本文介绍了空气压缩设备的发展状况，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所经历的传统燃气补热压缩、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技术。两者相比而言，压缩空气储能电站选址较灵活、对地理环境等客观条件要求宽松，因而受到越来越广泛的重视，有可能成为未来大规模储能技术的主要发展方向。
1. 压缩空气储能技术关键设备及发展历程
1.1压缩空气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，在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的密封方式，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据了主导地位，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压缩空气储能的发展历程
压缩空气储能技术可分为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热升温所用，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，因此这种技术并没有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技术为代表的新一代压缩空气储能技术被提出，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，理论上可以大幅度提升效率。
2. 燃气补热的传统压缩空气储能
燃气补热的传统压缩空气储能系统是基于燃气轮机发电系统改造(如图1)而成的，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)。
图1 燃气轮机发电系统示意
图2 燃气补热的传统压缩空气储能系统原理示意
自1949年压缩空气储能技术被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试验电站。目前国外建成的压缩空气储能电站基本上属于此种类型，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
图6LightSail Energy 公司技术方案设计
5. 其他类型的压缩空气储能
5.1液化压缩空气储能
液化压缩空气储能技术，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技术相比，液化压缩空气储能效率较低，并没有明显优势。
5.2外源补热型压缩空气储能
采用外部热源加热压缩空气以实现更高能量输出，是一种行之有效的手段。太阳能补热型压缩空气储能系统是一种将太阳能与压缩空气储能系统结合，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系统没有本质区别。
6. 结论
在现有的储能技术中，压缩空气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。传统压缩空气储能技术在压缩空气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;先进绝热压缩空气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，有储气装置投资大而发电效率较低等不足。等温压缩空气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，将气体在压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储气系统仍有待改进。随着国内外学者在压缩空气领域的不断创新，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。
延伸阅读：
原标题：压缩空气储能技术研究进展
