壓縮空氣儲能技術作為最具發(fā)展?jié)摿Φ拇笠?guī)模電力儲能技術，可實現(xiàn)可再生能源的平滑波動、跟蹤調度輸出、調峰調頻等關鍵技術難題，使可再生能源發(fā)電實現(xiàn)穩(wěn)定可控輸出，滿足其接入并網的要求，從而為可再生能源的大規(guī)模利用提供了解決方案。
中國科學院工程熱物理研究所儲能研發(fā)中心主任陳海生告訴記者，該所于2009年在國際上首次提出了超臨界壓縮空氣儲能系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有儲能高效、密度高、環(huán)保等優(yōu)點，系統(tǒng)同時解決了傳統(tǒng)壓縮空氣儲能系統(tǒng)對大型儲氣室和化石燃料的依賴，具有顯著的先進性和創(chuàng)新性。
▲陳海生（左一）與研發(fā)人員交流工作。
早在2013年，工程熱物理研究所儲能研發(fā)中心便完成了對1.5兆瓦級超臨界壓縮空氣儲能系統(tǒng)的示范工作，此系統(tǒng)性能指標高于國際同等規(guī)模壓縮空氣儲能系統(tǒng)。目前，該所正在著力開展對10兆瓦級超臨界壓縮空氣儲能系統(tǒng)的研發(fā)與示范工作，并已完成了系統(tǒng)主要部件的研發(fā)工作，目前正在進行系統(tǒng)的集成，預計將在2016年完成全部的示范任務。
▲超臨界壓縮空氣儲能系統(tǒng)
現(xiàn)有產品均無法滿足需求
據(jù)了解，10兆瓦超臨界壓縮空氣儲能系統(tǒng)包括寬負荷壓縮機、高負荷透平膨脹機、緊湊式蓄冷（熱）/換熱器三大核心部件。
10兆瓦超臨界壓縮空氣儲能系統(tǒng)中的透平膨脹機具有大流量、大功率、大膨脹比、高負荷等特點。而目前應用于渦輪增壓器、小型燃氣輪機和微型渦輪發(fā)動機的向心透平膨脹機，其流量小且功率也?。粦糜诤娇瞻l(fā)動機和燃氣輪機中的軸流透平膨脹機，級膨脹比小、入口壓力低。因此，現(xiàn)有的工業(yè)應用透平膨脹機均無法滿足超臨界壓縮空氣儲能系統(tǒng)的特殊技術要求。
“高負荷透平膨脹機作為10兆瓦超臨界壓縮空氣儲能系統(tǒng)的核心部件之一，系統(tǒng)對其性能參數(shù)有特殊要求。目前市場上還沒有滿足此類系統(tǒng)要求的現(xiàn)成產品，需要儲能團隊重新進行設計和研發(fā)，但由于特殊的技術要求，研發(fā)難度很大。”陳海生介紹說。
掌握核心設計技術
依托中國科學院工程熱物理研究所所長基金重點項目“10兆瓦級先進壓縮空氣膨脹機的研究與實驗”，儲能研發(fā)中心團隊對10兆瓦級超臨界壓縮空氣儲能系統(tǒng)釋能過程關鍵核心部件——超臨界空氣膨脹機開展了相關研究與試驗工作。該項目總體目標是全面掌握10兆瓦級超臨界空氣膨脹機的研發(fā)設計方法與技術，并完成部件和系統(tǒng)的集成驗證實驗。
為解決上述一系列難題，團隊于2012年底率先開展了高負荷透平膨脹機的整體研制工作。該膨脹機要求具有體積流量跨度大、膨脹比大等特點，同時科研人員根據(jù)速比和體積流量計算分析，該膨脹機需采用向心透平加軸流透平的組合式結構型式。
“這對現(xiàn)有的設計和分析方法是一個嚴峻的挑戰(zhàn)，需要在研制過程中對現(xiàn)有一維、準三維設計和全三維流場分析程序進行進一步的完善和發(fā)展?！标惡ＩM一步介紹，“首先我們采用具有完全自主知識產權的設計程序進行正反問題氣動設計分析，然后在完成氣動設計基礎上進行強度校核和轉子動力學分析，并根據(jù)結構設計需要及國內現(xiàn)有加工水平進行反復校核和優(yōu)化，最終完成了高效、緊湊、高負荷透平膨脹機的整機設計，從而完全掌握了超臨界壓縮空氣儲能系統(tǒng)關鍵部件的核心設計技術，形成了一整套完善的適用于高負荷透平膨脹機的研發(fā)設計體系?！?/p>
如今10兆瓦級超臨界空氣膨脹機機械變速與控制系統(tǒng)已圓滿完成了廠內試車，各項指標均已達到設計要求，試驗值與設計計算值吻合良好。
可實現(xiàn)效益倍增
超臨界壓縮空氣儲能技術不僅可實現(xiàn)分布式能源系統(tǒng)和智能電網的負荷平衡，提高可靠性與穩(wěn)定性，還可以大幅提高火電機組實際運行效率，增強電網的輸電能力，有效提高燃煤機組的總負荷系統(tǒng)及電網利用系統(tǒng)，也可作為工業(yè)節(jié)能、應急電源的關鍵支撐技術。
據(jù)陳海生介紹，超臨界壓縮空氣儲能系統(tǒng)的應用將為國家?guī)砭薮笊鐣б?、經濟效益和環(huán)境效益。利用超臨界壓縮空氣儲能技術可有效減小我國棄風光率，提高我國傳統(tǒng)電力系統(tǒng)和分布式能源系統(tǒng)的效率，實現(xiàn)節(jié)能減排，同時可增加就業(yè)機會。
陳海生指出，以可再生能源發(fā)電為例，到2020年，風電和太陽能并網裝機分別達到2億兆瓦和5000萬兆瓦，但我國棄風光嚴重，如果利用該壓縮空氣儲能技術會將棄風光率減少至零，這將使我國每年節(jié)約標準煤7000萬噸，減少二氧化碳排放2.5億噸。
此外，超臨界壓縮空氣儲能系統(tǒng)的生產與應用還將為企業(yè)帶來巨大的經濟效益。以10兆瓦/80兆瓦時的壓縮空氣儲能電站為例，產業(yè)化后的單位造價為1500元/千瓦時，發(fā)電銷售利潤總額可達3.32億元/年，投資回收期為6至7年。