DQZHAN技術(shù)訊：壓縮空氣儲能技術(shù)原理、實現(xiàn)方法及未來展望

本文介紹了空氣壓縮設(shè)備的發(fā)展狀況，總結(jié)了絕熱壓縮設(shè)備效率的不足，分析了螺桿式空壓機提升能效的關(guān)鍵因素。比較了壓縮空氣儲能所經(jīng)歷的傳統(tǒng)燃氣補熱壓縮、非燃氣補熱的絕熱壓縮、等溫壓縮等階段不同類型的儲能原理和效率，介紹了等溫壓縮空氣儲能的實現(xiàn)方法和進展，并結(jié)合當前**情況展望了未來壓縮空氣儲能的技術(shù)發(fā)展方向。

目前可實現(xiàn)商業(yè)化大規(guī)模運行的儲能技術(shù)只有抽水蓄能和壓縮空氣儲能技術(shù)。兩者相比而言，壓縮空氣儲能電站選址較靈活、對地理環(huán)境等客觀條件要求寬松，因而受到越來越廣泛的重視，有可能成為未來大規(guī)模儲能技術(shù)的主要發(fā)展方向。

1. 壓縮空氣儲能技術(shù)關(guān)鍵設(shè)備及發(fā)展歷程

1.1壓縮空氣儲能技術(shù)關(guān)鍵設(shè)備發(fā)展

目前常用的空氣壓縮機主要分為透平式空氣壓縮機、活塞式空氣壓縮機及螺桿式空氣壓縮機。透平式設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單，在高壓下表現(xiàn)出很高的效率。Atlas Copco公司空壓機生產(chǎn)技術(shù)成熟，全球占有率*高，旗下透平式空壓機*大排氣壓力可達20 MPa;活塞式設(shè)備通過選擇合適的密封方式，可以達到較高的壓力，CompAir 公司旗下活塞式空壓機*大排氣壓力可達41.4MPa;螺桿式壓縮機由于其較高的工作效率，在壓縮機領(lǐng)域逐漸占據(jù)了主導(dǎo)地位，但由于螺桿式壓縮機隨著壓強不斷升高，密封處理愈發(fā)困難，目前尚無法實現(xiàn)較高壓力等級。美國SullAir公司是全球*大的螺桿式空氣壓縮機制造廠，其旗下螺桿式空壓機*大排氣壓力僅為1.3 MPa。

1.2壓縮空氣儲能的發(fā)展歷程

壓縮空氣儲能技術(shù)可分為3個階段，第1階段始于20世紀70年代，是以燃氣發(fā)電為基礎(chǔ)展開的。之前已有德國和美國的兩個大型電站采用這種方法實現(xiàn)了商業(yè)化運行，但儲能效率只有50%左右，且真實發(fā)電效率更低以致沒有得到進一步推廣。

第2階段始于20世紀90年代，是以避免無謂熱量散失，提高發(fā)電效率為基礎(chǔ)展開的。新方法摒棄燃氣補熱方式，利用分級壓縮并增加中間熱交換介質(zhì)等手段將壓縮過程中產(chǎn)生的熱量儲存于介質(zhì)中，在發(fā)電過程中為氣體補熱升溫所用，減少額外熱量需求，從而提高整體運行效率。而改良技術(shù)的大型化設(shè)計卻遇到困難，成本也大幅度上升，因此這種技術(shù)并沒有成功的商業(yè)化運行示范。

第3階段始于21世紀，以等溫壓縮空氣儲能技術(shù)為代表的新一代壓縮空氣儲能技術(shù)被提出，通過液體活塞、液壓活塞配合液壓馬達等技術(shù)來替代傳統(tǒng)的燃氣輪機和空壓機技術(shù)發(fā)電，通過液體比熱大的特點抑制氣體溫度變化，理論上可以大幅度提升效率。

2. 燃氣補熱的傳統(tǒng)壓縮空氣儲能

燃氣補熱的傳統(tǒng)壓縮空氣儲能系統(tǒng)是基于燃氣輪機發(fā)電系統(tǒng)改造(如圖1)而成的，在其基礎(chǔ)之上將壓縮與膨脹過程拆開，可分時完成，壓縮后產(chǎn)生的高壓氣體可存儲于儲氣室中.

自1949年壓縮空氣儲能技術(shù)被Stal Laval提出至今，世界上已有2個實現(xiàn)商業(yè)化運行的壓縮空氣儲能電站，第1座是位于德國洪托夫的Huntorf電站，第2座是位于美國奧拉巴馬州的Mclntosh電站。日本也在北海道空知郡建成一座壓縮空氣儲能試驗電站。目前國外建成的壓縮空氣儲能電站基本上屬于此種類型，在發(fā)電環(huán)節(jié)采用燃氣補熱的方式提高發(fā)電效率，而儲氣室多利用可溶性鹽層形成的地下洞穴。

傳統(tǒng)壓縮空氣儲能系統(tǒng)大規(guī)模應(yīng)用主要存在3方面障礙：一是需要大型儲氣裝置，如果以洞穴作為儲氣容器，對地質(zhì)結(jié)構(gòu)要求高，不同時段氣體壓強和溫度的劇烈變化很容易引起洞穴不穩(wěn)定甚至塌陷;二是采用大型透平機械的空壓機和燃氣輪機運行效率不高;三是存儲在儲氣裝置中的高壓氣體因溫度降低而損失能量。當進入發(fā)電過程時，需燃燒化石燃料對其進行補熱，浪費能源的同時還會增加碳排放。

3. 非燃氣補熱的先進絕熱壓縮空氣儲能系統(tǒng)

非燃氣補熱系統(tǒng)與燃氣補熱的傳統(tǒng)壓縮空氣儲能系統(tǒng)相比，原理上的主要區(qū)別在于，通過增加回熱利用環(huán)節(jié)實現(xiàn)對壓縮熱的回收利用，摒棄了燃氣補熱環(huán)節(jié)，使得系統(tǒng)運行過程中無燃燒、零碳排。

近年來在國內(nèi)備受關(guān)注的先進絕熱壓縮空氣儲能(AACAES)是非燃氣補熱壓縮空氣儲能系統(tǒng)的典型代表。與一般非燃氣補熱的壓縮空氣儲能系統(tǒng)相比，AACAES系統(tǒng)設(shè)計為多級壓縮/膨脹運行方式，并在各級之間加裝級間換熱裝置，通過在各級壓縮/膨脹機以及級間換熱裝置中進行快速熱交換，控制氣體溫度變化范圍，從而提高系統(tǒng)整體運行效率。

AACAES系統(tǒng)采用多種導(dǎo)熱技術(shù)，在一定程度上限制了氣體溫度波動范圍，提高了效率，但由于原理及設(shè)備限制，發(fā)展遇到瓶頸，存在以下不足之處：1)當單級壓縮/膨脹機功率較大時，需傳導(dǎo)的熱量較多，很難實現(xiàn)高效的溫度控制;2)復(fù)雜的傳導(dǎo)設(shè)計使設(shè)備成本相應(yīng)提高，且由于設(shè)備級聯(lián)過多也會降低效率，壓縮/膨脹機正常工作級數(shù)不可能無限制增多，故AACAES系統(tǒng)現(xiàn)階段更適合向小型化儲能系統(tǒng)發(fā)展;3)建設(shè)初期一次投入的成本較高。

德國*大的電力公司RWE Power 于2010 年啟動了一項名為ADELE的項目，采用絕熱壓縮技術(shù)，以期將系統(tǒng)效率提高至70%。2012年7月，中國國家電網(wǎng)公司設(shè)立重大科技專項，由清華大學(xué)牽頭，聯(lián)合中國電力科學(xué)研究院、中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所開展大規(guī)模壓縮空氣儲能發(fā)電系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究，建設(shè)了500 kW非補燃式壓縮空氣儲能示范系統(tǒng)。

4. 等溫壓縮空氣儲能技術(shù)

4.1等溫壓縮空氣儲能原理

等溫壓縮空氣儲能系統(tǒng)在壓縮空氣環(huán)節(jié)中增加控溫環(huán)節(jié)，并以水作為介質(zhì)進行勢能傳遞，通過水封作用減少了損耗。同時利用水比熱容大的特點為系統(tǒng)運行提供近似恒定的溫度環(huán)境，使得壓縮空氣儲能系統(tǒng)可以近似工作在等溫狀態(tài)下。

4.2研究現(xiàn)狀

SustainX、General Compression、LightSail Energy等公司提出的幾種控溫方案.由于技術(shù)以及設(shè)備原因，并非實現(xiàn)了**意義上的等溫過程，但相比于絕熱壓縮空氣儲能效率要高。并且SustainX、LightSail Energy 公司現(xiàn)階段主要研究的等溫壓縮空氣儲能系統(tǒng)將氣體勢能轉(zhuǎn)成液體勢能運行，設(shè)計偏向于小型化，不適應(yīng)大規(guī)模電力儲能的發(fā)展方向，General Compression公司現(xiàn)階段主要研究大型等溫壓縮空氣儲能系統(tǒng)，但其水頭不穩(wěn)定問題仍未得到解決，需要變速水泵和變速水輪機配合，發(fā)電效率受到影響?？梢灶A(yù)測，未來壓縮空氣儲能的發(fā)展在現(xiàn)有各種壓縮空氣儲能技術(shù)以及其附屬技術(shù)基礎(chǔ)上，朝著效率更高、穩(wěn)定性更高、成本更低的等溫壓縮空氣儲能方向繼續(xù)發(fā)展，不斷實現(xiàn)技術(shù)革新，將壓縮空氣儲能技術(shù)推向新紀元。

5. 其他類型的壓縮空氣儲能

5.1液化壓縮空氣儲能

液化壓縮空氣儲能技術(shù)，是將電能轉(zhuǎn)化為液態(tài)空氣的內(nèi)能以實現(xiàn)能量存儲的技術(shù)。液化存儲的儲能密度高，綜合成本有下降的空間。但由于液化壓縮空氣儲能在空氣壓縮/膨脹過程的基礎(chǔ)上增加液化冷卻和氣化加熱過程，相比較等溫壓縮空氣儲能的等溫壓縮/膨脹過程，增加了額外損耗。因此與相似壓縮空氣儲能技術(shù)相比，液化壓縮空氣儲能效率較低，并沒有明顯優(yōu)勢。

5.2外源補熱型壓縮空氣儲能

采用外部熱源加熱壓縮空氣以實現(xiàn)更高能量輸出，是一種行之有效的手段。太陽能補熱型壓縮空氣儲能系統(tǒng)是一種將太陽能與壓縮空氣儲能系統(tǒng)結(jié)合，利用太陽聚光形成高熱替代燃料燃燒對壓縮氣體進行補熱，從而提高運行效率的儲能系統(tǒng)。與燃氣補熱相比，太陽能補熱型壓縮空氣儲能大幅度減少了儲能發(fā)電系統(tǒng)的碳排放，但依然屬于外源補熱型儲能系統(tǒng)，就發(fā)電效率而言與燃氣補熱型壓縮空氣儲能系統(tǒng)沒有本質(zhì)區(qū)別。

6. 結(jié)論

在現(xiàn)有的儲能技術(shù)中，壓縮空氣儲能以其儲能密度大、存儲周期長、投資成本較少等優(yōu)勢受到人們的青睞。傳統(tǒng)壓縮空氣儲能技術(shù)在壓縮空氣膨脹做功時需要燃氣補熱，能耗大且效率低，地下洞穴方案不穩(wěn)定，造成壽命下降;先進絕熱壓縮空氣儲能技術(shù)通過換熱器對壓縮熱的回收利用實現(xiàn)了無燃燒、零碳排放，但采用了地上金屬容器存儲，有儲氣裝置投資大而發(fā)電效率較低等不足。等溫壓縮空氣儲能技術(shù)借助液體比熱容大的特點使氣體和液體接觸進行充分的熱質(zhì)交換，將氣體在壓縮或者膨脹時溫度的變化控制在一個較小的范圍內(nèi)，大幅度減少了額外能量損失，使高發(fā)電效率成為可能，但配套的液體控制和低成本儲氣系統(tǒng)仍有待改進。隨著國內(nèi)外學(xué)者在壓縮空氣領(lǐng)域的不斷**，相信未來大規(guī)模儲能一定可以伴隨著可再生能源發(fā)電的發(fā)展迎來更輝煌的明天。