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 本文選自《物理》2022年第6期

摘要電能的利用已經(jīng)有數(shù)百年的歷史，電力的發(fā)輸配用長(zhǎng)久以來(lái)有效地支撐著人類(lèi)的社會(huì)經(jīng)濟(jì)生活。當(dāng)今社會(huì)，人們提倡綠色的能量生產(chǎn)與消費(fèi)模式，電力的存儲(chǔ)作為使電力行業(yè)價(jià)值鏈閉環(huán)和實(shí)現(xiàn)能源結(jié)構(gòu)調(diào)整的重要技術(shù)，在人類(lèi)碳中和使命中擔(dān)任重要角色。壓縮空氣儲(chǔ)能是大規(guī)模電力存儲(chǔ)技術(shù)中最具發(fā)展?jié)摿Φ募夹g(shù)之一。文章以壓縮空氣儲(chǔ)能的科學(xué)研究和技術(shù)發(fā)展作為主線，概述了該技術(shù)的原理、現(xiàn)狀，及未來(lái)的發(fā)展前景。

關(guān)鍵詞壓縮空氣儲(chǔ)能，電能，技術(shù)發(fā)展

導(dǎo)語(yǔ)

電能是人類(lèi)生產(chǎn)、生活所必需的一種最重要的能量形式，已被廣泛應(yīng)用在動(dòng)力、照明、化學(xué)、紡織、通信、廣播等各個(gè)領(lǐng)域，是科學(xué)技術(shù)發(fā)展和經(jīng)濟(jì)飛躍的主要?jiǎng)恿ΑｋS著用電需求范圍的擴(kuò)大和電力需求總量的增加，電能的生產(chǎn)和利用產(chǎn)生了時(shí)間和空間的矛盾。時(shí)間維度上，白天的城市非?；钴S，用電量很大，早晚還會(huì)出現(xiàn)用電高峰。到了夜晚，隨著人們生產(chǎn)活動(dòng)的停止，用電量也隨之減少，但承載大部分城市用電的煤電機(jī)組卻無(wú)法在一天內(nèi)跟隨人類(lèi)日出而作、日落而息。空間維度上，我國(guó)西北部風(fēng)能和太陽(yáng)能豐富的地區(qū)往往能夠產(chǎn)生大量的可再生能源電力，但經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的中東部地區(qū)卻是用電的高需求地區(qū)。這種電力在生產(chǎn)和利用上的時(shí)空錯(cuò)位問(wèn)題迫切呼喚新的能源技術(shù)來(lái)提供解決方案。

壓縮空氣儲(chǔ)能將用電低谷時(shí)段或可再生能源電力豐富地區(qū)的過(guò)剩電能轉(zhuǎn)化成空氣的壓力勢(shì)能，在用電高峰時(shí)段或電力貧瘠且電能消耗大的地區(qū)將空氣的勢(shì)能轉(zhuǎn)化成電能，并且是一種大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)。它以綠色、豐富、取用方便的空氣作為介質(zhì)，將電能利用的時(shí)空矛盾問(wèn)題巧妙解決，同時(shí)還能將可再生能源發(fā)出的間歇性電力拼接起來(lái)，改善電能的質(zhì)量。壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)安全、高效、低碳，且不受自然條件的限制，是能源和電力領(lǐng)域的一項(xiàng)重要的應(yīng)用技術(shù)。

儲(chǔ)能古已有之，如今正擔(dān)重任

儲(chǔ)能是指通過(guò)介質(zhì)或設(shè)備把能量存儲(chǔ)起來(lái)，在需要時(shí)再釋放出來(lái)的過(guò)程。古代，人們?cè)诘叵陆ㄔ毂?，通過(guò)隔絕陽(yáng)光和空氣可以很好地保持冬季冰塊的溫度，到了炎熱的夏季，再將冰塊取出，食用或降溫俱佳。冰窖就是一種歷史悠久的儲(chǔ)能技術(shù)，其利用了地理環(huán)境的特點(diǎn)來(lái)存儲(chǔ)冷能。此外，民間還有很多類(lèi)似的儲(chǔ)能妙方。我國(guó)北方冬季寒冷，在科技不發(fā)達(dá)的古代和近代，沒(méi)有電熱器、空調(diào)等高效、實(shí)用的取暖技術(shù)，人們就用火炕進(jìn)行保溫取暖。將秸稈、樹(shù)枝等可燃物燃燒產(chǎn)生的熱量通過(guò)煙道傳遞給土坯，由于土坯是熱的不良導(dǎo)體，蓄熱性能較好，一旦受熱后溫度上升，其自身溫度的持久性很好，因此民房室內(nèi)空間的熱量就可以得到維持?；鹂皇且粋€(gè)非常典型的儲(chǔ)能裝置，其利用儲(chǔ)熱材料的特性，對(duì)建筑室內(nèi)環(huán)境進(jìn)行保溫。

現(xiàn)代儲(chǔ)能技術(shù)已經(jīng)在飛速發(fā)展，儲(chǔ)能的形式和門(mén)類(lèi)層出不窮，應(yīng)用的情景和發(fā)揮的作用也得到細(xì)致的劃分，各行各業(yè)各取所需。儲(chǔ)能的主要用途包括可再生能源消納、電網(wǎng)峰谷差調(diào)節(jié)、電能質(zhì)量管理、電動(dòng)汽車(chē)的動(dòng)力電池、可穿戴電子產(chǎn)品和移動(dòng)電源等。常見(jiàn)的儲(chǔ)能技術(shù)主要分為物理儲(chǔ)能和化學(xué)儲(chǔ)能[1—3]。物理儲(chǔ)能主要包括利用水的重力勢(shì)能儲(chǔ)能的抽水蓄能、利用空氣的勢(shì)能儲(chǔ)能的壓縮空氣儲(chǔ)能等?；瘜W(xué)儲(chǔ)能技術(shù)在近年則更為公眾所熟知，例如電動(dòng)汽車(chē)用的鋰電池儲(chǔ)能、鉛炭電池儲(chǔ)能，工業(yè)上常用的鉛酸電池儲(chǔ)能，以及電子產(chǎn)品手機(jī)、筆記本電腦和各種人工/機(jī)器智能產(chǎn)品所用的門(mén)類(lèi)繁多的各類(lèi)電化學(xué)電池，等等。

儲(chǔ)能技術(shù)對(duì)于現(xiàn)代科技和工業(yè)的發(fā)展意義非凡。著名經(jīng)濟(jì)學(xué)家杰里米·里夫金提出的“第三次工業(yè)革命”的五大支柱產(chǎn)業(yè)分別為可再生能源、分布式/微網(wǎng)、智能電網(wǎng)/新能源、新能源汽車(chē)和儲(chǔ)能，而儲(chǔ)能技術(shù)貫穿全部五大支柱產(chǎn)業(yè)，是能源革命的支撐技術(shù)[4，5]。儲(chǔ)能技術(shù)是解決可再生能源間歇性和不穩(wěn)定性問(wèn)題，提高常規(guī)電力系統(tǒng)和區(qū)域能源系統(tǒng)效率、安全性和經(jīng)濟(jì)性的迫切需要，是發(fā)展“安全、高效、低碳”的能源技術(shù)、占領(lǐng)能源技術(shù)制高點(diǎn)的“戰(zhàn)略必爭(zhēng)領(lǐng)域”。如圖1所示，儲(chǔ)能技術(shù)在能源和電力行業(yè)中貫穿一次能源、發(fā)電、輸電、配電到用電的全過(guò)程，被稱(chēng)為“電力行業(yè)的第六價(jià)值鏈”[1]。

將空氣壓縮，為電網(wǎng)側(cè)大規(guī)模儲(chǔ)能“對(duì)癥下藥”

隨著科技的發(fā)展，儲(chǔ)能技術(shù)可以應(yīng)對(duì)不同應(yīng)用場(chǎng)景的需求，技術(shù)發(fā)展也越來(lái)越精細(xì)化。對(duì)于電網(wǎng)側(cè)峰谷差調(diào)節(jié)、可再生能源消納的技術(shù)問(wèn)題，必須用大規(guī)模的儲(chǔ)能技術(shù)來(lái)解決。目前的各類(lèi)儲(chǔ)能技術(shù)中，能夠?qū)崿F(xiàn)100 MW及其以上功率等級(jí)應(yīng)用的技術(shù)，主要包括抽水蓄能和壓縮空氣儲(chǔ)能兩種技術(shù)門(mén)類(lèi)[6]。但抽水蓄能技術(shù)存在天然的地理?xiàng)l件限制，需要上下兩個(gè)大型水庫(kù)作為蓄水池，才能實(shí)現(xiàn)水的重力勢(shì)能的存儲(chǔ)與釋放。地理?xiàng)l件的特殊要求和移民等問(wèn)題使得抽水蓄能電站無(wú)法自由建設(shè)。此外，在我國(guó)抽水蓄能用于電網(wǎng)側(cè)進(jìn)行可再生能源電力消納時(shí)，存在地域能源儲(chǔ)備的匹配問(wèn)題。我國(guó)的西北部地區(qū)風(fēng)、光資源豐富，迫切需要大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)對(duì)可再生能源發(fā)電產(chǎn)生的過(guò)剩電力進(jìn)行有效的消納，但中東部地區(qū)因水力資源豐富更適合建設(shè)抽水蓄能電站，這種天然的地理資源的不匹配在一定程度上限制了抽水蓄能的發(fā)展。因此，壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用已成為行業(yè)發(fā)展的迫切需要。

壓縮空氣儲(chǔ)能具有儲(chǔ)能容量大、儲(chǔ)能周期長(zhǎng)、投資小等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是最具有廣闊發(fā)展前景的大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)之一[1]。如圖2所示，傳統(tǒng)壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)的原理是在用電低谷或電力過(guò)剩時(shí)，消耗電力將空氣壓縮，并將高壓空氣存儲(chǔ)于儲(chǔ)氣室中；在用電高峰或電力缺乏時(shí)，將高壓空氣從儲(chǔ)氣室中釋放出來(lái)，進(jìn)入燃燒室參與燃料的燃燒反應(yīng)，燃燒后的高溫氣體帶有較高的能量可以驅(qū)動(dòng)透平膨脹機(jī)等發(fā)電裝置進(jìn)行發(fā)電并利用。傳統(tǒng)壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)目前已在德國(guó)(Huntorf 290 MW壓縮空氣儲(chǔ)能電站)和美國(guó)(McIntosh 110 MW壓縮空氣儲(chǔ)能電站)得到了規(guī)?；虡I(yè)應(yīng)用(圖3)[1]，日本、以色列、芬蘭等國(guó)家也開(kāi)展了有關(guān)研究[1，7]。但傳統(tǒng)壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)存在如下技術(shù)瓶頸[1—3]：一是仍然依賴(lài)燃燒化石燃料提供熱源，特別不適合我國(guó)這類(lèi)“缺油少氣”的國(guó)家，同時(shí)燃燒化石燃料還會(huì)帶來(lái)環(huán)境污染；二是需要特殊的地理?xiàng)l件建造大型儲(chǔ)氣室，如高氣密性的巖石洞穴、鹽洞、廢棄礦井等；三是系統(tǒng)效率較低，從而嚴(yán)重限制了壓縮空氣儲(chǔ)能的應(yīng)用和發(fā)展[1，7，8]。


近年來(lái)，先進(jìn)壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)快速發(fā)展，目前國(guó)際上發(fā)展較快的主要包括以美國(guó)為代表的蓄熱式壓縮空氣儲(chǔ)能，以英國(guó)和日本為代表的液態(tài)空氣儲(chǔ)能[1，6—8]。美國(guó)研發(fā)的兆瓦級(jí)蓄熱式壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)，擺脫了化石燃料，但仍依賴(lài)大型儲(chǔ)氣洞穴。液態(tài)空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)現(xiàn)已研制出兆瓦級(jí)系統(tǒng)，雖然擺脫了對(duì)儲(chǔ)氣洞穴的依賴(lài)，但系統(tǒng)效率低于25%[1，9]。目前國(guó)外相關(guān)技術(shù)均未能同時(shí)解決傳統(tǒng)壓縮空氣儲(chǔ)能的三個(gè)主要技術(shù)瓶頸。中國(guó)科學(xué)院工程熱物理研究所先后開(kāi)展了蓄熱式壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)、液態(tài)空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)和超臨界壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)等，通過(guò)空氣的液態(tài)或高壓儲(chǔ)存，消除對(duì)大型儲(chǔ)氣洞穴的依賴(lài)；通過(guò)壓縮熱回收再利用，擺脫化石燃料依賴(lài)；通過(guò)高效壓縮、膨脹、超臨界蓄冷蓄熱提高系統(tǒng)效率，從而同時(shí)解決了傳統(tǒng)壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的主要技術(shù)瓶頸[1，6—10]。

如圖4所示，先進(jìn)壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)利用電網(wǎng)低谷電或可再生能源的間歇式電能將空氣壓縮(同時(shí)存儲(chǔ)壓縮熱)，并將空氣高壓或液化儲(chǔ)存(儲(chǔ)能)；在用電高峰或電力資源短缺時(shí)，高壓/液態(tài)空氣加壓，并進(jìn)一步吸收壓縮熱后通過(guò)透平膨脹機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)發(fā)電(釋能)，在此過(guò)程中一些廢熱可以被回收以提高系統(tǒng)效率[8]。先進(jìn)壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)具有很多優(yōu)勢(shì)：首先，由于空氣的高壓/液態(tài)存儲(chǔ)，空氣儲(chǔ)罐的體積大大縮小，可以縮短建設(shè)周期，更重要的是可以不受地理?xiàng)l件限制，克服了傳統(tǒng)壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的一個(gè)主要瓶頸；第二，由于采用必要的儲(chǔ)熱儲(chǔ)冷設(shè)備，將空氣壓縮過(guò)程的壓縮熱存儲(chǔ)回收，從而不再需要燃燒燃料提供熱源，解決了傳統(tǒng)壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的另一個(gè)主要瓶頸；第三，由于超臨界傳熱/冷卻過(guò)程中冷熱源之間的溫差可以做到很小，同時(shí)由于采用儲(chǔ)熱、儲(chǔ)冷設(shè)備，系統(tǒng)儲(chǔ)能和釋能過(guò)程的熱和冷均能很好地回收；第四，先進(jìn)壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)不涉及化石燃料的燃燒，不排放任何有害物質(zhì)，而且空氣壓縮過(guò)程中很容易去除其中的有害物質(zhì)如CO2、SOx、NOx等，從而改善大氣質(zhì)量[1，8，10]。

十年磨一劍今朝試鋒，萬(wàn)事破零難來(lái)日方長(zhǎng)

中國(guó)科學(xué)院工程熱物理研究所自2005年開(kāi)展壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)研發(fā)，在多方的大力支持下已經(jīng)取得了一系列科技成果。首先，我們揭示了壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)過(guò)程耦合與能量傳遞機(jī)理，并提出了多種先進(jìn)壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)。壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)包含壓縮、膨脹、蓄熱、蓄冷、節(jié)流等復(fù)雜熱力學(xué)過(guò)程，是典型的多過(guò)程非線性耦合的系統(tǒng)；同時(shí)它又不同于傳統(tǒng)熱力學(xué)循環(huán)系統(tǒng)，壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的儲(chǔ)能與釋能過(guò)程分時(shí)工作，并不形成封閉的熱力循環(huán)；而且，其輸入輸出負(fù)荷不穩(wěn)定，導(dǎo)致系統(tǒng)常處于變工況運(yùn)行狀態(tài)，傳統(tǒng)的熱力學(xué)方法不能完全適用。針對(duì)系統(tǒng)的多過(guò)程非線性耦合問(wèn)題，我們闡明了系統(tǒng)過(guò)程的能流圖和?損失機(jī)理[11—15]；針對(duì)壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)不形成封閉熱力循環(huán)的問(wèn)題，創(chuàng)新性地利用壓縮—膨脹、蓄熱—釋熱、液化—氣化等過(guò)程的對(duì)應(yīng)性特征。如圖5所示，儲(chǔ)能與釋能過(guò)程的各級(jí)壓縮機(jī)與各級(jí)膨脹機(jī)、級(jí)間冷卻器與級(jí)間再熱器等方面具有物理過(guò)程的對(duì)應(yīng)性，建立了適用于壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的“對(duì)應(yīng)點(diǎn)”熱力學(xué)分析方法[14—17]，提出并推導(dǎo)了系統(tǒng)機(jī)械?—熱?復(fù)合函數(shù)[15—17]，初步建立了“過(guò)程對(duì)應(yīng)—參數(shù)匹配”的壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)設(shè)計(jì)理論，通過(guò)采用對(duì)應(yīng)點(diǎn)分析優(yōu)化算法，將進(jìn)一步提升系統(tǒng)效率達(dá)9.2%[16]；針對(duì)壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的變工況運(yùn)行難題，建立了壓縮與膨脹、蓄熱與釋熱、蓄冷與釋冷等關(guān)鍵過(guò)程的全工況動(dòng)態(tài)分析和優(yōu)化方法，獲得了各關(guān)鍵過(guò)程的動(dòng)態(tài)特性和能量耦合機(jī)理[18—21]，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)能量的全工況優(yōu)化與調(diào)控；構(gòu)建了系統(tǒng)全工況熱力學(xué)分析與設(shè)計(jì)體系[18—23]。在以上工作的基礎(chǔ)上，我們提出了蓄熱式壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)，采用回收壓縮熱替代了化石燃料熱源，可大幅提高系統(tǒng)的效率5%—8%[17—25]；首次提出并研發(fā)了一種新型液態(tài)空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)，擺脫對(duì)大型儲(chǔ)氣室的依賴(lài)，并開(kāi)展了部件和MW級(jí)系統(tǒng)集成試驗(yàn)[26—29]；首次提出并研究了基于超臨界過(guò)程的壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)新原理[16—19]，綜合了超臨界工質(zhì)、蓄熱/冷和液態(tài)空氣存儲(chǔ)的優(yōu)點(diǎn)，儲(chǔ)能密度為傳統(tǒng)壓縮空氣儲(chǔ)能(CAES)的約20倍，效率比傳統(tǒng)CAES提高10%—30%，且不需要燃燒燃料，從而解決了傳統(tǒng)CAES的主要技術(shù)瓶頸[11—15]。

第二，我們提出了葉輪機(jī)械內(nèi)部流動(dòng)、損失機(jī)理與三維設(shè)計(jì)方法，并設(shè)計(jì)發(fā)明了多種新型壓縮空氣儲(chǔ)能的多級(jí)高負(fù)荷壓縮機(jī)和膨脹機(jī)。壓縮機(jī)和膨脹機(jī)是壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的核心部件，采用徑流或者軸流葉輪機(jī)械，其內(nèi)部為三維、黏性、非定常流動(dòng)，本身已非常復(fù)雜；而壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的工作壓力可達(dá)10 MPa以上，遠(yuǎn)高于常規(guī)壓縮機(jī)和膨脹機(jī)，這將涉及多級(jí)、高/超高負(fù)荷壓縮機(jī)/膨脹機(jī)的研究與設(shè)計(jì)難題；同時(shí)，先進(jìn)壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的壓縮/膨脹同蓄熱/蓄冷過(guò)程相互耦合，這又涉及流動(dòng)與傳熱的耦合問(wèn)題；并且，壓縮機(jī)和膨脹機(jī)需經(jīng)常工作在變工況和非穩(wěn)態(tài)狀態(tài)，其內(nèi)部流動(dòng)和損失機(jī)理將更加復(fù)雜且難于控制。針對(duì)單排葉柵內(nèi)部流動(dòng)和損失，我們系統(tǒng)地揭示了不同負(fù)荷葉柵流道內(nèi)二次流動(dòng)和損失發(fā)展的規(guī)律與機(jī)理[30—34]，首次發(fā)現(xiàn)了尾緣渦的發(fā)展規(guī)律及其損失機(jī)理，系統(tǒng)地分析了通道渦、尾緣渦、角渦、泄漏渦、二次渦的結(jié)構(gòu)、發(fā)展過(guò)程及其相互作用機(jī)理；發(fā)現(xiàn)了高負(fù)荷下旋轉(zhuǎn)葉輪葉頂間隙、背部間隙、篦齒間隙、輪轂間隙內(nèi)部流動(dòng)漩渦結(jié)構(gòu)及其損失機(jī)理(圖6顯示了高負(fù)荷葉輪內(nèi)部的流線以及流道的泄露流結(jié)構(gòu)示意圖)[34—37]，并進(jìn)而提出抑制向心膨脹機(jī)頂部間隙泄漏損失的新型葉片型線和抑制背部間隙泄漏損失的葉輪結(jié)構(gòu)；揭示了高負(fù)荷壓縮機(jī)和膨脹機(jī)內(nèi)部動(dòng)靜葉非定常流動(dòng)特性及其熵增機(jī)理[38—40]，首次實(shí)驗(yàn)研究了液體膨脹機(jī)內(nèi)部流動(dòng)與相變傳熱機(jī)理[41]，首次將場(chǎng)協(xié)同理論引入葉輪機(jī)械內(nèi)部流動(dòng)與傳熱耦合分析，揭示了CAES高負(fù)荷壓縮機(jī)和膨脹機(jī)內(nèi)部流動(dòng)與傳熱耦合特性及其機(jī)理[34—37]。在以上工作的基礎(chǔ)上，我們引入多孔介質(zhì)和相變換熱模型，研究獲得了多級(jí)壓縮機(jī)和膨脹機(jī)不同工況下的級(jí)與級(jí)、級(jí)與換熱器之間相互作用的規(guī)律[38，39]，提出并研究了多級(jí)導(dǎo)葉—擴(kuò)壓器(壓縮機(jī))和噴嘴配氣(膨脹機(jī))耦合聯(lián)調(diào)擴(kuò)穩(wěn)方法，創(chuàng)新性地發(fā)展了基于兩區(qū)域模型和BP(back propagation)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)耦合優(yōu)化算法，開(kāi)發(fā)了適用于CAES多級(jí)復(fù)雜氣動(dòng)系統(tǒng)的全三維非穩(wěn)態(tài)計(jì)算和設(shè)計(jì)方法[40，41]。我們還設(shè)計(jì)發(fā)明了多種新型壓縮空氣儲(chǔ)能的多級(jí)高負(fù)荷壓縮機(jī)和膨脹機(jī)，授權(quán)或公開(kāi)專(zhuān)利60余項(xiàng)，且已在工業(yè)示范中應(yīng)用。特別是設(shè)計(jì)發(fā)明的CAES八級(jí)多軸離心壓縮機(jī)和四級(jí)多軸向心軸流組合式膨脹機(jī)，在國(guó)內(nèi)外屬于首次，其測(cè)量多變效率分別達(dá)到87%和89%[34，35，38，39]；而且采用多級(jí)導(dǎo)葉—擴(kuò)壓器耦合聯(lián)調(diào)方法，壓縮機(jī)的變工況工作范圍提高了65%，采用噴嘴配氣耦合聯(lián)調(diào)方法，膨脹機(jī)的變工況級(jí)平均比功提高了8.0%。
第三，我們揭示了限制空間尺度內(nèi)的流動(dòng)、傳蓄熱特性與機(jī)理。先進(jìn)壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)要求在高壓、相變和超臨界條件下工作，特別是蓄熱器、蓄冷器、換熱器等限制空間尺度內(nèi)存在復(fù)雜的流動(dòng)、傳熱和蓄熱現(xiàn)象；同時(shí)流體在近臨界點(diǎn)存在擬沸騰、擬冷凝、熱流振蕩等特殊現(xiàn)象，其機(jī)理尚不完全清楚；而且，蓄熱和蓄冷過(guò)程同壓縮和膨脹過(guò)程相互耦合，且常處于非穩(wěn)態(tài)工作狀態(tài)，使其機(jī)理更加復(fù)雜。針對(duì)傳熱和蓄熱介質(zhì)本身的流動(dòng)與傳蓄熱問(wèn)題，我們系統(tǒng)地開(kāi)展了多種納米流體、微尺度相變懸浮流體、離子流體、超臨界流體等功能流體在限定空間內(nèi)的流動(dòng)與傳蓄熱特性的研究[42—49]，獲得了多種功能流體的流變、層流、湍流、導(dǎo)熱、對(duì)流和相變傳熱特性及其機(jī)理，從微觀角度對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的機(jī)理給出了理論解釋?zhuān)⒃趪?guó)際上首次提出一種聯(lián)系微觀結(jié)構(gòu)與宏觀特性的理論模型[42—47]；系統(tǒng)地開(kāi)展了超臨界空氣、超臨界氮?dú)?、超臨界水蒸氣、超臨界氟利昂等流動(dòng)與傳蓄熱特性的研究[48—52]，首次揭示了近臨界點(diǎn)流體熱物性急劇變化對(duì)擬沸騰和擬冷凝現(xiàn)象影響的機(jī)理[48—50]，發(fā)現(xiàn)了密度對(duì)熱流振蕩的決定性影響[48]；針對(duì)傳熱和蓄熱介質(zhì)之間的相互作用規(guī)律和機(jī)理，開(kāi)展了填充床內(nèi)部超臨界蓄熱/冷的實(shí)驗(yàn)研究，填充床蓄冷/熱及換熱器如圖7所示，圖中顯示了填充床實(shí)驗(yàn)臺(tái)及內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖，發(fā)現(xiàn)在超臨界條件下氣固兩相流動(dòng)壓力損失可用修正的Ergun方程描述，首次發(fā)現(xiàn)了自然對(duì)流對(duì)儲(chǔ)熱過(guò)程的強(qiáng)化/阻滯效應(yīng)和提出了氣固相間超臨界強(qiáng)迫對(duì)流傳熱特征關(guān)系式，分析揭示了其內(nèi)部熱活塞效應(yīng)及其機(jī)理[51—54]，提出了基于循環(huán)顆粒和噴淋流體的強(qiáng)化傳熱過(guò)程，揭示了氣固液多相流動(dòng)損失和強(qiáng)化傳熱的機(jī)理，并給出定量修正模型，很好地解釋了經(jīng)典文獻(xiàn)中存在不同結(jié)果的機(jī)理[50—52]；詳細(xì)研究了蓄熱器和換熱器的非定常流場(chǎng)和溫度場(chǎng)特性，得到了填充床蓄冷換熱器內(nèi)部斜溫層的非定常特性，發(fā)現(xiàn)了蓄熱器內(nèi)低能流體產(chǎn)生和流動(dòng)發(fā)展的規(guī)律及其機(jī)理，揭示了其微觀結(jié)構(gòu)和關(guān)鍵參數(shù)對(duì)宏觀性能影響的規(guī)律；獲得了超臨界氣體在緊湊式換熱器內(nèi)的阻力因子和傳熱因子的修正關(guān)系式，進(jìn)而提出了提高超臨界工質(zhì)蓄熱/冷性能的設(shè)計(jì)新方法[55—59]。在以上研究的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)發(fā)明了內(nèi)保溫—外承壓蓄熱器、多股流耦合換熱器、噴淋式填充床蓄熱器等多種蓄熱/換熱器，其中內(nèi)保溫—外承壓蓄熱器和噴淋式填充床蓄熱器的蓄熱效率達(dá)到98%以上，多股流耦合換熱器在高濕環(huán)境下的換熱溫差小于2 K，并均成功應(yīng)用于工業(yè)級(jí)項(xiàng)目。
在以上基礎(chǔ)理論和關(guān)鍵技術(shù)突破的基礎(chǔ)上，原創(chuàng)性地提出了先進(jìn)壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)新原理，突破了1—100 MW級(jí)壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)，率先形成了1—100 MW級(jí)先進(jìn)壓縮空氣儲(chǔ)能的系統(tǒng)解決方案。于2013年在河北廊坊建成了國(guó)際首個(gè)1.5 MW先進(jìn)壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)(圖8)，系統(tǒng)效率達(dá)到了52.1%，被評(píng)價(jià)為“我國(guó)壓縮空氣儲(chǔ)能的一項(xiàng)重要突破，達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平”。于2016年在貴州畢節(jié)建成目前國(guó)際首套10 MW級(jí)新型壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)(圖9)，系統(tǒng)效率達(dá)60.2%，是全球目前系統(tǒng)效率最高的壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)。于2017年啟動(dòng)100 MW先進(jìn)壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化工作，目前已完成100 MW先進(jìn)壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)及部件的研發(fā)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)效率達(dá)70.4%，并于2021年底完成100 MW示范項(xiàng)目并網(wǎng)(圖10)。100 MW先進(jìn)壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的整體研發(fā)進(jìn)程及系統(tǒng)性能均處于國(guó)際領(lǐng)先水平。已通過(guò)技術(shù)入股率先實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，技術(shù)總作價(jià)約18億元，吸引投資超過(guò)34億元。已經(jīng)建成示范項(xiàng)目共5臺(tái)套，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)占有率約95%，正在建設(shè)及列入規(guī)劃的項(xiàng)目共計(jì)2070 MW，總投資超過(guò)100億元，技術(shù)成果轉(zhuǎn)化收益位列2018年全國(guó)第一。已形成完善的自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)體系，申請(qǐng)壓縮空氣儲(chǔ)能相關(guān)專(zhuān)利400余項(xiàng)，授權(quán)專(zhuān)利300余項(xiàng)，專(zhuān)利群保護(hù)體系已覆蓋中國(guó)、美國(guó)、日本、南非、歐盟等40余個(gè)主要國(guó)家和地區(qū)。


展望

未來(lái)，隨著人類(lèi)對(duì)碳中和、氣候與環(huán)境變化的關(guān)注，我們必將減少化石能源的使用與消費(fèi)，提高新能源和可再生能源比例，促進(jìn)能源結(jié)構(gòu)的深化改革，因此必將對(duì)大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)提出重大的需求，儲(chǔ)能裝機(jī)容量將會(huì)快速增長(zhǎng)。據(jù)國(guó)際能源署預(yù)測(cè)，到2050年，僅美國(guó)、歐洲、中國(guó)及印度四個(gè)地區(qū)就需要增加至800 GW的儲(chǔ)能裝機(jī)，儲(chǔ)能系統(tǒng)的容量從現(xiàn)在占發(fā)電總量的2.7%增加至10%—15%。我國(guó)電力儲(chǔ)能系統(tǒng)容量將達(dá)到200 GW以上，市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)數(shù)萬(wàn)億人民幣，市場(chǎng)需求迫切而巨大。壓縮空氣儲(chǔ)能具有高效率、低成本、長(zhǎng)壽命和大規(guī)模的特點(diǎn)，其作為最具發(fā)展?jié)摿Φ拇笠?guī)模儲(chǔ)能技術(shù)之一，已經(jīng)被編寫(xiě)進(jìn)《國(guó)民經(jīng)濟(jì)與社會(huì)發(fā)展十四五規(guī)劃》等國(guó)家級(jí)重要規(guī)劃中。壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展對(duì)能源結(jié)構(gòu)的變革和能源技術(shù)發(fā)展的推動(dòng)意義重大，也為智能電網(wǎng)、能源互聯(lián)網(wǎng)和智能城市的建設(shè)與發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

原標(biāo)題：壓縮空氣儲(chǔ)能——讓電能穿越時(shí)空