压缩空气储能的原理以及优缺点介绍

压缩空气储能(CAES)是一种利用压缩空气来储存能量的新型储能技术，它的原理非常简单，就是将空气压缩以后存储起来，然后需要发电的时候让压缩空气推动发电机工作。

随着最近这十多年来各种可再生能源的被利用，比如风能和太阳能，但是这些可再生能源和化石能源相比最大的缺点就是发电不够稳定，需要使用一系列的技术来消除这些新能源带来的不可预测的发电曲线。于是各种储能技术就应运而生，这其中抽水蓄能占了全世界电网储能的95%，此外还有熔盐储能、重力电池、飞轮储能技术等等。

而压缩空气储能也正是在这种背景下应运而生的。

压缩空气储能的热量处理方式

压缩空气储能的原理很简单，就是将多余的电能存储在压缩空气当中。但是我们都知道一个常识：压缩空气的时候，空气的温度会升高，如果这些热量散失掉就会白白浪费能量，降低储能效率，并且还可能会导致设备损坏。

另外当压缩空气用来发电的时候，因为空气膨胀会吸收热量，从而导致温度降低，如果不采用加温措施补充额外的热能，那么膨胀后的空气温度会低很多。

所以压缩空气储能的重点就是如何保证空气在压缩和膨胀阶段的温度变化问题。根据热处理方式的不同，压缩空气储能可以分为以下几类：

1、绝热压缩空气储能

这种压缩空气储能方式是将压缩空气产生的热能储存在各种介质当中，比如是混凝土、石头等，也可以是热油（最高温可以达到300℃）或者熔盐溶液（最高温600℃）。

这种方式能够将压缩空气储能的效率提升到65%~70%。

2、非绝热式

非绝热式储能将中间冷却器的大部分压缩热（从而接近等温压缩）作为废热散发到大气中，基本上浪费了用于执行压缩功的能量。从压缩空气储能中获取能量后，压缩空气的温度是该空气中剩余的存储能量的一个指标。因此，如果能量回收过程的空气温度较低，则空气必须在涡轮机中膨胀之前充分再加热以驱动发电机。这种再加热可以通过实用的天然气燃烧器来完成级存储或用加热的金属块。由于当可再生能源处于静止状态时通常最需要回收，因此必须燃烧燃料以弥补浪费的热量。这会降低存储恢复周期的效率。虽然这种方法相对简单，但燃烧燃料会增加回收电能的成本，并损害与大多数可再生能源相关的生态效益。然而，这是迄今为止唯一已在商业上实施的系统。

3、等温压缩储能

等温压缩和膨胀方法试图通过与环境的恒定热交换来维持工作温度。在往复式压缩机中，这可以通过使用带翅片的活塞[11]和低循环速度来实现。当前有效热交换器面临的挑战意味着它们仅适用于低功率水平。等温储能的理论效率接近100%，可以完美地将热量传递到环境中。实际上，这些完美的热力学循环都无法获得，因为一些热损失是不可避免的，从而导致接近等温的过程。

4、近等温压缩储能

近等温压缩（和膨胀）是一种气体在非常接近大的不可压缩热质量（例如吸热和释放结构(HARS)或喷水）的情况下被压缩的过程。HARS通常由一系列平行的翅片组成。当气体被压缩时，压缩热迅速传递到热质量，因此气体温度稳定。然后使用外部冷却回路来维持热质量的温度。等温效率(Z)是过程位于绝热过程和等温过程之间的量度。如果效率为0%，则它是完全绝热的；效率为100%，它是完全等温的。通常，对于接近等温的过程，可以预期90-95%的等温效率。

压缩空气储能的空气存储容器类型

压缩空气储能需要将压缩后的高压空气储存在各种容器之中，这其中可以分为两类：恒容存储和恒压存储。

恒容存储

这种存储方式一般是利用的一些天然地下洞穴或者是具有固定大小的容器来存储大量的压缩空气。

这些容器的大小也就是容积一般是固定的，所以压缩空气的压力需要保持在一定的数值之下。通常情况地下的一些洞穴比如矿洞等非常适合用来当做压缩空气的存储容器，此外还有就是多孔或可渗透岩层，比如开采天然气后形成的天然气储层也可以用来存储压缩空气。

在某些情况下，也可以利用地面上的管道或者是其他容器来存储压缩空气，但是缺点就是容积有限，并且建造成本较高。

恒压存储

这种存储方式中的压缩空气处于恒定压力之下，这是一个可变容积的容器当中。最常见的这种恒压容器是位于水下数百米的空气存储容器，可以利用容器上方水柱的静水压力将压缩空气的压力保持在所需的压力水平上。

这种存储方式最大的优点就是空气压力稳定，能够稳定的提供电力。

压缩空气储能的优缺点

如果采用碳纤维等高抗拉强度材料制作的储存罐来作为压缩空气储能罐的话，那么压缩空气储能的能量密度能够和可充电铅酸电池相媲美。

和传统的电池技术相比，压缩空气储能技术的压力容器的寿命更长，毒性更低，成本更低，可以长时间存储能量并且只需要很少的维护。

此外压缩空气储能的能量爆发力比较强，这就会有一些有趣的应用场合，比如一些大型船舶使用的柴油发动机会使用压缩空气来启动，这些压缩空气平常会被存储在20~30巴的压力罐中，通过特殊的启动阀直接作用于活塞，在开始燃油喷射之前转动曲轴。这种布置比这种规模的电动启动马达更紧凑、更便宜，并且能够提供必要的极高功率爆发，而不会对船舶的发电机和配电系统施加过高的负载。

压缩空气储能的缺点也比较明显，一方面是热能管理的问题，另外一方面就是能量密度比较小，能量损耗比例相对比较大，难以小型化应用，只能当做是低需求的能量应用。