本篇导读
可再生能源的大规模利用受到越来越多的关注，但风能与太阳能等可再生能源存在间歇性和不稳定的问题，迫切需要经济、可靠、高效的储能系统。在众多储能技术中，压缩空气储能(Compressed Air Energy Storage)技术因其储能容量大、单位造价低、使用寿命长、储能周期不受限制等优点受到广泛关注。
中科院工程热物理研究所储能研发中心17年来致力于先进压缩空气储能技术研发，系统地突破了传统压缩空气储能的主要技术瓶颈，攻克了压缩空气储能系统总体设计、关键部件、整机集成与控制等关键技术，研制并建成了国际首套1.5MW、10MW和100MW先进压缩空气储能示范系统。近日，该团队在压缩空气储能系统转子系统动力学方面的研究又取得了新进展。
建立了压缩空气储能系统三齿轮转子系统的有限元模型，综合考虑质量不平衡、齿侧间隙以及齿面刚度波动等多种影响因素，对变扭矩负载对转子系统动力学的影响进行研究。结果表明，该过程中所研究转子系统动态响应明显存在两个阶段：在输入扭矩低于额定扭矩的40%时动态响应具有较强的周期性，而在超过额定扭矩的40%时响应则表现为混沌运动，且两个阶段间的过渡较为迅速且明显。齿轮副啮合状态的变化和啮合力的波动是系统动态响应随输入扭矩变化的根本原因。所研究转子系统中的三个转子在啮合状态和啮合力波动方面表现出很强的相似性，从而造成三个转子的动态响应具有相似性，这表明齿轮副在转子系统中的动力学耦合效应。上述最新进展已发表在SAGE旗下期刊Science Progress (2021,11,0036850420987058)。
专家访谈
中科院工程热物理所陈海生研究员在采访中谈及了其主要研究成果及实际应用，并分享了在投稿选刊中的经验。
压缩空气储能被视为最具发展潜力的大规模储能技术之一，那么与其他储能技术相比，压缩空气储能技术有哪些显著优势？对人们生活和自然环境有怎样的影响？
专家解答：传统压缩空气储能在用电低谷，压缩机将空气压缩并存于储气室中，使电能转化为空气的内能存储起来；在用电高峰，高压空气从储气室释放，进入燃烧室同燃料一起燃烧，然后驱动膨胀机发电。压缩空气储能具有规模大（100MW级）、寿命长（30-50年）、成本低（1000元/kWh）、储能周期不受限制等优点，而且压缩空气储能是基于热力循环的物理过程，在安全性和性能衰减方面具有天然优势，被认为是最具发展潜力的大规模储能技术之一。
压缩空气储能技术的应用，有利于解决可再生能源的间歇性和不稳定性，促进可再生能源的大规模利用和国家的能源转型，对实现国家双碳战略目标和自然环境改善，具有重大的战略意义和巨大的市场需求。
目前，全球已有两座大规模压缩空气储能电站投入商业运行，分别位于美国和德国。您认为我国的压缩空气储能行业距离商业运行还有多远？
专家解答：目前，全球已有两座大规模（100MW级）传统压缩空气储能电站投入了商业运行。第一座是1978年投入商业运行的德国Huntorf电站。机组采用两级压缩两级膨胀，压缩机功率为60MW，膨胀机功率为290MW（2007年扩容至321MW），压缩空气存储在地下600米的废弃矿洞中，总容积达3.1×105m3，压力最高可达100bar。机组可连续充气8小时，连续发电2小时。第二座是于1991年投入商业运行的美国McIntosh电站。其储气洞穴在地下450米，总容积达5.6×105m3，储气压力约为75bar。该电站压缩机功率为50MW，膨胀机功率为110MW，可实现连续41小时充气和26小时发电，机组系统效率54%。另外，日本、瑞士、法国、英国、意大利、俄罗斯、以色列、芬兰、南非和韩国等国家也在积极开发压缩空气储能电站。传统压缩空气储能系统具有规模大、寿命长、成本低、储能周期不受限制等优点。但传统压缩空气储能系统存在三大技术瓶颈，一是依赖天然气等化石燃料提供热源；二是需要特殊地理条件建造大型储气室等；三是系统效率相对较低。
为解决传统压缩空气储能的技术瓶颈问题，近年来，国内外学者开展了新型压缩空气储能技术研发工作，包括绝热压缩空气、蓄热式压缩空气储能、等温压缩空气储能、液态空气储能、超临界压缩空气储能等。我国学者主要开展新型压缩空气储能技术的研发和应用工作。以中国科学院工程热物理研究所为代表，目前已经建成了国际首套1.5MW、10MW及100MW新型压缩空气储能示范系统，目前已建和在建项目超过1200MW，我国压缩空气储能行业总体处于从工程示范到商业化初期转变的过程。再经过3-5年的发展，压缩空气储能商业化将进入规模化发展阶段。
我国针对压缩空气储能技术的研究起步比较晚，但进展迅速，是否可以说，目前我国的压缩空气储能技术已经处于全球先进水平？
专家解答：我国压缩空气储能技术的研究起步比较晚，但发展很快。如前所述，我国压缩空气储能技术主要为新型压缩空气储能，在新型压缩空气储能技术领域已处于国际先进水平，从技术研发到工程示范，均引领着全球技术与产业发展。以中国科学院工程热物理研究所为代表，目前已经建成了国际首套1.5MW、10MW及100MW新型压缩空气储能示范系统，已于2021年8月投运的山东肥城10MW项目系统最高效率达60.7%，已于2021年12月带电调试的河北张家口100MW项目系统效率达70.4%，均为全球压缩空气储能最高效率。在压缩空气储能领域已形成如下领先优势：
1、研发实力领先
建成国内首个完整的压缩空气储能研发设计体系，包括有完全自主知识产权的设计软件、实验平台和样机测试平台；已组建包括200余人的国内最大物理储能研发团队，掌握了蓄热式压缩空气储能、液态空气储能和超临界压缩空气储能等先进压缩空气系统各关键技术；建成了国际首个集系统基础研究、原理验证、技术研发到系统集成的系列化研发实验平台，累计投资超过10亿元，建成54个实验平台。获批我国物理储能领域首个国家级研发中心——国家能源大规模物理储能技术研发中心。
2、技术原理及性能领先
（1）不需要大型储气洞穴：可将空气高压气态或低温液态储存在储气罐中，储能密度大幅提高，不依赖大型储气洞穴，无地理条件限制。（2）不需要燃烧化石燃料：由于采用储热设备，将空气压缩过程的压缩热存储回收，不再需要燃烧燃料提供热源。（3）系统效率高：100MW系统采用了超临界蓄热与换热、高效压缩膨胀、压缩热回收利用、系统集成优化等措施，比同等规模的国外压缩空气储能电站高出约10%-20%。（4）单位成本低：100MW系统产业化后的成本可达4000-6000元/kW或800-1200元/kWh，同抽水蓄能系统单位成本基本相当甚至更低，比国外系统低50%以上。（5）系统寿命长：系统主要设备寿命30年以上，在定期维护、合理运行的基础上，系统寿命可达50年甚至更久。（6）储能周期不受限制：日能量耗散率极低，可实现大规模长期储能。（7）适用范围广。100MW先进压缩空气储能系统同外界仅仅交换电能，不涉及电源及电用户内部流程，因此可以适合各种类型的电站及电用户。（8）对环境友好：该储能系统不涉及化石燃料的燃烧，不排放任何有害物质。
3、研发进度领先
中国科学院工程热物理研究所于2004年启动压缩空气储能技术研发，在国际上率先突破1-100MW先进压缩空气储能系统各关键技术。分别于2013年、2016年和2021年建成国际首套1.5MW、10MW和100MW先进压缩空气储能国家示范项目，研发进程和系统效率均优于国际同等规模的压缩空气储能电站，被评价为“我国压缩空气储能的一项重要突破，达到国际领先水平”。被国际最权威期刊《Nature》评价为“系统性能高于已有压缩空气储能电站”。目前，中科院工程热物理所已在国际上率先开展300MW级先进压缩空气储能技术的研发和示范工作，预计在2024年建成，将继续巩固和加强我国在该领域的领先地位。
4、研究成果领先
已形成完善的自主知识产权的体系，申请压缩空气储能相关专利400余项，授权专利300余项（含国际专利20项），发明专利已覆盖中国、美国、日本、欧盟等主要国家。已在国内外学术期刊及会议上发表学术论文400余篇，其中SCI收录200余篇，EI收录300余篇，SCI他引10000余次。根据第三方统计，该研究所关于压缩空气储能系统的论文及专利总数均列全球机构第1位。研发成果获第49届日内瓦国际发明展金奖、联合国工业发展组织全球可再生能源蓝天奖、北京市科学技术一等奖、北京市技术发明一等奖、中国技术发明优秀奖、中科院科技成果转移转化特等奖、中国储能十大技术创新奖、中国青年科技奖特别奖、科学探索奖等奖项。
未来，中国的压缩空气储能行业发展还将面对那些问题与挑战？
专家解答：未来，中国的压缩空气储能行业发展，主要面临如下4方面问题与挑战：
1. 进一步提高系统性能
虽然新型压缩空气储能技术发展速度较快，但各项技术性能仍有待进一步提升。目前，新型压缩空气储能最高效率为70%左右，系统效率还有提升的空间；其系统最大规模为100MW，尚未达到抽水蓄能及传统压缩空气储能单机约300MW的规模；其系统单位成本约为1000-1200元/kWh，仍有下降空间。进一步提高压缩空气储能电站的性能和经济性，有利于该技术的应用推广。
2. 加强大规模示范和应用
新型压缩空气储能技术的示范系统数量少，规模较小，不能满足技术发展的示范需求。迫切需要政府、企业加强政策引导和资金支持，进一步推进100MW级以上的大规模压缩空气储能应用示范。通过压缩空气储能大规模示范应用，可积累大量工程建设实践经验，进一步优化系统及部件的工程设计，积累提升系统调控经验，提高压缩空气储能电站整体性能及市场份额，有效推动技术与产业发展。
3. 发展完整成熟的产业链
压缩空气储能尚处于示范向产业化发展的阶段，尚未建立起成熟的产业链。储能市场仍处于培育期，相关领域对于压缩空气储能技术的接纳程度相对有限。也尚未形成完备的压缩空气储能技术标准体系，以保证压缩空气储能产业健康可持续发展。下一步将通过工程项目推进，带动压缩空气储能系统上下游产业发展，逐步形成成熟、稳定的压缩空气储能产业链。形成压缩空气储能技术相关标准体系，指导、规范压缩空气储能项目建设及产业发展。
4. 建立稳定的价格机制和商业模式
压缩空气储能系统可实现包括调峰、调频、调相、备用、黑启动等一系列功能，其功能与抽水蓄能高度一致，可广泛的应用于发电侧、电网侧及用户侧。但目前，储能虽然可实现多种功能，但往往只按照其某种功能进行结算，没有形成合理稳定的电价机制及可复制推广的商业模式，无法完全体现储能的多重价值。下一步将需要充分考虑压缩空气储能电站各项功能及服务，形成合理的储能电价机制，支撑压缩空气储能电站的运行收益。针对应用于不同领域、不同类型的压缩空气储能电站，形成合理的收益方式，并形成可复制推广的商业模式。
面向青年科研人员，请分享下您如何选择期刊投稿，以及为何选定Science Progress 这本刊来发表您的研究成果？
专家解答：选择期刊进行投稿主要考虑以下方面：一是考虑文章研究内容与期刊领域的匹配性，确定目标期刊范围。二是目标期刊范围内，选择影响力较强的期刊。三是目标期刊的审稿速度。四是目标期刊投稿的相关要求（比如格式等）。
Science Progress是一个在科学技术等领域备受推崇的评论出版物，可以激发读者对相关领域的研究兴趣，并促进相关研究和交流活动。期刊的影响力很强，审稿速度也很快。因此，我们选择了本期刊，同时也是能够让更多的科研同行了解压缩空气储能研究进展，促进他们为压缩空气储能领域科学技术开展合作与交流。
在此篇论文的发表过程中，您觉得SAGE编辑团队为您提供了哪些有益的助力？如何与期刊编辑沟通实现高效发表，您可以为青年研究人员提供一些建议吗？
专家解答：SAGE编辑团队为论文的发表提供了大量有益的助力，主要包括：1.提供了完善、便捷的投稿系统。包括投稿栏目中清晰的投稿步骤引导，详细的解释说明、合理的研究领域分类等。2.清晰与及时的稿件状态显示。能够使作者及时了解投递稿件的状态，根据自身需要与编辑部及时沟通，迅速解决稿件问题并促进其快速发表。3.方便快捷的联系途径。根据稿件涉及的不同领域，能够及时推荐研究同行进行论文评审，提出各种中肯意见和建议，改善论文内容、提升论文水平，从而促进论文高效发表。
在青年科研人员在与期刊编辑沟通实现高效发表方面，根据自己的经验，提供一些建议供参考： 1. 首先要提供清楚、正确、必要的信息，例如稿件编号，作者，题目等。2. 建议在醒目位置清晰明确的邮件来意，便于编辑迅速了解来信意图。3. 必要时，可在邮件中附上稿件涉及领域的简介（研究现状及本文的主要研究工作），论文创新性的介绍等，以帮助编辑尽快掌握文章内容和特点。4. 最后，无论稿件录用与否，应重视编辑部和评审专家提出的意见和建议，在后续研究中加以改进。