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54 系统与控制纵横 2016年第1期 专家论丛 压缩空气储能与可再生能源的综合利用 —— 浅谈能量的转换、存储和分配 梅生伟、薛小代 清华大学电机系 世界万物是不断运动的，在物质的一切属性 特性。如何对这些能量进行对比，如何确定不同 中，运动是最基本的属性，其余属性都是运动属 形式能量之间的转换特性，是非常棘手的问题。 性的具体表现。物质的运动形式是多种多样的， 幸运的是，热能科学为我们提供了有效的工具， 对于每一个具体的物质运动形式均存在相应的能 这就是热力学的三大定律。通过这三大定律，我 量形式，但当运动形式不相同时，可以相互描述 们可以很好地理解和解决能量转换中的问题。 和比较两个物质的运动特性的物理量就是能量， 能量守恒与转换定律是自然界的普适规律之 即能量特性是一切运动物质的共有特性，能量尺 一，自然界中的一切物质都具有能量，能量不可 度是衡量一切运动形式的统一客观尺度。任何形 能被创造，也不可能被消灭，但可以从一种形态 式的能量均可以转换成另一种形式，尽管在所有 转变为另一种形态，而在能量的转换过程中能量 能量转换的过程中，总能量保持不变，但能量的 的总量保持不变。将此定律应用于热现象中，就 品位可能会在转换过程中下降，如从电能降级为 引申出了热力学的第一定律，即“热可以变为 热能，甚至降级为不便于利用的形式，如低品位 功，功也可以变为热，一定量的热消失时必产生 的内能。 相应量的功，消耗一定量的功时必出现与之对应 本文主要介绍大规模储能技术及其在可再生 的一定量的热”。这是一个朴实的道理，通俗地 能源中的应用，在此之前，有必要对能量的存储 讲就是一定数量的能量在传递和转换过程中，其 和转化规律进行初步的探讨，这将会有助于我们 能量的形式可能会发生变化，但是其总量保持不 深入地理解储能技术的重要性和复杂性。自然界 变。 中存在多种形式的能量，例如常见的热能、机械 在总量守恒的前提下，不同形式的能量是否 能、电能等，不同形式的能量体现出不同的功用 可以任意转换呢？这正是热力学第二定律所要解 2016 No.1 All About Systems and Control 55 决的问题，它阐明了与热现象相关的各种过程进 不能实现大规模工程化储存。为解决电能大规模 行的方向、条件及限度。热力学第二定律有多种 存储问题，电力科技界和工程界耗费了大量人力 表达方式，其中克劳修斯说法是一种被广泛采用 和物力。电力系统渴望发明一种大容量、长寿 的表述形式，即“热不可能自发地、不付代价地 命、快响应、无污染且价格合理的储能系统。 从低温物体传至高温物体”。机械能、电能等理 随着我国电网容量的不断增长，峰谷差不断 论上可 [00%地全部转换为热能，在热力学中我 增大，可再生能源、分布式供能和智能电网的蓬 们将这部分可无限转换的能量称之为㶲，因此电 勃发展，对大规模储能的需求也越来越大。大规 能或机械能全部为㶲。但是，反过来，热能只能 模储能技术可以有效地解决风能、太阳能等间歇 够部分地转换为机械能或者电能，