壓縮空氣儲能發展歷程及設備淺議

壓縮空氣儲能電站選址較靈活、對地理環境等客觀條件要求寬鬆，因而受到越來越廣泛的重視，有可能成為未來大規模儲能技術的主要發展方向。

本文介紹了空氣壓縮設備的發展狀況，總結了絕熱壓縮設備效率的不足，分析了螺桿式空壓機提升能效的關鍵因素。比較了壓縮空氣儲能所經歷的傳統燃氣補熱壓縮、非燃氣補熱的絕熱壓縮、等溫壓縮等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方法和進展，並結合當前專利情況展望了未來壓縮空氣儲能的技術發展方向。

目前可實現商業化大規模運行的儲能技術只有抽水蓄能和壓縮空氣儲能技術。兩者相比較而言，壓縮空氣儲能電站選址較靈活、對地理環境等客觀條件要求寬鬆，因而受到越來越廣泛的重視，有可能成為未來大規模儲能技術的主要發展方向。

一、壓縮空氣儲能技術關鍵設備及發展

1、 壓縮空氣儲能技術關鍵設備發展

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。透平式設備結構簡單，在高壓下表現出很高的效率。Atlas Copco公司空壓機生產技術成熟，全球佔有率最高，旗下透平式空壓機最大排氣壓力可達20MPa;活塞式設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最大排氣壓力可達41.4MPa;螺桿式壓縮機由於其較高的工作效率，在壓縮機領域逐漸佔據了主導地位，但由於螺桿式壓縮機隨著壓強不斷升高，密封處理愈發困難，目前尚無法實現較高壓力等級。美國SullAir公司是全球最大的螺桿式空氣壓縮機製造廠，其旗下螺桿式空壓機最大排氣壓力僅為1.3MPa。

2、壓縮空氣儲能的發展歷程

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

第2階段始於20世紀90年代，是以避免無謂熱量散失，提高發電效率為基礎展開的。新方法摒棄燃氣補熱方式，利用分級壓縮並增加中間熱交換介質等手段將壓縮過程中產生的熱量儲存於介質中，在發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。而改良技術的大型化設計卻遇到困難，成本也大幅度上升，因此這種技術並沒有成功的商業化運行示範。

第3階段始於21世紀，以等溫壓縮空氣儲能技術為代表的新一代壓縮空氣儲能技術被提出，通過液體活塞、液壓活塞配合液壓馬達等技術來替代傳統的燃氣輪機和空壓機技術發電，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。

二、 燃氣補熱的傳統壓縮空氣儲能

燃氣補熱的傳統壓縮空氣儲能系統是基於燃氣輪機發電系統改造（如圖1）而成的，在其基礎之上將壓縮與膨脹過程拆開，可分時完成，壓縮后產生的高壓氣體可存儲於儲氣室中（如圖2）。

自1949年壓縮空氣儲能技術被Stal Laval提出至今，世界上已有2個實現商業化運行的壓縮空氣儲能電站，第1座是位於德國洪托夫的Huntorf電站，第2座是位於美國奧拉巴馬州的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於此種類型，在發電環節採用燃氣補熱的方式提高發電效率，而儲氣室多利用可溶性鹽層形成的地下洞穴。

傳統壓縮空氣儲能系統大規模應用主要存在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，對地質結構要求高，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定甚至塌陷;二是採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。

三、非燃氣補熱的絕熱壓縮空氣儲能系統

非燃氣補熱系統與燃氣補熱的傳統壓縮空氣儲能系統相比，原理上的主要區別在於，通過增加回熱利用環節實現對壓縮熱的回收利用，摒棄了燃氣補熱環節，使得系統運行過程中無燃燒、零碳排。

近年來在國內備受關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的典型代表。與一般非燃氣補熱的壓縮空氣儲能系統相比，AACAES系統設計為多級壓縮/膨脹運行方式，並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，控制氣體溫度變化範圍，從而提高系統整體運行效率。

AACAES系統採用多種導熱技術，在一定程度上限制了氣體溫度波動範圍，提高了效率（如圖3），但由於原理及設備限制，發展遇到瓶頸，存在以下不足之處：1)當單級壓縮/膨脹機功率較大時，需傳導的熱量較多，很難實現高效的溫度控制；2)複雜的傳導設計使設備成本相應提高，且由於設備級聯過多也會降低效率，壓縮/膨脹機正常工作級數不可能無限制增多，故AACAES系統現階段更適合向小型化儲能系統發展；3)建設初期一次投入的成本較高。

德國最大的電力公司RWE Power於2010年啟動了一項名為ADELE的項目，採用絕熱壓縮技術，以期將系統效率提高至70%。2012年7月，國家電網公司設立重大科技專項，由清華大學牽頭，聯合電力科學研究院、科學院理化技術研究所開展大規模壓縮空氣儲能發電系統關鍵技術研究，建設了500kW非補燃式壓縮空氣儲能示範系統。

四、等溫壓縮空氣儲能技術

1、等溫壓縮空氣儲能原理

等溫壓縮空氣儲能系統在壓縮空氣環節中增加控溫環節，並以水作為介質進行勢能傳遞，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運行提供近似恆定的溫度環境，使得壓縮空氣儲能系統可以近似工作在等溫狀態下。

4.2研究現狀

SustainX、General Compression、LightSail Energy等公司提出的幾種控溫方案(如圖4、圖5、圖6)，由於技術以及設備原因，並非實現了絕對意義上的等溫過程，但相比於絕熱壓縮空氣儲能效率要高。並且SustainX、LightSail Energy公司現階段主要研究的等溫壓縮空氣儲能系統將氣體勢能轉成液體勢能運行，設計偏向於小型化，不適應大規模電力儲能的發展方向，General Compression公司現階段主要研究大型等溫壓縮空氣儲能系統，但其水頭不穩定問題仍未得到解決，需要變速水泵和變速水輪機配合，發電效率受到影響。可以預測，未來壓縮空氣儲能的發展在現有各種壓縮空氣儲能技術以及其附屬技術基礎上，朝著效率更高、穩定性更高、成本更低的等溫壓縮空氣儲能方向繼續發展，不斷實現技術革新，將壓縮空氣儲能技術推向新紀元。

五、其它類型的壓縮空氣儲能

1、液化壓縮空氣儲能

液化壓縮空氣儲能技術，是將電能轉化為液態空氣的內能以實現能量存儲的技術。液化存儲的儲能密度高，綜合成本有下降的空間。但由於液化壓縮空氣儲能在空氣壓縮/膨脹過程的基礎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相比，液化壓縮空氣儲能效率較低，並沒有明顯優勢。

2、外源補熱型壓縮空氣儲能

採用外部熱源加熱壓縮空氣以實現更高能量輸出，是一種行之有效的手段。太陽能補熱型壓縮空氣儲能系統是一種將太陽能與壓縮空氣儲能系統結合，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。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電系統的碳排放，但依然屬於外源補熱型儲能系統，就發電效率而言與燃氣補熱型壓縮空氣儲能系統沒有本質區別。

六、 結論

在現有的儲能技術中，壓縮空氣儲能以其儲能密度大、存儲周期長、投資成本較少等優勢受到人們的青睞。傳統壓縮空氣儲能技術在壓縮空氣膨脹做功時需要燃氣補熱，能耗大且效率低，地下洞穴方案不穩定，造成壽命下降;先進絕熱壓縮空氣儲能技術通過換熱器對壓縮熱的回收利用實現了無燃燒、零碳排放，但採用了地上金屬容器存儲，有儲氣裝置投資大而發電效率較低等不足。等溫壓縮空氣儲能技術藉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範圍內，大幅度減少了額外能量損失，使高發電效率成為可能，但配套的液體控制和低成本儲氣系統仍有待改進。隨著國內外學者在壓縮空氣領域的不斷創新，相信未來大規模儲能一定可以伴隨著可再生能源發電的發展迎來更輝煌的明天。

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