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壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)(簡稱：壓空)。壓縮空氣儲(chǔ)能屬于物理儲(chǔ)能方式的一種，它與抽水蓄能齊名，無論是存儲(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，原理如圖1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，如果在此處宣布已經(jīng)掌握了壓空技術(shù)，還為時(shí)過早。要知道，原理不能解決任何問題，需要在原理的基礎(chǔ)上添磚加瓦，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，要從溫度、壓力、容積等方面著手，一步步深入介紹。
1.溫度
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)看圖2變異1，在空壓機(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_設(shè)置，在熱量回收過程中存在較大熱損失。為解決這一問題，有人提出絕熱壓縮空氣系統(tǒng)，如圖3變異2。將壓縮過程中產(chǎn)生的熱量存儲(chǔ)起來，然后在發(fā)電過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)面臨的更大挑戰(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，但還忽略了一點(diǎn)，即使回收利用，壓縮過程中產(chǎn)生的熱量不足以使渦輪機(jī)持續(xù)長時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行，換句話說，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)看圖4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)的問題在于：消耗化石能源，增加溫室氣體排放。于是在國內(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，如果你站起來宣布掌握了壓空技術(shù)，那么小德告訴你又早了。除了溫度之外，還有一個(gè)參數(shù)沒有講，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)在的問題來了，能不能只使用一臺(tái)空壓機(jī)，比如從1個(gè)大氣壓直接壓縮到100個(gè)atm?膨脹過程從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)低的讓你下不來臺(tái)!如何解決這一問題?熱力學(xué)給出的指引是多級(jí)壓縮，中間冷卻，可顯著降低壓縮過程中的電力消耗;多級(jí)膨脹，中間加熱，可顯著增加膨脹過程中的發(fā)電量，綜合起來，儲(chǔ)電效率必然顯著提高。
圖5為非補(bǔ)燃多級(jí)壓縮系統(tǒng)圖，可以看出，在每臺(tái)空壓機(jī)后加裝熱回收器，通過回?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)如圖6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，詳見圖7。
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)�？諝獯鎯�(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，比如德國的Huntorf壓空電站可儲(chǔ)存30萬立方的空氣，但是，這種方式受制于地形限制，靈活性差，比如想在南京建一座壓空電站，即使金壇的溶洞再優(yōu)越，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，無論從制造，安裝還是運(yùn)行，都要經(jīng)過嚴(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，有專家想到了改變形態(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)流程見圖8，這種系統(tǒng)的特點(diǎn)是體積小，管路復(fù)雜，效率低。
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)原理沒有任何改變，只是將壓縮過程產(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，詳見圖9。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，即是一種可以大功率，長時(shí)運(yùn)行的物理儲(chǔ)能技術(shù)，各種技術(shù)對(duì)比見圖10(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(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，可循環(huán)上萬次，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：由空壓機(jī)、儲(chǔ)氣罐、回?zé)崞�、膨脹機(jī)以及發(fā)電機(jī)，結(jié)構(gòu)詳情如圖11。
1.空壓機(jī)
空壓機(jī)是一種提升氣體壓力的設(shè)備，如圖12。空壓機(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)空壓機(jī)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。
2.儲(chǔ)氣罐
儲(chǔ)氣罐是高壓空氣的出廠場(chǎng)所，說白了就是一個(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)等制造問題，需交給工廠處理。
3.回?zé)崞?/strong>
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^溫差傳熱回收熱量，達(dá)到節(jié)能效果。
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，見圖13。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。
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。
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，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)工作過程的能量傳遞，小德借用了哈佛大學(xué)Azziz教授論文中的一張圖，見圖14。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，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。
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作者:德耐爾@德耐爾空壓機(jī) 空壓機(jī)修訂日期：2017-07-14
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