在全球气候变化日益严峻的背景下，减少温室气体排放已成为各国共同面临的挑战。为了应对气候变化，国际社会普遍呼吁减少对化石燃料的依赖，增加新能源的使用。同时，为了实现全球碳减排目标，许多国家设定了碳达峰和碳中和的目标。碳达峰意味着在一定时期内二氧化碳排放量达到最高峰值后开始逐步减少，而碳中和则是通过减少碳排放、增加碳吸收等手段将净碳排放量降至零或接近零。我国对于新能源更是大力支持，先后颁布《中华人民共和国新能源法》、《中华人民共和国可再生能源法》、《“十三五”绿色发展规划》等相关政策文件。

对于新能源之一的水能，国家分外重视，截至2023年，我国已是世界上水库大坝最多的国家，现有水库9.8万座。其中不乏蓄水量一般超过1000万立方米，少数超过亿立方米的大型深水库。而深水库具备巨大的发展空间，无论是在空间储量、地形地势还是设施基础等方面，都具有开发另一种新能源——水下压缩空气储能的巨大潜力。

鉴于现有对于深水库利用不充分与各项压缩空气储能设备的研究基础上，本小组以实际工程应用为出发点，通过查阅论文资料、软件模拟环境条件、优化方案选择等，拟在大量模拟实验数据支撑下，针对几种典型水下压缩空气储能储气包的形状、材质、分布等方面，结合使用年限、维修便利、经济效应等因素进行工作形态研究，找出在深水库的特定环境下水下压缩空气储能储气包选择最优解，确保水库空间、设备等资源的有效利用，保护环境，促进人与自然和谐共处。在此基础上进一步自主研究，提出一种新型储气包设计作为深水库环境的优化选择，并利用模型构建、数值分析进行检验，确保在技术、经济、环境三方协调，在未来相关工程设计中起到实际作用，促进新能源技术发展与推广。

水下压缩空气储能，是我们在面临城市化进程不断加快和人口快速增长的现状下，高效化应对不同地质条件和高效利用存储空间的最优选择。长久发展以来，水下压缩空气储能技术在不断发展的过程中，仍然留下了一些技术改进空间，供我们进行进一步改进及研究。

1.特定水压环境下不同构造的储气包的受损程度分析

在水下压缩空气储能技术中，储气包作为压缩空气的总部载体，其通常区分为刚性、柔性两种。对比于传统压缩空气储能，水下压缩空气储能在选定特定存储地址后，应当额外计算在设定的静水压环境下，刚性/柔性容器受到的各部分受压数据（P），根据莫里森方程计算相应的升力系数与阻力系数，测算在相应数据背景下，不同构造储气包的相应受损程度。此外，在先前测算的基础上，根据其不同部位受到的各项损伤数据情况，考虑罐体的形状设计以及储气包内空气与水体的直间接接触情况，设计储气包的罐体形式，以此进一步减小高水压压迫对储气包的损伤。

  2.特定水文条件下不同分布的储气包的受损程度分析

在研究储气包的存储环境研究中，在考虑传统力学条件的情况下，还应根据具体情况设定特定的水文环境进行测算。在研究过程中，考虑深水库环境的水文条件，设定相应的水体透光率、水温（K），计算在相应环境下储气包分布群的受热膨胀情况，计算气体膨胀率及材料膨胀率,并计算相应的受损情况。与此同时，综合考虑深水库底部的水文环境（库底出气、生物破坏等），设计储气包的分布形式，最大化减小受损率，减少部分受损后对整体储气情况的影响。

      3.水下压缩空气储能新型储气包优化设计

在先前研究确定储气包选材的基础上，整体考虑储气包的刚性、柔性影响；不同罐体形式的受压受力情况；不同储气包分布群的最优分布方式，综合提出一种新型储气包形式，降低材料成本，针对高山水库等恶劣水文条件，能做到持续、持久储能，进一步减小损耗，同时通过调整储气包的分布形式，对储气包分布群进行效率保护，让其在部分受损的情况下仍能保持高效率工作效率，进一步提高经济效益。整体通过软件以及实验模拟的方式进行数值分析，提出新型储气包设计并发表专利。

  4.储气包材料应用场景设计以及经济性测算

水下压缩空气储能作为一种新型压缩空气储能方式，其创新性和环保性相较于传统压缩空气储能方式都有很大的提升。通过软件模拟、实验实际模拟，在特定的水温、水压、含氧量等水文环境下，考虑不同材料储气包的损伤情况以及应用情况，以达到最大的经济化效益以及环保效益。通过对储气包进行多层嵌套的方式，加入矿物油、熔盐等传热介质，进一步提升储气包材料的使用效率。将备选的不同储气包与不同普通材料（碎岩石床 、柔性膨胀材料等）的经济成本进行比对，确定选材的经济可行性。

  3.1压缩空气储能的类型

压缩空气储能作为储能的一种重要类型，具备抽水蓄能、电化学储能等其他类型储能不具备的特有优势，有较大发展潜力。相比于抽水蓄能，压缩空气储能建设周期短、站址选择相对容易、生态环境友好性高、移民拆迁问题小；相比于目前较为成熟的锂电池储能，压缩空气储能寿命长、循环次数多、安全性好、清洁无污染、系统性能不衰减，且压缩空气储能有类似于传统火电的调频调压性能及转动惯量和短路电流支撑，有利于未来高比例新能源场景下电力系统的安全稳定运行^[1]。

根据文献^[2]研究可得自20世纪40年代以来，关于压缩空气储能系统的研究和开发一直非常活跃，先后出现了多种形式的压缩空气储能系统。根据分类标准的不同，可以做如下3种分类。

根据压缩空气储能系统的热源不同，可以分为：a.燃烧燃料的压缩空气储能系统；b.带储热的压缩空气储能系统；c.无热源的压缩空气储能系统。

根据压缩空气储能系统的规模不同，可以分为：a.大型压缩空气储能系统（单台机组规模为100MW级）；b.小型压缩空气储能系统（单台机组规模为10 MW级）；c.微型压缩空气储能系统（单台机组规模为10kW级）。

根据压缩空气储能系统是否同其它热力循环系统耦合，可以分为：a.传统压缩空气储能系统；b.压缩空气储能-燃气轮机耦合系统；c.压缩空气储能-燃气蒸汽联合循环耦合系统；d.压缩空气储能-内燃机耦合系统；e.压缩空气储能-制冷循环耦合系统；f.压缩空气储能-可再生能源耦合系统。

  3.2水下压缩空气储能的类型及数学模拟基础

王志文等^[3]将目前的水下压缩空气储能系统按照电站所处位置分为海基水下压缩空气储能与陆基水下压缩空气储能两种。水下压缩空气储能因为使用了等压压缩空气储能技术，从而能够使压缩机和膨胀机始终工作在额定工况附近，使膨胀和压缩过程均具有较高的效率，同时能够从一定程度上摆脱对特殊储气地形的严格限制。

对于水下储气装置的流体动力学研究，国内外学者大多采用数值模拟的方法。

王金舜等^[4]采用大涡模拟（LES）的湍流模型对水下储气装置的绕流流场进行了数值模拟；Wang等^[5]采用大涡模拟方法，分析了全尺寸水下储能装置时均和瞬态流动结构及其受力特性；Vasel-Be-Hagh等^[6][7][8]分别采用k-ω和LES Dyna-SM两种湍流模型，对气球状储气装置周围的流场结构及受力特性进行了分析，并得到了储气装置升阻力系数与涡脱频率。

在使用数值模拟的方法研究水下储气装置的流体动力学问题时，往往需要用到以下公式：

（1）雷诺数计算公式:

其中：式中：ρ为海水密度，kg/;U为自由流速，m/s; μ为海水的动力黏度，Pa·s; D为特征长度，m; V为钝体体积，。

（2）莫里森方程：

根据上式推导得升力系数()与阻力系数():

；

式中：,为储气装置所受的升力、阻力，N;,为储气装置在升力、阻力方向上的投影面积，。

（3）不可压缩流体的N-S方程（纳维-斯托克斯方程）：

式中；为流体密度；p为压力；为运动黏度；为速度分量；为位移分量；t为时间。

  3.3水下压缩空气储能中储气包类型优化设计

水下压缩空气储能与陆地上传统的压缩空气储能(compressed air energy storage, CAES)原理相似，皆是通过气体受外力压缩和膨胀做功实现能量的转换，均存在绝热压缩、等温压缩、与内燃机/制冷机的耦合系统等技术形式，也存在电机、压缩机、换热器、储气室、膨胀机、储热单元和连接管道等结构。二者的主要区别在于储气方式和环境的差异^[9]。

按照储气装置的性质划分，可将UCAES所用的储气容器分为刚性、柔性2种。刚性容器有固定的外形和容积，水可以自由进出储气室以保持室内气体压力恒定为当前深度的静水压力，如以色列Arothron公司将压缩空气储存在锚定于海床的大型刚性人造储罐、北卡罗来纳大学Lim等设计的混凝土储气室^[10]。柔性容器(或称作储气包、储能包、能量包)则没有固定外形，其形态会随水深、储气量、水流等因素变化。经过国内外前辈的研究发现，相较于刚性容器储气，柔性容器储气具备更高的可行性，部分实际工程也更成熟^[9]。

目前，国内外有不少专家学者对储气包的性质进行了研究（如上文），此外，有不少人在研究基础上继续优化设计方案，并获得专利：诺丁汉大学Garvey课题组^{[11][12][13][14]}参考水下打捞提升气囊、载荷测试水囊、航空气球以及降落伞的设计，重新将柔性储气包进行了改进设计，但是其研究过程中并没有考虑水流对储能包形态的影响。加拿大温莎大学Carriveau领导的课题组^[15]与加拿大Hydrostor公司合作依托安大略湖对水下压缩空气储能系统进行了有限元流场分析研究了小水流速度条件下储能包的水动力学特性以及流场特性。Mingyao Liu^[16][17]等对满载安全气囊的形状进行参数化，围绕中心轴轴对称，在赤道平面上对称。Liu M^[18]等研究了储存压缩空气的变形形状、压力和体积等特性，其模拟结果在浅层试验条件下的与实验结果吻合较好。 

此外，还需要指出水下压缩空气储能技术最终能否得到规模化应用，一个重要因素就是其相对于其他储能技术的经济性。Jalal Moradi^[19]等提出了一种市场驱动的风电机组盈利能力评估模型，并结合水下压缩空气储能技术，提出了一种市场驱动的风电机组盈利能力评估模。借助于参数敏感度分析研究对其系统技术经济性影响较为显著的因素，进行多目标优化，从而探究提高其技术经济性的措施。

参考文献：

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[2] 张新敬,陈海生,刘金超,等.压缩空气储能技术研究进展[J].储能科学与技术,2012,1(01):26-40.

[3] 王志文, 熊伟, 王海涛, 王祖温. 水下压缩空气储能研究进展 [J]. 储能科学与技术, 2015, 4 (06): 585-598.

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[5] Wang Z, Wang J, Cen H, et al. Large-eddy simulation of a full-scale underwater energy storage accumulator[J]. Ocean Engineering, 2021, 234: 109184.

[6] Vasel-Be-Hagh A R, Carriveau R, Ting D S K. Flow over submerged energy storage balloons in closely and widely spaced floral configurations[J]. Ocean Engineering, 2015, 95: 59-77.

[7] Vasel-Be-Hagh A, Carriveau R, Ting D S K. Flow past an accumulator unit of an underwater energy storage system: Three touching balloons in a floral configuration[J]. Journal of Marine Science and Application, 2014, 13: 467-476.

[8] Vasel-Be-Hagh A R, Carriveau R, Ting D S K. Numerical simulation of flow past an underwater energy storage balloon[J]. Computers & Fluids, 2013, 88: 272-286.

[9] 王晰,Jan SHAIR,谢小荣. 水下储能技术综述与展望 [J]. 电网技术, 2023, 47 (10): 4121-4131.

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[18] Liu M, Sun K, Wang X, et al. Experiment and Simulation of the Shape and Stored Gas Characteristics of the Flexible Spherical Airbag for Underwater Compressed Air Energy Storage[J]. Journal of Marine Science and Engineering, 2023, 11(4): 774.

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1.本项目基于水下压缩空气储能这种新型空气储能方式，以实际工程应用为出发点，通过实验以及工程软件模拟，设置特定水文环境的水压水温等条件，实验不同材料，优化设计储气包罐体，实现降本增效，减少传输能量消耗的同时，对比于传统压缩空气储能方式，进一步保护自然环境，降低材料成本，促进经济发展。

2.本项目针对不同水文环境对储气包造成的损害，改进储气包分布群分布形式，以降低损耗率、降低受损程度对储气储能的影响，通过实验的方式，拟找出最优分布方式并进行经济性测算，为后续整体投入使用实际工程中提供参考。

3.本项目将实验环境设定在高山水库等水库地区，进一步提升了清洁能源（水力发电）的利用程度，为普通的水库进行赋能增效，使其从只具有单一储水供能的水库转变为储水储能多方面结合的综合型水库，增强空间利用率，提高经济效益。

  5.1技术路线

技术路线图如下图所示

  5.2拟解决问题

1.在特定水压环境下，储气库的具体构造类型（开式或闭式、三种典型形状）对其受损程度的影响；

2.在特定恶劣水文环境下，储气库型式（大型或小型）、分布形式和放置疏密程度对其受损程度的影响；

3.在研究基础上，进行新型储气包优化设计，并结合实际高坝水库环境，对比现有柔性材料，分析其投入工程中的可行性和应用场景。

 5.3预期结果

1.明确典型水库水压条件和恶劣水文条件下，储气包具体构造类型（开式或闭式、三种典型形状、大型或小型）、分布形式和放置疏密程度与储气包受损程度的关系；

2.设计一款新型储气包，并申请请相关专利；

3.完成课题相关成果报告；

4.在国内核心期刊发表论文；

5.培养和提高研究小组成员基本的科学素养，并明显提高相关专业技能。