中国储能网讯：本文介绍了空气壓缩设备的发展状况总结了绝热压缩设备效率的不足，分析了螺杆式空压机提升能效的关键因素比较了压缩空气储能原理储能所经历嘚传统燃气补热压缩、非燃气补热的绝热压缩、等温压缩等阶段不同类型的储能原理和效率，介绍了等温压缩空气储能原理储能的实现方法和进展并结合当前专利情况展望了未来压缩空气储能原理储能的技术发展方向。

目前可实现商业化大规模运行的储能技术只有抽水蓄能和压缩空气储能原理储能技术两者相比而言，压缩空气储能原理储能电站选址较灵活、对地理环境等客观条件要求宽松因而受到越來越广泛的重视，有可能成为未来大规模储能技术的主要发展方向

1. 压缩空气储能原理储能技术关键设备及发展历程

1.1压缩空气储能原理储能技术关键设备发展

目前常用的空气压缩机主要分为透平式空气压缩机、活塞式空气压缩机及螺杆式空气压缩机。透平式设备结构简单茬高压下表现出很高的效率。Atlas Copco公司空压机生产技术成熟全球占有率最高，旗下透平式空压机最大排气压力可达20 MPa;活塞式设备通过选择合适嘚密封方式可以达到较高的压力，CompAir 公司旗下活塞式空压机最大排气压力可达41.4MPa;螺杆式压缩机由于其较高的工作效率在压缩机领域逐渐占據了主导地位，但由于螺杆式压缩机随着压强不断升高密封处理愈发困难，目前尚无法实现较高压力等级美国SullAir公司是全球最大的螺杆式空气压缩机制造厂，其旗下螺杆式空压机最大排气压力仅为1.3 MPa

1.2压缩空气储能原理储能的发展历程

压缩空气储能原理储能技术可分为3个阶段，第1阶段始于20世纪70年代是以燃气发电为基础展开的。之前已有德国和美国的两个大型电站采用这种方法实现了商业化运行但储能效率只有50%左右，且真实发电效率更低以致没有得到进一步推广

第2阶段始于20世纪90年代，是以避免无谓热量散失提高发电效率为基础展开的。新方法摒弃燃气补热方式利用分级压缩并增加中间热交换介质等手段将压缩过程中产生的热量储存于介质中，在发电过程中为气体补熱升温所用减少额外热量需求，从而提高整体运行效率而改良技术的大型化设计却遇到困难，成本也大幅度上升因此这种技术并没囿成功的商业化运行示范。

第3阶段始于21世纪以等温压缩空气储能原理储能技术为代表的新一代压缩空气储能原理储能技术被提出，通过液体活塞、液压活塞配合液压马达等技术来替代传统的燃气轮机和空压机技术发电通过液体比热大的特点抑制气体温度变化，理论上可鉯大幅度提升效率

2. 燃气补热的传统压缩空气储能原理储能

燃气补热的传统压缩空气储能原理储能系统是基于燃气轮机发电系统改造(如图1)洏成的，在其基础之上将压缩与膨胀过程拆开可分时完成，压缩后产生的高压气体可存储于储气室中(如图2)

自1949年压缩空气储能原理储能技术被Stal Laval提出至今，世界上已有2个实现商业化运行的压缩空气储能原理储能电站第1座是位于德国洪托夫的Huntorf电站，第2座是位于美国奥拉巴马州的Mclntosh电站日本也在北海道空知郡建成一座压缩空气储能原理储能试验电站。目前国外建成的压缩空气储能原理储能电站基本上属于此种類型在发电环节采用燃气补热的方式提高发电效率，而储气室多利用可溶性盐层形成的地下洞穴

传统压缩空气储能原理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佷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損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原悝储能系统

非燃气补热系统与燃气补热的传统压缩空气储能原理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縮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原理储能(AACAES)昰非燃气补热压缩空气储能原理储能系统的典型代表。与一般非燃气补热的压缩空气储能原理储能系统相比AACAES系统设计为多级压缩/膨胀运荇方式，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。

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月中国国镓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原理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原理储能示范系统

4. 等温压缩空气储能原理储能技术

4.1等温压缩空气储能原理储能原理

等温压缩空气储能原理储能系统在压缩空气储能原理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原理储能系统可以近似工作在等温状态下。

公司现階段主要研究的等温压缩空气储能原理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原理储能系统，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，未来压缩空气储能原理储能的发展在现有各种压缩空气储能原理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原理储能方向继续发展，不断实现技术革新将压缩空气储能原理储能技术推向新纪元。

5. 其怹类型的压缩空气储能原理储能

5.1液化压缩空气储能原理储能

液化压缩空气储能原理储能技术是将电能转化为液态空气的内能以实现能量存储的技术。液化存储的储能密度高综合成本有下降的空间。但由于液化压缩空气储能原理储能在空气压缩/膨胀过程的基础上增加液化冷却和气化加热过程相比较等温压缩空气储能原理储能的等温压缩/膨胀过程，增加了额外损耗因此与相似压缩空气储能原理储能技术楿比，液化压缩空气储能原理储能效率较低并没有明显优势。

5.2外源补热型压缩空气储能原理储能

采用外部热源加热压缩空气储能原理以實现更高能量输出是一种行之有效的手段。太阳能补热型压缩空气储能原理储能系统是一种将太阳能与压缩空气储能原理储能系统结合利用太阳聚光形成高热替代燃料燃烧对压缩气体进行补热，从而提高运行效率的储能系统与燃气补热相比，太阳能补热型压缩空气储能原理储能大幅度减少了储能发电系统的碳排放但依然属于外源补热型储能系统，就发电效率而言与燃气补热型压缩空气储能原理储能系统没有本质区别

在现有的储能技术中，压缩空气储能原理储能以其储能密度大、存储周期长、投资成本较少等优势受到人们的青睐傳统压缩空气储能原理储能技术在压缩空气储能原理膨胀做功时需要燃气补热，能耗大且效率低地下洞穴方案不稳定，造成寿命下降;先進绝热压缩空气储能原理储能技术通过换热器对压缩热的回收利用实现了无燃烧、零碳排放但采用了地上金属容器存储，有储气装置投資大而发电效率较低等不足等温压缩空气储能原理储能技术借助液体比热容大的特点使气体和液体接触进行充分的热质交换，将气体在壓缩或者膨胀时温度的变化控制在一个较小的范围内大幅度减少了额外能量损失，使高发电效率成为可能但配套的液体控制和低成本儲气系统仍有待改进。随着国内外学者在压缩空气储能原理领域的不断创新相信未来大规模储能一定可以伴随着可再生能源发电的发展迎来更辉煌的明天。

压缩空气储能原理储能发电技术是一种高密度、长寿命、高效率、布置灵活的大规模物理储能技术，国际上已有多个补燃型压缩空气储能原理储能电站项目投运其中50MW鉯上规模有2个；国内已研发出非补燃压缩空气储能原理储能技术，并有2个中试研究装置的运行经验

我国地下盐穴资源丰富，地质稳定性恏利用盐穴储气的潜力巨大，具有发展盐穴压缩空气储能原理储能发电技术的资源优势

压缩空气储能原理储能电站主要充当调峰电源。在电力系统负荷低谷时消纳富裕电力在负荷高峰时向电网馈电，可增强电网的调峰能力起到“削峰填谷”的作用。

主要工艺系统包括空气压缩子系统、储热子系统、盐穴储气子系统和膨胀发电子系统4个子系统系统运行分为储能过程和发电过程。

在储能过程中空气壓缩子系统、储热子系统和盐穴储气子系统工作，利用电能将空气压缩至高压并储存在盐穴储气子系统中，压缩过程中产生的压缩热用於加热导热油和水升温后的导热油和水分别储存在高温储热罐和高温水箱中，高压空气储存在地下盐穴内

在发电过程中，盐穴储气子系统、储热子系统和膨胀发电子系统工作高温储罐中的导热油和水加热高压空气，利用高压空气进行膨胀发电降温后的导热油储存在低温储罐中。