压缩空气储能专利技术综述

摘 要：压缩空气储能被公认为是一种比较适合大规模系统的储能技术。本文分析了压缩空气储能概况和工作原理，并通过压缩空气储能方面的专利申请为例子和脉络，分析了压缩空气储能的发展历程。

关键词：压缩空气；储能；原理；发展

1 压缩空气储能概况及技术原理

1.1 压缩空气储能概况

储能通过一定介质存储能量（主要是电能），在需要时将所存储能量释放，以提高能量系统的效率、安全性和经济性。储能是目前制约可再生能源大规模利用的最主要瓶颈之一，也是提高常规电力系统效率、安全性和经济性以及分布式能源系统和智能电网的关键技术，因此成为了当前电力和能源领域的研发和投资热点。

1.2 压缩空气储能技术原理

压缩空气储能系统是基于燃气轮机技术发展起来的一种能量存储系统。压缩空气储能系统的压缩机和涡轮不同时工作，在储能时，压缩空气储能系统耗用其它能源将空气压缩并存于储气室中；在释能时，高压空气从储气室中释放，进入燃气轮机燃烧室同燃料一起燃烧后，驱动涡轮做功。由于储能、释能分时工作，在释能过程中，并没有压缩机消耗涡轮的输出功[1]。

2 压缩空气储能发展历程

自20世纪40年代末开始，出现了较为早期和初步的压缩空气储能的专利申请至今，这项技术已经历了六十余年的发展历程，在这过程中，随着技术的不断进步、成熟和完善，压缩空气储能也经历了从最开始的构成较为简单、单一到不断改进完善、综合、多元化和系统化的不断发展的过程。

1949-1960年：萌芽和初步发展阶段。在这个时间段里，压缩空气储能技术出现了早期的专利申请，1949年就有专利（GB671539A）里提出，空气经过带中间冷却器的多级压缩机压缩后，存储于与湖泊连通的地下腔室中，当需要发电时，压缩空气被引出后与燃料在燃烧室中燃烧后驱动涡轮带动发电机发电。在1953年有专利（GB772287A）中将燃烧室省去，利用涡轮中做完功的空气先预热压缩空气，再利用外部热源再加热压缩空气后压缩空气直接进入涡轮膨胀做功，这样省去了燃烧室，也使得系统更加清洁，减少了化石燃料燃烧产生的污染。

1961-1980年：初步改进发展阶段。随着压缩空气技术被提出后，在这个阶段里，人们对这项技术做出了一些初步的改进以使其更加完善和高效，1970年，有申请人在专利（FR2042024A5）中在多级透平之间设置再热装置，压缩空气被引入燃烧室中和燃料燃烧后进入第一级涡轮做功后被再热装置再次加热后进入第二级涡轮，这样进一步提高了系统热效率。随着压缩技术不断进步，为了避免压缩空气在存储的过程中温度降低，1977年就有申请人在专利（例如US4147204A）中提出，在压缩空气进入地下洞穴被存储之前，利用储热系统吸收高温压缩空气的热量，并将热量储存于储热介质（例如岩石，人工烧成石灰等）中，在释能过程中，再利用储热系统加热压缩空气然后驱动涡轮做功，由于回收了空气压缩过程中的压缩热，使得系统热效率得到较大提高，理论上可达到70%以上。

1981-2000年：综合发展阶段。压缩空气储能在经历初步发展和完善改进之后，技术已经比较成熟，因此，人们也在试图将这项技术和其它动力、能源领域的技术相结合以期将其整体综合性得到提高，1988年，在专利（EP0364106B1）中提出将压缩空气储能与太阳能技术相结合，利用太阳能集热器收集太阳能热量加热进入涡轮前的压缩空气，这样就把压缩空气储能和太阳能等可再生资源相拼接耦合，使得系统更加综合发展空间得到拓展。随着世界上发电站的发展不断大型化和综合化，1992年，有申请人将压缩空气储能技术应用于燃气蒸汽联合循环电站，在专利（US5386687A1）中，压缩空气储能系统和燃气蒸汽联合循环共同运行，用于产生高峰电能，该系统耦合了压缩空气储能、燃气轮机和蒸汽轮机3种热力循环，使得低品位余热得到更加充分地利用，因而系统热效率得到进一步提高，同时也使得整个发电系统更加综合以满足大型综合电站的发展需求。

2001至今：多元化系统化改进发展阶段。2000年以后，随着科技技术的进一步快速发展，申请人对压缩空气储能技术进行了多方面的结构上和系统上的进一步改进，以期进一步拓宽发展空间、提高效率简化结构。2003年，专利（EP1536541A1）提出利用可再生资源提供能量以驱动压缩机压缩空气，这样使得整个系统与可再生资源有机耦合，使得系统更加清洁。2009年，通用公司在专利（US2011094212A1）中提出利用可逆压缩机-膨胀器单元，在储能时，可逆压缩机-膨胀器单元作为压缩机压缩空气并将其储存，在释能时，可逆压缩机-膨胀器单元反向工作作为膨胀器利用压缩空气做功，使得系统结构简化，减小成本和占地面积。2009年，申请人中国科学院工程热物理研究所在专利（CN102213113A）中提出通过风能发电利用风电液化空气，将风电储存于液态空气中，在需要电力时，将液态空气增压后并回收其冷能提供给空气液化过程，然后再被储存太阳能的高温蓄热介质加热后进入涡轮做功，这样实现了压缩空气储能与风能、太阳能的综合互补利用；同时在专利（CN102052256A）中提出将空气压缩至超临界状态，提高了能量密度、储能效率。

纵观压缩空气储能技术的发展，压缩空气储能也在不断的发展和完善，和相近领域的其它技术也有了多样的结合，使得这项技术能够不断发展成熟也有了更加广阔的应用前景。

3 小结

综述了压缩空气储能技术的原理和发展历程，随着电力储能需求的快速增加以及我国近年的科学技术的快速发展，我国在压缩空气储能方面的研究也在不断发展进步，并且随着未来电力储能的进一步需求和发展，压缩空气储能必将会在电力系统中得到更广泛的应用。

参考文献：

[1]陈海生等.压缩空气储能技术原理[J].储能科学与技术，2013，2（02）：146-151.

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