儲能是解決可再生能源大規(guī)模接入、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)濟性的迫切需要，被稱為能源革命的支撐技術(shù)，是國家大力支持的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)。

而壓縮空氣儲能（CAES）具有規(guī)模大、單位成本低、壽命長、安全環(huán)保等諸多優(yōu)點，備受業(yè)內(nèi)的關(guān)注。

近日，中國科學(xué)院工程熱物理研究所儲能研發(fā)中心在國際學(xué)術(shù)期刊《能源》（Energy）上發(fā)表了一項最新研究成果：用計算流體力學(xué)的方法建立了壓縮空氣儲能透平膨脹機內(nèi)部流場三維數(shù)值模型，研究了透平膨脹機氣動效率和磨損量隨葉頂間隙和膨脹比的變化規(guī)律，找到了在保證對透平膨脹機效率影響較小的前提下，可顯著降低磨損量的最佳葉頂間隙取值范圍和透平膨脹機運行工況區(qū)間。

從追趕到領(lǐng)先

中國科學(xué)院工程熱物理研究所副所長陳海生研究員告訴記者，傳統(tǒng)的壓縮空氣儲能技術(shù)是一種源于燃?xì)廨啓C技術(shù)的儲能系統(tǒng)。在用電低谷，通過電動機帶動壓縮機將空氣壓縮并儲存于儲氣室中，使電能轉(zhuǎn)化為空氣的內(nèi)能存儲起來；在用電高峰，高壓空氣從儲氣室釋放，進入燃燒室同燃料一起燃燒，然后驅(qū)動透平做功，帶動發(fā)電機發(fā)電。

然而，陳海生介紹，傳統(tǒng)的壓縮空氣儲能技術(shù)存在依賴儲氣洞穴、依賴化石燃料以及系統(tǒng)效率較低等瓶頸問題。

中國科學(xué)院工程熱物理研究所高級工程師紀(jì)律告訴記者，工程熱物理所通過十余年的努力，突破了1~10MW壓縮空氣儲能各項關(guān)鍵技術(shù)，于2013年在廊坊建成國際首套1.5MW新型壓縮空氣儲能示范系統(tǒng)，于2016年在貴州畢節(jié)建成國際首套也是目前唯一一套10MW新型壓縮空氣儲能示范系統(tǒng)，效率達60.2%，是全球目前效率最高的壓縮空氣儲能系統(tǒng)。

據(jù)了解，新型壓縮空氣儲能技術(shù)研發(fā)主要有以下三個方面的技術(shù)進步：首先，由于氣體壓縮過程會產(chǎn)生壓縮熱，通過蓄熱技術(shù)回收這部分熱量再利用，不必燃燒化石燃料提供熱量；其次，可以采用壓縮空氣液化儲存或高壓氣態(tài)儲存在儲氣裝置中，擺脫對儲氣洞穴的依賴；此外，通過高效的壓縮、膨脹、超臨界蓄熱及換熱，系統(tǒng)集成優(yōu)化，整體提高系統(tǒng)效率。

“透平膨脹機是系統(tǒng)核心的做功發(fā)電裝置，其效率及運行特性對于壓縮空氣儲能系統(tǒng)的整體運行情況具有決定性影響。”中國科學(xué)院工程熱物理研究所助理研究員王星博士說。

據(jù)研究人員介紹，他們此次的研究是為了滿足壓縮空氣儲能在我國西部地區(qū)的應(yīng)用需求，針對當(dāng)?shù)丨h(huán)境的特點，而對透平膨脹機做出優(yōu)化分析。雖然我國西部地區(qū)的風(fēng)能、太陽能資源豐富，適合應(yīng)用壓縮空氣儲能技術(shù)，然而當(dāng)?shù)乜諝夥蹓m含量較高，對透平膨脹機內(nèi)“高流速、高轉(zhuǎn)速”特征的核心部件具有潛在的危害。

王星等研究人員發(fā)現(xiàn)，增大渦輪葉片和殼體之間的葉頂間隙可以減少磨損，然而增加葉頂間隙會增加流動損失。同時，透平膨脹機內(nèi)部流動三維特征明顯，使粉塵運動特征復(fù)雜，需要對流場進行研究和組織，實現(xiàn)對部件抗磨損性能的主動優(yōu)化。為此，研究人員通過耦合納維—斯托克斯方程和Tabakoff & Grant磨損量半經(jīng)驗公式，建立了透平膨脹機“氣—固”多相流三維數(shù)值模型，通過求解模型獲得了各部件磨損量的分布特征。結(jié)果顯示，透平膨脹機導(dǎo)葉尾緣、動葉前緣及二者間的輪轂、機匣等部位磨損較嚴(yán)重，建議增強進口過濾，施加防磨涂層等，優(yōu)化葉片的抗磨損性能。

紀(jì)律說，通過大量的基礎(chǔ)研究和關(guān)鍵技術(shù)突破，工程熱物理所完成了1~10MW新型壓縮空氣儲能系統(tǒng)研發(fā)，創(chuàng)造了“國際首套、規(guī)模最大、效率最高、專利和論文數(shù)量最多”等多個世界第一。

從2005年開始基礎(chǔ)研究，到2009年關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)，到2016年10MW技術(shù)工程示范，用了約10年時間，我國的新型壓縮空氣儲能技術(shù)完成了從追趕到領(lǐng)先的跨越。

2017年，工程熱物理所開始研發(fā)100MW級新型壓縮空氣儲能技術(shù)，預(yù)計2020年完成樣機研制，額定效率將達到70%左右。示范項目建成后，將成為國際上規(guī)模最大、效率最高的新型壓縮空氣儲能電站，有效促進我國壓縮空氣儲能技術(shù)及產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

一個萬億價值鏈

那么，為什么要建設(shè)儲能系統(tǒng)呢？又為什么要發(fā)展壓縮空氣儲能技術(shù)呢？

陳海生告訴記者，現(xiàn)行的電力系統(tǒng)由原材料、發(fā)電、輸電、配電和用電這五大價值鏈組成。“用消費品零售業(yè)來做類比的話，就好比原料、生產(chǎn)、運輸、分配和消費都有了，唯獨沒有倉儲這個環(huán)節(jié)。”

陳海生介紹，電力系統(tǒng)用戶端每日的用電負(fù)荷是波動變化的，且峰谷差日趨增大。為了滿足要求，當(dāng)前的發(fā)電裝機容量與電網(wǎng)容量需要按最大需求建設(shè)，發(fā)電端根據(jù)用電端的實時動態(tài)負(fù)荷進行匹配。在用電低谷時，發(fā)電機組停機或低負(fù)荷運行，這導(dǎo)致發(fā)電裝機容量和電網(wǎng)容量的利用率低。

不僅如此，這種現(xiàn)行系統(tǒng)的動態(tài)平衡存在風(fēng)險，比如近年來在印度、韓國、美國、英國等地都發(fā)生了大面積停電事故。增加儲能系統(tǒng)為電力系統(tǒng)提供緩沖，不失為有效的解決方案之一。

據(jù)陳海生介紹，截至2018年底，我國儲能裝機為31.2GW，約占全國電力總裝機的1.6%，低于世界2.7%的平均水平。據(jù)國際能源署預(yù)測，到2050年，我國儲能裝機將達到200GW以上，占電力總裝機的比例將提高至10%~15%，可以催生一個萬億級的產(chǎn)業(yè)。

能源革命的支撐技術(shù)

除了解決上述傳統(tǒng)能源的用電負(fù)荷波動的問題，儲能技術(shù)對于可再生能源大規(guī)模開發(fā)利用和分布式能源系統(tǒng)的發(fā)展也有重要的支撐作用。

陳海生說，儲能技術(shù)可將間斷、不穩(wěn)定、不可控的可再生能源發(fā)電儲存起來，再按照需求平穩(wěn)、可控地釋放，具有平滑波動、跟蹤調(diào)度輸出、調(diào)峰調(diào)頻等功能，可促進可再生能源電力大規(guī)模并網(wǎng)，有效解決棄風(fēng)、棄光問題。

分布式能源系統(tǒng)是未來高效、低碳、高安全性能源系統(tǒng)的主要發(fā)展趨勢之一?？墒?，分布式能源系統(tǒng)相較于大電網(wǎng)，具有負(fù)荷波動大、系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力差、故障率高等問題。

陳海生表示，儲能技術(shù)可作為負(fù)荷平衡裝置及備用電源，有效解決上述問題，提高分布式能源系統(tǒng)供電的可靠性、穩(wěn)定性。

因此，儲能技術(shù)被稱為“能源革命的支撐技術(shù)”。

有了壓縮空氣儲能充當(dāng)穩(wěn)壓器，可以將可再生能源、分布式能源產(chǎn)生的急劇波動的低質(zhì)量電能“變廢為寶”“點石成金”，從而促進可再生能源、分布式能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，社會效益巨大。

壓縮空氣儲能的未來發(fā)展

陳海生告訴記者，目前壓縮空氣儲能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展需要聚焦性能、示范和電價機制三個方面。

首先是要繼續(xù)提高該技術(shù)的性能，降低成本。大規(guī)模化是壓縮空氣儲能技術(shù)的發(fā)展趨勢，也是其降低成本和提升性能的主要途徑。

其次是多做示范。目前新型壓縮空氣儲能技術(shù)的示范系統(tǒng)數(shù)量少、規(guī)模小，不能滿足技術(shù)發(fā)展的示范需求，因此迫切需要政府、企業(yè)、科研院所加大支持和投入力度，多建示范項目，推動技術(shù)應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)化。

最后是要建立合理的電價機制。目前，其他大規(guī)模儲能技術(shù)尚未享受到和抽水蓄能同樣的兩部制電價機制。“因此，如能進一步全面體現(xiàn)壓縮空氣儲能對電力系統(tǒng)的貢獻，形成合理的電價機制，將有效地激勵壓縮空氣儲能等各項新型儲能技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和應(yīng)用推廣。”陳海生說。