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)、回熱子系統(tǒng)、儲氣子系統(tǒng)、透平發(fā)電子系統(tǒng)等四部分組成。壓縮子系統(tǒng)采用五級間冷活塞式壓縮機，排氣壓力為10MPa，壓縮機每級的排氣溫度為150℃。回熱子系統(tǒng)由常溫水罐、中溫水罐、高溫水罐、水泵以及換熱器等組成，采用加壓水作為儲熱介質(zhì)。儲氣子系統(tǒng)采用兩個鋼制壓力儲氣罐，每個儲氣罐體積為50m3，儲氣總?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)電機等?？諝馔钙綖橄蛐膹捷S流式，采用三級同軸布置，級間再熱循環(huán)，空氣透平的轉(zhuǎn)速為30000轉(zhuǎn)/分鐘，通過減速器將其轉(zhuǎn)速減至1500轉(zhuǎn)/分鐘，帶動發(fā)電機對外輸出電能。
圖1 TICC-500系統(tǒng)流程圖
系統(tǒng)運行主要包括兩個過程：
儲能過程：通過電機驅(qū)動壓縮機，將環(huán)境空氣壓縮至高壓，并存儲于儲氣罐中，儲能過程結(jié)束時，儲氣罐中的壓力為10MPa。壓縮機的排氣溫度可以達到150℃，利用回熱子系統(tǒng)中的加壓水回收壓縮過程所產(chǎn)生的壓縮熱，并將此熱量（120℃）存儲于高溫水罐中。
釋能過程：高壓空氣由儲氣罐釋放出來，被回熱子系統(tǒng)中所存儲的壓縮熱加熱，溫度升高至100℃，進入透平膨脹做功。第一級和第二級透平做功后的排氣經(jīng)過再次加熱后進入下一級透平膨脹做功，依次完成三級再熱膨脹循環(huán)流程，通過減速器驅(qū)動發(fā)電機輸出電能。
2關鍵子系統(tǒng)
從功能原理方面考慮，可以將CAES系統(tǒng)劃分為壓縮、儲氣、回熱和發(fā)電等四個子系統(tǒng)，各個系統(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，同時在壓縮過程中產(chǎn)生高溫的壓縮熱。其主要由壓縮機本體、附屬裝置等組成。通過壓縮子系統(tǒng)，可以將電能轉(zhuǎn)換為高壓空氣的分子內(nèi)勢能和儲熱介質(zhì)的熱能，進而完成電能的轉(zhuǎn)換。作為儲能過程中的核心部件，壓縮機具有流量大、壓比高、背壓變化大等特點。在TICC-500項目中，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)，可以實現(xiàn)儲能過程中的壓縮機的高效運行。壓縮機系統(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壓縮機系統(tǒng)現(xiàn)場照片
表1 TICC-500壓縮機系統(tǒng)參數(shù)表
儲氣子系統(tǒng)是用來存儲壓縮機所產(chǎn)生的高壓空氣，實現(xiàn)分子內(nèi)勢能的存儲。其主要由儲氣罐、管道、閥門等組成。壓縮空氣儲能采用空氣作為儲能介質(zhì)，儲氣系統(tǒng)具有容量大、壓力高等特點。TICC-500采用高壓鋼制壓力容器作為儲氣室，建設了兩臺總?cè)莘e為100立方米的10MPa高壓儲氣罐（如圖3所示），并完成了大容量高壓儲氣室的快速充放氣特性研究（如圖4所示）。
圖3 TICC-500儲氣系統(tǒng)現(xiàn)場照片
圖4 高壓儲氣室的快速充放氣特性曲線
2.3回熱子系統(tǒng)
回熱子系統(tǒng)用于存儲壓縮過程中所產(chǎn)生的壓縮熱，在釋能過程中，通過其所存儲的壓縮熱加熱透平進口的空氣，從而實現(xiàn)壓縮熱的回收利用。其主要由換熱器、儲熱罐、工質(zhì)泵等組成。作為非補燃壓縮空氣儲能的關鍵技術(shù)，回熱技術(shù)對系統(tǒng)的儲能效率影響極大，回熱效率越高，系統(tǒng)的儲能效率也越高。TICC-500系統(tǒng)利用加壓水作為儲熱工質(zhì)，采用梯度儲熱技術(shù)，將不同溫度的水分級存儲，避免高低溫熱量的摻混，保證所儲熱量的品位。儲熱系統(tǒng)的照片如圖5所示。
圖5 儲熱系統(tǒng)照片
2.4透平發(fā)電子系統(tǒng)
透平發(fā)電子系統(tǒng)利用儲氣系統(tǒng)存儲的高壓空氣和儲熱系統(tǒng)存儲的壓縮熱驅(qū)動透平膨脹機轉(zhuǎn)動，帶動發(fā)電機輸出電能，實現(xiàn)由分子內(nèi)勢能和熱能向電能的轉(zhuǎn)換。其主要由空氣透平膨脹機、減速器、發(fā)電機等組成?？諝馔钙桨l(fā)電系統(tǒng)是釋能過程中熱功轉(zhuǎn)換的核心部件，其效率的高低直接決定著整個電站的儲能效率。TICC-500的空氣透平的設計輸出軸功率650kW，膨脹比高達30∶1，轉(zhuǎn)速30000轉(zhuǎn)/分鐘，通過減速器，將轉(zhuǎn)速降至1500轉(zhuǎn)/分鐘，驅(qū)動發(fā)電機對外輸出電能。由于空氣透平膨脹比大、轉(zhuǎn)速高，故對空氣透平的設計和制造具有較高的要求。TICC-500采用向心徑軸流式透平，三級同軸布置，利用回熱系統(tǒng)實現(xiàn)三級再熱循環(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
非補燃壓縮空氣儲能具有容量大、效率高、成本低、壽命長的特點，系統(tǒng)運行過程中零碳排放，可以顯著減少大規(guī)模棄風棄光，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)成高效的儲能系統(tǒng)；同時可為實現(xiàn)智能微電網(wǎng)和智能微電網(wǎng)群優(yōu)化運行提供強大靈活的調(diào)節(jié)能力和手段。此外，非補燃壓縮空氣儲能作為一種理想的大規(guī)模儲能手段，實現(xiàn)了儲能過程中的發(fā)電、供冷、供熱相耦合，進而將智能微電網(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，在未來將具有廣闊的應用前景。
作者簡介：
梅生偉，清華大學電機系教授，博士生導師，長江學者，杰出青年，IET Fellow，IEEE Fellow，青海大學新能源光伏產(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)電及綜合利用等領域的研究。
陳來軍，清華大學電機系副教授，碩士生導師，IEEE member，青海大學新能源光伏產(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)及儲能等相關領域的研究。
薛小代，清華大學電機系博士后。目前主要從事壓縮空氣儲能、微能源網(wǎng)、新能源發(fā)電、新型發(fā)電系統(tǒng)等領域的研究。
清華大學電機系控制理論與數(shù)字化技術(shù)研究室，由盧強院士、梅生偉教授、沈沉教授為學術(shù)帶頭人，是國家基金委創(chuàng)新研究群體。目前該團隊有教授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。主要研究領域包括電力系統(tǒng)分析與控制、先進能量管理系統(tǒng)、智能微電網(wǎng)、壓縮空氣儲能等，相關研究成果廣泛應用于我國電力行業(yè)。曾獲國家自然科學二等獎2項，軍隊科技進步一等獎1項，教育部自然科學一等獎1項，省部級及其他獎勵10余項。近5年來，團隊發(fā)表和錄用SCI論文50余篇，EI論文100多篇。
