中科院工程熱物理研究所副所長陳海生：壓縮空氣儲能技術進展
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4月2-4日，“儲能國際峰會暨展覽會2018（ESIE 2018）”在北京國家會議中心舉行。中科院工程熱物理研究所副所長陳海生在主題論壇上做演講。以下是演講內(nèi)容：
中科院工程熱物理研究所副所長 陳海生：
我主要匯報以下壓縮空氣儲能方面的研究進展，主要匯報四個方面的內(nèi)容，首先是背景。我們知道剛才同樣一個片子已經(jīng)給大家匯報儲能具有戰(zhàn)略需求，已經(jīng)影響到我們生活的方方面面，儲能無處不在，壓縮空氣儲能在所有的儲能技術當中是一個儲能主要的發(fā)展方向，傳統(tǒng)壓縮空氣儲能在用電低谷的時候壓縮空氣，空氣通過壓縮器壓縮，在用電高峰的時候高壓空氣釋放，同燃料燃燒后法典，規(guī)模大，單位成本低，壽命長，儲能周期不受限制，傳統(tǒng)的壓縮空氣儲能存在三個缺點，一個依賴于大型的儲機洞穴，特別不適合中國這種缺油少氣的國家。第二個由于系統(tǒng)沒有優(yōu)化，系統(tǒng)效率比較低，特別高效率的和平電池性能比較低，我們總體的發(fā)展方向，所謂的先進的壓縮空氣儲能，就是要解決這三個問題，一個在采用高效的壓縮、膨脹、儲冷儲熱等等。利用高壓存儲替代儲機洞穴。
但是，在過程當中，我們也發(fā)現(xiàn)了壓縮空氣儲能有很多的科學問題，解決這個問題，首先它的過程比較復雜，第二個它的壓縮機膨脹機內(nèi)部流動非常復雜，要研究它的內(nèi)部流動和損失機理。第三個儲冷儲熱和換熱比較復雜，研究他的流動、傳熱和儲熱的特性和機理。我們在過去將近15年，16年的時間一直致力于這方面的研究。首先系統(tǒng)，我們可以看到，它的系統(tǒng)非常復雜，傳統(tǒng)的壓縮空氣儲能系統(tǒng)并不形成封閉的系統(tǒng)的熱力循環(huán)，因此和傳統(tǒng)的系統(tǒng)不一樣。第二，它是一個多個壓縮膨脹，儲冷儲熱，整個系統(tǒng)非線性耦合。第三個非穩(wěn)態(tài)的運行，因此迫切需要解決它的問題。主要我們總體的思路，首先是建立針對壓縮空氣儲能的熱力學的分析方法，在此基礎上研究他的能量傳遞和耦合機理，再研究它的動態(tài)的特性按，還有額定狀態(tài)和非額定狀態(tài)電工況運行策略。
首先我們研發(fā)了一種方法，主要針對儲熱，儲冷，建立新方法，通過它詳細的研究了壓縮空氣儲能系統(tǒng)的過程，并得到損失的機理，它的壓縮黑線的過程當中如果越接近，說明系統(tǒng)效率越高。在此基礎上我們得到了它的系統(tǒng)損失效率的關系式，并做出了涌流圖，以此為基礎進行了優(yōu)化，這是我們優(yōu)化前后紅線和黑線的距離大幅度的接近，使系統(tǒng)效率可以提高9.2個百分點，我們開展了動態(tài)壓縮空氣儲能，他運行工況主要考慮他的容腔效應，我們研究了壓縮、存儲，能量輸出、輸入，整個過程的損失機理，并以此為基礎進一步優(yōu)化壓縮空氣儲能的系統(tǒng)。第二個壓縮空氣儲能，壓縮機和膨脹機內(nèi)部壓力非常高，比傳統(tǒng)的高壓，牽扯到多級變工況，和流動和耦合，這是壓縮空氣儲能的工作范圍，可以看到它的工作范圍不同，帶來了高壓，多級等等方面的挑戰(zhàn)。我們總體思路先研究單級的壓縮空氣儲能系統(tǒng)內(nèi)部的流動，第二個研究單級壓縮空氣儲能系統(tǒng)，最后多級，循序漸進，一步一步的開展研究，首先研究壓縮機膨脹機，從低復合到中等復合一直到高復合整個內(nèi)部的流動，漩渦結(jié)構(gòu)，損失機理，或者通道漩渦，間隙渦，或者流動的機理，在此基礎上得到他損失的機理，在此基礎上研究單級動頁和靜頁之間的相互作用，或者他的損失的特性，并研究不同的額定工況和大流量小流量的情況下內(nèi)部流動和損失機理，為我們進一步優(yōu)化他的變工況性提供了基礎。有研究了多級的壓縮機，膨脹機以及換熱器，利用多孔介質(zhì)研究他的換熱器，研究流動和換熱之間相互的影響和多級匹配，為我們下一步提高效率和改進能夠提供基礎。
在機理研究的基礎上，將機理研究基礎融入整個設計當中，獲得他的設計和結(jié)果。第三個科學問題，流動和傳熱和儲熱的特性，壓縮空氣儲能牽扯到一個壓力很高，高壓，低溫，甚至超臨界的狀態(tài)，流動特性變化非常大，系統(tǒng)研究難度很大。另外流動和傳熱相互耦合。還有長期工作在非穩(wěn)定的狀態(tài)對我們的研究提出很高的要求，我們的總體思路研究蓄熱和傳導介質(zhì)本身的特性，超臨界特性，高壓特性，低壓特性，第二研究傳熱介質(zhì)和徐蓄熱介質(zhì)內(nèi)在機理，在此基礎上研究宏觀的動態(tài)特性。
首先我們研究了自由流動情況下，從空氣流過它的蓄熱介質(zhì)，獲得它的不同流向，不同壓力的情況下，我們發(fā)現(xiàn)高壓的情況下原來的強制對流有可能變成混合對流，但是壓力對它的影響非常大。
我們又研究了相互的作用，測量了表面和內(nèi)部的流動還有溫度的特性，得出了換熱系數(shù)的特征關系式，并用于指導我們的設計，研究了系統(tǒng)。為我們下一步進一步的優(yōu)化提供了基礎和指導。
在此基礎上，我們在基礎研究的基礎上，基礎研究的成果納入整個設計體系，設計軟件、實驗、測量以及部件的性能實實驗的基礎上，體系里面，建成了壓縮空氣儲能的關鍵技術的研發(fā)平臺和設計體系。我們在此基礎上進行了系統(tǒng)的集成和示范，主要是在2013年我們完成了1.5兆瓦壓縮空氣儲能系統(tǒng)的示范，系統(tǒng)效率達到51%，這個已經(jīng)完成了4000多個小時，各種各樣的實驗，這是我們的情況，這是在廊坊的情況。還有我們在2016年完成了首個10兆瓦的示范，這個是在貴州，我們的壓縮機，這是膨脹機的情況，這是系統(tǒng)的廠房，系統(tǒng)效率達到60%左右，已經(jīng)完成了一千個小時，這個也得到了中科院以及企業(yè)的支持，目前正在開展這方面的工作。
主要是把壓縮空氣儲能，把系統(tǒng)的規(guī)模進一步做大，成本降低30%，效率提高10%。壓縮空氣儲能目前的情況，效率可以做到50%，一兆瓦的情況可以做到50到55，10兆瓦可以做到60左右，百趙兆瓦我們希望能夠做到65%到70%。最后感謝科技部，牛頓基金等等對我們項目的支持。謝謝大家！
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