環(huán)保的壓縮空氣儲(chǔ)能
儲(chǔ)能有很多種技術(shù)，包括化學(xué)儲(chǔ)能、物理儲(chǔ)能等。根據(jù)2014年國際能源署統(tǒng)計(jì)，目前抽水蓄能占絕大多數(shù)，壓縮空氣儲(chǔ)能緊隨其后。
壓縮空氣儲(chǔ)能是將空氣壓縮存儲(chǔ)于裝置中，在用電高峰時(shí)，高壓空氣從儲(chǔ)蓄罐中釋放出來，通過燃料燃燒，進(jìn)行發(fā)電。只要不存在泄漏問題，壓縮空氣儲(chǔ)能的周期不受限制。壓縮空氣儲(chǔ)能裝置的壽命比較長，可以達(dá)到30～50年，如果保養(yǎng)得當(dāng)，甚至可以超過這個(gè)年限。
壓縮空氣儲(chǔ)能是抽水蓄能之外投資風(fēng)險(xiǎn)最小、成熟度比較高的儲(chǔ)能方式。在成本方面，壓縮空氣儲(chǔ)能與抽水蓄能都是最便宜的儲(chǔ)能技術(shù)。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(chǔ)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(chǔ)能；第二種是帶蓄熱的空氣儲(chǔ)能，將空氣壓縮熱進(jìn)行存儲(chǔ)，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(chǔ)能，一般為了減少系統(tǒng)投資、降低系統(tǒng)復(fù)雜程度，系統(tǒng)不采用熱源，主要用于備用電源使用，對(duì)效率不敏感。
按照系統(tǒng)的大小，壓縮空氣儲(chǔ)能又被分為大型百兆瓦級(jí)和小型千瓦級(jí)系統(tǒng)。研究人員根據(jù)壓縮空氣儲(chǔ)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(chǔ)能研究中獲得了很多研究成果。
目前解決壓縮空氣儲(chǔ)能主要依賴大型儲(chǔ)機(jī)，將空氣液化，大幅降低體積，擺脫對(duì)大型儲(chǔ)能洞穴的依賴，另外也擺脫了對(duì)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(chǔ)能2兆瓦級(jí)系統(tǒng)。
國內(nèi)壓縮空氣儲(chǔ)能研發(fā)進(jìn)展
目前國內(nèi)還沒有壓縮空氣儲(chǔ)能電網(wǎng)的商業(yè)應(yīng)用，但是已經(jīng)從五個(gè)方面逐步開展了一些相關(guān)工作，包括系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)和分析、蓄熱器、放熱器、系統(tǒng)集成和示范、政策和商業(yè)機(jī)制研究。
現(xiàn)在國內(nèi)有10家組織單位進(jìn)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(xué)、西安交通大學(xué)等；第二類主要做技術(shù)經(jīng)濟(jì)性分析，包括中科院工程熱物理所、華北電力大學(xué)等；第三類主要研究壓氣機(jī)，研究小型壓縮空氣儲(chǔ)能的有浙大工程物理所，漩渦式的有山東大學(xué)，向心式的是中國科學(xué)院工程熱物理研究所。另外，哈爾濱工業(yè)大學(xué)在儲(chǔ)氣裝置方面也有一定研究。
集成示范方面，我國從十千瓦級(jí)到百千瓦級(jí)都有研究。浙江大學(xué)在上世紀(jì)90年代做過10千瓦左右的壓縮空氣動(dòng)力汽車的研究，山東大學(xué)依靠渦旋式的發(fā)動(dòng)機(jī)作出研究，并得到了“863”項(xiàng)目前沿項(xiàng)目的支持。2014年，清華大學(xué)做了500千瓦的裝置，實(shí)現(xiàn)了超過百千瓦的裝置。
中科院工程熱物理所兆瓦級(jí)技術(shù)進(jìn)步顯著
中科院工程熱物理所的壓縮空氣儲(chǔ)能裝置從千瓦級(jí)一直做到了現(xiàn)在的1.5兆瓦。
壓縮空氣儲(chǔ)能的系統(tǒng)過程相對(duì)比較復(fù)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(gè)關(guān)鍵點(diǎn)：首先，不是每個(gè)過程的效率高，整個(gè)系統(tǒng)效率就高，因此需要研究壓縮空氣儲(chǔ)能過程和系統(tǒng)集成；第二，壓縮空氣儲(chǔ)能的配件，壓縮機(jī)和膨脹機(jī)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)具有十分重要的作用，因此需要揭示其內(nèi)部的流動(dòng)、傳熱耦合和蓄熱方法；第三是蓄冷和傳熱特性，針對(duì)壓縮空氣儲(chǔ)能的特點(diǎn)，中科院工程熱物理所提出四個(gè)壓縮空氣儲(chǔ)能熱學(xué)分析方法和優(yōu)化算法，并在此基礎(chǔ)上算出設(shè)計(jì)方法，并進(jìn)行了集成的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。
在膨脹機(jī)流動(dòng)特性和設(shè)計(jì)方面，我們需要了解其內(nèi)部的二次流動(dòng)、漩渦和發(fā)展規(guī)律，還要了解壓縮機(jī)的機(jī)理。在設(shè)計(jì)方面，要建立新型壓縮空氣儲(chǔ)能的設(shè)計(jì)方法，并進(jìn)行系統(tǒng)部件的試驗(yàn)和驗(yàn)證。
研究人員曾經(jīng)提出，壓縮空氣儲(chǔ)能機(jī)理的損失和換熱損失機(jī)理，在儲(chǔ)熱階段要完成儲(chǔ)熱特性的機(jī)理，提出了蓄熱流動(dòng)損失。在關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)和技術(shù)研究基礎(chǔ)上，中科院工程熱物理所建立了比較完善的設(shè)計(jì)研發(fā)體系，包括設(shè)計(jì)軟件、研發(fā)平臺(tái)，涵蓋了壓縮空氣儲(chǔ)能關(guān)鍵技術(shù)的方方面面。
在集成試驗(yàn)方面，中科院工程熱物理所完成了15千瓦壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)。從2012年開始，我們運(yùn)作了壓縮空氣組1.5兆瓦示范裝置，運(yùn)行超過了1000個(gè)小時(shí)，系統(tǒng)效率達(dá)到了52%。
中科院工程熱物理所做的10兆瓦壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)，目前已經(jīng)進(jìn)入部件測(cè)試階段，同時(shí)我們也在繼續(xù)進(jìn)行技術(shù)研發(fā)，拓展相關(guān)的示范應(yīng)用。
分布式供冷應(yīng)用案例分享
分布式供冷應(yīng)用項(xiàng)目可以降低污染物排放，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排。這種系統(tǒng)通過燃燒燃料，運(yùn)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(fù)荷波動(dòng)大，系統(tǒng)故障率高，迫切需要與儲(chǔ)能技術(shù)相結(jié)合。
在中科院工程熱物理所最近設(shè)計(jì)的1.5兆瓦壓縮空氣儲(chǔ)能耦合裝置中，左邊是燃?xì)廨啓C(jī)裝置，右邊是余熱回收和制冷。工作方式是運(yùn)用壓氣機(jī)進(jìn)行充電，在放電的時(shí)候，通過輸電來壓縮空氣。這種燃機(jī)可以分布式運(yùn)行，比如可以在樓宇項(xiàng)目中推廣。
在廣東的一個(gè)樓宇系統(tǒng)中，最高電負(fù)荷達(dá)到了1725千瓦，研究人員通過配備壓縮空氣儲(chǔ)能，實(shí)現(xiàn)了削峰填谷。燃?xì)庋b機(jī)達(dá)到1252千瓦時(shí)，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(jī)大幅度下降，減少了成本投入。
目前我們?cè)?.5兆瓦壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)中，效率是50%～55%，我們希望在10兆瓦時(shí)，效率達(dá)到60%～65%，單位造價(jià)降至8000元人民幣，這是我們的發(fā)展目標(biāo)和對(duì)未來的預(yù)測(cè)。
