壓縮空氣儲能專利技術綜述

張　祥（國家知識產權局專利局專利審查協作江蘇中心,江蘇　蘇州　215000）

壓縮空氣儲能專利技術綜述

張祥
（國家知識產權局專利局專利審查協作江蘇中心,江蘇蘇州215000）

壓縮空氣儲能被公認為是一種比較適合大規模系統的儲能技術。本文分析了壓縮空氣儲能概況和工作原理，并通過壓縮空氣儲能方面的專利申請為例子和脈絡，分析了壓縮空氣儲能的發展歷程。

壓縮空氣；儲能；原理；發展

1　壓縮空氣儲能概況及技術原理

1.1壓縮空氣儲能概況

儲能通過一定介質存儲能量（主要是電能），在需要時將所存儲能量釋放，以提高能量系統的效率、安全性和經濟性。儲能是目前制約可再生能源大規模利用的最主要瓶頸之一，也是提高常規電力系統效率、安全性和經濟性以及分布式能源系統和智能電網的關鍵技術，因此成為了當前電力和能源領域的研發和投資熱點。

1.2壓縮空氣儲能技術原理

壓縮空氣儲能系統是基于燃氣輪機技術發展起來的一種能量存儲系統。壓縮空氣儲能系統的壓縮機和渦輪不同時工作，在儲能時，壓縮空氣儲能系統耗用其它能源將空氣壓縮并存于儲氣室中；在釋能時，高壓空氣從儲氣室中釋放，進入燃氣輪機燃燒室同燃料一起燃燒后，驅動渦輪做功。由于儲能、釋能分時工作，在釋能過程中，并沒有壓縮機消耗渦輪的輸出功[1]。

2　壓縮空氣儲能發展歷程

自20世紀40年代末開始，出現了較為早期和初步的壓縮空氣儲能的專利申請至今，這項技術已經歷了六十余年的發展歷程，在這過程中，隨著技術的不斷進步、成熟和完善，壓縮空氣儲能也經歷了從最開始的構成較為簡單、單一到不斷改進完善、綜合、多元化和系統化的不斷發展的過程。

1949-1960年：萌芽和初步發展階段。在這個時間段里，壓縮空氣儲能技術出現了早期的專利申請，1949年就有專利（GB671539A）里提出，空氣經過帶中間冷卻器的多級壓縮機壓縮后，存儲于與湖泊連通的地下腔室中，當需要發電時，壓縮空氣被引出后與燃料在燃燒室中燃燒后驅動渦輪帶動發電機發電。在1953年有專利（GB772287A）中將燃燒室省去，利用渦輪中做完功的空氣先預熱壓縮空氣，再利用外部熱源再加熱壓縮空氣后壓縮空氣直接進入渦輪膨脹做功，這樣省去了燃燒室，也使得系統更加清潔，減少了化石燃料燃燒產生的污染。

1961-1980年：初步改進發展階段。隨著壓縮空氣技術被提出后，在這個階段里，人們對這項技術做出了一些初步的改進以使其更加完善和高效，1970年，有申請人在專利（FR2042024A5）中在多級透平之間設置再熱裝置，壓縮空氣被引入燃燒室中和燃料燃燒后進入第一級渦輪做功后被再熱裝置再次加熱后進入第二級渦輪，這樣進一步提高了系統熱效率。隨著壓縮技術不斷進步，為了避免壓縮空氣在存儲的過程中溫度降低，1977年就有申請人在專利（例如US4147204A）中提出，在壓縮空氣進入地下洞穴被存儲之前，利用儲熱系統吸收高溫壓縮空氣的熱量，并將熱量儲存于儲熱介質（例如巖石，人工燒成石灰等）中，在釋能過程中，再利用儲熱系統加熱壓縮空氣然后驅動渦輪做功，由于回收了空氣壓縮過程中的壓縮熱，使得系統熱效率得到較大提高，理論上可達到70%以上。

1981-2000年：綜合發展階段。壓縮空氣儲能在經歷初步發展和完善改進之后，技術已經比較成熟，因此，人們也在試圖將這項技術和其它動力、能源領域的技術相結合以期將其整體綜合性得到提高，1988年，在專利（EP0364106B1）中提出將壓縮空氣儲能與太陽能技術相結合，利用太陽能集熱器收集太陽能熱量加熱進入渦輪前的壓縮空氣，這樣就把壓縮空氣儲能和太陽能等可再生資源相拼接耦合，使得系統更加綜合發展空間得到拓展。隨著世界上發電站的發展不斷大型化和綜合化，1992年，有申請人將壓縮空氣儲能技術應用于燃氣蒸汽聯合循環電站，在專利（US5386687A1）中，壓縮空氣儲能系統和燃氣蒸汽聯合循環共同運行，用于產生高峰電能，該系統耦合了壓縮空氣儲能、燃氣輪機和蒸汽輪機3種熱力循環，使得低品位余熱得到更加充分地利用，因而系統熱效率得到進一步提高，同時也使得整個發電系統更加綜合以滿足大型綜合電站的發展需求。

2001至今：多元化系統化改進發展階段。2000年以后，隨著科技技術的進一步快速發展，申請人對壓縮空氣儲能技術進行了多方面的結構上和系統上的進一步改進，以期進一步拓寬發展空間、提高效率簡化結構。2003年，專利（EP1536541A 1）提出利用可再生資源提供能量以驅動壓縮機壓縮空氣，這樣使得整個系統與可再生資源有機耦合，使得系統更加清潔。2009年，通用公司在專利（US2011094212A1）中提出利用可逆壓縮機-膨脹器單元，在儲能時，可逆壓縮機-膨脹器單元作為壓縮機壓縮空氣并將其儲存，在釋能時，可逆壓縮機-膨脹器單元反向工作作為膨脹器利用壓縮空氣做功，使得系統結構簡化，減小成本和占地面積。2009年，申請人中國科學院工程熱物理研究所在專利（CN102213113A）中提出通過風能發電利用風電液化空氣，將風電儲存于液態空氣中，在需要電力時，將液態空氣增壓后并回收其冷能提供給空氣液化過程，然后再被儲存太陽能的高溫蓄熱介質加熱后進入渦輪做功，這樣實現了壓縮空氣儲能與風能、太陽能的綜合互補利用；同時在專利（CN 102052256A）中提出將空氣壓縮至超臨界狀態，提高了能量密度、儲能效率。

縱觀壓縮空氣儲能技術的發展，壓縮空氣儲能也在不斷的發展和完善，和相近領域的其它技術也有了多樣的結合，使得這項技術能夠不斷發展成熟也有了更加廣闊的應用前景。

3　小結

綜述了壓縮空氣儲能技術的原理和發展歷程，隨著電力儲能需求的快速增加以及我國近年的科學技術的快速發展，我國在壓縮空氣儲能方面的研究也在不斷發展進步，并且隨著未來電力儲能的進一步需求和發展，壓縮空氣儲能必將會在電力系統中得到更廣泛的應用。

[1]陳海生等.壓縮空氣儲能技術原理[J].儲能科學與技術,2013,2(02):146-151.