储能|超大号电池——压缩空气储能技术的“前世今生”( 二 ) 储能系统的产生

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图4燃气轮机技术在航空等领域的应用
现代燃气轮机由压缩机、燃烧室和膨胀机组成，压缩机和膨胀机均为高速旋转的叶轮机械，是气流能量与机械功之间相互转换的关键部件。其基本工作过程为环境空气被压缩机压缩到高压，然后压缩空气和燃料流入燃烧室进行燃烧，产生高压高温气流，在膨胀机内膨胀产生轴功。

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图5燃气轮机组成及工作过程
由于压缩机和膨胀机安装在一根轴上，压缩机消耗的能量由膨胀机提供（压缩机是为了提升工质压力，便于膨胀机做功），如果压缩机和膨胀机安装在不同的轴上，则压缩过程和膨胀过程可以分开，这就形成了压缩空气储能技术(压缩空气储能系统)的基本雏形。
储能时段，压缩空气储能系统利用风/光电或低谷电能带动压缩机，将电能转化为空气压力能，随后高压空气被密封存储于报废的矿井、岩洞、废弃的油井或者人造的储气罐中；释能时段，通过放出高压空气推动膨胀机，将存储的空气压力能再次转化为机械能或者电能。
压缩空气储能系统与燃气轮机的不同之处在于燃气轮机的压缩机和膨胀机是同时处于工作状态，而压缩空气储能系统中的压缩过程和膨胀过程却是分时进行工作。

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图6压缩空气储能系统
那么压缩空气能储存多少能量呢？根据热力学第二定律，区别于环境压力和温度的空气具有做功能力，单位质量做功能力（可转换的功）为e=u-u-T(s-s)（u为内能， T为温度， s为熵，下标0代表环境条件），可见温度越高，内能u越大，熵s也越大，但是u-Ts仍是增大的；压力越大，熵s越小，但内能基本不变，因此温度和压力升高均会使单位质量空气的做功能力增大。当压缩空气压力为100倍大气压、温度为环境温度时， 1立方米空气内部的能量（可转化为电能）为12.9度电；当压力增至200倍大气压时， 1立方米空气储存电能为28.3度，进一步将空气加热至300摄氏度，可释放的电能变为54.4度。同时根据上述公式，可知温度极低时空气的做功能力也会急剧增大，如1立方米常压液态空气内部的可用能为201度电，可见最普通的空气也可蕴含巨大的能量。
和一般热力系统一样，评价压缩空气储能系统的重要指标之一为系统效率，是输出能量和输入能量的比值，其代表能量利用的热力学完善程度，目前先进压缩空气储能系统的理论计算效率可突破70% 。另一个重要指标为能量密度，其为系统储存的能量和储存体积的比值，用于判断系统是否能用较少的占地面积/体积产生较大的能量。除此之外，污染物和碳排放也是压缩空气储能系统评价指标，基于此，目前发展了几种零碳输入的先进压缩空气储能系统。
压缩空气储能技术应用及发展现状
压缩空气储能技术是从上世纪50年代发展起来的，目前世界上有两个商业运行的压缩空气储能电站，分别是德国的Huntorf电站、美国Mcintosh电站，它们均为带有燃烧室和洞穴储气室的传统压缩空气储能系统。用电低谷时，多余的电带动电动机和压缩机将空气压入地下储存室，用电高峰时，压缩空气进入燃烧室与燃料混合燃烧产生高温高压燃气带动膨胀机和发电机发电。

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