2021 年中国储能技术
储能是能源革命的关键支撑技术，是解决可再生能源大规模接入、提高电力系统和区域能源系 统效率、安全性和经济性的迫切需要。2021 年，国家双碳战略的实施，大幅促进了储能技术和产业 的发展，中国储能实现了从商业化发展初期到规模化发展的转变，总体上中国储能的发展超出了业 界预期。一是支持储能的政策不断出台，二是储能系统的装机大幅增加，三是多种储能技术取得重 要进展。
抽水蓄能
抽水蓄能具有储能容量大、系统效率高、运行寿命长、响应快速、工况灵活、技术成熟等优点， 是当前大规模储能的主流技术。2021 年，在双碳目标的驱动下，国家从规划、政策等方面对抽水蓄 能给予了引导和支持，我国抽水蓄能的发展迎来历史性机遇，得到了飞速发展。可变速抽水蓄能、 大容量超高水头抽水蓄能、抽水蓄能与新能源联合运行控制、海水抽水蓄能以及基于废弃矿洞的抽 水蓄能等技术成为研究重点。
1 基础研究
针对变速机组的控制及运行问题，Gong 等提出了水泵工况启动控制、低电压穿越控制等方法， Chen 等提出了有功励磁控制器与调速器协调控制、一次调频控制策略和技术、有功无功快速控制等 新方法。武汉大学与南方电网调峰调频公司通过实证研究，量化了机组变速性能、出力性能、效率 性能和压力脉动性能共性指标，揭示了可变速机组变速行为演化机理，阐明了变速运行压力脉动“拐 点”效应，明晰了定扬程条件下变速入力调节的“迁移三角形”规律。
围绕风光等新能源与抽水蓄能结合发电的控制特性和系统优化，Yao 等提出了可变速海水抽蓄 电站与海上风电联合运行调度策略，优化计算了海水抽水蓄能电站的最优容量。杨森等在粒子群万 有引力混合算法中引入混沌算法、惯性权重和改进步长因子，建立以经济效益最大化为目标的风-光- 抽水储能联合发电系统数学模型。Xu 等针对不同的风况(随机风、梯度风和阵风)，从动态调节性能 和互补特性的角度研究了抽水蓄能发电对间歇性风电注入的调节能力。王珏等建立了反映抽水储能 机组过渡过程和双馈风电机组特性的抽水储能-风电联合系统模型，探究了有功功率跟踪和功率平滑 模式的动态响应特性，并验证抽水蓄能机组的功率调节补偿性能。
围绕水泵水轮机流动特性，Tao 等对水泵水轮机的不可逆流动能量耗散特性进行了可视化、跟 踪、量化和对比分析，指出有针对性地消除涡流、降低表面粗糙度和提高几何流动适应性有助于提 高水泵水轮机的能量转换效率。Zhang 等分析了水泵水轮机内水流破坏和重组的全过程，提高了对 水柱分离危险现象的认识。Gao 等根据水泵水轮机的完整特性曲线，建立了双馈抽水蓄能快速高精 度模型。张金凤等以提高水泵水轮机泵工况的效率与扬程为目标，用近似模型和改进 PSO 算法结合 的方法对转轮 9 个结构参数进行全局寻优。
针对废弃矿井构建抽水蓄能地下水库的问题，张庆贺等以常规抽水蓄能电站主要工程结构为蓝 本，提出了淮南矿区沉陷区—地下洞室群抽水蓄能电站的构建模型。卞正富等研究了水文地质与水 化学特征及水循环过程对选址的影响，以及废弃矿井地下空间岩体稳定性和密闭性对运行的影响。 Shang 等开展了废弃煤矿地下空间改造为抽水蓄能电站的指标评价体系研究，指出上下水库的高差 是影响最大的指标，其次为上下水库库容。另外，赵海镜等综合考虑寒冷地区抽水蓄能电站水库最 大冰厚的影响因素，利用实测资料采用多元回归方法建立了我国北方抽水蓄能电站最大冰厚计算公 式。
2 关键技术
我国大型抽水蓄能电站工程建设技术取得了长足进步。大型抽水蓄能电站地下洞室群、水力系 统快速机械化施工技术成熟应用，国产盾构机在 2020 年首次实现在抽水蓄能电站成功应用后，到 2021 年底已在 8 个抽水蓄能项目推广应用。
超高水头、超大容量抽水蓄能机组设计制造安装技术取得新突破，国内单机容量最大(400 MW)700 米级水头的阳江抽水蓄能机组攻克了长短转轮叶片与导叶匹配技术、双鸽尾结构磁极技术、 磁轭通风沟锻件整体铣槽工艺、磁轭鸽尾槽预装后整体铣槽工艺等新型制造和安装技术，机组稳定性指标优越，达到国际领先水平。
抽水蓄能电动发电机技术取得新突破，分数极路比绕组技术在国内首次成功应用于黑龙江荒沟 抽水蓄能电站，与常规绕组方式相比，可优化电站电气系统配置，改善发电电动机性能，定子绕组 布局合理，提高定子线棒刚强度，机组安装与维护更方便。
抽水蓄能机组安装及调试技术也取得新进步，梅州抽水蓄能电站在机组施工过程中通过安装调 试措施优化，创造了从项目开工至首台机投产仅用时 41 个月的国内抽蓄建设工期新纪录。
3 集成示范
2021 年全国共建设投产了敦化、荒沟、周宁、沂蒙、长龙山、梅州、阳江、丰宁 8 座抽水蓄能 电站。敦化蓄能电站在国内首次实现 700 米级超高水头、高转速、大容量抽水蓄能机组的完全自主 研发、设计和制造，成功建设严寒地区抽水蓄能电站首个沥青混凝土心墙堆石坝；长龙山蓄能电站 最大发电水头(756 m)、机组额定转速(5 号 6 号机组 600 r/min)、高压钢岔管 HD 值(4800 m×m) 均为世界第一；黑龙江荒沟电站填补国内空白的技术创新成果——“分数极路比”绕组技术；沂蒙 电站 1 号、2 号机组投产发电，是首例高转速“零配重”抽水蓄能机组；梅州蓄能电站主体工程创造 了国内抽水蓄能电站最短建设工期纪录的同时，机组运行稳定性在国内首次实现了三导轴承摆度精 度达到 0.05 mm；阳江蓄能电站实现了 40 万千瓦级单机容量、700 m 高水头抽蓄机组全自主化制 造，电站水道是世界首条 800 m 级水头的钢筋混凝土衬砌水道；丰宁蓄能电站是世界装机容量最大 的抽水蓄能电站，在国内首次引进使用变速机组技术。
南方电网调峰调频公司等多家单位建设了国内外首台完备的水-机-电-控制系统的可变速抽水蓄 能动态特性实验装置，建设了变速抽水蓄能仿真平台，实现了国内可变速抽蓄技术的集成示范应用， 深入研究了 10 MW 级可变速海水抽水蓄能机组关键技术。
压缩空气储能
压缩空气储能技术具有储能容量大、储能周期长、系统效率高、运行寿命长、比投资小等优点， 被认为是最具有广阔发展前景的大规模储能技术之一。2021 年，我国压缩空气储能技术取得了里程 碑式的发展，在系统特性分析、压缩机和膨胀机关键技术、10～100 MW 集成示范等方面均取得重 要进展。
1 基础研究
在系统特性分析与优化方法方面，Guo 等建立超临界压缩空气储能系统各个部件的动态模型， 研究系统的容腔效应、热惯性的影响规律，进而提出系统运行的控制方法，提升了系统的响应特性。 Chen 等通过对储热系统优化设计使蓄热式压缩空气储能循环效率得到提升。通过调节运行参数，实 现了蓄热式压缩空气储能系统冷热电三联供。Dzido 等研究了液态空气储能中冷能的回收利用对系 统性能的影响，研究发现不同的液化工艺流程及释能压力对系统循环效率存在影响。㶲损分析表明， 系统㶲损最大的为节流损失。Guo 等通过理论分析得到了水下压缩空气储能系统的热力学特性，研 究得到水下压缩空气储能系统的效率可达 70.7%，降低部件㶲损的优化顺序为膨胀机前换热器、膨 胀机、压缩机末级、低温蓄热罐。Chen 等研究了等温压缩空气储能的系统特性，系统循环效率最高 可达 76%。Mucci 等研究了小型压缩空气储能系统性能，研究发现通过对压缩机、膨胀机的转速调 节、压力阀门控制等方法，能够提升系统效率并降低成本。
在压缩机内流特性与宽工况调节方面，Liang 等在对离心式压缩机进行数值模拟的基础上，结合 改进的二区模型和低稠度叶片扩压器(LSVD)设计方法，完成了整体齿式(IGC)压缩机第一级的气动设 计，多变效率可达 91.0%。张丹等研究了轴流式压缩机动静叶弯参数耦合特征对角区分离和激波的 影响并进行优化设计，使失速裕度提升了 60.56%。Sun 等在压缩机中引入湿压缩方法，研究了该方 法对压缩机性能的影响特性及汽雾颗粒的运动规律，发现设计工况下压缩机耗功可降低 1.47%。孟 冲等发现采用进口导叶调节可以使工作流量范围扩大 30.4%，压比范围扩大 427.4%。 Guo 等实验 研究了可调导叶和可调扩压器对压缩机性能的影响规律，发现二者联合调节能够使压缩机效率最高 提高 1.2%，并获得了联合调节策略。
在膨胀机内流特性与高效调节方面，Wang 等分析了压缩空气储能闭式和半开式向心膨胀机内 部三维流场结构，揭示了流动损失机理。孙冠珂等对膨胀机进气结构内部的二次流漩涡结构开展了 研究并揭示了流动损失机理。此外，现有研究也分别对膨胀机闭式叶轮轮盖空腔间隙泄漏流、轮背 空腔泄漏流、半开式叶顶间隙泄漏流等开展分析，并提出了多元耦合流动控制方法、叶片三维造型、 新型轮背空腔泄漏流密封结构、集气室表面局部低粗糙度流动控制法等流场优化方法，有效提高了 膨胀机效率。针对压缩空气储能膨胀机非稳态运行工况，刘祖煜等对启动过程下膨胀机内部流动损 失特性开展研究，揭示了其内部通道分离涡与前缘涡演化规律。李辉等研究了多级膨胀机级间耦合 下膨胀机可调导叶内部流场结构与损失特征。刘栋等对多级再热式向心涡轮第一、三级导叶开度采 用联调方式，发现该方法能够扩大多级涡轮流量和总出功的调节范围。
在蓄热换热器传蓄热特性方面，Liao 等和 Li 等通过研究流量、压力等对填充床蓄冷单元的影响， 得到了优化运行参数，同时利用液体透平回收超临界空气储能过程的能量，使系统循环效率进一步 提升 10%。Zhang 等将压缩热与太阳能热利用结合，构建一种有封装相变材料的级联填充床梯级储热单元，实现了不同温度热能的梯级利用，使系统效率有所提升。液态空气储能中冷能的回收利用对系统性能具有重要的影响，通过构建液体空气储能系统的多种结构，采用多组分流体循环回收系 统的冷能，可提升系统效率 2.3%。在液态空气存储罐中会液体分层现象，Heo 等根据液空温度和其 中氧成分浓度定义了分层发生的条件，评估了分层稳定性比和稳定性图谱，利用液气储罐内部分层 的操作策略，可以最大限度地减少储罐内液气的蒸发气体。 在压缩空气储能系统与其他系统耦合研究方面，Fu 等将蓄热式压缩空气储能与有机朗肯循环耦 合系统，将系统中多余的压缩热用来驱动有机朗肯循环，并采用变结构实现压缩与膨胀单元的压力 调节，使该系统的最大效率达 70.5%。Alirahmi 等将压缩空气储能与太阳热能、海水淡化耦合构成 新型能源系统并分析其技术经济性，结果表明该系统可以提供电力调峰以及淡水系统的投资回报期 为 2.65 年。Li 等开展了蓄热式压缩空气储能系统全生命周期技术经济和环境优化分析，较好评估了 系统的度电成本及其对环境的影响，同时通过对压缩空气储能系统全生命周期环境影响评估，得到 各个环节折合 CO2 排放及能源与水消耗，获得了其全生命周期环境影响特性。
2 关键技术
压缩空气储能的关键技术主要包括压缩机技术、蓄热换热器技术、膨胀机技术、系统集成与控 制技术等。
2021 年，中国科学院工程热物理所依托国家能源大规模物理储能研发中心建成了压缩机实验与 检测平台，测试平台系统压力测量范围 0.5～110 bar (1 bar=0.1 MPa)，转速测量范围 0～40000 r/min，功率测量范围 0～10 MW，具有开展单/多级压缩机气体动力学、力学性能、压缩机与换热 设备的耦合特性、压缩系统变工况控制规律、压缩系统性能检测以及特殊工质压缩机性能等功能。 依托该实验平台，中国科学院工程热物理所研制了 10 MW 先进压缩空气储能系统用 10 MW 级六级 间冷离心式压缩机(最大工作压力 10 MPa，效率为 86.3%)、10 MW 级四级再热组合式透平膨胀级(最 大入口压力为 7 MPa，效率为 88.2%)、高效超临界蓄热换热器(蓄热量达 68 GJ，蓄热效率为 97.3%)， 并应用于肥城 10 MW 盐穴压缩空气储能商业电站。
中国科学院工程热物理所还攻克了 100 MW 级先进压缩空气储能系统的宽工况组合式压缩机技 术、高负荷轴流式膨胀机技术、高效蓄热换热器技术，以及系统集成与控制技术，研制出国际首套 100 MW 系统压缩机、膨胀机和蓄热换热器，目前正在开展张家口示范系统的集成调试。
3 集成示范
3 集成示范
2021 年，压缩空气储能示范项目取得了多个里程碑式的进展。中国科学院工程热物理所于 2021 年 8 月在山东肥城建成了国际首套 10 MW 盐穴先进压缩空气储能商业示范电站，顺利通过项目验收，并正式并网发电商业运行，系统效率达到 60.7%，创造了新的世界纪录。位于贵州毕节的集气装置储气 10 MW 先进压缩空气储能系统于 2021 年 10 月完成并网发电。江苏金坛建设了 60 MW/300 MW·h 盐穴压缩空气储能示范项目，并于 2021 年 10 月开展了并网试验。中国科学院工 程热物理所在张家口市建设的国际首套 100 MW 先进压缩空气储能国家示范项目，已经完成关键部 件研制和系统集成安装，并于 2021 年 12 月底顺利并网，开始进入系统带电调试阶段，成为我国压 缩空气储能技术新的里程碑。
储热储冷
储热储冷技术具有规模大、成本低、寿命长等优点，在电力、建筑、工业等领域得到广泛应用。根据存储方式不同，储热储冷技术可分为显热、潜热和热化学储热三类。2021 年，我国学者在储热材料物性调控机理、储热换热特性与强化、储热材料制备技术、系统控制与优化技术、系统集成示范等方面，取得了重要进展。
1 基础研究
在储热材料物性调控及其机理方面，形成从量子力学到牛顿力学，从纳米尺度到宏观的多尺度研究手段。基于第一性原理对物质电子和晶格的热运动规律进行研究，得到材料物性的调控方法；采用分子动力学对物质原子体系行为进行研究，得到物质的微观热物性机理，尤其是揭示了热化学储热的核壳结构。在温度对能垒的作用，材料原子间相互作用，热作用下晶格振动和电子运动规律等的研究方面取得了较大进展。研究了新工质和维持多孔物理吸附材料反应活性和吸附循环热稳定性的方法；利用相图理论发展了低熔点高分解温度混合熔盐的设计方法。
储热换热特性与机理方面，在相变材料中添加一维到三维的纳米尺度高导热材料，形成热输运通道和增加声子传输能力。Tian 等开展了利用莫里定律的仿生储热换热研究；Yao 等基于拓扑优化方法获得储热换热器新结构；Yu 等研发了熔盐纳米流体的比热容提升和对流传热强化特性，熔盐纳米流体的比热容提升和对流传热强化机理等；Lin 等研究了新型喷淋式填充床内渗流流动及储热特性；文献研究了多种水合盐类、糖醇类和石蜡类储释热性能，并且开展多种复合强化、微胶囊化、翅片增强等方法研究；Chen 等研究了相变材料储释热过程体积变化产生的缩孔缩松特征及其影响。Feng等在吸附式储热储冷方面、新工质和维持多孔物理吸附材料反应活性、吸附循环热稳定性等方面有较多研究。
2 关键技术
在储热储冷材料制备技术方面，基于碳化硅、黑刚玉与高岭土等材料研制出可在 1100 ℃条件下安全使用的储热陶瓷颗粒材料；在熔盐储热材料方面，重点开展了低熔点二元熔盐、低熔点高温三元熔盐体系研究。Guo 等研发了碱金属和碱土金属的氯化物熔盐体系，实现了 700 ℃下氯化物熔盐对 316 不锈钢的腐蚀速率低于 205.37 μm/年；还开展了复合相变、定形相变和仿生相变储热材料研究，提出了基于纳米颗粒、多孔仿生陶瓷、共晶盐体系的比热容和热导率协同提升方法，导热系数可达 116 W/(mK)；在太阳能热化学储热方面，韩翔宇等开展了 Co3O4/CoO 等金属氧化物反应物体系和钙基热化学储热的动力学研究；Liu 等实现了太阳能直接驱动光热转换与热化学储热一体化。在储热储冷装置设计技术方面，贺明飞等研究了大容量长周期跨季节储热，进行了蓄热水体承重浮顶热力耦合特性和逆斜温层控制技术研究；Guo 等研究了土壤跨季节储热的传蓄热机理和结构参数；Zhu 等和 Liu 等研究了换热器、热管等相变储冷储热强化技术，Chen 等开展了高效动态冰浆蓄冷换热性能研究与性能优化等。在系统控制与优化方面，研究人员开展了储热储冷应用于太阳能热发电、火电调峰、风电消纳、分布式能源系统等领域的能源系统设计、参数优化和运行调控策略等方面研究；张涵等研究了热泵储电、卡诺电池等以热能和冷能存储电能的新型储能系统；林酿志等和徐德厚等开展了基于水体和土壤等方式的大容量长周期跨季节储热研究，建立了考虑技术经济性的储热供热系统性能分析方法。
3 集成示范
在储热集成示范方面，2021 年度在敦煌建成了采用熔盐储热的 50 MW 线性菲涅尔式太阳能热发电站，热熔盐温度 550 ℃，冷熔盐温度 290 ℃，熔盐储热可发电 750 MW·h；在新疆哈密建成了50 MW 熔盐塔式光热发电，采用熔盐储热可实现 12 h 连续发电；在河北黄帝城建成 1.06 万 m3 水体储热的太阳能储热采暖项目，在北京建立了 50 kW/500 kW·h 中低温热化学储热中试系统；在张家口建成 100 MW 亚临界水蓄热子系统应用于 100 MW 先进压缩空气储能系统；在张家口应用水合盐相变材料实现为冬奥会转播中心供暖。江苏金合公司己实现中高温复合相变材料及其系统技术(450～750 ℃)的规模化应用。在储冷集成示范方面，在北京环球影城建成三联供系统耦合冰蓄冷系统，每年冰蓄冷系统“移峰填谷”的电量可达 630 万 kW·h；北京用友软件园采用冰储冷技术，为 18.5 万 m2 建筑供热供冷；相变储冷材料、装备和系统研究进展迅速，基于相变材料的冷链运输技术已获得应用。
飞轮储能
飞轮储能具有功率密度较高、充放电次数高、工作环境要求低、无污染等特点，在短时高频领域具有很好的应用前景。2021 年，国内飞轮储能行业在基础研究、关键技术和集成示范方面均取得了重要进展。
1 基础研究
基础研究方面，国内学者在飞轮材料、电机损耗、动力学及控制等方面取得进展。洛阳船舶材料研究所宋金鹏等通过对复合材料进行拉伸性能试验，建立了复合材料储能飞轮力学模型。中国科学院工程热物理研究所戴兴建等进行了高强合金钢飞轮转子材料结构分析，表明了合金钢飞轮的安全性和经济性。江苏大学孙玉坤等进行了高速永磁同步电机损耗分析与优化，结果表明径向分段和Halbach 充磁方式均能大幅度降低永磁体涡流损耗。清华大学贾翔宇等分析了接触参数对储能飞轮转子碰摩行为的影响，为优化系统接触参数、提升系统稳定性提供依据。哈尔滨工程大学任正义等探究了接触应力对飞轮转子动力特性的影响，结果表明不同的过盈量对转子系统的模态有很大的影响；同时还进行了刚性飞轮转子-基础耦合系统的径向振动分析。西安电子科技大学 Xiang 等探究了飞轮储能系统充放电过程控制，提出了一种复合控制模型，以提高响应速度和输出电压精度。
2 关键技术
关键技术方面，国内学者的研究重点在大储能量飞轮本体、高速电机和调节控制技术等方面。中国科学院工程热物理研究所突破了大储能量飞轮及高速电机关键技术，完成了 500 kW/180 MJ飞轮储能工程样机方案设计及关键部件研制。武汉理工大学刘鸣等进行了磁悬浮飞轮中位移检测信号工频干扰分析及消除研究，提出一种变步长算法进行滤波处理和扰动消除可达到实时消除工频干扰的效果。陈仲伟等基于双馈电机驱动的飞轮储能多功能柔性功率调节器(FPC)设计了一套励磁控制系统，该系统能够实现软启动，适合于带飞轮储能的双馈电机励磁控制系统。沈舒楠等为解决飞轮储能用电机齿槽转矩大，高速运行时铁芯损耗高的问题，提出一种外转子无铁芯无轴承永磁同步电机，相较于传统的有铁芯电机运行稳定性更好。由中海油新能源二连浩特风电有限公司牵头，中国科学院工程热物理研究所、清华大学等单位参与的内蒙古自治区重大专项“MW 级先进飞轮储能关键技术研究”完成了系统方案设计及工程样机研制，预计将于 2022 年并网发电。
3 集成示范
集成示范方面，国内多个示范项目在 2021 年取得了突破。华阳集团两套单机 600 kW 全磁悬浮飞轮储能系统成功下线，将用于深圳地铁再生制动能量回收。由沈阳微控新能源技术有限公司承建的风电场站一次调频和惯量响应的飞轮储能应用项目顺利通过并网前验收，该项目坐落于大唐国际阜新风电场。国家能源集团宁夏电力灵武公司光火储耦合 22 MW/4.5 MW·h 飞轮储能项目开工，该项目是国内第一个全容量飞轮储能-火电联合调频工程，实现大功率飞轮单体工程应用。国电投坎德拉(北京)新能源有限公司 MW 级飞轮储能系统成功交付，该项目飞轮储能系统规模为 1 MW/200kW·h，将应用于霍林河循环经济的“源网荷储用”示范项目大规模混合储能系统。
