DQZHAN技術(shù)訊：壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)原理、實(shí)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?fàn)顩r，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(jī)提升能效的關(guān)鍵因素。比較了壓縮空氣儲(chǔ)能所經(jīng)歷的傳統(tǒng)燃?xì)庋a(bǔ)熱壓縮、非燃?xì)庋a(bǔ)熱的絕熱壓縮、等溫壓縮等階段不同類型的儲(chǔ)能原理和效率，介紹了等溫壓縮空氣儲(chǔ)能的實(shí)現(xiàn)方法和進(jìn)展，并結(jié)合當(dāng)前**情況展望了未來壓縮空氣儲(chǔ)能的技術(shù)發(fā)展方向。

目前可實(shí)現(xiàn)商業(yè)化大規(guī)模運(yùn)行的儲(chǔ)能技術(shù)只有抽水蓄能和壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)。兩者相比而言，壓縮空氣儲(chǔ)能電站選址較靈活、對(duì)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(chǔ)能技術(shù)的主要發(fā)展方向。

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

1.1壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)關(guān)鍵設(shè)備發(fā)展

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

1.2壓縮空氣儲(chǔ)能的發(fā)展歷程

壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)可分為3個(gè)階段，第1階段始于20世紀(jì)70年代，是以燃?xì)獍l(fā)電為基礎(chǔ)展開的。之前已有德國和美國的兩個(gè)大型電站采用這種方法實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化運(yùn)行，但儲(chǔ)能效率只有50%左右，且真實(shí)發(fā)電效率更低以致沒有得到進(jìn)一步推廣。

第2階段始于20世紀(jì)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?xì)庋a(bǔ)熱方式，利用分級(jí)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?jī)?chǔ)存于介質(zhì)中，在發(fā)電過程中為氣體補(bǔ)熱升溫所用，減少額外熱量需求，從而提高整體運(yùn)行效率。而改良技術(shù)的大型化設(shè)計(jì)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(yùn)行示范。

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

2. 燃?xì)庋a(bǔ)熱的傳統(tǒng)壓縮空氣儲(chǔ)能

燃?xì)庋a(bǔ)熱的傳統(tǒng)壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)是基于燃?xì)廨啓C(jī)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(shí)完成，壓縮后產(chǎn)生的高壓氣體可存儲(chǔ)于儲(chǔ)氣室中.

自1949年壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)被Stal Laval提出至今，世界上已有2個(gè)實(shí)現(xiàn)商業(yè)化運(yùn)行的壓縮空氣儲(chǔ)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(chǔ)能試驗(yàn)電站。目前國外建成的壓縮空氣儲(chǔ)能電站基本上屬于此種類型，在發(fā)電環(huán)節(jié)采用燃?xì)庋a(bǔ)熱的方式提高發(fā)電效率，而儲(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)氣裝置，如果以洞穴作為儲(chǔ)氣容器，對(duì)地質(zhì)結(jié)構(gòu)要求高，不同時(shí)段氣體壓強(qiáng)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(jī)械的空壓機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)行效率不高;三是存儲(chǔ)在儲(chǔ)氣裝置中的高壓氣體因溫度降低而損失能量。當(dāng)進(jìn)入發(fā)電過程時(shí)，需燃燒化石燃料對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)熱，浪費(fèi)能源的同時(shí)還會(huì)增加碳排放。

3. 非燃?xì)庋a(bǔ)熱的先進(jìn)絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)

非燃?xì)庋a(bǔ)熱系統(tǒng)與燃?xì)庋a(bǔ)熱的傳統(tǒng)壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)相比，原理上的主要區(qū)別在于，通過增加回?zé)崂铆h(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)對(duì)壓縮熱的回收利用，摒棄了燃?xì)庋a(bǔ)熱環(huán)節(jié)，使得系統(tǒng)運(yùn)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(jìn)絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能(AACAES)是非燃?xì)庋a(bǔ)熱壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的典型代表。與一般非燃?xì)庋a(bǔ)熱的壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)相比，AACAES系統(tǒng)設(shè)計(jì)為多級(jí)壓縮/膨脹運(yùn)行方式，并在各級(jí)之間加裝級(jí)間換熱裝置，通過在各級(jí)壓縮/膨脹機(jī)以及級(jí)間換熱裝置中進(jìn)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(yùn)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(dòng)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(dāng)單級(jí)壓縮/膨脹機(jī)功率較大時(shí)，需傳導(dǎo)的熱量較多，很難實(shí)現(xiàn)高效的溫度控制;2)復(fù)雜的傳導(dǎo)設(shè)計(jì)使設(shè)備成本相應(yīng)提高，且由于設(shè)備級(jí)聯(lián)過多也會(huì)降低效率，壓縮/膨脹機(jī)正常工作級(jí)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(chǔ)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(dòng)了一項(xiàng)名為ADELE的項(xiàng)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(xiàng)，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(chǔ)能發(fā)電系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究，建設(shè)了500 kW非補(bǔ)燃式壓縮空氣儲(chǔ)能示范系統(tǒng)。

4. 等溫壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)

4.1等溫壓縮空氣儲(chǔ)能原理

等溫壓縮空氣儲(chǔ)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(jìn)行勢(shì)能傳遞，通過水封作用減少了損耗。同時(shí)利用水比熱容大的特點(diǎn)為系統(tǒng)運(yùn)行提供近似恒定的溫度環(huán)境，使得壓縮空氣儲(chǔ)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(shí)現(xiàn)了**意義上的等溫過程，但相比于絕熱壓縮空氣儲(chǔ)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(chǔ)能系統(tǒng)將氣體勢(shì)能轉(zhuǎn)成液體勢(shì)能運(yùn)行，設(shè)計(jì)偏向于小型化，不適應(yīng)大規(guī)模電力儲(chǔ)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(chǔ)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(jī)配合，發(fā)電效率受到影響。可以預(yù)測(cè)，未來壓縮空氣儲(chǔ)能的發(fā)展在現(xiàn)有各種壓縮空氣儲(chǔ)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(chǔ)能方向繼續(xù)發(fā)展，不斷實(shí)現(xiàn)技術(shù)革新，將壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)推向新紀(jì)元。

5. 其他類型的壓縮空氣儲(chǔ)能

5.1液化壓縮空氣儲(chǔ)能

液化壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)，是將電能轉(zhuǎn)化為液態(tài)空氣的內(nèi)能以實(shí)現(xiàn)能量存儲(chǔ)的技術(shù)。液化存儲(chǔ)的儲(chǔ)能密度高，綜合成本有下降的空間。但由于液化壓縮空氣儲(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)能技術(shù)相比，液化壓縮空氣儲(chǔ)能效率較低，并沒有明顯優(yōu)勢(shì)。

5.2外源補(bǔ)熱型壓縮空氣儲(chǔ)能

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

6. 結(jié)論

在現(xiàn)有的儲(chǔ)能技術(shù)中，壓縮空氣儲(chǔ)能以其儲(chǔ)能密度大、存儲(chǔ)周期長(zhǎng)、投資成本較少等優(yōu)勢(shì)受到人們的青睞。傳統(tǒng)壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)在壓縮空氣膨脹做功時(shí)需要燃?xì)庋a(bǔ)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(jìn)絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)通過換熱器對(duì)壓縮熱的回收利用實(shí)現(xiàn)了無燃燒、零碳排放，但采用了地上金屬容器存儲(chǔ)，有儲(chǔ)氣裝置投資大而發(fā)電效率較低等不足。等溫壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)借助液體比熱容大的特點(diǎn)使氣體和液體接觸進(jìn)行充分的熱質(zhì)交換，將氣體在壓縮或者膨脹時(shí)溫度的變化控制在一個(gè)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(chǔ)氣系統(tǒng)仍有待改進(jìn)。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(chǔ)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。