中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：這一篇，和大家聊聊壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)。壓空屬于物理儲(chǔ)能方式的一種，它與抽水蓄能齊名，無(wú)論是存儲(chǔ)時(shí)間、放電功率、還是運(yùn)行壽命，都有著卓越的表現(xiàn)，但它同樣有著自身的缺點(diǎn)，比如系統(tǒng)復(fù)雜，比如受地域影響等。
一 壓縮空氣原理
壓縮空氣的基本原理很簡(jiǎn)單，在電網(wǎng)負(fù)荷低谷期將電能用于壓縮空氣，將空氣高壓密封在報(bào)廢礦井、儲(chǔ)氣罐、山洞、過(guò)期油氣井或新建儲(chǔ)氣井中，在電網(wǎng)負(fù)荷高峰期釋放壓縮空氣推動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電的儲(chǔ)能方式，原理如下圖所示。若需要更近一步解釋，你只需鎖定儲(chǔ)氣罐內(nèi)的空氣即可，兩個(gè)動(dòng)作，充氣時(shí)儲(chǔ)存能量，膨脹時(shí)釋放能量。
然而，如果你在此處宣布已經(jīng)掌握了壓空技術(shù)，為時(shí)過(guò)早。要知道，原理不能解決任何問(wèn)題，需要在原理的基礎(chǔ)上舔磚加瓦，優(yōu)化利用，才能達(dá)到合理的應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)。于是，壓空的各種變異橫空出世，為了便于理解，我溫度、壓力、容積等方面著手，一步步深入介紹。
1.1 溫度
我先強(qiáng)調(diào)一點(diǎn)：溫度是一種能量。對(duì)于壓縮機(jī)而言，壓縮過(guò)程溫度越低，耗費(fèi)電能越少；與之相反，對(duì)于膨脹機(jī)而言，膨脹起始點(diǎn)溫度越高，膨脹過(guò)程中得到的有用功越多。所以，降低壓縮溫度，或者提高膨脹進(jìn)氣溫度，是提高系統(tǒng)效率的一種重要而有效的手段。請(qǐng)看下圖變異1，在壓縮機(jī)的出口增加了冷卻器，以回收壓縮熱，在膨脹機(jī)（或渦輪機(jī)）的入口增加回?zé)崞?，以提高進(jìn)氣溫度?；?zé)崞鞯臒崃靠捎衫鋮s器供給，如果必要，渦輪機(jī)的出口廢棄也可以進(jìn)一步回收，這取決于廢棄的溫度品味。該系統(tǒng)叫稱為回?zé)崾较到y(tǒng)。
相較于原理型系統(tǒng)，回?zé)嵯到y(tǒng)儲(chǔ)電效率有所增加，然而它的不足在于，冷卻器和回?zé)崞鞣珠_(kāi)設(shè)置，在熱量回收過(guò)程中存在較大熱損失。為解決這一問(wèn)題，有人提出絕熱壓縮空氣系統(tǒng)，變異2，參照下圖。將壓縮過(guò)程中產(chǎn)生的熱量存儲(chǔ)起來(lái)，然后在發(fā)電過(guò)程中用這部分熱量預(yù)熱壓縮空氣，冷卻器和回?zé)崞骱蠟橐惑w，對(duì)外進(jìn)行絕熱處理，業(yè)內(nèi)稱作先進(jìn)絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)（AA-CAES），該系統(tǒng)面臨的最大挑戰(zhàn)是如何經(jīng)濟(jì)、有效地設(shè)計(jì)和制造出壓力工作范圍大的壓縮機(jī)、渦輪機(jī)和除熱器。
一切比較完美，但還忽略一點(diǎn)，即使100%回收利用，壓縮過(guò)程中產(chǎn)生的熱量不足以使渦輪機(jī)持續(xù)長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行，換句話說(shuō)，只靠自身的熱回收很難保持系統(tǒng)抵抗外部負(fù)荷波動(dòng)。熱量不夠怎么辦？引進(jìn)額外熱源，天然氣，將天然氣與來(lái)自儲(chǔ)氣罐的高壓空氣混合燃燒，推進(jìn)渦輪機(jī)旋轉(zhuǎn)發(fā)電。請(qǐng)看下圖，變異3。對(duì)比以上系統(tǒng)，它的可靠性最高，穩(wěn)定性最強(qiáng)，靈活性最優(yōu)，所以在德國(guó)1978年建造首套壓空儲(chǔ)能電站時(shí)，果斷采用這種方案。然而，變異3的引發(fā)的問(wèn)題在于：消耗化石能源，增加溫室氣體排放。于是在國(guó)內(nèi)做壓空系統(tǒng)的高校研究所想方設(shè)法消除對(duì)外在熱源的利用，比如清華大學(xué)的盧強(qiáng)院士，推非補(bǔ)燃?jí)嚎障到y(tǒng)。此處必須加句評(píng)論，難度都很大，不用補(bǔ)燃，系統(tǒng)復(fù)雜程度會(huì)提高，可靠性也會(huì)有波動(dòng)，平衡各個(gè)功能單元，是一件技術(shù)含量很高的工作。
2 壓力
談到這里，如果你站起來(lái)宣布掌握了壓空技術(shù)，我會(huì)告訴你又早了。除了溫度之外，還有一個(gè)參數(shù)沒(méi)有講，壓力！與溫度相比，壓力的影響更加多元。壓縮階段，壓力越高，同等溫度下空氣密度越大，同等體積的儲(chǔ)罐儲(chǔ)存的空氣量更多，儲(chǔ)能密度更高；膨脹階段，初始入口壓力越高，出口壓力越低，有用功輸出越高。
現(xiàn)在的問(wèn)題來(lái)了，能不能只使用一臺(tái)壓縮機(jī)，比如從1個(gè)大氣壓直接壓縮到100個(gè)atm？膨脹過(guò)程從40個(gè)atm膨脹到1atm？我可以負(fù)責(zé)任的告訴你，理論上可以，但如果你真敢這么做，保證系統(tǒng)電-電轉(zhuǎn)換效率會(huì)低的讓你下不來(lái)臺(tái)！如何解決這一問(wèn)題？熱力學(xué)給出的指引是多級(jí)壓縮，中間冷卻，可顯著降低壓縮過(guò)程中的電力消耗；多級(jí)膨脹，中間加熱，可顯著增加膨脹過(guò)程中的發(fā)電量，綜合起來(lái)，儲(chǔ)電效率必然顯著提高。
下圖為非補(bǔ)燃多級(jí)壓縮系統(tǒng)圖，可以看出，在每臺(tái)壓縮機(jī)后加裝熱回收器，通過(guò)回?zé)嵯到y(tǒng)將熱量傳遞到各級(jí)膨脹機(jī)的入口處。
當(dāng)系統(tǒng)采用絕熱壓縮時(shí)，綜合多級(jí)壓縮和多級(jí)膨脹，組成的系統(tǒng)如下圖所示。
采用燃?xì)庋a(bǔ)熱的系統(tǒng)，多級(jí)壓縮階段與非補(bǔ)燃一致，不同的是在各級(jí)膨脹機(jī)入口加裝燃燒室，詳見(jiàn)下圖。
1.3 容積
壓空系統(tǒng)的技術(shù)痛點(diǎn)在于氣體的密度太低，常壓下空氣密度為1.25kg/m3，即使在10Mpa高壓下密度也只有100kg/m3左右，相比水的1000kg/m3，差了足足十倍，這意味在相同儲(chǔ)存質(zhì)量下，空氣的罐子要比水大十倍。要解決大規(guī)模空氣存儲(chǔ)的方法至少有3個(gè)，方法一，就地取材，尋找廢棄的礦井，進(jìn)行密封承壓方面的改造，然后將空氣壓入其中，這種方法既經(jīng)濟(jì)又可靠，而且儲(chǔ)量驚人，比如德國(guó)的Huntorf壓空電站可儲(chǔ)存30萬(wàn)立方的空氣，但是，這種方式受制于地形限制，靈活性差，比如我想在南京建一座壓空電站，即使金壇的溶洞再優(yōu)越，我也用不上。方法二，高壓儲(chǔ)氣罐，該方式操作靈活，完全不受地域地形限制，比如中科院在廊坊的示范項(xiàng)目，采用2個(gè)直徑2.4m，長(zhǎng)10m的儲(chǔ)罐，每個(gè)儲(chǔ)存45m3的高壓空氣，儲(chǔ)罐壓力10Mpa，儲(chǔ)罐設(shè)備屬于特種設(shè)備范疇，無(wú)論從制造，安裝還是運(yùn)行，都要經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的檢查，成本相對(duì)較高。方法三，空氣液化。為了進(jìn)一步減小儲(chǔ)罐體積，有專家想到了變態(tài)，將氣體液化，密度將增加上百倍，于是體積減少上百倍，通過(guò)設(shè)計(jì)，使膨脹機(jī)出口的空氣溫度低于78.6K（-196.5℃）時(shí)，空氣被液化，系統(tǒng)流程見(jiàn)下圖，這種系統(tǒng)的特點(diǎn)是體積小，管路復(fù)雜，效率低。我在一次講座上跟東大熱能所的肖睿教授聊天時(shí)得知，他測(cè)算過(guò)液化壓空儲(chǔ)能的理論效率60%，實(shí)際效率能打七折就已經(jīng)很不錯(cuò)了。
1.4 冷熱電三聯(lián)供
在儲(chǔ)能領(lǐng)域，壓空算是個(gè)另類，不能用傳統(tǒng)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)衡量它，比如只追求電-電存儲(chǔ)效率，壓空肯定毫無(wú)優(yōu)勢(shì)，非補(bǔ)燃機(jī)組能達(dá)到40%已算很不錯(cuò)了。但它在發(fā)電的同時(shí)，還能兼顧供冷和供熱，俗稱冷熱電三聯(lián)供，其實(shí)原理沒(méi)有任何改變，只是將壓縮過(guò)程產(chǎn)生的熱量用于供熱，膨脹機(jī)出口的低溫空氣用于制冷，膨脹產(chǎn)生的有用功用于發(fā)電，詳見(jiàn)下圖。冷熱電三聯(lián)供的特點(diǎn)是能源利用效率高，若以熱能利用為基礎(chǔ)測(cè)算，系統(tǒng)效率可達(dá)70-85%。
二 系統(tǒng)特點(diǎn)
在儲(chǔ)能家族中，壓空和抽水蓄能屬于一個(gè)陣營(yíng)，即是一種可以大功率，長(zhǎng)時(shí)運(yùn)行的物理儲(chǔ)能技術(shù)，各種技術(shù)對(duì)比見(jiàn)下圖（CAES），技術(shù)特點(diǎn)如下：
（1）輸出功率大（MW級(jí)），持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)（數(shù)小時(shí)）；
（2）單位建設(shè)成本低于抽水蓄能，具有較好的經(jīng)濟(jì)性；
（3）運(yùn)行壽命長(zhǎng)，可循環(huán)上萬(wàn)次，壽命可達(dá)40年；
（4）環(huán)境友好，零排放。
三 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
一套完整的壓空系統(tǒng)五大關(guān)鍵設(shè)備組成：由壓縮機(jī)、儲(chǔ)氣罐、回?zé)崞?、膨脹機(jī)以及發(fā)電機(jī)，結(jié)構(gòu)詳圖如下。
3.1 壓縮機(jī)
壓縮機(jī)是一種提升氣體壓力的設(shè)備，見(jiàn)下圖。壓縮機(jī)的種類和壓縮方式各不相同，但設(shè)計(jì)者會(huì)更關(guān)心它的進(jìn)出口壓力參數(shù)，表征為四個(gè)參數(shù)，一是工作壓力區(qū)間，二是壓縮比，即進(jìn)出口壓力比值，三是進(jìn)出口溫度或絕熱效率，四是壓縮功率與流量。清華大學(xué)盧強(qiáng)院士的500kw壓空系統(tǒng)中所用其中一臺(tái)壓縮機(jī)參數(shù)為：進(jìn)氣壓力1atm，25℃，排氣壓力3.5atm，143℃，壓縮比3.5，軸功率76.7kw。
3.2 儲(chǔ)氣罐
儲(chǔ)氣罐是高壓空氣的出廠場(chǎng)所，說(shuō)白了就是一個(gè)巖洞或者一個(gè)罐子。這里還是要強(qiáng)調(diào)，溫度是一種能量，60℃和20℃條件下，空氣的能量大不一樣，所以有必要對(duì)儲(chǔ)罐進(jìn)行保溫處理，盡量維持罐內(nèi)溫度一致，減小對(duì)流損失。尺寸與耐壓等級(jí)等制造問(wèn)題，交給工廠。
3.3 回?zé)崞?
回?zé)崞魇菬峤粨Q器的統(tǒng)稱，包括預(yù)熱器，冷卻器，換熱器等等，回?zé)崞鞯墓δ苁峭ㄟ^(guò)溫差傳熱回收熱量，達(dá)到節(jié)能效果。
3.4 膨脹機(jī)
膨脹機(jī)的英文名字叫“turbine”，又叫透平，也有叫渦輪機(jī)的，它的功能是通過(guò)膨脹，將空氣的內(nèi)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，推動(dòng)與之相連的發(fā)電機(jī)，又將動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能，見(jiàn)下圖。標(biāo)定膨脹機(jī)的參數(shù)有進(jìn)出口壓力與溫度，膨脹系數(shù)等。
3.5 發(fā)電機(jī)
發(fā)電機(jī)是一種發(fā)電設(shè)備，將各種形式的能量轉(zhuǎn)化成電能，此處略過(guò)。
四 壓空系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域
（1）調(diào)峰與調(diào)頻。大規(guī)模壓空系統(tǒng)最重要的應(yīng)用就是調(diào)峰和調(diào)頻，調(diào)峰的壓空電站分為兩類，獨(dú)立電站以及與電站匹配的壓空系統(tǒng)。
（2）可再生能源消納。壓空系統(tǒng)可將間斷的可再生能源儲(chǔ)存起來(lái)，在用電高峰期釋放，可顯著提高可再生能源的利用率。
（3）分布式能源。大電網(wǎng)和分布式能源系統(tǒng)結(jié)合是未來(lái)高效、低碳、安全利用能源的必然趨勢(shì)。由于壓空具備冷熱電聯(lián)供的優(yōu)點(diǎn)，在分布式系統(tǒng)中將會(huì)有很好的應(yīng)用。
五 性能評(píng)價(jià)指標(biāo)
為了更清楚表達(dá)工作過(guò)程的能量傳遞，我借用了哈佛大學(xué)Azziz教授論文中的一張圖，見(jiàn)上圖。其中W為電功，Q為熱量，箭頭向內(nèi)代表進(jìn)入系統(tǒng)，向外表示系統(tǒng)輸出，流程箭頭代表空氣流向。一目了然，比如壓縮機(jī)工作消耗的電能來(lái)自于電網(wǎng)，膨脹時(shí)向電網(wǎng)輸出電能，都能直觀看到，并且判斷：系統(tǒng)用電越小越好，回收的熱量越多越好，向外輸出的電能越大越好。
在我看來(lái)，表征系統(tǒng)性能的參數(shù)主要有兩個(gè)，一個(gè)是電能存儲(chǔ)效率，另一個(gè)是系統(tǒng)能量效率。電能存儲(chǔ)效率是電能輸出與輸入的比值，這對(duì)電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)至關(guān)重要；系統(tǒng)能量效率是輸出的電能+熱能與輸入之比，表征整個(gè)系統(tǒng)的總效率，這對(duì)壓空系統(tǒng)至關(guān)重要。
六 國(guó)內(nèi)外壓空項(xiàng)目
6.1 德國(guó)Huntorf
Huntorf是德國(guó)1978年投入商業(yè)運(yùn)行的電站，目前仍在運(yùn)行中，是世界上最大容量的壓縮空氣儲(chǔ)能電站。機(jī)組的壓縮機(jī)功率60MW，釋能輸出功率為290MW。系統(tǒng)將壓縮空氣存儲(chǔ)在地下600m的廢棄礦洞中，礦洞總?cè)莘e達(dá)3.1×105m3，壓縮空氣的壓力最高可達(dá)10MPa。機(jī)組可連續(xù)充氣8h，連續(xù)發(fā)電2h。該電站在1979年至1991年期間共啟動(dòng)并網(wǎng)5000多次，平均啟動(dòng)可靠性97.6%。電站采用天然氣補(bǔ)燃方案，實(shí)際運(yùn)行效率約為42%，扣除補(bǔ)燃后的實(shí)際效率為19%。
6.2 美國(guó)McIntosh
美國(guó)Alabama州的McIntosh壓縮空氣儲(chǔ)能電站1991年投入商業(yè)運(yùn)行。儲(chǔ)能電站壓縮機(jī)組功率為50MW，發(fā)電功率為110MW。儲(chǔ)氣洞穴在地下450m，總?cè)莘e為5.6×105m3，壓縮空氣儲(chǔ)氣壓力為7.5MPa?？梢詫?shí)現(xiàn)連續(xù)41h空氣壓縮和26h發(fā)電，機(jī)組從啟動(dòng)到滿負(fù)荷約需9min。該電站由Alabama州電力公司的能源控制中心進(jìn)行遠(yuǎn)距離自動(dòng)控制。與Huntorf類似的是，仍然采用天然氣補(bǔ)燃，實(shí)際運(yùn)行效率約為54%，扣除補(bǔ)燃后的實(shí)際效率20%。
6.3 日本上砂川盯
日本于2001年投入運(yùn)行的上砂川盯壓縮空氣儲(chǔ)能示范項(xiàng)目，位于北海道空知郡，輸出功率為2MW，是日本開(kāi)發(fā)400MW機(jī)組的工業(yè)試驗(yàn)用中間機(jī)組。它利用廢棄的煤礦坑（約在地下450m處）作為儲(chǔ)氣洞穴，最大壓力為8MPa。
6.4 中國(guó)
我國(guó)對(duì)壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的研究開(kāi)發(fā)開(kāi)始比較晚，大多集中在理論和小型實(shí)驗(yàn)層面，目前還沒(méi)有投入商業(yè)運(yùn)行的壓縮空氣儲(chǔ)能電站。中科院工程熱物理研究所正在建設(shè)1.5MW先進(jìn)壓縮空氣儲(chǔ)能示范系統(tǒng)，該系統(tǒng)為非補(bǔ)燃方案，理論效率41%，實(shí)際運(yùn)行效率33%。
在建的項(xiàng)目有江蘇金壇壓縮空氣儲(chǔ)能電站，利用鹽穴儲(chǔ)氣，占地60.5平方公里，最大容腔體積32萬(wàn)㎡。
七 國(guó)內(nèi)企業(yè)和機(jī)構(gòu)
7.1 中科院熱物理所
中科院工程熱物理所在10MW先進(jìn)壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)研發(fā)與示范方面，已完成10MW先進(jìn)壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)和關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)，基本完成寬負(fù)荷壓縮機(jī)、高負(fù)荷透平膨脹機(jī)、蓄熱（冷）換熱器等關(guān)鍵部件的委托加工，正在開(kāi)展關(guān)鍵部件的集成與性能測(cè)試；全面展開(kāi)示范系統(tǒng)的集成建設(shè)，于2016年6月完成。
7.2 清華大學(xué)電機(jī)系
清華大學(xué)電極控制理論與數(shù)字化研究室，由盧強(qiáng)，梅生偉等帶頭，該團(tuán)隊(duì)主要研究智能微電網(wǎng)，壓縮空氣儲(chǔ)能等，壓空方面的主要路線為非補(bǔ)燃型壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)。
7.3 澳能（畢節(jié)）
澳能集團(tuán)有限公司簡(jiǎn)稱澳能工業(yè)，成立于2011年，是在與中國(guó)科學(xué)院工程熱物理所合作開(kāi)發(fā)超臨界壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)，利用電網(wǎng)負(fù)荷低谷期的余電或可再生資源發(fā)電不能并網(wǎng)的廢電將空氣壓縮到超臨界狀態(tài)并存儲(chǔ)壓縮熱，利用系統(tǒng)過(guò)程存儲(chǔ)的冷能將超臨界空氣冷卻液化存儲(chǔ)（儲(chǔ)能）；在發(fā)電過(guò)程中，液態(tài)空氣加壓吸熱至超臨界狀態(tài)（同時(shí)液態(tài)空氣中的冷能被回收存儲(chǔ)），并進(jìn)一步吸收壓縮熱后通過(guò)渦輪膨脹機(jī)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電（釋能）。通過(guò)系統(tǒng)熱能和冷能的存儲(chǔ)、回收，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)效率的提高。超臨界壓縮空氣儲(chǔ)能利用空氣的超臨界特性，同時(shí)解決了傳統(tǒng)壓縮空氣儲(chǔ)能依賴大型儲(chǔ)氣室和化石燃料的兩個(gè)技術(shù)瓶頸。
八 參考文獻(xiàn)
1 《壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)的特點(diǎn)與發(fā)展趨勢(shì)》 陳海生
2 vivian 博客《國(guó)內(nèi)外壓縮空氣儲(chǔ)能應(yīng)用現(xiàn)狀探究》
3 北交大張磊碩士論文：《壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)效率分析》
4 張新敬 《壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)研究進(jìn)展》，儲(chǔ)能科學(xué)與技術(shù)[J]
5 陳海生《壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)原理》 ，儲(chǔ)能科學(xué)與技術(shù)[J]
6 清華大學(xué)梅生偉教授PPT 《壓縮空氣儲(chǔ)能關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用展望》 2015.8
7 哈佛大學(xué)Azziz教授《THERMODYNAMIC ANALYSIS OF A COMPRESSED AIR ENERGY STORAGE FACILITY EXPORTING COMPRESSION HEAT TO AN EXTERNAL HEAT LOAD》
8 Pacific Northwest National Laboratory 《Electrochemical Energy Storage for Green Grid》
