陳海生：壓縮空氣儲能技術(shù)進展及在分布式系統(tǒng)中的應用

2015年6月3日，由國家能源局指導，中關(guān)村儲能產(chǎn)業(yè)技術(shù)聯(lián)盟(CNESA)與杜塞爾多夫展覽(上海)有限公司共同主辦的“儲能國際峰會2015”在北京召開。在儲能技術(shù)分論壇上，中國科學院工程熱物理研究所儲能研究中心主任陳海生發(fā)表題為《壓縮空氣儲能技術(shù)進展及在分布式系統(tǒng)中的應用》的演講，以下為演講內(nèi)容。 中國科學院工程熱物理研究所儲能研究中心主任陳海生： 壓縮空氣儲能概述 儲能有很多種技術(shù)，包括化學儲能、物理儲能等。根據(jù)2014年國際能源署統(tǒng)計，目前抽水蓄能占絕大多數(shù)，壓縮空氣排第二位。 壓縮空氣儲能是將空氣壓縮，存儲于裝置中，在用電高峰時，高壓空氣從儲蓄罐中釋放出來，通過燃料燃燒，進行發(fā)電。壓縮空氣儲能的周期不受限制，只要不存在泄漏問題，在時間上就不受限制。壓縮空氣儲能裝置的壽命比較長，可以達到30-50年，如果保養(yǎng)得當，甚至可以超過這個數(shù)據(jù)。 壓縮空氣儲能是抽水蓄能之外投資風險最小、成熟度比較高的儲能方式。在成本方面，壓縮空氣儲能與抽水蓄能都是最便宜的儲能技術(shù)。在用地和用水方面，壓縮空氣也非常環(huán)保，因此在國外很受重視。 在研發(fā)方面，壓縮空氣儲能被分為幾類，使用不同熱源的被稱為燃燒燃料的壓縮空氣儲能;第二種是帶蓄熱的空氣儲能，將空氣壓縮熱進行存儲，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能，一般為了減少系統(tǒng)投資、降低系統(tǒng)復雜程度，系統(tǒng)不采用熱源，主要用于備用電源使用，對效率不太敏感。 按照系統(tǒng)的大小，壓縮空氣儲能又被分為大型百兆瓦時、小型和千瓦級系統(tǒng)。研究人員根據(jù)壓縮空氣儲能系統(tǒng)是否可以同其他熱力循環(huán)系統(tǒng)耦合，在傳統(tǒng)壓縮空氣儲能研究中獲得了很多研究成果。 目前解決壓縮空氣儲能主要依賴大型儲機，將空氣液化，大幅降低體積，擺脫對大型儲能洞穴的依賴，另外也擺脫了對燃料燃燒的依賴。比較有代表性的是美國的等溫壓縮和蓄熱式壓縮空氣儲能2兆瓦級系統(tǒng)。 中國科學院工程熱物理研究所做了1.5兆瓦超臨界壓縮空氣儲能示范項目。 國內(nèi)壓縮空氣儲能發(fā)展進程 目前國內(nèi)還沒有壓縮空氣儲能電網(wǎng)的商業(yè)應用，但是已經(jīng)從五個方面逐步開展了一些相關(guān)工作，包括系統(tǒng)總體設(shè)計和分析、蓄熱器、放熱器、系統(tǒng)集成和示范、政策和商業(yè)機制研究。 現(xiàn)在國內(nèi)有10家組織單位進行了深入的系統(tǒng)研究，主要為三大類：第一類是小型百千瓦以下的，有浙江大學、西安交通大學、山東大學、清華大學、北京理工大學和大唐電力等;第二類主要做技術(shù)經(jīng)濟性分析，包括中科院工程熱物理所、華北電力大學、重慶大學和西安交通大學等;第三類主要研究壓氣機，研究小型壓縮空氣儲能的有浙大工程物理所，漩渦式的有山東大學，向心式的是工程熱物理所。另外，中科院武漢研究所在儲熱方面做了深入工作，哈爾濱工業(yè)大學在儲氣裝置方面也有一定研究。 集成示范方面，我國從十千瓦到百千瓦級的都有研究。浙江大學在上世紀90年代做過10千瓦左右的壓縮空氣動力汽車的研究，山東大學依靠渦旋式的發(fā)動機做了研究，并得到了863項目前沿支持項目的支持。2014年，清華大學做了500千瓦的裝置，實現(xiàn)了超過百千瓦的裝置。大唐電力的主要進展在系統(tǒng)設(shè)計上，2013年開始在國家863項目支持下做了相關(guān)項目，目前已經(jīng)做到了200兆瓦的系統(tǒng)。 中科院熱物理所兆瓦級技術(shù)進展 中科院熱物理所的壓縮空氣儲能裝置從千瓦級一直做到1.5兆瓦。 壓縮空氣儲能的系統(tǒng)過程相對比較復雜，包括系統(tǒng)的壓縮、膨脹、蓄冷、蓄熱、截流、相變等工作。這其中也有幾個關(guān)鍵點：首先，不是每個過程的效率高整個系統(tǒng)就高，因此需要研究壓縮空氣儲能過程和系統(tǒng)集成;第二，壓縮空氣儲能的配件，壓縮機和膨脹機對整個系統(tǒng)具有十分重要的作用，因此需要揭示其內(nèi)部的流動、傳熱耦合和蓄熱方法;第三是蓄冷和傳熱特性，針對壓縮空氣儲能的特點，我們提出四個壓縮空氣儲能熱學分析方法和優(yōu)化算法，并在此基礎(chǔ)上算出設(shè)計方法，并進行了集成的驗證實驗。 在膨脹機流動特性和設(shè)計方面，我們需要了解其內(nèi)部的二次流動、漩渦和發(fā)展規(guī)律，還要了解壓縮機的機理。在設(shè)計方面，要建立新型壓縮空氣儲能的設(shè)計方法，并進行系統(tǒng)部件的試驗和驗證。 我們曾經(jīng)提出，壓縮空氣儲能機理的損失和換熱損失機理，在儲熱階段要完成儲熱特性的機理，提出了蓄熱流動損失。在關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)和技術(shù)研究基礎(chǔ)上，我們建立了比較完善的設(shè)計研發(fā)體系，包括設(shè)計軟件、研發(fā)平臺，涵蓋了壓縮空氣儲能關(guān)鍵技術(shù)的方方面面。 在集成試驗方面，我們完成了15千瓦壓縮空氣儲能系統(tǒng)實驗臺。從2012年開始，我們運作了壓縮空氣組1.5兆瓦示范裝置，運行超過了1000個小時，系統(tǒng)效率達到了52%。 中科院熱物理所做的10兆瓦壓縮空氣儲能系統(tǒng)，目前已經(jīng)進入部件測試階段，同時我們也在繼續(xù)進行技術(shù)研發(fā)，拓展相關(guān)的示范應用。 分布式供冷應用案例分享 分布式供冷應用項目可以降低污染物排放，實現(xiàn)節(jié)能減排。這種系統(tǒng)通過燃燒燃料，運用高溫發(fā)電，中溫制冷，低溫供熱。系統(tǒng)的挑戰(zhàn)性在于負荷波動大，系統(tǒng)故障率高，迫切需要與儲能技術(shù)相結(jié)合。 在我們最近設(shè)計的1.5兆瓦壓縮空氣儲能耦合裝置中，左邊是燃氣輪機裝置，右邊是余熱回收和制冷。工作方式是運用壓氣機進行充電，在放電的時候，通過輸電來壓縮空氣。這種燃機可以分布式運行，比如可以在樓宇項目中推廣。 在廣東的一個樓宇系統(tǒng)中，最高電負荷達到了1725千瓦，我們通過配備壓縮空氣儲能，實現(xiàn)了削峰填谷。燃氣裝機達到1252千瓦時，系統(tǒng)效率從23.1%提高到了26.5%，綜合效率也從18.9%提高到了29.4%。系統(tǒng)效率的提高，也讓總裝機大幅度下降，減少了成本上的投入。 目前我們在1.5兆瓦壓縮空氣儲能系統(tǒng)中，效率是50%-55%，我們希望在10兆瓦時，效率達到60%-65%，單位造價降至8000元人民幣，這是我們的發(fā)展目標和對未來的預測。感謝大家!