環(huán)保的壓縮空氣儲能

　　儲能有很多種技術，包括化學儲能、物理儲能等。根據2014年國際能源署統(tǒng)計，目前抽水蓄能占絕大多數，壓縮空氣儲能緊隨其后。

　　壓縮空氣儲能是將空氣壓縮存儲于裝置中，在用電高峰時，高壓空氣從儲蓄罐中釋放出來，通過燃料燃燒，進行發(fā)電。只要不存在泄漏問題，壓縮空氣儲能的周期不受限制。壓縮空氣儲能裝置的壽命比較長，可以達到30～50年，如果保養(yǎng)得當，甚至可以超過這個年限。

　　壓縮空氣儲能是抽水蓄能之外投資風險最小、成熟度比較高的儲能方式。在成本方面，壓縮空氣儲能與抽水蓄能都是最便宜的儲能技術。在用地和用水方面，壓縮空氣則非常環(huán)保，在國外很受重視。

　　在研發(fā)方面，壓縮空氣儲能被分為三類，使用不同熱源的被稱為燃燒燃料的壓縮空氣儲能；第二種是帶蓄熱的空氣儲能，將空氣壓縮熱進行存儲，用電高峰將壓縮熱取出來，提高空氣的溫度；第三種是無熱源壓縮空氣儲能，一般為了減少系統(tǒng)投資、降低系統(tǒng)復雜程度，系統(tǒng)不采用熱源，主要用于備用電源使用，對效率不敏感。

　　按照系統(tǒng)的大小，壓縮空氣儲能又被分為大型百兆瓦級和小型千瓦級系統(tǒng)。研究人員根據壓縮空氣儲能系統(tǒng)是否可以同其他熱力循環(huán)系統(tǒng)耦合，在傳統(tǒng)壓縮空氣儲能研究中獲得了很多研究成果。

　　目前解決壓縮空氣儲能主要依賴大型儲機，將空氣液化，大幅降低體積，擺脫對大型儲能洞穴的依賴，另外也擺脫了對燃料燃燒的依賴。比較有代表性的是美國的等溫壓縮和蓄熱式壓縮空氣儲能2兆瓦級系統(tǒng)。

　　國內壓縮空氣儲能研發(fā)進展

　　目前國內還沒有壓縮空氣儲能電網的商業(yè)應用，但是已經從五個方面逐步開展了一些相關工作，包括系統(tǒng)總體設計和分析、蓄熱器、放熱器、系統(tǒng)集成和示范、政策和商業(yè)機制研究。

　　現在國內有10家組織單位進行了深入的系統(tǒng)研究，主要分為三大類：第一類是研究小型百千瓦以下的，有浙江大學、西安交通大學等；第二類主要做技術經濟性分析，包括中科院工程熱物理所、華北電力大學等；第三類主要研究壓氣機，研究小型壓縮空氣儲能的有浙大工程物理所，漩渦式的有山東大學，向心式的是中國科學院工程熱物理研究所。另外，哈爾濱工業(yè)大學在儲氣裝置方面也有一定研究。

　　集成示范方面，我國從十千瓦級到百千瓦級都有研究。浙江大學在上世紀90年代做過10千瓦左右的壓縮空氣動力汽車的研究，山東大學依靠渦旋式的發(fā)動機作出研究，并得到了“863”項目前沿項目的支持。2014年，清華大學做了500千瓦的裝置，實現了超過百千瓦的裝置。

　　中科院工程熱物理所兆瓦級技術進步顯著

　　中科院工程熱物理所的壓縮空氣儲能裝置從千瓦級一直做到了現在的1.5兆瓦。

　　壓縮空氣儲能的系統(tǒng)過程相對比較復雜，包括系統(tǒng)的壓縮、膨脹、蓄冷、蓄熱、截流、相變等工作。這其中也有幾個關鍵點：首先，不是每個過程的效率高，整個系統(tǒng)效率就高，因此需要研究壓縮空氣儲能過程和系統(tǒng)集成；第二，壓縮空氣儲能的配件，壓縮機和膨脹機對整個系統(tǒng)具有十分重要的作用，因此需要揭示其內部的流動、傳熱耦合和蓄熱方法；第三是蓄冷和傳熱特性，針對壓縮空氣儲能的特點，中科院工程熱物理所提出四個壓縮空氣儲能熱學分析方法和優(yōu)化算法，并在此基礎上算出設計方法，并進行了集成的驗證實驗。

　　在膨脹機流動特性和設計方面，我們需要了解其內部的二次流動、漩渦和發(fā)展規(guī)律，還要了解壓縮機的機理。在設計方面，要建立新型壓縮空氣儲能的設計方法，并進行系統(tǒng)部件的試驗和驗證。

　　研究人員曾經提出，壓縮空氣儲能機理的損失和換熱損失機理，在儲熱階段要完成儲熱特性的機理，提出了蓄熱流動損失。在關鍵技術研發(fā)和技術研究基礎上，中科院工程熱物理所建立了比較完善的設計研發(fā)體系，包括設計軟件、研發(fā)平臺，涵蓋了壓縮空氣儲能關鍵技術的方方面面。

　　在集成試驗方面，中科院工程熱物理所完成了15千瓦壓縮空氣儲能系統(tǒng)實驗臺。從2012年開始，我們運作了壓縮空氣組1.5兆瓦示范裝置，運行超過了1000個小時，系統(tǒng)效率達到了52%。

　　中科院工程熱物理所做的10兆瓦壓縮空氣儲能系統(tǒng)，目前已經進入部件測試階段，同時我們也在繼續(xù)進行技術研發(fā)，拓展相關的示范應用。

　　分布式供冷應用案例分享

　　分布式供冷應用項目可以降低污染物排放，實現節(jié)能減排。這種系統(tǒng)通過燃燒燃料，運用高溫發(fā)電，中溫制冷，低溫供熱。系統(tǒng)的挑戰(zhàn)性在于負荷波動大，系統(tǒng)故障率高，迫切需要與儲能技術相結合。

　　在中科院工程熱物理所最近設計的1.5兆瓦壓縮空氣儲能耦合裝置中，左邊是燃氣輪機裝置，右邊是余熱回收和制冷。工作方式是運用壓氣機進行充電，在放電的時候，通過輸電來壓縮空氣。這種燃機可以分布式運行，比如可以在樓宇項目中推廣。

　　在廣東的一個樓宇系統(tǒng)中，最高電負荷達到了1725千瓦，研究人員通過配備壓縮空氣儲能，實現了削峰填谷。燃氣裝機達到1252千瓦時，系統(tǒng)效率從23.1%提高到26.5%，綜合效率也從18.9%提高到29.4%。系統(tǒng)效率的提高，也讓總裝機大幅度下降，減少了成本投入。

　　目前我們在1.5兆瓦壓縮空氣儲能系統(tǒng)中，效率是50%～55%，我們希望在10兆瓦時，效率達到60%～65%，單位造價降至8000元人民幣，這是我們的發(fā)展目標和對未來的預測。