.7GW，位居全球第一。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，為了提高供能穩(wěn)定性，海上儲(chǔ)能需求急劇增加，需要發(fā)展經(jīng)濟(jì)、適用、可靠的海上儲(chǔ)能技術(shù)。

基于此，中國(guó)科學(xué)院工程熱物理研究所儲(chǔ)能研發(fā)中心提出了水下恒壓壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)，該技術(shù)利用水下天然恒壓、恒溫的環(huán)境優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)恒壓儲(chǔ)/釋能，具有安全、穩(wěn)定、高效等特點(diǎn)，是一種非常適用于海上能源保障的大容量?jī)?chǔ)能技術(shù)。利用水的靜壓特性實(shí)現(xiàn)空氣的恒壓儲(chǔ)存和恒壓釋放，能夠穩(wěn)定壓縮機(jī)和膨脹機(jī)工作壓力，使其工作在設(shè)計(jì)點(diǎn)附近，同時(shí)避免了節(jié)流損失，系統(tǒng)效率較恒容系統(tǒng)提高2-5個(gè)百分點(diǎn)，儲(chǔ)能密度可達(dá)恒容系統(tǒng)3倍及以上。根據(jù)壓縮空氣是否與水直接接觸，可分為采用柔性儲(chǔ)氣裝置的閉式恒壓壓縮空氣儲(chǔ)能和采用剛性儲(chǔ)氣裝置的開(kāi)式恒壓壓縮空氣儲(chǔ)能。除了在海上應(yīng)用，還可用于對(duì)現(xiàn)有采用地下恒容儲(chǔ)氣的壓縮空氣儲(chǔ)能電站進(jìn)行恒壓改造，提高運(yùn)行效率。

圖1 恒壓壓縮空氣儲(chǔ)能試驗(yàn)平臺(tái)示意圖

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。已完成系統(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3.5個(gè)百分點(diǎn)。同時(shí)，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。該試驗(yàn)臺(tái)還具備開(kāi)展真實(shí)深水環(huán)境下的系統(tǒng)試驗(yàn)、柔性儲(chǔ)氣裝置變形特性試驗(yàn)和疲勞性能試驗(yàn)等功能。

圖2 兆瓦級(jí)恒壓壓縮空氣儲(chǔ)能實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

團(tuán)隊(duì)相關(guān)研究成果已分別在國(guó)際期刊Applied Energy(IF=11.2)、Journal of Energy Storage (IF=9.4) 發(fā)表和國(guó)際會(huì)議Low Carbon Cities & Urban Energy Systems (CUE2024)報(bào)告分享。該技術(shù)的突破可為海上可再生能源規(guī)模發(fā)展提供技術(shù)支撐，具有很好的發(fā)展前景。