摘要：為高效利用廢棄煤礦地下空間，提出了廢棄礦地下巷道儲存熱能和電能的方案?；跉馑ヲ屧聿⒗贸两祬^(qū)人工湖，提出了定壓壓縮空氣儲能的新思路以高效利用地下空間并提高儲能性能，構建了廢棄地下巷道儲熱、抽水蓄能、定容和定壓壓縮空氣儲能的數(shù)學模型并進行了數(shù)值求解，分析了儲熱和儲電性能，對比了儲能密度和能量回收效率，探索了定壓壓縮空氣儲能的高值化利用方式。結果表明：①地下巷道儲熱可解決太陽能光熱的不穩(wěn)定性和跨季節(jié)儲存難題，熱回收效率大于98%，儲能密度為653.42kJ/（m3·d-1），折算電能為0.18kW·h/（m3·d-1）；②地下巷道抽水蓄能、定容和定壓壓縮空氣儲能的能量回收效率和儲能密度分別為70.56%、57.76%、67.64%和1.14、2.25、5.56kW·h/（m3·d-1），因殘余氣少，儲釋能過程總壓比和膨脹比不變，定壓壓縮空氣儲能性能優(yōu)異；③通過地上發(fā)電地下儲能，可將廢棄礦場打造為集發(fā)電儲電和冷熱淡冰聯(lián)產(chǎn)于一體的新能源供應中心。研究成果可為廢棄礦地下空間儲能工程提供決策依據(jù)，為可再生能源配儲提供支撐。

關鍵詞：廢棄礦儲能；廢棄礦地下空間；廢棄礦儲熱；壓縮空氣儲能；定壓壓縮空氣儲能

中圖分類號：TK82；TK512"文獻標志碼：A

DOI：10.7652/xjtuxb202410013"文章編號：0253-987X（2024）10-0145-11

Energy Storage Scheme and Performance Evaluation in Underground Spaces of Abandoned Mines

BU Xianbiao1，2， WANG Yiming1，2， LIU Shi3，4， YANG Yi3，4， CHEN Hongnian5，

LI Huashan1，2， SHU Jie1，2， WANG Lingbao1，2

（1. School of Energy Science and Engineering， University of Science and Technology of China， Guangzhou 510640， China;

2. Guangzhou Institute of Energy Conversion， Chinese Academy of Sciences， Guangzhou 510640， China;

3. China Southern Grid Power Technology Co.， Ltd.， Guangzhou 510080， China; 4. National Institute

of Guangdong Advanced Energy Storage， Guangzhou 510080， China; 5. Shandong Provincial Lunan

Geo-Engineering Exploration Institute （The Second Geological Brigade of Shandong Provincial

Geology and Mineral Resources Bureau）， Jining， Shandong 272100， China）

Abstract：To efficiently utilize the underground spaces of abandoned coal mines， a comprehensive scheme is proposed for the storage of thermal and electrical energy in abandoned underground tunnels. The scheme is based on the gas-water displacement principle and makes use of an artificial lake located in the subsidence area. A novel constant-pressure compressed air energy storage approach is introduced to maximize the utilization of underground space and enhance energy storage performance. Mathematical models are developed and numerically solved for thermal energy storage， pumped storage， constant-volume compressed air energy storage， and constant-pressure compressed air energy storage. The performance of thermal and electrical energy storage is thoroughly analyzed， comparing energy storage density and energy recovery efficiency. Furthermore， the high-value utilization of constant-pressure compressed air energy storage is explored. The results demonstrate that： ①Underground tunnel thermal energy storage proves to be a viable solution for addressing the challenges of instability and seasonal storage associated with solar thermal energy. The thermal recovery efficiency exceeds 98%， and the energy storage density reaches 653.42kJ/（m3·d-1）， which is equivalent to 0.18kW·h/（m3·d-1） of electrical energy. ②The energy recovery efficiency and energy storage density of underground tunnel pumped storage， constant-volume compressed air energy storage， and constant-pressure compressed air energy storage are determined to be 70.56%， 57.76%， 67.64%， and 1.14， 2.25， 5.56kW·h/（m3·d-1）， respectively. Notably， the constant-pressure compressed air energy storage exhibits outstanding performance due to the limited residual gas， which ensures the constancy of the total pressure ratio and expansion ratio throughout the energy storage and release process. ③By synergizing above-ground power generation with underground energy storage， the abandoned mine site can be transformed into a highly efficient energy supply center that integrates power generation， energy storage， and the production of cold， heat， and fresh water. The research findings provide valuable insights for decision-making in underground energy storage projects within abandoned mines and support for renewable energy distribution and storage solutions.

Keywords：energy storage in abandoned mines; abandoned mine underground space; thermal energy storage in abandoned mines; compressed air energy storage; isobar compressed air energy storage

2023年，我國的可再生能源總裝機突破14億kW ［1］。由于固有的間歇和不穩(wěn)定性，可再生能源發(fā)電的大規(guī)模并網(wǎng)給電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性帶來了新的挑戰(zhàn)［2-3］。儲能可有效解決可再生能源發(fā)電面臨的間歇不穩(wěn)定難題，可提高電網(wǎng)中可再生能源滲透率，但目前大容量、高效、低成本和長時的儲能技術仍發(fā)展不充分［4-6］。電能常用的儲存方式主要包括電池儲能、抽水蓄能和壓縮空氣儲能［7-9］。電池儲能技術近幾年發(fā)展迅速，但目前還尚難做到大容量和長時［10-12］。抽水蓄能是目前電力儲能市場的絕對主力，可以做到大容量、高效率和低成本運行，但選址難、建設周期長和建設費用高制約了其更大規(guī)模部署［13］。壓縮空氣儲能技術近幾年發(fā)展迅速，世界各地多處相關工程在運營或者在建，但儲氣罐的建設費用是決定項目成本的最關鍵因素［14-17］。另外，目前我國北方供暖面積已經(jīng)超過200億m2，80%以上采用煤基燃料，加重了北方冬季霧霾，對可再生能源采暖技術需求迫切［18-20］。我國北方采暖區(qū)域太陽能資源豐富，年均輻射量達到930～330kW·h/m2，可在清潔采暖方面發(fā)揮重要作用［21-22］。但是，由于缺乏應對太陽能不穩(wěn)定性的大容量、高效率和低成本跨季節(jié)儲熱技術，嚴重制約了太陽能供暖的應用［23-24］。

近年來，隨著可再生能源占比擴大，煤炭的消耗量逐年降低，相應地我國廢棄煤礦越來越多。文獻［25-26］指出：到2030年，我國關閉/廢棄煤礦數(shù)量可達1.5萬處，對應的廢棄煤礦地下空間約為90億m3。廢棄煤礦的地下空間不僅可以用來儲存油、天然氣和氫氣等戰(zhàn)略資源，還可以用來儲存電能和熱能，比如用作抽水蓄能的下庫、壓縮空氣儲能的儲氣罐以及跨季節(jié)儲熱罐［27-29］。采用廢棄礦的地下空間作為下庫建設抽水蓄能電站，可大幅降低電站的建設費用并縮短工期［30-32］。廢棄礦抽水蓄能方面，研究者從可行性、選址、應力、投資、泄漏、地下空間多場耦合、系統(tǒng)設計、水動力學特性、儲能性能等方面進行了研究［33-35］。廢棄礦壓縮空氣儲能方面，研究者從地質安全穩(wěn)定性、硐室變形滲漏機制、儲能的物理模型、熱動力學性能和新型儲能方式等方面開展了研究［36-38］。廢棄礦儲熱方面，研究者從儲能工藝、采空區(qū)儲熱蓄冷數(shù)值模擬、地熱能開發(fā)、冷熱聯(lián)供和工程實例方面進行了研究［39-42］。

對于廢棄礦地下空間，是儲存電能還是儲存熱能，不同儲能方案的儲能容量和儲能效率如何，這是決策者最關注的問題，但現(xiàn)有文獻沒有進行很好的回答。本文研究了廢棄礦地下空間對應的各種儲能方案以及相應的儲能性能，重點分析了定壓壓縮空氣儲能的性能，提出了將廢棄礦打造為集發(fā)電儲電和冷熱淡冰聯(lián)產(chǎn)于一體的新能源供應中心的方案，研究成果可為廢棄礦地下空間儲能工程提供決策依據(jù)。

1"數(shù)學模型構建

以廢棄礦的地下巷道作為儲能空間。由于地下巷道體積大且密封性好，因此既可以儲存熱能也可以儲存電能。儲熱時，非采暖季用太陽熱能加熱水儲存在巷道內(nèi)，采暖季取出供暖。儲存電能時，可以采用抽水蓄能，也可以采用壓縮空氣儲能。地下巷道按近似水平方向展布，橫截面尺寸為2.5m×2.5m，容積為5萬m3，地溫梯度為30℃/km。

1.1"儲熱數(shù)學模型

水平巷道一端設為熱水端，另一端為冷水端，儲取熱系統(tǒng)見圖1。初始時刻，巷道內(nèi)充滿地層水，水溫為30℃。非采暖季，從巷道的冷水端抽出冷水，用太陽能加熱到設定溫度后從熱水端再注入巷道，實現(xiàn)熱量的儲存。采暖季，從巷道的熱水端抽取熱水進行供暖（經(jīng)過熱泵提升溫度），供暖后熱水降到設定溫度，然后再從冷水端注入，實現(xiàn)熱量的提取。

數(shù)學模型主要包括水和巖石的對流換熱以及巖石（圍巖）內(nèi)的導熱［39-40， 43］。水和巖石的對流換熱公式如下

TWt+（VTW）x=hP（TR－TW）ρWACW （1）

式中：TW為水的溫度，℃；V為巷道中水的流速，m/s；TR為圍巖的溫度，℃； h為水和巖石對流換熱系數(shù)，W/（m2·℃）；A為巷道截面積，m2；P為巷道截面周長，m；ρW 為水的密度，kg/m3；CW為水的比熱容，J/（kg·℃）。巖石內(nèi)的導熱公式如下

TRt=λRρRCR2TRx2+2TRy2+2TRz2 （2）

式中：λR為巖石的導熱系數(shù)，W/（m·℃）；ρR為巖石的密度，kg/m3；CR為巖石的比熱容，J/（kg·℃）。

對流換熱系數(shù)請參考文獻［43］。儲能密度用總儲熱量除以巷道容積計算，能量（熱）回收效率用總取熱量除以總儲熱量計算。儲熱量和取熱量均按進出口溫差和流量進行計算。

1.2"抽水蓄能數(shù)學模型

抽水蓄能采用地下巷道作為下庫，采用地面沉降區(qū)人工湖作為上庫。此處僅給出水泵和水輪機的做功公式，其他請參考文獻［33-35］。水泵和水輪機的做功公式為

Wwp=ρwghusVwpηwp （3）

Wwt=ρwghusVwtηwt （4）

式中：Wwp為水泵的功率，W；Vwp為水泵的流量，m3/s；hus為巷道的深度，m；g為重力加速度，m/s2；ηwt為水泵效率；Wwt為水輪機的功率，W；Vwt為水輪機的流量，m3/s；ηwt為水輪機效率。

1.3"定容壓縮空氣儲能數(shù)學模型

定容壓縮空氣儲能（CVCAES）將地下巷道作為封閉的儲罐進行儲能，系統(tǒng)如圖2所示，主要包括壓縮機、膨脹機、級間冷卻器、級間加熱器、冷熱水泵、冷熱水箱、輸氣管、地下巷道和圍巖。

CVCAES的數(shù)學模型包括壓縮空、膨脹機、級間冷卻器、級間加熱器、冷熱水泵、冷熱水箱等，此處僅給出壓縮機和膨脹機的功率計算方法，其他請參考文獻［36-38］。壓縮機和膨脹機的功率計算式為

Wc=mckRgk－1Tc，inε（k－1）/k）c－11ηc1ηcm （5）

Tc，out=Tc，in1+ε（k－1）/kcηc－1ηc （6）

We=mekRgk－1Te，in1－π（k－1）/k）eηeηem （7）

Te，out=Te，in1－1－π（k－1）/k）eηe （8）

式中：Tc，in為壓縮機進口溫度，K；Tc，out為壓縮機出口溫度，K；ηc為壓縮機等熵效率；εc為壓比；k為空氣絕熱指數(shù)；Wc為壓縮機耗電功率，kW；mc為壓縮機空氣質量流量，kg/s；ηcm為電動機效率；Rg為氣體常數(shù)；Te，out為膨脹機出口溫度，K；Te，in為膨脹機進口溫度，K；ηe為膨脹機等熵效率；πe為膨脹比；We為膨脹機發(fā)電功率，kW；me為膨脹機空氣質量流量，kg/s；ηem為發(fā)電機效率。

能量回收效率也叫循環(huán)效率或者電-電轉換效率，反映了釋能時的發(fā)電量與儲能時的耗電量之比。儲能密度定義為釋能時的發(fā)電量與地下巷道容積之比。儲能容量用膨脹機發(fā)電量表示。限于篇幅，級間冷卻器和級間加熱器換熱、冷熱水泵功耗、冷熱水箱溫度流量的計算公式?jīng)]有給出，請參考文獻［44］。

1.4"定壓壓縮空氣儲能數(shù)學模型

由于定容壓縮空氣儲能儲罐內(nèi)壓力總是變化的且殘余氣量大，導致能量回收效率和儲能密度低。為此，提出了定壓壓縮空氣儲能（CPCAES）方案，系統(tǒng)如圖3所示。與圖2相比，圖3僅增加了輸水管和沉降區(qū)人工湖，通過輸水管將地下巷道和沉降區(qū)人工湖進行聯(lián)通。輸水管連接地下巷道的最低點，輸氣管連接地下巷道的最高點。儲能時，氣體通過輸氣管進入地下巷道，將巷道內(nèi)的水通過輸水管驅離到沉降區(qū)人工湖內(nèi)。釋能時，沉降區(qū)人工湖的水通過輸水管進入地下巷道，驅離巷道內(nèi)的氣體進入膨脹機做功。不論是儲能還是釋能，輸水管內(nèi)始終充滿水，通過靜水壓力維持巷道內(nèi)氣體的壓力。由于巷道近似水平展布，地下巷道和地面沉降區(qū)人工湖的高差變化不大，可近似認為是定壓儲能。定壓儲能確保了總壓比和膨脹比基本不變，且殘余氣大幅減少，因此可提高能量回收效率和儲能密度。為解決儲氣裝置容積龐大的問題，文獻［45］提出了定壓供氣的方案，但在人造高壓儲罐中實施定壓供氣成本高，而且需要高位水箱或者定壓泵，也會增加投資。沉降區(qū)人工湖和地下巷道為現(xiàn)有設施，用于儲能改造費用低，而且地面沉降區(qū)人工湖面積和巷道容積大，可實現(xiàn)大規(guī)模長時儲能。另外，定壓儲能時，巷道內(nèi)的儲氣壓力與圍巖中的靜水壓力平衡，既不容易造成氣體的泄漏，也不會對圍巖造成應力破壞。定壓儲能時巷道內(nèi)壓力為

Pus=ρwghus+Patm （9）

式中：Pus為定壓儲能時巷道內(nèi)壓力，Pa；Patm為大氣壓，Pa。

1.5"已知參數(shù)

表1為計算過程中用到的已知參數(shù)。采用抽水蓄能和壓縮空氣儲能，儲能時長為9h，釋能時長為3h。

1.6"數(shù)學模型求解［38， 40］

本研究中地下巷道的容積、抽水蓄能和壓縮空氣儲能的儲能和釋能時長均按不變計算。采用Matlab軟件進行編程，空氣和水的物性調(diào)用Refprop軟件。壓縮空氣儲能方程的求解請參考文獻［44］。儲熱計算，采用控制容積法離散方程（1）、（2），利用SIMPLE算法進行求解。抽水蓄能計算比較簡單，在定流量工況下直接按照式（3）、（4）進行計算。壓縮空氣儲能過程的求解，以級間冷卻器的水流量與壓縮機的空氣質量流量之比作為自變量，以能量回收效率作為目標函數(shù)進行求解，求解過程請參考文獻［44］。將壓縮空氣儲能的計算結果與文獻［46］進行了對比，發(fā)現(xiàn)兩者計算結果一致，論證了數(shù)學模型和求解結果的正確性。

2"結果與討論

下述討論中，未說明的參數(shù)均按照表1執(zhí)行。

2.1"地下巷道儲熱性能

按照地表溫度15℃、地溫梯度30℃/km計算，500m深度的巷道，圍巖溫度為30℃。非采暖季注入巷道的熱水溫度為45℃，采暖季注入巷道的水溫為15℃。采暖季取熱時間為120d，非采暖季儲熱時間為240d。采暖季水流量為416.67m3/d，非采暖季水流量為208.33m3/d。

圖4～6為巷道儲取熱性能變化趨勢。從圖4可知，非采暖季從巷道采出水溫度約為26.0℃，經(jīng)太陽能加熱到45℃后再儲進巷道，儲熱功率約為190 kW。采暖季從巷道采出水溫度約為33.7℃，經(jīng)熱泵提取熱量后，水溫降到15℃再注入巷道，取熱功率約為378kW。按供暖熱負荷指標30W/m2計算，378kW的熱功率可以供暖12600m2。

從圖5可以看出，熱回收效率隨時間逐漸減小，但除第1a外，其他年份熱回收效率都接近100%，第10a的熱回收效率最小，也達到98.98%。這說明熱量在巷道內(nèi)損失很小，這主要是因為：儲熱時注入45℃的熱水，溫度高于30℃的圍巖，熱量會以熱傳導的方式傳遞進圍巖內(nèi)，造成熱損失；取熱時，回注到巷道內(nèi)的水溫為15℃，遠低于圍巖溫度，圍巖的熱量又會以熱傳導的方式傳遞到水體內(nèi)。由于設計的注入熱水與圍巖的溫差等于圍巖與注入冷水的溫差，導致整個系統(tǒng)散熱量小，熱回收效率高。第一年的熱回收效率大于100%，這主要是因為未儲取熱操作前，巷道內(nèi)充滿30℃的水體。第一次儲熱時，抽取的是30℃水加熱到45℃（見圖4），導致第一次儲熱功率較其他年份小，僅為151.11kW（見圖5）。取熱功率比較穩(wěn)定，隨時間變化不大，所以導致第一年的熱回收效率大于100%。從圖4和圖5總體來看，巷道儲取熱過程中，注入和采出流體溫度比較穩(wěn)定，儲、取熱功率也比較穩(wěn)定，而且熱回收效率高。

由圖6可知，儲能容量和儲能密度隨時間都在增加，但增加幅度很小。這主要是因為，熱回收效率雖然很高，但每年仍有一小部分熱量殘存在圍巖中無法取出，長時的累積導致儲能容量和儲能密度均小幅增加。10a的平均儲能密度為每個采暖季78.41MJ/m3，平均每天的儲熱量為653.42kJ/m3，折算為電能為每天0.18kW·h/m3。

高溫含水層儲能由于注入水和地層水存在溫度差和密度差，導致自然對流發(fā)生、冷熱流體交界面傾斜以及冷熱流體部分摻混，開采時容易采出溫度低的地層水，致使熱回收效率低［47］。兩個在運行的高溫含水層儲熱工程，熱回收效率均低于50%。本研究中，500m地下巷道的圍巖溫度為30℃，設計的注入熱水溫度為45℃、注入冷水溫度為15℃，這種工況下熱回收效率大于98%，但取熱功率僅為378kW。為提高取熱功率并保持高熱回收效率，可以采用兩個措施。一是在圍巖溫度仍為30℃時，采用大溫差注入，比如注入50℃熱水和10℃冷水，或者注入55℃熱水和5℃冷水。二是選擇圍巖溫度較高的巷道來儲熱， 比如圍巖溫度為50℃， 這時可以采用注入70℃熱水和30℃冷水，或者80℃熱水和20℃冷水，或者90℃熱水和10℃冷水。通過人為增大溫差，提高單位容積的地下空間儲能密度，增大取熱功率和供暖面積。

2.2"抽水蓄能性能

抽水蓄能性能如表2所示?？梢钥闯?，在深度為500m、水泵水輪機效率為0.84工況下，50000m3地下巷道3h的儲電容量為57.23MW·h，能量回收效率為70.56%，儲能密度為1.14kW·h/m3。由式（3）、（4）可知，在儲能容積和時間一定的工況下，抽水蓄能的性能主要由上下水庫的高差和水泵水輪機的效率決定。對于廢棄礦巷道抽水蓄能，高差主要由巷道的深度決定。由式（3）、（4）以及表2可知，能量回收效率僅由水泵水輪機的效率決定，與高差無關。在同樣高差下，隨水泵水輪機效率的提高，水輪機發(fā)電量增加，水泵耗電量降低，能量回收效率提高，儲能密度增加。在水泵水輪機效率不變工況下，除能量回收效率外，水泵耗電量、水輪機發(fā)電量和儲能密度均隨高差的增減比例同等幅度變化。

2.3"CVCAES性能

由式（5）～（8）可知，在動力設備效率不變的工況下，壓縮耗功以及膨脹做功主要由進口空氣溫度、流量、壓比或膨脹比決定。壓比和膨脹比由儲能壓力確定，膨脹機和壓縮機的進口空氣溫度由級間換熱器（級間冷卻器和級間加熱器）進行調(diào)節(jié)。級間換熱器的最核心參數(shù)之一為換熱器效能，因此本小節(jié)主要討論換熱器效能和儲能壓力兩個關鍵參數(shù)。

計算時，第一級膨脹機的最小進氣壓力按儲氣壓力的一半計算。CVCAES性能見表3。表中，空氣質量流量為壓縮機空氣質量流量，因儲能9h釋能3h，所以膨脹機的空氣質量流量是壓縮機的3倍。由表3可知，在換熱器效能和儲罐容積不變的工況下，隨儲能壓力的增加，空氣質量流量、壓縮機耗電量、膨脹機發(fā)電量、能量回收效率和儲能密度均增加。特別是儲能密度，隨儲能壓力的增加增幅最大。在儲能壓力相等時，隨換熱器效能的增加，能量回收效率和儲能密度均增大。這主要是因為，換熱器效能的增加降低了第2級和第3級壓縮機的進口空氣溫度，提高了膨脹機進口空氣溫度，導致壓縮機耗電量降低而膨脹機發(fā)電量提高，進一步導致能量回收效率和儲能密度的增加。

將儲能壓力為5.0MPa的壓縮空氣儲能和巷道深度為500m的抽水蓄能（靜水壓力5 006kPa）進行比較。在相同的巷道容積和儲釋能時間工況下，壓縮空氣儲能的發(fā)電量為112.40MW·h，能量回收效率為57.76%，儲能密度為2.25kW·h/m3，而抽水蓄能相應的性能分別為發(fā)電量57.23MW·h、能量回收效率70.56%、儲能密度1.14kW·h/m3?？梢?，壓縮空氣儲能的發(fā)電量和儲能密度近似為抽水蓄能的2倍，但能量回收效率低于抽水蓄能。

壓縮機和膨脹機的等熵效率與發(fā)電機和電動機的效率乘積為0.88×0.9×0.94×0.94=69.98%。假設級間換熱器效能為100%且沒有任何熱量損失，壓縮空氣儲能的能量回收效率上限為69.98%。只有進一步提高動力設備本身的能量轉換效率才可以再提高壓縮空氣儲能的能量回收效率上限。由于級間換熱器效能的限制和散熱損失，導致壓縮機的級間壓縮熱不能100%運用到加熱膨脹機進氣。即使級間壓縮熱總量上沒有損失，換熱端差也會導致能量品位降低。因此，動力設備效率制約、熱量散失和熱能品位降低，導致壓縮空氣儲能的能量回收效率僅為60%左右。等溫壓縮可以解決熱量散失及品位降低，是壓縮空氣儲能未來的一個發(fā)展方向。

2.4"CPCAES性能

以儲能壓力5MPa和巷道深度500m為例，將CVCAES與CPCAES進行性能對比。從表4可以看出，CPCAES的各個指標均比CVCAES實現(xiàn)了大幅提升，空氣質量流量、壓縮機耗電量、膨脹機發(fā)電量、能量回收效率和儲能密度分別由42.35kg/s、194.38MW·h、112.40MW·h、57.76%、2.25kW·h/m3提高到89.45kg/s、410.74MW·h、278.10MW·h、67.64%、5.56kW·h/m3。指標提升的主要原因有3個。一是在儲能時間和儲罐容積不變的工況下，由于釋能結束時定容過程巷道內(nèi)仍殘余接近一半的氣體量，而定壓過程巷道內(nèi)基本沒有氣體殘余，導致定壓壓縮過程的空氣質量流量近似定容過程的2倍，因此定壓儲能的壓縮機耗電量較定容儲能大幅提高。二是釋能過程中，從壓力的做功品位來說，定壓過程的膨脹機是從5MPa的壓力膨脹到大氣壓，而定容過程是從2.5MPa膨脹到大氣壓。從參與做功的空氣質量來說，定壓過程巷道內(nèi)5MPa壓力的空氣全部釋放參與做功，而定容過程巷道內(nèi)只是5MPa到2.5MPa壓力范圍的氣體參與做功，壓力低于2.5MPa的氣體在釋能結束時仍殘留在巷道內(nèi)無法參與做功，導致定壓過程膨脹機的發(fā)電量遠大于定容過程。三是定壓儲釋能過程中巷道的壓力不變，壓縮機的總壓比和膨脹機的總膨脹比不變，系統(tǒng)工況穩(wěn)定。對于定容過程，壓縮過程巷道內(nèi)壓力總是上升的，導致壓縮機的總壓比不斷增大，而釋能過程，如果采用穩(wěn)壓閥控制的定壓運行，膨脹機的總膨脹比不變，但減壓閥的人為降壓導致氣體做功能力大幅降低，如果采用滑壓運行，運行控制難，而且由于巷道壓力的不斷降低，總膨脹比也在不斷減小。上述3個原因導致定壓儲能的性能較定容儲能實現(xiàn)大幅提升，特別是定壓壓縮空氣儲能的儲能密度實現(xiàn)了大幅提升，從抽水蓄能和定容壓縮空氣儲能的1.14kW·h/m3和2.25kW·h/m3提高到5.56kW·h/m3，提高幅度分別為387.72%和147.11%，實現(xiàn)了地下空間的高效利用。表4為CPCAES性能，表中換熱器效能為0.90?？梢钥闯觯諝赓|量流量、壓縮機耗電量、膨脹機發(fā)電量和儲能密度均隨儲能深度的增加大幅提高，而能量回收效率基本不受儲能深度的影響。

表4中還給出了3個儲能深度對應的儲能密度。為了更直觀地了解儲能深度和儲能密度的關系，可將儲能密度整理成儲能深度的函數(shù)

Eden=14.22×10－3hus－1561.67×10－3 （10）

式中：Eden為儲能密度，kW·h/m3。另外，表4中的膨脹機發(fā)電量，也就是儲能容量也可以整理成儲能深度hus的函數(shù)

Qcap=0.71hus－77.66 （11）

式中：Qcap為儲能容量，MW·h。當然，儲能容量也可以整理成儲能深度和巷道體積的綜合函數(shù)，限于篇幅，不再詳述。

定壓儲能時巷道內(nèi)儲氣壓力與圍巖靜水壓力平衡，氣體不易泄漏且不會破壞圍巖。因此，CPCAES既高效利用了地下空間，又巧妙利用了地面沉降區(qū)人工湖，做到了空間位置的巧妙利用與安全穩(wěn)定高效運行的完美協(xié)同。

2.5"基于CPCAES的廢棄礦區(qū)冷熱電儲淡冰能源站

廢棄礦場不僅地下有儲能巷道，而且地面也有廣闊的場地可用于布置風電、光伏或者光熱，因此可將廢棄礦場建設成為集發(fā)電儲電于一體的分布式能源站。由于多地有冷、熱、淡水和冰的需求，基于此，提出了基于定壓壓縮空氣儲能的廢棄礦冷熱電儲淡冰能源站的方案，以便將廢棄礦場打造為新能源供應中心，系統(tǒng)見圖7。

圖7中主要包括光伏或風電發(fā)電系統(tǒng)、太陽能光熱系統(tǒng)、儲能系統(tǒng)、膨脹制冰制冷系統(tǒng)、低溫多效淡化系統(tǒng)、供暖和熱水系統(tǒng)。具體工作原理為：在用電低谷時，風電光伏的電能通過驅動壓縮機將高壓空氣儲存進地下巷道內(nèi)，在用電高峰時，巷道內(nèi)高壓空氣釋放驅動膨脹機做功發(fā)電。進入膨脹機的空氣經(jīng)過了兩級加熱，首先回收的壓縮機級間壓縮熱進入級間加熱器對膨脹機進氣進行第一級加熱，然后太陽能系統(tǒng)熱水箱的熱水進入太陽能級間加熱器對膨脹機進氣進行第二級加熱，以便進一步提升進氣溫度，提高膨脹機發(fā)電量。出級間加熱器的熱水首先進入低溫多效蒸餾淡化設備生產(chǎn)淡水，然后再進入供熱換熱器用于供暖或者生產(chǎn)生活熱水。利用空氣膨脹制冷的特性，從第二級膨脹機的出口空氣中引出一路進入膨脹制冷機，產(chǎn)生低溫用于制冰和制冷。低溫多效蒸餾淡化設備的熱水進口溫度設計為80℃，出口溫度設計為65℃。進入供熱換熱器的熱水溫度為65℃、出水溫度為40℃，因此可以產(chǎn)生60℃的熱水，用于供暖或者供應生活熱水。

以巷道深度為500m、巷道儲能容積為50000m3的定壓壓縮空氣儲能為例。儲能9h釋能3h，膨脹機進口空氣溫度200℃。定壓壓縮空氣儲能性能如下。

（1）發(fā)電儲電性能。釋能期間膨脹機空氣質量流量為289.90kg/s，壓縮機耗電量443.71MW·h，膨脹機發(fā)電量為327.06MW·h，儲能密度為6.54kW·h/m3，能量回收效率為56.21%（能量回收效率用膨脹機發(fā)電量除以壓縮機耗電量與太陽能集熱器熱量之和，其中太陽能集熱器加熱量為138.14MW·h）。

（2）級間冷卻和加熱?；厥盏募夐g壓縮熱首先儲存在熱水箱內(nèi)，熱水箱水溫為178.03℃。釋能期間，來自熱水箱的熱水總流量為213.08kg/s，在級間加熱器的總散熱量為262.32MW·h。太陽能級間加熱器，進口水溫為225℃，總加熱量為138.14MW·h。

（3）制淡水、制熱。回收的級間壓縮熱，首先進入級間加熱器用來加熱膨脹機進氣，然后再進入低溫多效蒸餾淡化設備生產(chǎn)淡水，最后進入供熱換熱器。進入低溫多效蒸餾淡化設備的熱水溫度為80℃，流量為213.08kg/s，溫度降為65℃后，釋放的總熱量為144.50GJ，淡水產(chǎn)量為245.12t/d。從低溫多效蒸餾淡化設備流出的熱水流量為213.08kg/s，溫度為65℃，然后進入供熱換熱器，釋放熱量用于供暖或者生活熱水后，溫度降為40℃后進入冷水箱。供熱換熱器內(nèi)釋放的總熱量為240.83GJ，可為9.29萬m2建筑供暖。

（4）制冰制冷。圖7中的第3級膨脹機，單位流量的空氣發(fā)電能力為375.30kW·h/（kg·s-1）。從第二級膨脹機的出口空氣中，引出部分氣體直接進入膨脹制冷機進行發(fā)電并產(chǎn)生冷能。進入膨脹制冷機的空氣，釋能期間單位流量空氣的發(fā)電能力為271.76kW·h/（kg·s-1）。制冷膨脹機出口空氣溫度為-29℃。空氣在-29～-20℃內(nèi)用于制冰，在-20～0℃內(nèi)用于制取5～7℃冷凍水。釋能期間，單位流量的空氣制冰能力為291.94kg/（kg·s-1），制冷能力為217.26MJ/（kg·s-1）。釋能期間膨脹機總的空氣質量流量為289.90kg/s，因此可根據(jù)制冰需求，合理設計進入膨脹制冷機的空氣質量流量。

3"結"論

（1）廢棄地下巷道可進行儲熱供暖。非采暖季將太陽熱能儲存在巷道內(nèi)，采暖季取出供暖，解決了太陽能的間歇不穩(wěn)定性和跨季節(jié)儲存難題。儲取熱性能穩(wěn)定，儲能容量為每個采暖季3920.69GJ，可供暖面積為12600m2，能量（熱）回收效率大于98%，儲能密度為653.42kJ/（m3·d-1），折算電能為0.18kW·h/（m3·d-1）。

（2）廢棄地下巷道可以進行抽水蓄能和壓縮空氣儲能。抽水蓄能、定容和定壓壓縮空氣儲能的儲能容量、能量回收效率和儲能密度分別為57.23、112.40、278.10MW·h，70.56%、57.76%、67.64%，1.14、2.25、5.56kW·h/（m3·d-1）。定壓壓縮空氣儲能大幅降低了殘余氣體量，且儲釋能過程總壓比和總膨脹比保持不變，提高了儲能容量、能量回收效率和儲能密度。

（3）地下巷道儲能，地面布置風電光伏，可將廢棄礦場建設成為集發(fā)電儲電于一體的分布式能源站。太陽能光熱加熱膨脹機進氣，級間壓縮熱驅動低溫多效蒸餾淡化設備制取淡水，利用膨脹機的膨脹制冷特性制冰制冷，可將廢棄礦場打造為冷熱電儲淡冰聯(lián)產(chǎn)的新能源供應中心。

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（編輯"陶晴）