《Carbon Neutrality》：Thermodynamic characteristics of multi-temperature graded compressed air energy storage system
编辑推荐：
压缩空气储能（CAES）是解决太阳能和风能间歇性与波动性的有效技术之一。然而，传统CAES相对狭窄的功率范围阻碍了高效集成与稳定运行。为此，研究人员提出了一种新型多温度梯级压缩空气储能（MTG-CAES）系统，旨在拓宽功率输入/输出范围、提高能量利用效率并增强
压缩空气储能（CAES）是解决太阳能和风能间歇性与波动性的有效技术之一。然而，传统CAES相对狭窄的功率范围阻碍了高效集成与稳定运行。为此，研究人员提出了一种新型多温度梯级压缩空气储能（MTG-CAES）系统，旨在拓宽功率输入/输出范围、提高能量利用效率并增强可再生能源消纳能力。在充电阶段，系统通过两级绝热压缩机和单级等温压缩机吸收风电和光伏电力，并回收压缩热；同时，难以吸收的高频波动风电通过电阻加热转换为热能并储存于储热系统中。在放电阶段，采用三梯度释能策略，集成太阳能热、压缩热及剩余风电热，实现膨胀机入口空气的梯级加热与分级功率调节。结果表明：输出功率范围可扩展至279.17 MW至682.36 MW，输入功率范围可扩展至210.44 MW至511.32 MW。系统在不同温度梯度设计条件下保持高效率，火用效率（exergy efficiency）和往返效率（round-trip efficiency）分别达到70.47%和72.34%。提高绝热压缩机压比可提升效率但缩小功率范围；较高的太阳能温度能显著拓宽功率范围，在太阳能资源丰富地区具有优势；较小的放电/充电时间比亦可拓宽功率范围。MTG-CAES系统为可再生能源的深度利用提供了新选择。
**论文解读：多温度梯级压缩空气储能系统的热力学特性研究**
**研究背景、存在问题及研究意义**
随着可再生能源（尤其是风能和太阳能）装机容量的快速增长，其间歇性和波动性对电力系统稳定运行造成严峻挑战。压缩空气储能（Compressed Air Energy Storage, CAES）凭借储容量大、储存时间长、系统效率高及寿命长等优势，被认为是解决上述问题的关键技术之一。然而，传统CAES系统功率范围相对狭窄，难以适应可再生能源发电的剧烈波动，导致系统集成效率低、运行不稳定。现有研究多集中于提升CAES与风光耦合系统的效率、经济性及调度策略优化，或在单一部件层面通过变几何调节（如导叶控制、变速运行等）拓展运行范围，但系统层面通过新型拓扑结构或外部能源协同来拓宽运行包络的研究相对有限。为此，研究人员提出一种新型多温度梯级压缩空气储能（Multi-Temperature Graded Compressed Air Energy Storage, MTG-CAES）系统，旨在通过多温度梯级能量存储与释放，拓宽系统的功率输入/输出范围，提高能源利用效率并增强可再生能源消纳能力。该论文发表于《Carbon Neutrality》。
**主要关键技术方法**
研究人员在MATLAB软件中对所提出的MTG-CAES系统进行建模，流体物性通过REFPROP数据库获取。模型假设包括：考虑换热器压降而忽略管道压损；忽略空气和流体的散热损失；忽略空气泄漏。关键组件模型包括：绝热压缩机做功基于等熵效率计算；等温压缩机做功采用等温效率公式；膨胀机输出功基于等熵效率；换热器传热量通过冷热流体的焓变计算。火用（exergy）分析方法用于计算各部件火用损，以识别影响系统火用效率的关键因素。采用三个热力学评价指标：系统火用效率、能量效率（energy efficiency）以及计及太阳能转换功的往返效率（round-trip efficiency）。系统参数包括绝热压缩机压比、太阳能温度、膨胀机级数、放电/充电时间比以及风热太阳热比（wind-to-solar heat ratio）作为主要影响因子进行敏感性分析。
**研究结果**
**（本部分内容基于原文“4 Results and discussion”小节，保留每个小标题并简要说明通过什么研究得出什么结论。）**
**4.1 典型工况分析**
在基准参数下（充电时间8 h，放电时间4 h），MTG-CAES系统火用效率达70.47%，能量效率66.56%，往返效率72.34%。三个梯度（Gradient 1至3）的火用效率依次为88.70%、75.58%和62.21%；设计输出功率依次为568.63 MW、484.50 MW和398.82 MW；放电容量依次为140.87 MWh、959.27 MWh和706.84 MWh。输入功率范围可达300 MW至450.63 MW。结合流量调节范围0.7~1.2，输出功率范围可扩展至279.17 MW至682.36 MW，输入功率范围可扩展至210.44 MW至511.32 MW。火用损分析显示，压缩-膨胀单元组和换热子系统是火用损主要来源，分别占总输入火用的16.21%和8.03%；储气罐节流阀亦贡献显著火用损。与其他改进型CAES系统比较，MTG-CAES在保持较高效率的同时实现了较宽的功率范围。
**4.2 系统参数分析**
**4.2.1 绝热压缩机压比的影响**
随着绝热压缩机压比增大，压缩热温度升高，第二、三梯度储热罐温度上升，压缩热油质量增加。由于太阳能油质量不变，油质量比（压缩热油与太阳能油之比）增加，导致第一梯度分配空气比例下降，第二、三梯度空气比例上升。总输出功增加，但第一梯度输出功减少，设计功率输出范围收窄。系统火用效率、能量效率和往返效率均提高，但边际增益递减。因此，需平衡效率与功率灵活性。
**4.2.2 太阳能温度的影响**
太阳能温度升高显著提升第一梯度储热罐温度，间接小幅提升第二、三梯度温度。第一梯度输出功大幅增加，总输出功上升，而第二、三梯度输出功增幅有限。放电功率上限显著提高，下限基本不变，从而大幅拓宽设计工况下功率范围。火用效率随太阳能温度升高而上升，但能量效率和往返效率下降。过高的太阳能温度可能影响热交换系统稳定性。
**4.2.3 膨胀机级数的影响**
增加膨胀机级数降低了每级膨胀比，使排气温度升高，各梯度回油温度上升。更多级数增加了放电阶段热需求，需更多太阳能热补充，导致油质量比下降（太阳能油比例增加）。第一梯度空气分配增加，输出功提高；第二、三梯度输出功略有下降。放电时间分布变化：第一梯度放电时间延长，第二、三梯度缩短。系统功率范围收窄，所有效率指标均下降，且投资成本增加。
**4.2.4 放电/充电时间比的影响**
随着放电/充电时间比增大，各梯度输出功率均呈下降趋势且降幅趋缓。三梯度间放电流量差距缩小，导致输出功率范围收窄。因此，较短的放电时间或较长的充电时间有利于拓宽功率输出范围。风光互补充电可进一步延长有效充电时长，增强放电功率灵活性。
**4.2.5 风热太阳热比的影响**
风热太阳热比（wind-to-solar heat ratio）增大时，储能功率（包括压缩机能耗和风电加热）呈减速增长趋势；系统往返效率和火用效率均下降。由于风电遵循“电-热-电”转换路径，引入额外不可逆损失，因此效率下降。通过调节风电电加热时间比例（tp），充电阶段功率范围从300 MW扩展至450.63 MW；结合流量调节可进一步扩展至210.44 MW至511.32 MW。需在充电功率吸收与系统效率之间寻求最优平衡。
**4.2.6 敏感性分析总结**
关键参数呈现耦合效应：绝热压缩机压比提高效率但缩小功率范围；太阳能温度拓宽功率范围但可能降低某些效率；膨胀机级数增加降低效率且缩小功率范围；较小放电/充电时间比拓宽功率范围；较高风热太阳热比提升充电功率但牺牲效率。经济性方面，新增多级储热罐及控制系统使初始投资增加约3%，但通过提供调峰服务、减少弃风弃光可获取额外运营收益。
**结论与讨论**
研究人员在论文“5 Conclusions”部分总结了研究结论。翻译如下：
**结论**
本研究研究了风能和太阳能与CAES系统的集成，旨在拓宽系统输出功率范围并提高能量利用效率。提出了一种新型MTG-CAES系统，进行了全面的热力学分析，并以火用效率、往返效率和功率范围评价系统性能。研究结果为可再生能源与CAES系统的集成提供了参考。主要结论总结如下：
（1）在基准设计参数下，三个梯度的设计输出功率分别为568.63 MW、484.45 MW和398.82 MW。设计输入功率范围可达300 MW至450.63 MW。结合0.7至1.2的流量调节范围，输出功率范围可达279.17 MW至682.36 MW，输入功率范围可达210.44 MW至511.32 MW。系统火用效率为70.47%，往返效率为72.34%。三个释能梯度的火用效率分别为88.70%、75.58%和62.21%，对应的放电容量分别为140.87 MWh、959.27 MWh和706.84 MWh。上述效率为理想化假设下的理论上限。
（2）揭示了关键参数对能量释放阶段的影响。绝热压缩机压比显著影响功率范围和效率：较高压比提升储热温度并增加梯度1-3的输出功，但减少总空气质量及梯度1空气分配，从而缩小功率运行范围。太阳能温度极大地增强功率灵活性：较高温度大幅提高梯度1的功率容量，扩大整体运行范围；尽管系统火用和能量效率略有下降，但往返效率提升。增加膨胀机级数降低效率，同时显著提高太阳能火用需求并改变梯度功率分布。较高的放电/充电时间比收窄功率范围，表明较短的放电或较长的充电时间更有利于维持宽运行灵活性。
（3）揭示了关键参数对能量充电阶段的影响。提高风电加热比例和缩短风电加热吸收时间均可扩大充电功率运行范围。通过调节风电电加热时间比例，充电阶段功率范围从300 MW扩展至450.63 MW；结合0.7至1.2的流量调节范围，该范围可进一步扩展至210.44 MW至511.32 MW。但较高的风电加热比例会降低系统效率。
所提出的系统仍面临某些技术挑战。新增部件导致初始投资成本增加，需通过系统优势带来的额外运营效益来弥补。同时，不同梯度间的灵活切换对控制系统和调节策略提出了更高要求。未来研究将聚焦于MTG-CAES系统的经济性能以及包括瞬态行为和协调控制策略在内的动态特性。
