儲能技術可以實現(xiàn)對能量/電力在不同時間段的存儲與釋放，改善可再生能源發(fā)電間歇性和不穩(wěn)定性的缺點，是當前電力和能源領域的研發(fā)熱點。其中，壓縮空氣儲能技術（CAES）具有功率范圍廣、壽命長、存儲時間不受限制、對環(huán)境危害小等優(yōu)點，日漸成為當前儲能技術的重要研究方向。

　　壓縮空氣儲能系統(tǒng)可以分為儲能和釋能兩個子系統(tǒng)。作為釋能子系統(tǒng)的關鍵部件，多級膨脹機的工作特性直接決定著儲能系統(tǒng)出功及效率的高低。按照能量轉換方式的不同，多級膨脹機可以分為容積式和透平式兩種結構形式。在容積式膨脹機中，單閥活塞膨脹機具有結構簡單、壓比高、易于調節(jié)控制等優(yōu)點，尤其適用于微型/離網(wǎng)壓縮空氣儲能系統(tǒng)。因此，中國科學院工程熱物理研究所儲能研發(fā)中心科研人員將單閥活塞膨脹機作為微型CAES系統(tǒng)的釋能單元，通過理論分析，研究了釋能過程中三種運行模式下膨脹機工作特性變化規(guī)律，分析小型壓縮空氣儲能系統(tǒng)的基本運行狀況，此研究將為關鍵部件的設計以及系統(tǒng)運行方案提供指導和依據(jù)。

　　釋能過程中，儲氣罐內(nèi)的壓力不斷減小，為保證膨脹機在額定壓力下運行，通常在膨脹機入口前加裝節(jié)流閥，將儲氣罐內(nèi)的高壓氣體節(jié)流至額定壓力，再送入膨脹機做功。釋能過程變工況運行方式示意圖如圖1所示。 

　　科研人員研究了三種不同的運行方案：（1）方案一——始終將入口氣體節(jié)流至膨脹機額定壓力，當入口氣壓低于該級額定壓力時，則將其節(jié)流至下一級膨脹機的額定壓力并送入下一級膨脹做功；（2）方案二——直接將入口氣體送入首級膨脹機做功，直至該級指示功小于額定功率時直接送入下一級膨脹做功；（3）方案三——當入口氣壓高于額定壓力時，將其節(jié)流至該級額定壓力，當入口氣壓低于額定壓力時，則不節(jié)流直接送至該級膨脹做功，直至該級指示功小于額定功率時將入口氣體送入下一級膨脹機做同樣的處理。 

　　科研人員利用Matlab軟件對上述三種工作方案分別進行了模擬研究，并對其工作特性進行了討論。不同釋能方案的整體性能參數(shù)如表1所示。 

　表1 不同釋能方案的整體性能參數(shù)

　　從表1中可以看出：方案二、三的總輸出功、熱力學第一定律效率、熱力學第二定律效率以及儲能效率均明顯高于方案一，說明方案一在能量利用效率方面不占優(yōu)勢。后兩種方案中，方案二與方案三的總輸出功及各效率指標基本相同。但方案三避免了方案二中低效率的運行工況以及瞬時功率波動對膨脹機和電網(wǎng)造成的不利影響，同時避免了方案一中不必要的節(jié)流損失，延長了釋能時間，因而是以上三種方案中最合理的運行方案。三種運行方案下第三級氣缸等熵效率、儲氣室壓力、第三級氣缸功率分別隨時間的變化規(guī)律如圖2、圖3、圖4所示。 

圖2 不同釋能方案下第三級氣缸等熵效率隨時間的變化關系

圖3 不同釋能方案下儲氣室壓力隨時間的變化關系 

圖4 不同釋能方案下第三級氣缸功率隨時間的變化關系 

　　該研究得到國家自然科學基金（No.51306173）和北京市自然科學基金（No.3122033）的大力支持。目前，相關研究成果已整理成文章，并被《工程熱物理學報》錄用。