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導(dǎo)讀：壓縮空氣儲能優(yōu)勢明顯，非常適合大規(guī)模儲能。描述了大規(guī)模儲能技術(shù)，綜述了壓縮空氣儲能的工作原理和應(yīng)用現(xiàn)狀，分析了壓縮空氣儲能的分類和耦合應(yīng)用方式。

0前言

近年來，我國部分地區(qū)多次發(fā)生了嚴(yán)重陰霾天氣，如何利用清潔能源減少環(huán)境污染是我國經(jīng)濟發(fā)展長期需要面對的重要問題。新能源的規(guī)模應(yīng)用以及間歇性可再生能源的大規(guī)模入網(wǎng)、傳統(tǒng)電力峰谷差值的增長，各種能源應(yīng)用問題也隨之出現(xiàn)，而儲能技術(shù)的應(yīng)用將為解決這些問題提供非常有效的途徑。目前電力儲能技術(shù)較多，壓縮空氣儲能由于優(yōu)勢明顯，未來無疑將成為除抽水蓄能之外具發(fā)展?jié)摿Φ拇笠?guī)模儲能。

電力儲能按照技術(shù)分類，可分為機械儲能(抽水蓄能、壓縮空氣儲能、飛輪儲能等)、電磁儲能(超級電容器等)和電化學(xué)儲能(鉛酸電池、鋰離子電池、鈉硫電池等)等(見圖1)。

在各種儲能技術(shù)中，抽水蓄能在規(guī)模上大，達到上GW，技術(shù)也成熟;壓縮空氣儲能次之，單機規(guī)模可以達到100MW級別;化學(xué)儲能規(guī)模較小，單機規(guī)模一般在MW級別或更小，并且規(guī)模越大控制問題越突出。目前為止，已經(jīng)大規(guī)模投入商業(yè)應(yīng)用的大規(guī)模儲能技術(shù)(比如100MW級以上)只有抽水蓄能、壓縮空氣儲能兩種。下面對適合大規(guī)模儲能的抽水蓄能、壓縮空氣儲能的性能特點分別展開詳細(xì)描述。

1大規(guī)模儲能技術(shù)的選擇

1.1抽水蓄能

抽水蓄能需要高低兩個水庫，并安裝能雙向運轉(zhuǎn)的電動水泵機組。它利用電能與水的勢能轉(zhuǎn)變，將風(fēng)能、太陽能等可再生資源產(chǎn)生的不可控的電能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娋W(wǎng)可以接納的穩(wěn)定電能或者起削峰平谷的目的(見圖2)。抽水蓄能是在電力系統(tǒng)中技術(shù)成熟、應(yīng)用廣泛的一種儲能技術(shù)。截至2011年，我國抽水蓄能總裝機容量超過1800萬kW，規(guī)劃2015年達到3000萬kW。抽水蓄能可以建造為不同容量，能量釋放時間可從幾小時到幾天，是目前達到GW級的儲能技術(shù)，同時轉(zhuǎn)化效率較高，綜合效率可達70%～85%。其缺點在于需要建設(shè)高低兩個水庫，受到特殊的場地要求選址非常困難，而且廠址一般都遠(yuǎn)離大規(guī)模風(fēng)電場和太陽能發(fā)電場，建設(shè)周期也較長，還會帶來一定的生態(tài)和移民問題。

1.2壓縮空氣儲能

壓縮空氣儲能是另一種可以實現(xiàn)大容量和長時間電能存儲的電力儲能系統(tǒng)，是指將低谷、風(fēng)電、太陽能等不易儲藏的電力用于壓縮空氣，將壓縮后的高壓空氣密封在儲氣設(shè)施中，在需要時釋放壓縮空氣推動透平發(fā)電的儲能方式。

目前，地下儲氣站采用報廢礦井、沉降在海底的儲氣罐、山洞、過期油氣井和新建儲氣井等多種模式，其中理想的是水封恒壓儲氣站，能保持輸出恒壓氣體。地上儲氣站采用高壓的儲氣罐模式。

壓縮空氣儲能是一種基于燃?xì)廨啓C的儲能技術(shù)，技術(shù)非常成熟，已經(jīng)實現(xiàn)大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用。壓縮空氣儲能具有容量大、工作時間長、經(jīng)濟性能好、充放電循環(huán)多等優(yōu)點，具體如下：

(1)規(guī)模上僅次于抽水蓄能，適合建造大型電站。壓縮空氣儲能系統(tǒng)可以持續(xù)工作數(shù)小時乃至數(shù)天，工作時間長;

(2)建造成本和運行成本比較低，低于鈉硫電池或液流電池，也低于抽水蓄能電站，具有很好的經(jīng)濟性。隨著絕熱材料的應(yīng)用僅使用少量或不使用天然氣或石油等燃料加熱壓縮空氣，燃料成本占比逐步下降;

(3)場地限制少。雖然將壓縮空氣儲存在合適的地下礦井或溶巖下的洞穴中是經(jīng)濟的方式，但是現(xiàn)代壓縮空氣儲存的解決方法是可以用地面儲氣罐取代溶洞;

(4)壽命長，通過維護可以達到40～50年，接近抽水蓄能的50年。并且其效率可以達到60%左右，接近抽水蓄能電站;

(5)安全性和可靠性高。壓縮空氣儲能使用的原料是空氣，不會燃燒，沒有爆炸的危險，不產(chǎn)生任何有毒有害氣體。萬一發(fā)生儲氣罐漏氣的事故，罐內(nèi)壓力會驟然降低，空氣既不會爆炸也不會燃燒。

總之，在我國廣泛不具備建設(shè)抽水蓄能電站自然條件的一些地區(qū)，尤其遠(yuǎn)離消費中心的大型風(fēng)電場和太陽能發(fā)電場，迫切需要研究開發(fā)另外一種能夠大規(guī)模長時間使用的儲能技術(shù)。由于壓縮空氣儲能優(yōu)勢明顯，可以彌補抽水蓄能的先天不足，將是有效解決我國大規(guī)模儲能問題的重要選擇。

2壓縮空氣儲能概述

2.1工作原理

壓縮空氣儲能是基于燃?xì)廨啓C技術(shù)發(fā)展起來的一種能量存儲系統(tǒng)，工作原理非常類似。

燃?xì)廨啓C裝置由壓氣機、燃燒器(或叫燃燒室)和透平3個主要部分組成(見圖3)。燃?xì)廨啓C的工作原理為：葉輪式壓氣機從外部吸收空氣，壓縮后送入燃燒器，同時燃料(氣體或液體燃料)也噴入燃燒室與高溫壓縮空氣混合，在定壓下進行燃燒。生成的高溫高壓煙氣進入透平膨脹做功，推動動力葉片高速旋轉(zhuǎn)，同時驅(qū)動壓氣機旋轉(zhuǎn)增壓空氣，燃?xì)廨啓C裝置中約2/3功率用于驅(qū)動壓氣機。

壓縮空氣儲能一般包括5個主要部件：壓氣機、燃燒室及換熱器、透平、儲氣裝置(地下或地上洞穴或壓力容器)、電動機/發(fā)電機(見圖4)。其工作原理與燃?xì)廨啓C稍有不同的是：壓氣機和透平不同時工作，電動機與發(fā)電機共用一機。在儲能時，壓縮空氣儲能中的電動機耗用電能，驅(qū)動壓氣機壓縮空氣并存于儲氣裝置中;放氣發(fā)電過程中，高壓空氣從儲氣裝置釋放，進入燃?xì)廨啓C燃燒室同燃料一起燃燒后，驅(qū)動透平帶動發(fā)電機輸出電能。由于壓縮空氣來自儲氣裝置，透平不必消耗功率帶動壓氣機，透平的出力幾乎全用于發(fā)電。