压缩空气储能技术原理、实现方法及未来展望

传统压缩空气储能系统大规模应用主要存在3方面障碍：一是需要大型储气装置，如果以洞穴作为储气容器，对地质结构要求高，不同时段气体压强和温度的剧烈变化很容易引起洞穴不稳定甚至塌陷;二是采用大型透平机械的空压机和燃气轮机运行效率不高;三是存储在储气装置中的高压气体因温度降低而损失能量。当进入发电过程时，需燃烧化石燃料对其进行补热，浪费能源的同时还会增加碳排放。

3. 非燃气补热的先进绝热压缩空气储能系统

非燃气补热系统与燃气补热的传统压缩空气储能系统相比，原理上的主要区别在于，通过增加回热利用环节实现对压缩热的回收利用，摒弃了燃气补热环节，使得系统运行过程中无燃烧、零碳排。

近年来在国内备受关注的先进绝热压缩空气储能(AACAES)是非燃气补热压缩空气储能系统的典型代表。与一般非燃气补热的压缩空气储能系统相比，AACAES系统设计为多级压缩/膨胀运行方式，并在各级之间加装级间换热装置，通过在各级压缩/膨胀机以及级间换热装置中进行快速热交换，控制气体温度变化范围，从而提高系统整体运行效率。

图3 AACAES 原理示意

AACAES系统采用多种导热技术，在一定程度上限制了气体温度波动范围，提高了效率，但由于原理及设备限制，发展遇到瓶颈，存在以下不足之处：1)当单级压缩/膨胀机功率较大时，需传导的热量较多，很难实现高效的温度控制;2)复杂的传导设计使设备成本相应提高，且由于设备级联过多也会降低效率，压缩/膨胀机正常工作级数不可能无限制增多，故AACAES系统现阶段更适合向小型化储能系统发展;3)建设初期一次投入的成本较高。

德国最大的电力公司RWE Power 于2010 年启动了一项名为ADELE的项目，采用绝热压缩技术，以期将系统效率提高至70%。2012年7月，中国国家电网公司设立重大科技专项，由清华大学牵头，联合中国电力科学研究院、中国科学院理化技术研究所开展大规模压缩空气储能发电系统关键技术研究，建设了500 kW非补燃式压缩空气储能示范系统。

4. 等温压缩空气储能技术

4.1等温压缩空气储能原理

等温压缩空气储能系统在压缩空气环节中增加控温环节，并以水作为介质进行势能传递，通过水封作用减少了损耗。同时利用水比热容大的特点为系统运行提供近似恒定的温度环境，使得压缩空气储能系统可以近似工作在等温状态下。

4.2研究现状

SustainX、General Compression、LightSail Energy等公司提出的几种控温方案(如图4、图5、图6)，由于技术以及设备原因，并非实现了绝对意义上的等温过程，但相比于绝热压缩空气储能效率要高。并且SustainX、LightSail Energy 公司现阶段主要研究的等温压缩空气储能系统将气体势能转成液体势能运行，设计偏向于小型化，不适应大规模电力储能的发展方向，General Compression公司现阶段主要研究大型等温压缩空气储能系统，但其水头不稳定问题仍未得到解决，需要变速水泵和变速水轮机配合，发电效率受到影响。可以预测，未来压缩空气储能的发展在现有各种压缩空气储能技术以及其附属技术基础上，朝着效率更高、稳定性更高、成本更低的等温压缩空气储能方向继续发展，不断实现技术革新，将压缩空气储能技术推向新纪元。

图4 SustainX液体驱动装置示意

图5GC公司多级活塞压缩装置示意