作者：杜俊生，陈结，姜德义，范金洋，张传玖，陈紫阳
作者单位： 重庆大学煤矿灾害动力学与控制国家重点试验室；重庆大学资源与安全学院；国家能源集团神东煤炭布尔台煤矿
随着中国化石能源比重下降、无碳能源比重上升的能源清洁化的结构转型，井下废弃矿井数量增多，同时风能和太阳能（WS）得到迅速发展，但资源利用率却很低。
为了提高资源化利用和转型升级，重庆大学陈结教授团队提出了一种结合风能和太阳能的混合压缩空气蓄能（CAES）系统，并将井下废弃矿井作为压缩空气的储能空间。成果12月10日发表于《工程科学与技术》。
WS-CAES混合系统流程图
该系统主要包括储能和释能两个阶段。在储能阶段，利用风力发电厂的剩余电力，通过压缩机将空气多次压缩至高压空气，并储存在衬砌煤巷（LMR）储气室中。每一次压缩的空气都经过PBTES进行热量交换，使其压缩空气的温度冷却至环境温度并将压缩热能储存在PBTES热交换器的热储罐中；在释能阶段，压缩空气通过PBTES的热储罐的空气预热和进入储存了太阳能的STES进行空气加热后，再进入每级膨胀涡轮机以产生电力。每次释能结束后，PBTES会自然冷却到环境温度。在整个放电过程中，为保持恒定的膨胀率，在LMR的出口设置了一个节流阀系统。
根据太阳能、风能、毁弃煤矿地下空间资源及电网分布特征确定了WS-CAES混合系统的潜在区域，主要分布在三北（东北、华北北部和西北地区）地区，具备了发展该系统的巨大潜力。然后，基于系统压缩机、膨胀机、热换器和储气室等各参数数学模型，研究了换热器效能、环境温度、质量流量、总压比和压缩/膨胀级数运行变量对系统输出功率和总效率的性能影响，压缩机/涡轮机级数对总效率（η）具有显着影响，级数2（η为39.95%）增至级数5（η为47.26%）时，η增幅为7.31%。
最后，针对毁弃煤矿巷道储存高压气体的可行性，从巷道深度、内衬及围岩渗透性方面进行Comsol软件数值计算和分析，结果表明，巷道深度对系统储存气体的泄漏无明显影响，巷道内衬对系统稳定性具有重要作用，围岩渗透率则是决定系统气密性的关键因素，其围岩渗透率越小，储气库气体泄露量越小，气密性则越好，同时煤矿井下主通风巷和运输巷具有储存压缩空气能力。
亮点论述：
CAES系统原理
CAES（压缩空气蓄能）是当能源供应低于基本负荷时，利用电网剩余的电力或者可再生能源产生的弃风电、弃光电等将空气进行高压压缩，并将高压空气密封在地下盐穴、矿洞等大型储气室中。当有电力需求时，大型储气室的高压空气被释放并驱动发动机进行发电的一种储能方式。按照运行原理，目前CAES系统可以分为补燃式和非补燃式两类。
CAES系统具有经济性、环保性和高效性，其研究和开发得到快速发展。按照是否与其他热力循环系统混合来进行分类的话，CAES系统可分为以下几类：传统的压缩空气储能系统、CAES和燃气轮机混合动力系统、CAES-燃气轮机和蒸汽轮机联合循环系统、CAES和内燃机混合动力系统、CAES制冷系统、CAES-可再生能源耦合系统。
WS-CAES混合系统最佳潜在区域
根据风能、太阳能、煤矿地下空间储能分布及电 网系统分析，华南、西南、中国东部沿海地区和华中 地区均缺乏1个或多个CAES站点的必要因素。例如， 东部沿海地区风力、电网容量和盐穴丰富，但太阳能 较差，所以这些区域都不适合建立WS-CAES混合系统。
综合风能与太阳能分布特征、地下空间毁弃煤矿的可利用空间以及电网容量和并网设施来看，中国三北地区具备了建立WS-CAES混合系统的条件，进一步缩小区域范围，可得出以下结论： WS-CAES混合系统的最佳潜在可利用区域主要分布在新疆东北缘、内蒙古中东部、辽宁中西部、陕西北部、甘肃西北部、青海中部、河北省、山西省等区域。因此，可以优先考虑在这些区域建立WS-CAES混合系统，对井下废弃煤矿进行综合利用，提高资源化利用和加快能源清洁化结构的转型。
