这一篇，和大家聊聊螺杆式空压机压缩空气储能技术。压空属于物理储能方式的一种，它与抽水蓄能齐名，无论是存储时间、放电功率、还是运行寿命，都有着卓越的表现，但它同样有着自身的缺点，比如系统复杂，比如受地域影响等。

所周知，能源是人类社会赖以生存和发展的物质基础。随着全球能源生产和消费的持续增长，化石能源日益枯竭，能源危机已成为世界范围内面临的共同难题，对人类的生存和发展构成了严重威胁。面对上述挑战，各国都在积极研究和发展新能源技术，特别是太阳能、风能等可再生能源，以期用清洁能源全面取代化石能源，最终建立安全、经济、清洁的现代能源供应体系。

由于风电、光伏等新能源发电具有波动性、不确定性，其大规模并网将对电网的安全和稳定运行带来诸多挑战，而储能装置具有对功率和能量的时间迁移能力，可以有效解决大规模风电、光伏等新能源发电并网问题；同时，通过大规模储能技术可以实现电网的“削峰填谷”，增强电网运行的经济性。

美国能源部前部长、诺贝尔物理学奖获得者朱棣文指出：将储能技术与太阳能技术相结合，其在配电和发电领域的影响或可与当年互联网所造成的颠覆性冲击相媲美。由此可见储能技术对于未来电力和能源系统的重要意义。

压缩空气储能(compressedairenergystorage，CAES)对地理条件无特殊要求，建造成本和响应速度与抽水蓄能电站相当，使用寿命长，储能容量大，是一种具有推广应用前景的大规模储能技术。

压缩空气储能，在电网负荷低谷期将电能用于压缩空气，在电网负荷高峰期释放压缩空气推动汽轮机发电的储能方式。形式主要有，传统压缩空气储能系统、带储热装置的压缩空气储能系统、液气压缩储能系统。

压缩空气储能（Compressed-Air Energy Storage, CAES ）是指在电网负荷低谷期将电能用于压缩空气，将空气高压密封在报废矿井、沉降的海底储气罐、山洞、过期油气井或新建储气井中，在电网负荷高峰期释放压缩空气推动汽轮机发电的储能方式。

自1949年StalLaval提出利用压缩空气储能以来，国内外学者进行了大量的研究。目前世界上已有两座大型传统的压缩空气储能电站投入运营。1978年，第一台商业运行的压缩空气储能机组在德国的亨托夫（Huntorf）诞生。1991年5月第二座电站在美国阿拉巴马州麦金托夫市（Mcintosh）投入运行。

目前关于压缩空气储能系统的形式也是多种多样，按照工作介质、存储介质与热源可以分为：传统压缩空气储能系统（需要化石燃料燃烧）、带储热装置的压缩空气储能系统、液气压缩储能系统。

压缩空气的基本原理很简单，在电网负荷低谷期将电能用于压缩空气，将空气高压密封在报废矿井、储气罐、山洞、过期油气井或新建储气井中，在电网负荷高峰期释放压缩空气推动汽轮机发电的储能方式，原理如下图所示。两个动作，充气时储存能量，膨胀时释放能量。

1.1 温度

对于螺杆式空压机而言，压缩过程温度越低，耗费电能越少；与之相反，对于膨胀机而言，膨胀起始点温度越高，膨胀过程中得到的有用功越多。

所以，降低压缩温度，或者提高膨胀进气温度，是提高系统效率的一种重要而有效的手段。请看下图变异1，在压缩机的出口增加了冷却器，以回收压缩热，在膨胀机（或涡轮机）的入口增加回热器，以提高进气温度。回热器的热量可由冷却器供给，如果必要，涡轮机的出口废弃也可以进一步回收，这取决于废弃的温度品味。该系统叫称为回热式系统。

相较于原理型系统，回热系统储电效率有所增加，然而它的不足在于，冷却器和回热器分开设置，在热量回收过程中存在较大热损失。

为解决这一问题，有人提出绝热压缩空气系统，变异2，参照下图。将压缩过程中产生的热量存储起来，然后在发电过程中用这部分热量预热压缩空气，冷却器和回热器合为一体，对外进行绝热处理，业内称作先进绝热压缩空气储能系统（AA-CAES）。

压缩过程中产生的热量不足以使涡轮机持续长时间稳定运行，换句话说，只靠自身的热回收很难保持系统抵抗外部负荷波动。热量不够怎么办？引进额外热源，天然气，将天然气与来自储气罐的高压空气混合燃烧，推进涡轮机旋转发电。

请看下图，变异3。对比以上系统，它的可靠性最高，稳定性最强，灵活性最优，然而，变异3的引发的问题在于：消耗化石能源，增加温室气体排放。

于是在国内压空系统的高校研究所想方设法消除对外在热源的利用，比如清华大学的卢强院士，推非补燃压空系统。难度很大，不用补燃，系统复杂程度会提高，可靠性也会有波动，平衡各个功能单元，是一件技术含量很高的工作。

2012年，在国家电网公司的资助下，清华大学作为项目负责单位联合中科院理化所、中国电科院等单位开展了基于压缩热回馈的非补燃CAES研究，并于2014年底建成了世界第一个500kW非补燃CAES动态模拟系统（如图3和图4所示）并成功实现了储能发电。该系统基于多温区高效回热技术储存压缩热并用其加热透平进口高压空气，从而摒弃了欧美现有CAES商业电站天然气补燃的技术路线，实现储能发电全过程的高效转换和零排放。该系统电换电实验效率高达40%。此外，若考虑利用压缩热对外供热（80℃）以及透平的低温排气供冷（3℃），其冷热电综合利用效率将达72%。未来若采用高温的蓄热介质提高回热温度，系统的能量综合利用效率有望达到80%以上，其中电换电效率超过50%。

2 压力    

与温度相比，压力的影响更加多元。压缩阶段，压力越高，同等温度下空气密度越大，同等体积的储罐储存的空气量更多，储能密度更高；膨胀阶段，初始入口压力越高，出口压力越低，有用功输出越高。

能不能只使用一台压缩机？比如从1个大气压直接压缩到100个atm？膨胀过程从40个atm膨胀到1atm？理论上可以，但如果这么做，系统电-电转换效率会低的不忍直视！如何解决这一问题？热力学给出的指引是多级压缩，中间冷却，可显著降低压缩过程中的电力消耗；多级膨胀，中间加热，可显著增加膨胀过程中的发电量，综合起来，储电效率必然显著提高。

下图为非补燃多级压缩系统图，可以看出，在每台压缩机后加装热回收器，通过回热系统将热量传递到各级膨胀机的入口处。

1.3 容积

压空系统的技术痛点在于气体的密度太低，常压下空气密度为1.25kg/m3，即使在10Mpa高压下密度也只有100kg/m3左右，相比水的1000kg/m3，差了足足十倍，这意味在相同储存质量下，空气的罐子要比水大十倍。

要解决大规模空气存储的方法至少有3个，方法一，就地取材，寻找废弃的矿井，进行密封承压方面的改造，然后将空气压入其中，这种方法既经济又可靠，而且储量惊人，但是，这种方式受制于地形限制，灵活性差。

方法二，高压储气罐，该方式操作灵活，完全不受地域地形限制，储罐设备属于特种设备范畴，无论从制造，安装还是运行，都要经过严格的检查，成本相对较高。

方法三，空气液化。为了进一步减小储罐体积，有专家想到了变态，将气体液化，密度将增加上百倍，于是体积减少上百倍，系统流程见下图，这种系统的特点是体积小，管路复杂，效率低。

一套完整的压空系统五大关键设备组成：由压缩机、储气罐、回热器、膨胀机以及发电机，结构详图如下。

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