储能|超大号电池——压缩空气储能技术的“前世今生”( 三 ) 储能系统的产生

图7德国Huntorf电站
可以看出，传统压缩空气储能系统依赖于化石燃料和大型储气室，且系统效率较低（较高的美国Mcintosh电站能量效率约54%），其发展和应用受到限制。基于此，国内外学者在传统压缩空气储能的基础上，通过采用优化热力循环、改变工质或其状态、与其他技术(包括储能技术)互补等方法，开拓出了多种新型的压缩空气储能技术，使其得到迅速发展，并得到产业界的广泛关注。目前主要的压缩空气储能技术包括：
蓄热式压缩空气储能系统（TS-CAES）
空气压缩过程会产生压缩热，在传统压缩空气储能中，这部分热量通常被冷却水带走，最终耗散掉，而TS-CAES则将这部分热量在储能时储存起来，而在释能时用这部分热量加热膨胀机入口空气，实现能量的回收利用，提高了系统效率。同时由于膨胀机前有压缩热的加热，可以取消燃烧室，即该系统也摆脱了对化石燃料的依赖。当存在太阳能热、工业余热等外界热源时，膨胀机入口空气还可进一步地被加热，提高系统效率和能量密度。加之该系统工作流程简单，目前受到了较多国内外学者的关注和研究。而该系统缺点在于增加了多级换热及储热，系统占地面积和投资有所增加。

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图8一种TS-CAES系统原理图
等温压缩空气储能系统（I-CAES）
顾名思义， I-CAES为等温压缩和等温膨胀过程实现储能和释能。该系统采用一定措施（如活塞、喷淋、底部注气等），通过比热容大的液体（水或者油）提供近似恒定的温度环境，使空气在压缩和膨胀过程中无限接近于等温过程，将热损失降到最低，从而提高系统效率，同时也取消了蓄热系统（相对于TS-CAES），系统部件减少。而等温过程的实现比较困难，原因是其需要较好的强化传热技术，目前仍存在技术难题。同时，虽然等温使压缩机耗功减少，但也意味着压缩机和膨胀机与外界交换的功量减少，这与储能系统需要吸收更多的能量（更高的能量密度）相冲突，因此当储能压力不够高时， I-CAES的能量密度较低。

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图9一种I-CAES系统原理图
水下压缩空气储能系统（UW-CAES）
当空气以气态形式储存在地下洞穴或人造容腔内时，随着储能（充气）或释能（放气）过程的进行，储气室内的压力不断变化，且空气不能被完全释放(需要大量垫底气) ，否则洞穴坍塌或压缩机出口/膨胀机入口压力过低无法运行，以上因素造成压缩机和膨胀机处于变工况运行，效率不能持续处于高位，同时系统能量密度不高。针对以上问题， UW-CAES通过将储气装置放置在深水（海洋或湖泊）中，利用水压的恒定实现储能和释能过程中压缩机组出口和膨胀机组入口压力恒定，使压缩机和膨胀机一直工作在最佳运行点，且释能时储气装置中的空气可以近乎完全释放。因此UW-CAES具有高效率（~71%）和高能量密度的优点，其适用于海岸线/深海区域的储能。但该系统的储气装置存在制造困难的问题，如需特殊的耐腐蚀材料、需将其固定在海底等。

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图10一种UW-CAES系统原理图
液态压缩空气储能系统（LAES）
借助于空气降温液化技术， LAES系统通过添加流程使空气以液态形式储存，如图为一种LAES系统的流程图，储能时，经过压缩机的高压空气进入回热器降温和降压设备进行液化，被液化的常压低温液态空气储存在储液罐中；释能时，液态空气经过低温泵升压、回热器升温，然后进入燃烧室，与燃料混合燃烧后进入膨胀机膨胀做功。 LAES系统中空气以液态形式储存，相对于传统压缩空气储能，其具有不受地理环境限制、能量密度大的优点。但是其依赖化石燃料输入，系统性能受回热器的影响较大。