何 青，王 珂

（華北電力大學(xué)能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院，北京 102206）

“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)的提出，使得能源的綠色、低碳發(fā)展成為主流。當(dāng)前，能源行業(yè)碳排放量占我國(guó)全部碳排放量的80%以上，而煤炭在一次能源消費(fèi)中占比高達(dá)57%，因此，能源行業(yè)的低碳轉(zhuǎn)型成為實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的關(guān)鍵[1]。在此背景下，以新能源為主體的電力系統(tǒng)將得到迅猛發(fā)展。面對(duì)大規(guī)模新能源并網(wǎng)可能帶來的電網(wǎng)運(yùn)行穩(wěn)定性問題，儲(chǔ)能系統(tǒng)具有調(diào)節(jié)速率快，容量配置靈活等特點(diǎn)，能夠提高電能質(zhì)量，促進(jìn)能源轉(zhuǎn)型，提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性[2]。

目前，儲(chǔ)能技術(shù)種類較多[3-4]，從儲(chǔ)能系統(tǒng)的輸出功率、效率、壽命、運(yùn)行成本、存儲(chǔ)周期等方面綜合考慮，壓縮空氣儲(chǔ)能（compressed air energy storage, CAES）是適用于大規(guī)模系統(tǒng)運(yùn)行的儲(chǔ)能技術(shù)之一，可用于電力系統(tǒng)調(diào)頻調(diào)峰、能量管理、備用等領(lǐng)域[5-6]。根據(jù)空氣在壓縮過程中的熱量管理方式，可將壓縮空氣儲(chǔ)能分為非絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能、絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能與等溫壓縮空氣儲(chǔ)能[7-8]。目前，壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)正朝著高效率、零碳排的方向發(fā)展[9-10]。與其他2種壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)相比，等溫壓縮空氣儲(chǔ)能（isothermal CAES, I-CAES）系統(tǒng)不依賴化石燃料、壓縮耗功少、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、效率較高，在未來具有很好的發(fā)展前景，然而難點(diǎn)在于如何增強(qiáng)氣液兩相的換熱，使壓縮與膨脹過程盡可能接近等溫。截至目前，使用常規(guī)機(jī)械設(shè)備很難實(shí)現(xiàn)氣體的等溫壓縮和膨脹，大多I-CAES概念都是基于液體活塞技術(shù)，通過相對(duì)較慢的壓縮或膨脹過程，為熱交換留出足夠的時(shí)間[11-12]。

美國(guó)的SustainX、Lightsail Energy等公司在等溫壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)領(lǐng)域有很多突出成果，通過利用液體活塞、液體噴霧、水泡沫等方式增大氣液的接觸面積與接觸時(shí)間，從而提高氣液間的換熱效果，減少熱損失[13-14]。在等溫壓縮空氣儲(chǔ)能應(yīng)用領(lǐng)域，Berrada等人將等溫壓縮空氣儲(chǔ)能與重力儲(chǔ)能進(jìn)行耦合，并對(duì)耦合后的系統(tǒng)性能進(jìn)行了評(píng)估[15]，而Buhagiar等人[16]以及Augwind公司[17]分別對(duì)等溫壓縮空氣儲(chǔ)能與可再生能源耦合后的系統(tǒng)進(jìn)行了相應(yīng)的研究。

我國(guó)對(duì)于等溫壓縮空氣儲(chǔ)能的研究集中于提高氣液換熱性能以及系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性方面。在提高氣液換熱性能方面，對(duì)液體噴霧及多孔介質(zhì)等技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)的研究[18-20]。在提高系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性方面，Yao等人提出了一種利用壓縮機(jī)與節(jié)流閥的穩(wěn)壓措施[21]，傅昊通過在系統(tǒng)中增加虛擬抽蓄子系統(tǒng)以維持壓力的恒定[22]，李丞宸等提出了一種利用高溫高壓蒸汽保證系統(tǒng)放電穩(wěn)定性的改進(jìn)方法[23]。

為推動(dòng)等溫壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)的大規(guī)模應(yīng)用，本文首先介紹了等溫壓縮空氣儲(chǔ)能的原理及控溫技術(shù)，之后整理了現(xiàn)有的等溫壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)，并對(duì)抽水壓縮空氣儲(chǔ)能（pumped hydro combined with compressed air energy storage，PHCA）系統(tǒng)及地面綜合儲(chǔ)能（ground-level integrated diverse energy storage，GLIDES）系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)分析，得到了不同改進(jìn)方案對(duì)系統(tǒng)性能的影響，最后提出了目前等溫壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)尚待研究的關(guān)鍵技術(shù)以及尚未解決的問題。

1 等溫壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)原理

等溫壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)是通過采取特定控溫手段，使空氣在壓縮及膨脹過程中溫度保持在一定范圍內(nèi)的儲(chǔ)能技術(shù)。由于空氣在壓縮（膨脹）過程中涉及大量熱量的產(chǎn)生（吸收）及傳遞，因而壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)的傳熱行為在很大程度上能夠影響其性能。根據(jù)傳熱性能的好壞，可將壓縮空氣儲(chǔ)能的熱力循環(huán)分為等溫循環(huán)、絕熱循環(huán)以及多變循環(huán)。不同循環(huán)過程的壓縮與膨脹軌跡如圖1所示。

圖1 壓縮空氣儲(chǔ)能的熱力過程Fig.1 Thermodynamic process of compressed air energy storage

循環(huán)過程壓縮耗功量為[24]：

式中：Win為壓縮耗功量，J；pc為壓縮后的空氣壓力，Pa；p0為壓力容器內(nèi)空氣的初始?jí)毫?，Pa；V0為初始空氣體積，m3；Vc為壓縮后的空氣體積，m3。

循環(huán)過程膨脹做功量為

式中：Wout為膨脹做功量，J；pe、p0分別為膨脹前、后的空氣壓力，Pa；Vc為膨脹初始過程中的空氣體積，m3；Ve為膨脹后的空氣體積，m3。

由圖1a)可以看出，根據(jù)式(1)，曲線AB、AC、AD與壓力p軸圍成的面積代表了不同壓縮過程將空氣壓縮至規(guī)定狀態(tài)的耗功，其中，ABMN為等溫壓縮耗功，ACMN為多變壓縮耗功，ADMN為絕熱壓縮耗功。因此，絕熱壓縮耗功最多，等溫壓縮耗功最少，多變壓縮居中，與等溫壓縮越接近的多變壓縮耗功越少。

由圖1b)可以看出，根據(jù)式(2)，曲線OE、OF、OG與壓力p軸圍成的面積代表了不同膨脹過程中空氣膨脹至規(guī)定狀態(tài)能夠做的功，EOHI為等溫膨脹做功，F(xiàn)OHI為多變膨脹做功，GOHI為絕熱膨脹做功。其中，絕熱膨脹過程能夠提取的功最少，等溫膨脹過程能夠提取的功最多，多變膨脹過程居中，與等溫過程越接近的多變過程能夠提取的功越多。由此可見，在一個(gè)熱力學(xué)循環(huán)過程中，不同循環(huán)方式所造成的能量損失不同，如圖2所示。

圖2 不同熱力循環(huán)的p-V圖Fig.2 p-V diagram for different thermodynamic cycles

圖2中，MJ、RS分別代表絕熱壓縮與膨脹過程，MN、RK分別代表多變壓縮與膨脹過程，MR、RM分別代表等溫壓縮與膨脹過程。由式(1)與式(2)可知：MJRS、MNRK圍成的面積分別代表單個(gè)絕熱循環(huán)及多變循環(huán)造成的能量損失；等溫循環(huán)理論上不會(huì)產(chǎn)生能量損失，效率可達(dá)到100%；離等溫循環(huán)越近的多變循環(huán)，系統(tǒng)產(chǎn)生的能量損失越少，效率越高。但是，在實(shí)際熱力循環(huán)過程中，由于傳熱系數(shù)、傳熱面積等因素的影響，不可能完全實(shí)現(xiàn)等溫壓縮與膨脹過程，提高系統(tǒng)的傳熱性能，使壓縮與膨脹過程盡可能接近等溫過程是提高系統(tǒng)效率的關(guān)鍵。而等溫壓縮空氣儲(chǔ)能的控溫技術(shù)通過強(qiáng)化氣水間的換熱，可以大大降低空氣在運(yùn)行過程中的溫度變化，使等溫壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)在運(yùn)行過程中盡可能接近等溫。

2 等溫壓縮空氣儲(chǔ)能控溫技術(shù)

傳統(tǒng)壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)在壓縮過程中通常會(huì)導(dǎo)致氣體溫度大幅升高，這是由于壓縮時(shí)間一般很短，壓縮過程產(chǎn)生的熱量來不及散失，產(chǎn)生了一個(gè)近乎絕熱的過程，因此需要比等溫壓縮消耗更多的功。而當(dāng)氣體長(zhǎng)時(shí)間存儲(chǔ)在高壓儲(chǔ)氣罐中時(shí)，溫度降低，導(dǎo)致系統(tǒng)總體壓縮效率降低，尤其是在高壓比情況下，提高氣體與水和外界的傳熱性能，使實(shí)際過程接近等溫是提高CAES循環(huán)效率的關(guān)鍵之一。本文介紹4種等溫壓縮空氣儲(chǔ)能的控溫技術(shù)，通過不同方式強(qiáng)化氣水間的換熱，以實(shí)現(xiàn)空氣的近等溫壓縮與膨脹。

2.1 液體活塞技術(shù)

液體活塞（liquid piston, LP）技術(shù)是通過將液體泵入含有一定數(shù)量氣體的密閉壓力容器中以壓縮氣體的技術(shù)，只要液體被泵入壓力容器的速度對(duì)氣液界面沒有太大的影響，氣相和液相就會(huì)因密度的不同而自然分離，從而達(dá)到壓縮氣體的目的[25]。與傳統(tǒng)固體活塞相比，LP技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)是：可以避免氣體泄漏；用黏性摩擦取代滑動(dòng)密封摩擦，大大減少了由于摩擦導(dǎo)致的能量耗散；氣體在壓縮過程中產(chǎn)生的部分熱量能夠被液體吸收，且在膨脹過程中可以從液體中吸收熱量，從而減小了壓縮和膨脹過程中氣體溫度的變化，使壓縮和膨脹過程更接近等溫過程，保證更高的壓縮及膨脹效率[26]。

然而，在液體活塞中，氣液直接接觸會(huì)導(dǎo)致部分氣體溶解于液體中，從而造成部分壓力損失。氣體在液體中溶解度的規(guī)律可以通過亨利定律來解釋[27]：氣體的分壓與該氣體在溶液中的摩爾濃度近似成正比。隨著活塞內(nèi)部氣體壓力的增加，溶解于液體中的氣體質(zhì)量不斷增加，除此之外，活塞內(nèi)部氣體壓力變化較大，可能會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)運(yùn)行不穩(wěn)定。

圖3為一種基于LP的等溫壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)示意[28]。在壓縮過程中，電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)水泵將水逐漸送至壓力容器，隨著壓力容器中水位的升高，空氣逐漸被壓縮，電能轉(zhuǎn)化為壓縮空氣的勢(shì)能進(jìn)行存儲(chǔ)?？諝庠趬嚎s過程中產(chǎn)生的熱量可以被水和外界吸收，大大減小了壓縮過程中空氣的溫升，使壓縮過程趨于等溫壓縮，減小了壓縮功的消耗。在膨脹過程中，壓力容器內(nèi)的高壓空氣逐漸膨脹，推動(dòng)壓力容器內(nèi)的水進(jìn)入水輪機(jī)做功并帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，將壓縮空氣的勢(shì)能轉(zhuǎn)化為電能。同時(shí)，空氣在膨脹過程中可以吸收水和外界的熱量以減緩溫度降低的幅度，使膨脹過程接近等溫膨脹[29-30]。

圖3 基于液體活塞的等溫壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)示意Fig.3 Schematic diagram of an isothermal compressed air energy storage system based on liquid piston

2.2 液體噴霧技術(shù)

液體噴霧技術(shù)是將部分液體轉(zhuǎn)換為小液滴后進(jìn)入壓力容器中與氣體進(jìn)行換熱的技術(shù)，大量的小液滴可以大大提高氣液的總換熱表面積，從而達(dá)到減緩氣體溫度變化的目的，其原理如圖4所示。

圖4 液體噴霧技術(shù)原理Fig.4 Principle of liquid spray technology

在運(yùn)行過程中，啟動(dòng)循環(huán)水泵將壓力容器內(nèi)的部分液體送入噴霧發(fā)生器中，液體在轉(zhuǎn)化為小液滴后再次進(jìn)入壓力容器與氣體進(jìn)行換熱。許未晴等[18]分析了使用液體噴霧技術(shù)對(duì)系統(tǒng)壓縮過程的影響，結(jié)果表明，體積為0.94 L的壓力容器在壓比為2情況下，采用液體噴霧技術(shù)后，壓縮耗功從177.9 J降為121.2 J，壓縮效率由61.6%提高至88.7%，而產(chǎn)生液滴消耗的功僅占?jí)嚎s功的2%左右。因此，使用液體噴霧技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)壓縮效率的提高。

在使用液體噴霧技術(shù)時(shí)，液滴直徑與噴霧流量是影響系統(tǒng)傳熱能力的重要因素[19]。液滴直徑越小、噴霧流量越大，則液體與氣體的接觸面積越大，氣體在壓縮過程中的溫升幅度越小，壓縮耗功越少，壓縮效率越高[31-32]。雖然較小的液滴直徑、較大的噴霧流量會(huì)減小氣體的壓縮耗功，但會(huì)相應(yīng)增加循環(huán)水泵耗功，而當(dāng)循環(huán)水泵耗功大于氣體壓縮耗功減少量時(shí)，使用液體噴霧技術(shù)反而會(huì)增大壓縮過程總耗功[33-34]。因此，選擇合適的液滴直徑與噴霧流量，使壓縮過程的總耗功達(dá)到最小非常重要。

2.3 水泡沫技術(shù)

水泡沫技術(shù)是通過在活塞底部產(chǎn)生泡沫（含水添加劑），之后泡沫上升到氣液界面以增加氣液間傳熱面積，從而達(dá)到強(qiáng)化氣液間換熱的技術(shù)。Sustain公司率先提出在液體活塞中利用水泡沫技術(shù)代替液體噴霧技術(shù)，以提高等溫壓縮與膨脹的效果[35]。與液體噴霧技術(shù)相比，水泡沫技術(shù)的氣液接觸面積大、作用時(shí)間長(zhǎng)、產(chǎn)生泡沫的功耗少。Patil等人[36]對(duì)采用水泡沫技術(shù)的壓縮機(jī)性能進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，當(dāng)壓比為2.5時(shí)，使用水泡沫技術(shù)可使壓縮過程空氣溫度降低7～20 ℃，壓縮效率提高4%～8%。

雖然水泡沫技術(shù)能夠強(qiáng)化系統(tǒng)的換熱性能，然而，經(jīng)過幾次循環(huán)后，殘留泡沫的積累可能會(huì)改變系統(tǒng)內(nèi)部的傳熱特性和流動(dòng)動(dòng)力學(xué)特性，并可能導(dǎo)致系統(tǒng)某些部分的腐蝕。在未來，需要對(duì)該技術(shù)進(jìn)一步進(jìn)行研究，確定循環(huán)操作和泡沫幾何形狀變化對(duì)系統(tǒng)性能的影響。

2.4 多孔介質(zhì)技術(shù)

多孔介質(zhì)技術(shù)是通過將多孔介質(zhì)插件插入氣液中增大換熱面積，以強(qiáng)化系統(tǒng)換熱性能的技術(shù)。將多孔介質(zhì)技術(shù)應(yīng)用于液體活塞可以提高其壓縮及膨脹效率[20]。Zhang等人的研究表明：在壓縮狀態(tài)下，使用多孔介質(zhì)插件能夠使壓縮效率最高達(dá)到95%，提高了18%[37]；在膨脹狀態(tài)下，使用多孔介質(zhì)插件能夠使膨脹效率達(dá)到89%，提高了7%[38]。多孔介質(zhì)插件安裝時(shí)的覆蓋區(qū)域靈活，可以覆蓋整個(gè)壓縮/膨脹區(qū)域，也可以只覆蓋其中一部分。

多孔介質(zhì)插件的結(jié)構(gòu)及材料也會(huì)影響系統(tǒng)的換熱性能。Wieberdink等人[39]通過利用金屬平行板模擬多孔介質(zhì)插件，來評(píng)價(jià)其對(duì)液體活塞壓縮過程的影響。與未插入平板的液體活塞相比，加入5塊平板和9塊平板分別可以使空氣的最終溫度降低15 ℃和20 ℃，其中，在插入9塊平板之后，壓縮效率由86.91%提高到88.91%，提高了2%。

雖然使用多孔介質(zhì)插件能在一定程度上減緩空氣在壓縮（膨脹）過程的溫度變化，但使用多孔介質(zhì)插件后，由于活塞體積的一部分被多孔介質(zhì)占據(jù)，因此氣相空間相對(duì)變小，儲(chǔ)能能力相對(duì)降低。

2.5 4種控溫技術(shù)的比較

上述4種等溫壓縮空氣儲(chǔ)能的控溫技術(shù)能夠通過不同方式強(qiáng)化氣水間的換熱，從而減小運(yùn)行過程中氣體溫度變化，使壓縮和膨脹過程盡可能接近等溫，降低熱損失，其優(yōu)缺點(diǎn)匯總見表1。

表1 4種控溫技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)比較Tab.1 Analysis of the advantages and disadvantages of four kinds of temperature control technology

3 等溫壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)研究進(jìn)展

目前已有一些對(duì)等溫壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的研究（表2），盡管實(shí)現(xiàn)近等溫的方式有所不同，但都能在一定程度上降低壓縮及膨脹過程中溫度變化的幅度。

表2 現(xiàn)有等溫壓縮空氣儲(chǔ)能研究及技術(shù)特點(diǎn)Tab.2 Current researches and technical characteristics of isothermal compressed air energy storage

3.1 抽水壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)

2013年，王煥然等[40]提出了一種抽水壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)，如圖5a)所示。之后不斷對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，2014年提出了一種定壓PHCA系統(tǒng)[21]，如圖5b)所示，2021年又提出了一種新型蒸汽恒壓型PHCA系統(tǒng)，如圖5c)所示[23]。

圖5 PHCA系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.5 Structural diagram of PHCA system

傳統(tǒng)PHCA系統(tǒng)在儲(chǔ)能過程中，水泵將水送至壓力容器中，空氣壓力會(huì)隨著水量的增加而增大；在釋能過程中，壓力容器內(nèi)的高壓空氣膨脹，驅(qū)動(dòng)水進(jìn)入水輪機(jī)做功。

與常規(guī)PHCA系統(tǒng)相比，定壓PHCA系統(tǒng)增加了一個(gè)壓縮機(jī)與節(jié)流閥。在儲(chǔ)能過程中，壓縮機(jī)將壓力容器內(nèi)的壓縮空氣進(jìn)一步加壓后送入高壓儲(chǔ)氣罐中進(jìn)行存儲(chǔ)。在釋能過程中，高壓儲(chǔ)氣罐內(nèi)的空氣經(jīng)過節(jié)流閥節(jié)流后進(jìn)入壓力容器，以保證壓力容器內(nèi)空氣壓力的恒定。

與傳統(tǒng)PHCA相比，蒸汽恒壓PHCA系統(tǒng)增加了一個(gè)蒸汽發(fā)生器，在釋能過程中將利用工業(yè)廢熱產(chǎn)生的高溫高壓蒸汽送入壓力容器中，利用蒸汽凝結(jié)過程釋放的熱量，可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)膨脹過程的恒壓運(yùn)行。

傳統(tǒng)PHCA的提出能夠在一定程度上解決傳統(tǒng)壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)存在的問題，但其自身在運(yùn)行過程中會(huì)帶來一些新的問題。同樣，定壓PHCA與蒸汽恒壓PHCA可以解決傳統(tǒng)PHCA運(yùn)行過程中出現(xiàn)的一些問題，但這是以一些方面的妥協(xié)為前提的。這3種PHCA系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)及依舊存在的問題見表3。

表3 PHCA技術(shù)特點(diǎn)Tab.3 Technical characteristics of PHCA system

3.2 地面綜合儲(chǔ)能系統(tǒng)

Odukomaiya等人[41-42]提出了一種地面綜合儲(chǔ)能系統(tǒng)，如圖6所示。該系統(tǒng)利用水來壓縮空氣，通過強(qiáng)化水和空氣間的換熱提高系統(tǒng)的性能，共先后提出了以下4種方案。

方案1：采用液體活塞技術(shù)，并用水泵與水輪機(jī)代替壓縮機(jī)與膨脹機(jī)進(jìn)行空氣的壓縮與膨脹過程，如圖6a)所示。

方案2：在方案1的基礎(chǔ)上，通過控制水泵的啟停調(diào)節(jié)壓縮過程中空氣的溫度（當(dāng)壓力容器內(nèi)氣體溫度高于35 ℃時(shí)，將水泵停機(jī)，當(dāng)溫度降至27 ℃時(shí)，重新啟動(dòng)水泵壓縮空氣）。

方案3：在方案1的基礎(chǔ)上，采用液體噴霧技術(shù)，在壓縮和膨脹過程中啟動(dòng)循環(huán)水泵將部分水轉(zhuǎn)換成噴霧，增大空氣與水之間的傳熱，如圖6b)所示。

方案4：在方案3的基礎(chǔ)上，在循環(huán)水泵后添加一個(gè)熱交換器，在膨脹過程中將循環(huán)水加熱至90 ℃后再轉(zhuǎn)化為噴霧進(jìn)入壓力容器，防止膨脹過程中壓力容器內(nèi)空氣溫度大幅降低，如圖6c)所示。

圖6 GLIDES系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.6 Structural diagram of GLIDES system

考慮系統(tǒng)各參數(shù)隨時(shí)間變化的情況，對(duì)該系統(tǒng)初、終壓力分別為7、13 MPa的循環(huán)過程（壓縮—第1次暫?！蛎洝?次暫停）進(jìn)行熱力學(xué)分析及仿真計(jì)算，結(jié)果見表4。其中，系統(tǒng)熱效率的計(jì)算方法如下：

表4 GLIDES系統(tǒng)仿真結(jié)果[42]Tab.4 Simulation results of the GLIDES system[42]

式中：ηt為系統(tǒng)熱效率，%；Wt為系統(tǒng)能夠從壓力容器內(nèi)提取的能量，J；Et為輸入壓力容器的能量，J。

系統(tǒng)電效率的計(jì)算方法如下：

式中：ηe為系統(tǒng)電效率，%；We為發(fā)電機(jī)的發(fā)電量，J；Ee為電動(dòng)機(jī)電能消耗量，J。

由表4可以看出，方案1的熱效率、電效率及能量密度最低。方案4中隨著熱交換器出口溫度的提高，系統(tǒng)效率及能量密度呈上升趨勢(shì)，系統(tǒng)熱效率大于1的原因是該系統(tǒng)在膨脹過程中使用工業(yè)廢熱或光伏電站余熱加熱水，其熱量并不計(jì)入效率計(jì)算中。相較于初始GLIDES系統(tǒng)，優(yōu)化后的GLIDES系統(tǒng)在效率及能量密度上都有了一定的提升。

針對(duì)GLIDES系統(tǒng)，分別測(cè)試了不同初始?jí)毫皦罕葪l件下的系統(tǒng)性能，結(jié)果見表5。在實(shí)驗(yàn)工況1條件下系統(tǒng)電效率及各部分的損失分布見表6。

由表5可知：在初始?jí)毫ο嗤那闆r下，系統(tǒng)的壓比越大，熱效率越低，能量密度越高；系統(tǒng)在所有實(shí)驗(yàn)工況下的熱效率較高而電效率較低。由表6可知，系統(tǒng)能量損失大部分集中于水泵與水輪機(jī)，這是由于該系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行過程中壓力容器內(nèi)的空氣壓力變化較大，可能會(huì)使水泵與水輪機(jī)偏離額定狀態(tài)運(yùn)行，造成大量的能量損失。通過優(yōu)化和重新確定這些部件的額定工作范圍，可能會(huì)使該系統(tǒng)的電效率與能量密度進(jìn)一步提升。

表5 GLIDES系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果[45]Tab.5 Experimental results of the GLIDES system[45]

表6 GLIDES系統(tǒng)效率及各部分損失分布[45]Tab.6 Efficiency and loss distribution of the GLIDES system[45]

4 討 論

等溫壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、理論效率高、容易與可再生能源耦合等特點(diǎn)，然而在實(shí)際運(yùn)行過程中，可能會(huì)出現(xiàn)如下問題：

1）等溫壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)活塞內(nèi)部空氣壓力變化較大，可能會(huì)使水泵與水輪機(jī)超出額定工作范圍運(yùn)行，導(dǎo)致系統(tǒng)效率大幅降低且運(yùn)行不穩(wěn)定。

2）在壓縮過程中，隨著活塞內(nèi)部空氣壓力增大，溶于水中的空氣質(zhì)量不斷增加，導(dǎo)致部分工質(zhì)損失；在進(jìn)行多次循環(huán)之后，可能會(huì)使壓力容器內(nèi)的空氣質(zhì)量大幅減少。

3）等溫壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的壓縮與膨脹過程在壓力容器內(nèi)進(jìn)行，因此，需要壓力容器能夠承受較高的壓力，這可能會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)成本增加，經(jīng)濟(jì)性降低。

4）在初始?jí)毫σ欢〞r(shí)，隨著壓比的增大，系統(tǒng)能量密度增大而效率降低；在壓比一定時(shí)，隨著初始?jí)毫Φ脑龃螅到y(tǒng)能量密度增大而效率降低。因此，需要選擇合適的參數(shù)，使系統(tǒng)擁有較高效率的同時(shí)盡可能增加系統(tǒng)的能量密度。

5）在強(qiáng)化傳熱領(lǐng)域，使用液體噴霧技術(shù)時(shí)如何選擇合適的噴霧流量使壓縮功達(dá)到最小，使用多孔介質(zhì)技術(shù)時(shí)如何平衡系統(tǒng)效率與能量密度的關(guān)系，也是需要考慮的問題。

以上問題可通過下述思路解決：

1）針對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行過程中壓力不穩(wěn)定的問題，從技術(shù)方面而言，等溫壓縮空氣儲(chǔ)能大多基于液體活塞技術(shù)實(shí)現(xiàn)，而目前液體活塞以空氣為介質(zhì)，水為活塞液?？梢詫ふ乙环N在常溫高壓下容易液化的氣體為介質(zhì)，使其在壓縮過程中由氣態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)，在膨脹過程中由液態(tài)變?yōu)闅鈶B(tài)，根據(jù)氣體在液化過程中壓力維持不變的特性，大大降低運(yùn)行過程中的壓力變化幅度。從設(shè)備方面而言：一方面可以選擇額定工作范圍較廣的水泵與水輪機(jī)，通過對(duì)系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)與優(yōu)化，保證實(shí)際運(yùn)行過程中系統(tǒng)參數(shù)處于水泵與水輪機(jī)的額定范圍內(nèi)；另一方面，可將多臺(tái)額定水頭不同的水輪機(jī)并聯(lián)，在放電過程中根據(jù)系統(tǒng)所處狀態(tài)選擇不同的水輪機(jī)運(yùn)行。

2）針對(duì)空氣在運(yùn)行過程中溶于水的問題：一方面可以通過在循環(huán)一定次數(shù)后對(duì)壓力容器進(jìn)行補(bǔ)氣解決；另一方面，需要選擇合適的系統(tǒng)參數(shù)，在保證系統(tǒng)效率及能量密度的前提下，盡可能減小系統(tǒng)的壓比。

3）對(duì)于系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性問題，需要對(duì)其成本及收益進(jìn)行詳細(xì)計(jì)算，以確定系統(tǒng)的全壽命周期成本、投資回報(bào)年限等問題。

4）在參數(shù)選擇方面，需要分析各參數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能的影響，選擇合適的參數(shù)，在保證系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性的同時(shí)，使系統(tǒng)擁有較高效率及較大的能量密度。

5）在強(qiáng)化換熱方面，需要選擇合適的強(qiáng)化換熱方式，明確影響系統(tǒng)換熱性能的因素，并對(duì)其進(jìn)行理論計(jì)算及實(shí)驗(yàn)分析，在提高系統(tǒng)換熱性能的同時(shí)盡量減小其他因素對(duì)系統(tǒng)性能的影響。

5 結(jié) 語

可再生能源的大規(guī)模發(fā)展是我國(guó)可持續(xù)發(fā)展的必然，同時(shí)也需要綠色、安全的儲(chǔ)能技術(shù)保證其大規(guī)模并網(wǎng)及安全運(yùn)行。等溫壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)容易與可再生能源電站進(jìn)行耦合，且具有效率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容量配置靈活等優(yōu)點(diǎn)，從長(zhǎng)遠(yuǎn)來看，耦合可再生能源的等溫壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)擁有巨大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>