「编者按」为了鼓励和表彰在能源、动力领域对科学技术发展做出突出贡献的单位和个人，充分调动广大能源、动力领域科技工作者的积极性和创造性，促进能源、动力科学技术事业发展，经向国家科技奖励办公室备案，中国工程热物理学会科学技术奖自2023年首次举办，并初见成效。首届获奖项目包括自然科学奖、技术发明奖，涵盖工程热力学、热机气动热力学、燃烧学、传热传质学、流体机械、多相流等各个分支学科。
现对首届获奖项目成果进行系列专栏展示，敬请关注！同时，2024年报奖工作正在进行中，欢迎广大高校、科研院所、企业的科研工作者及技术人员积极申报。
一 、获奖项目
项目名称
先进压缩空气储能热力学优化设计方法
获奖等级
自然科学二等奖
主要完成单位
中国科学院工程热物理研究所
主要完成人
郭欢；徐玉杰；周学志；张新敬；左志涛
二 、成果简介
压缩空气储能技术具有规模大、成本低、寿命长等优点，被认为是最具发展潜力的大规模储能技术之一。传统压缩空气储能系统为燃气轮机技术的简单解耦，存在依赖外界燃料输入、系统效率低和依赖大型储气室等问题。因此迫切需要发展新型压缩空气储能系统。新型压缩空气储能系统总体热力学设计面临非典型热力循环分析、多能流/多过程非线性耦合、频繁变工况和非稳态控制复杂等难题。针对以上问题，本项目团队在压缩空气储能系统热力循环分析理论、全工况设计方法、非稳态建模/控制及系统集成等方面提出了多项原创性理论，取得了丰富的研究成果。发表SCI论文110篇，影响因子10以上论文34篇，受邀参编中英文专著7部，论文他引4300余次。研究成果成功应用于兆瓦级至百兆瓦级先进压缩空气储能示范系统设计，所建成的100MW先进压缩空气储能示范电站效率达到70.2%，远高于世界上前两个实现电网供电的德国Huntorf和美国McIntosh传统压缩空气储能电站（效率分别为42%和54%）。
三 、主要创新点
（1）针对压缩空气储能半闭式热力循环，原创性地建立了适用于压缩空气储能系统的对应点分析方法（图1），使系统分析和优化兼顾参数和结构，并更加直观和有效，丰富了该类非闭式热力循环的热力学分析理论。推导得到压缩空气储能系统效率系列解析解（图2），实现了压缩空气储能系统关键过程和参数的解耦，揭示了系统热力学参数、运行时间和关键部件尺寸的耦合关系。
图1 对应点分析方法原理图及相关参数
图2 压缩空气储能系统效率系列解析解
（2）建立了适用于压缩空气储能系统的部件通用全工况分析和优化模型，提出了采用“与参考运行方式对比分析”方法揭示系统变工况优化原则的学术思路，创新性地揭示了系统优化设计与变工况运行的交互关系。针对复杂变工况下系统设计难题，提出了基于负荷-概率因子的压缩空气储能系统全工况设计方法（图3）。
图3基于负荷-概率因子的系统全工况优化设计方法
（3）为实现系统优化运行控制，解决了压缩空气储能系统非稳态建模和求解难题（图4），揭示了非稳态特性对系统效率的影响机理，总结出非稳态效应强弱与系统效率的关联关系，提出了兼顾控温和控功率的多部件协同控制方法，显著提高了非稳态运行下的系统效率及调控性能。
图4 先进压缩空气储能系统非稳态模型及特性
四 、应用场景
本项目研究成果可应用于各类压缩空气储能系统的热力学高效宽工况设计。同时所提出的对应点分析方法也可用于其他物理储能系统高效设计，所提出的全工况设计方法在拓展后也可用于经常变工况运行的其他热力系统设计。目前本项目研究成果已成功应用于本单位兆瓦级至百兆瓦级新型压缩空气储能示范系统设计（图5）。建成的1.5MW压缩空气储能系统被评价为“我国压缩空气储能领域的一项重要突破，达到国际领先水平”；研究建成的100MW先进压缩空气储能示范电站效率达到70.2%，远高于世界上前两个实现电网供电的德国Huntorf和美国McIntosh传统压缩空气储能电站（效率分别为42%和54%）。
图5 研究成果应用于先进压缩空气储能系统设计
