国内外压缩空气储能最新研究进展
中科院工程热物理研究所提出压缩空气储能系统热功协调率概念研究
技术领域：压缩空气储能系统分析
开发单位：中科院工程热物理研究所 陈海生
文章名称：Huan Guo, Haisheng Chen, et al. Thermal-mechanical coefficient analysis of adiabatic compressor and expander in compressed air energy storage systems. Energy, 2022.
技术突破：基于蓄热式CAES系统中压缩膨胀过程中温度与压力的耦合关系，提出了热功协调率的新概念，可用于更好地理解和分析CAES系统压缩膨胀过程。
应用价值：有望将热功协调率概念用于其他能源系统。
压缩空气储能（CAES）技术在可再生能源的大规模利用、电力系统的削峰填谷、分布式能源系统的开发等方面发挥着重要作用。在传统CAES系统热力学分析中，通常选择温度和压力作为自变量，通过计算系统的总效率、各部件的能量/㶲损失或熵产对系统进行评价和优化，并未考虑温度和压力的协调关系，而对每个部件进行独立分析。另外，尽管先进㶲分析方法可以探讨其他部件与局部部件㶲损失之间的相互关系，但对压缩膨胀关键过程耦合关系的机理尚不清楚。基于此，中国科学院工程热物理研究所的学者创新性地提出了CAES系统压缩膨胀过程的热功协调率（C）概念，该参数可用于更好地理解和分析CAES系统压缩膨胀过程，并提出了热功协调率-压力函数(C-P)图。单级CAES系统的C-P图表明膨胀机的C值比压缩机的C值高，但压力函数变化较小（主导因素），总体导致膨胀机的输出功较小。此外，C值的变化通常伴随着热功转换或制热/制冷过程，多级CAES系统C-P图可以清楚地显示换热器的热压损失和膨胀机级数的减少对热功转化过程的影响。同时，提高膨胀机进口温度有利于提高C值，特别是在进口压力较高、出口压力较低的情况下。（编译：李扬 张新敬 INESA）
图1 压缩机膨胀机级数相同下的压缩膨胀过程C-P图
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西班牙研究人员开展压缩空气储能系统中不同工况下的地下储气室热力学数值研究
技术领域：压缩空气储能系统地下储气室的数值研究。
开发单位：西班牙Sadim Engineering，Javier Menéndez.
文章名称：Javier Menéndez, et al. Numerical investigation of underground reservoirs in compressed air energy storage systems considering different operating conditions: Influence of thermodynamic performance on the energy balance and round-trip efficiency. Journal of Energy Storage, 2022.
技术突破：采用三维CFD数值模型研究了6-10MPa工作压力下压缩空气储能系统地下储层的热力学特性，结果表明空气流量对系统性能影响显著，当空气流量从150 kg s−1降低到50 kg s−1时，膨胀过程中发电量增加了4.60%。
应用价值：研究中得到的充放电时间可以用来估计功耗和发电量以及系统往返效率。
能源转型需要匹配大规模的储能系统以促进可再生能源在电网中的并网，而利用废弃矿井的地下空间可以在不对环境产生影响的前提下提高储能容量。内衬采矿巷道可以在高压下将压缩空气储存起来，然而在废弃的矿山或隧道中还没有商业化的压缩空气储能（CAES）电站。在CAES系统运行期间，地下储层内部会产生温度和压力的变化。因此，为了保证CAES系统地下储层的稳定性和优化能量平衡，地下储层的热力学响应对于系统合理设计至关重要。来自西放牙的研究人员选择了容积为400m3的某废弃矿山U形巷道作为CAES系统地下储气室。在储气室周围采用15cm厚的混凝土衬砌和5m厚的岩体。通过三维CFD数值模型研究了6-10MPa工作压力下CAES系统地下储层的热力学特性。结果表明：在空气流量为25-100 kg s−1的压缩过程中，随着空气流量的增加，地下库内空气温度逐渐升高；在25 kg s−1和100 kg s−1下，空气温度分别达到322和335K。压缩过程空气流量为100
kg s−1
时，内衬采空巷顶板混凝土衬砌温度达到340K。然而，在A-CAES系统运行过程中，没有观测到岩体的温度变化。随着地下室内空气流量和温度的降低，地下室的库容增大。当空气温度变化减小时，发电效率和系统往返效率也有所提高。当空气流量从150 kg s−1降低到50 kg s−1时，膨胀过程中发电量增加了4.60%。压缩和膨胀过程中空气流量分别为25和50 kg s−1的CAES系统的往返效率达到0.71。当空气流量增加到100-150 kg s−1时，整体效率降低到0.68。最后结论为：使用较小的空气流量、喷射空气温度和较高的导热混凝土衬砌可以提高CAES系统的整体效率和发电量。（编译：李扬 张新敬 INESA）
图2 采用15cm厚钢筋混凝土衬砌的地下水库横截面积
