TICC-500的系統(tǒng)流程如圖1所示，系統(tǒng)主要由壓縮子系統(tǒng)、回?zé)嶙酉到y(tǒng)、儲(chǔ)氣子系統(tǒng)、透平發(fā)電子系統(tǒng)等四部分組成。壓縮子系統(tǒng)采用五級(jí)間冷活塞式壓縮機(jī)，排氣壓力為10MPa，壓縮機(jī)每級(jí)的排氣溫度為150℃。回?zé)嶙酉到y(tǒng)由常溫水罐、中溫水罐、高溫水罐、水泵以及換熱器等組成，采用加壓水作為儲(chǔ)熱介質(zhì)。儲(chǔ)氣子系統(tǒng)采用兩個(gè)鋼制壓力儲(chǔ)氣罐，每個(gè)儲(chǔ)氣罐體積為50m3，儲(chǔ)氣總?cè)莘e為100m3。透平發(fā)電子系統(tǒng)包括空氣透平、減速器和發(fā)電機(jī)等?？諝馔钙綖橄蛐膹捷S流式，采用三級(jí)同軸布置，級(jí)間再熱循環(huán)，空氣透平的轉(zhuǎn)速為30000轉(zhuǎn)/分鐘，通過(guò)減速器將其轉(zhuǎn)速減至1500轉(zhuǎn)/分鐘，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)對(duì)外輸出電能。
圖1 TICC-500系統(tǒng)流程圖
系統(tǒng)運(yùn)行主要包括兩個(gè)過(guò)程：
儲(chǔ)能過(guò)程：通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)，將環(huán)境空氣壓縮至高壓，并存儲(chǔ)于儲(chǔ)氣罐中，儲(chǔ)能過(guò)程結(jié)束時(shí)，儲(chǔ)氣罐中的壓力為10MPa。壓縮機(jī)的排氣溫度可以達(dá)到150℃，利用回?zé)嶙酉到y(tǒng)中的加壓水回收壓縮過(guò)程所產(chǎn)生的壓縮熱，并將此熱量（120℃）存儲(chǔ)于高溫水罐中。
釋能過(guò)程：高壓空氣由儲(chǔ)氣罐釋放出來(lái)，被回?zé)嶙酉到y(tǒng)中所存儲(chǔ)的壓縮熱加熱，溫度升高至100℃，進(jìn)入透平膨脹做功。第一級(jí)和第二級(jí)透平做功后的排氣經(jīng)過(guò)再次加熱后進(jìn)入下一級(jí)透平膨脹做功，依次完成三級(jí)再熱膨脹循環(huán)流程，通過(guò)減速器驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)輸出電能。
2關(guān)鍵子系統(tǒng)
從功能原理方面考慮，可以將CAES系統(tǒng)劃分為壓縮、儲(chǔ)氣、回?zé)岷桶l(fā)電等四個(gè)子系統(tǒng)，各個(gè)系統(tǒng)介紹如下。
2.1壓縮子系統(tǒng)
壓縮子系統(tǒng)的作用是利用電能將空氣壓縮至高壓，同時(shí)在壓縮過(guò)程中產(chǎn)生高溫的壓縮熱。其主要由壓縮機(jī)本體、附屬裝置等組成。通過(guò)壓縮子系統(tǒng)，可以將電能轉(zhuǎn)換為高壓空氣的分子內(nèi)勢(shì)能和儲(chǔ)熱介質(zhì)的熱能，進(jìn)而完成電能的轉(zhuǎn)換。作為儲(chǔ)能過(guò)程中的核心部件，壓縮機(jī)具有流量大、壓比高、背壓變化大等特點(diǎn)。在TICC-500項(xiàng)目中，研發(fā)了基于雙作用活塞和自卸荷技術(shù)的非穩(wěn)態(tài)壓縮系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能過(guò)程中的壓縮機(jī)的高效運(yùn)行。壓縮機(jī)系統(tǒng)的照片如圖2所示，系統(tǒng)的參數(shù)配置如表1所示。
圖2 TICC-500壓縮機(jī)系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)照片
表1 TICC-500壓縮機(jī)系統(tǒng)參數(shù)表
儲(chǔ)氣子系統(tǒng)是用來(lái)存儲(chǔ)壓縮機(jī)所產(chǎn)生的高壓空氣，實(shí)現(xiàn)分子內(nèi)勢(shì)能的存儲(chǔ)。其主要由儲(chǔ)氣罐、管道、閥門(mén)等組成。壓縮空氣儲(chǔ)能采用空氣作為儲(chǔ)能介質(zhì)，儲(chǔ)氣系統(tǒng)具有容量大、壓力高等特點(diǎn)。TICC-500采用高壓鋼制壓力容器作為儲(chǔ)氣室，建設(shè)了兩臺(tái)總?cè)莘e為100立方米的10MPa高壓儲(chǔ)氣罐（如圖3所示），并完成了大容量高壓儲(chǔ)氣室的快速充放氣特性研究（如圖4所示）。
圖3 TICC-500儲(chǔ)氣系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)照片
圖4 高壓儲(chǔ)氣室的快速充放氣特性曲線
2.3回?zé)嶙酉到y(tǒng)
回?zé)嶙酉到y(tǒng)用于存儲(chǔ)壓縮過(guò)程中所產(chǎn)生的壓縮熱，在釋能過(guò)程中，通過(guò)其所存儲(chǔ)的壓縮熱加熱透平進(jìn)口的空氣，從而實(shí)現(xiàn)壓縮熱的回收利用。其主要由換熱器、儲(chǔ)熱罐、工質(zhì)泵等組成。作為非補(bǔ)燃?jí)嚎s空氣儲(chǔ)能的關(guān)鍵技術(shù)，回?zé)峒夹g(shù)對(duì)系統(tǒng)的儲(chǔ)能效率影響極大，回?zé)嵝试礁?，系統(tǒng)的儲(chǔ)能效率也越高。TICC-500系統(tǒng)利用加壓水作為儲(chǔ)熱工質(zhì)，采用梯度儲(chǔ)熱技術(shù)，將不同溫度的水分級(jí)存儲(chǔ)，避免高低溫?zé)崃康膿交?，保證所儲(chǔ)熱量的品位。儲(chǔ)熱系統(tǒng)的照片如圖5所示。
圖5 儲(chǔ)熱系統(tǒng)照片
2.4透平發(fā)電子系統(tǒng)
透平發(fā)電子系統(tǒng)利用儲(chǔ)氣系統(tǒng)存儲(chǔ)的高壓空氣和儲(chǔ)熱系統(tǒng)存儲(chǔ)的壓縮熱驅(qū)動(dòng)透平膨脹機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)輸出電能，實(shí)現(xiàn)由分子內(nèi)勢(shì)能和熱能向電能的轉(zhuǎn)換。其主要由空氣透平膨脹機(jī)、減速器、發(fā)電機(jī)等組成。空氣透平發(fā)電系統(tǒng)是釋能過(guò)程中熱功轉(zhuǎn)換的核心部件，其效率的高低直接決定著整個(gè)電站的儲(chǔ)能效率。TICC-500的空氣透平的設(shè)計(jì)輸出軸功率650kW，膨脹比高達(dá)30∶1，轉(zhuǎn)速30000轉(zhuǎn)/分鐘，通過(guò)減速器，將轉(zhuǎn)速降至1500轉(zhuǎn)/分鐘，驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)對(duì)外輸出電能。由于空氣透平膨脹比大、轉(zhuǎn)速高，故對(duì)空氣透平的設(shè)計(jì)和制造具有較高的要求。TICC-500采用向心徑軸流式透平，三級(jí)同軸布置，利用回?zé)嵯到y(tǒng)實(shí)現(xiàn)三級(jí)再熱循環(huán)，提高了系統(tǒng)的循環(huán)效率（如圖6所示）。
圖6 空氣透平發(fā)電系統(tǒng)照片
3前景展望
非補(bǔ)燃?jí)嚎s空氣儲(chǔ)能具有容量大、效率高、成本低、壽命長(zhǎng)的特點(diǎn)，系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中零碳排放，可以顯著減少大規(guī)模棄風(fēng)棄光，提升新能源消納能力；其與供熱供冷相結(jié)合可形成“冷-熱-電”三聯(lián)供系統(tǒng)，構(gòu)成高效的儲(chǔ)能系統(tǒng)；同時(shí)可為實(shí)現(xiàn)智能微電網(wǎng)和智能微電網(wǎng)群優(yōu)化運(yùn)行提供強(qiáng)大靈活的調(diào)節(jié)能力和手段。此外，非補(bǔ)燃?jí)嚎s空氣儲(chǔ)能作為一種理想的大規(guī)模儲(chǔ)能手段，實(shí)現(xiàn)了儲(chǔ)能過(guò)程中的發(fā)電、供冷、供熱相耦合，進(jìn)而將智能微電網(wǎng)提升至智能微能源網(wǎng)的層次，提高了能量的綜合利用效率，在未來(lái)將具有廣闊的應(yīng)用前景。
作者簡(jiǎn)介：
梅生偉，清華大學(xué)電機(jī)系教授，博士生導(dǎo)師，長(zhǎng)江學(xué)者，杰出青年，IET Fellow，IEEE Fellow，青海大學(xué)新能源光伏產(chǎn)業(yè)研究中心主任。目前主要從事電力系統(tǒng)分析與控制、可再生能源發(fā)電及綜合利用等領(lǐng)域的研究。
陳來(lái)軍，清華大學(xué)電機(jī)系副教授，碩士生導(dǎo)師，IEEE member，青海大學(xué)新能源光伏產(chǎn)業(yè)研究中心副主任。目前主要從事新能源發(fā)電、微能源網(wǎng)及儲(chǔ)能等相關(guān)領(lǐng)域的研究。
薛小代，清華大學(xué)電機(jī)系博士后。目前主要從事壓縮空氣儲(chǔ)能、微能源網(wǎng)、新能源發(fā)電、新型發(fā)電系統(tǒng)等領(lǐng)域的研究。
清華大學(xué)電機(jī)系控制理論與數(shù)字化技術(shù)研究室，由盧強(qiáng)院士、梅生偉教授、沈沉教授為學(xué)術(shù)帶頭人，是國(guó)家基金委創(chuàng)新研究群體。目前該團(tuán)隊(duì)有教授3人，副教授4人，助理研究員2人，博士后3人，研究生40余人。主要研究領(lǐng)域包括電力系統(tǒng)分析與控制、先進(jìn)能量管理系統(tǒng)、智能微電網(wǎng)、壓縮空氣儲(chǔ)能等，相關(guān)研究成果廣泛應(yīng)用于我國(guó)電力行業(yè)。曾獲國(guó)家自然科學(xué)二等獎(jiǎng)2項(xiàng)，軍隊(duì)科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)1項(xiàng)，教育部自然科學(xué)一等獎(jiǎng)1項(xiàng)，省部級(jí)及其他獎(jiǎng)勵(lì)10余項(xiàng)。近5年來(lái)，團(tuán)隊(duì)發(fā)表和錄用SCI論文50余篇，EI論文100多篇。
