▲陈海生（左一）与研发人员交流工作。

▲超临界压缩空气储能系统

■本报见习记者 马卓敏

压缩空气储能技术作为最具发展潜力的大规模电力储能技术，可实现可再生能源的平滑波动、跟踪调度输出、调峰调频等关键技术难题，使可再生能源发电实现稳定可控输出，满足其接入并网的要求，从而为可再生能源的大规模利用提供了解决方案。

中国科学院工程热物理研究所储能研发中心主任陈海生告诉《中国科学报》记者，该所于2009年在国际上首次提出了超临界压缩空气储能系统。该系统具有储能高效、密度高、环保等优点，系统同时解决了传统压缩空气储能系统对大型储气室和化石燃料的依赖，具有显著的先进性和创新性。

早在2013年，工程热物理研究所储能研发中心便完成了对1.5兆瓦级超临界压缩空气储能系统的示范工作，此系统性能指标高于国际同等规模压缩空气储能系统。目前，该所正在着力开展对10兆瓦级超临界压缩空气储能系统的研发与示范工作，并已完成了系统主要部件的研发工作，目前正在进行系统的集成，预计将在2016年完成全部的示范任务。

现有产品均无法满足需求

据了解，10兆瓦超临界压缩空气储能系统包括宽负荷压缩机、高负荷透平膨胀机、紧凑式蓄冷（热）/换热器三大核心部件。

10兆瓦超临界压缩空气储能系统中的透平膨胀机具有大流量、大功率、大膨胀比、高负荷等特点。而目前应用于涡轮增压器、小型燃气轮机和微型涡轮发动机的向心透平膨胀机，其流量小且功率也小；应用于航空发动机和燃气轮机中的轴流透平膨胀机，级膨胀比小、入口压力低。因此，现有的工业应用透平膨胀机均无法满足超临界压缩空气储能系统的特殊技术要求。

“高负荷透平膨胀机作为10兆瓦超临界压缩空气储能系统的核心部件之一，系统对其性能参数有特殊要求。目前市场上还没有满足此类系统要求的现成产品，需要储能团队重新进行设计和研发，但由于特殊的技术要求，研发难度很大。”陈海生介绍说。

掌握核心设计技术

依托中国科学院工程热物理研究所所长基金重点项目“10兆瓦级先进压缩空气膨胀机的研究与实验”，储能研发中心团队对10兆瓦级超临界压缩空气储能系统释能过程关键核心部件——超临界空气膨胀机开展了相关研究与试验工作。该项目总体目标是全面掌握10兆瓦级超临界空气膨胀机的研发设计方法与技术，并完成部件和系统的集成验证实验。

为解决上述一系列难题，团队于2012年底率先开展了高负荷透平膨胀机的整体研制工作。该膨胀机要求具有体积流量跨度大、膨胀比大等特点，同时科研人员根据速比和体积流量计算分析，该膨胀机需采用向心透平加轴流透平的组合式结构型式。

“这对现有的设计和分析方法是一个严峻的挑战，需要在研制过程中对现有一维、准三维设计和全三维流场分析程序进行进一步的完善和发展。”陈海生进一步介绍，“首先我们采用具有完全自主知识产权的设计程序进行正反问题气动设计分析，然后在完成气动设计基础上进行强度校核和转子动力学分析，并根据结构设计需要及国内现有加工水平进行反复校核和优化，最终完成了高效、紧凑、高负荷透平膨胀机的整机设计，从而完全掌握了超临界压缩空气储能系统关键部件的核心设计技术，形成了一整套完善的适用于高负荷透平膨胀机的研发设计体系。”

如今10兆瓦级超临界空气膨胀机机械变速与控制系统已圆满完成了厂内试车，各项指标均已达到设计要求，试验值与设计计算值吻合良好。

可实现效益倍增

超临界压缩空气储能技术不仅可实现分布式能源系统和智能电网的负荷平衡，提高可靠性与稳定性，还可以大幅提高火电机组实际运行效率，增强电网的输电能力，有效提高燃煤机组的总负荷系统及电网利用系统，也可作为工业节能、应急电源的关键支撑技术。

据陈海生介绍，超临界压缩空气储能系统的应用将为国家带来巨大社会效益、经济效益和环境效益。利用超临界压缩空气储能技术可有效减小我国弃风光率，提高我国传统电力系统和分布式能源系统的效率，实现节能减排，同时可增加就业机会。

陈海生指出，以可再生能源发电为例，到2020年，风电和太阳能并网装机分别达到2亿兆瓦和5000万兆瓦，但我国弃风光严重，如果利用该压缩空气储能技术会将弃风光率减少至零，这将使我国每年节约标准煤7000万吨，减少二氧化碳排放2.5亿吨。

此外，超临界压缩空气储能系统的生产与应用还将为企业带来巨大的经济效益。以10兆瓦/80兆瓦时的压缩空气储能电站为例，产业化后的单位造价为1500元/千瓦时，发电销售利润总额可达3.32亿元/年，投资回收期为6至7年。