等溫壓縮空氣儲能技術及其研究進展

何 青，王 珂

（華北電力大學能源動力與機械工程學院，北京 102206）

“碳達峰、碳中和”目標的提出，使得能源的綠色、低碳發展成為主流。當前，能源行業碳排放量占我國全部碳排放量的80%以上，而煤炭在一次能源消費中占比高達57%，因此，能源行業的低碳轉型成為實現“雙碳”目標的關鍵[1]。在此背景下，以新能源為主體的電力系統將得到迅猛發展。面對大規模新能源并網可能帶來的電網運行穩定性問題，儲能系統具有調節速率快，容量配置靈活等特點，能夠提高電能質量，促進能源轉型，提高電力系統的穩定性[2]。

目前，儲能技術種類較多[3-4]，從儲能系統的輸出功率、效率、壽命、運行成本、存儲周期等方面綜合考慮，壓縮空氣儲能（compressed air energy storage, CAES）是適用于大規模系統運行的儲能技術之一，可用于電力系統調頻調峰、能量管理、備用等領域[5-6]。根據空氣在壓縮過程中的熱量管理方式，可將壓縮空氣儲能分為非絕熱壓縮空氣儲能、絕熱壓縮空氣儲能與等溫壓縮空氣儲能[7-8]。目前，壓縮空氣儲能技術正朝著高效率、零碳排的方向發展[9-10]。與其他2種壓縮空氣儲能系統相比，等溫壓縮空氣儲能（isothermal CAES, I-CAES）系統不依賴化石燃料、壓縮耗功少、結構簡單、效率較高，在未來具有很好的發展前景，然而難點在于如何增強氣液兩相的換熱，使壓縮與膨脹過程盡可能接近等溫。截至目前，使用常規機械設備很難實現氣體的等溫壓縮和膨脹，大多I-CAES概念都是基于液體活塞技術，通過相對較慢的壓縮或膨脹過程，為熱交換留出足夠的時間[11-12]。

美國的SustainX、Lightsail Energy等公司在等溫壓縮空氣儲能技術領域有很多突出成果，通過利用液體活塞、液體噴霧、水泡沫等方式增大氣液的接觸面積與接觸時間，從而提高氣液間的換熱效果，減少熱損失[13-14]。在等溫壓縮空氣儲能應用領域，Berrada等人將等溫壓縮空氣儲能與重力儲能進行耦合，并對耦合后的系統性能進行了評估[15]，而Buhagiar等人[16]以及Augwind公司[17]分別對等溫壓縮空氣儲能與可再生能源耦合后的系統進行了相應的研究。

我國對于等溫壓縮空氣儲能的研究集中于提高氣液換熱性能以及系統運行的穩定性方面。在提高氣液換熱性能方面，對液體噴霧及多孔介質等技術進行了詳細的研究[18-20]。在提高系統運行穩定性方面，Yao等人提出了一種利用壓縮機與節流閥的穩壓措施[21]，傅昊通過在系統中增加虛擬抽蓄子系統以維持壓力的恒定[22]，李丞宸等提出了一種利用高溫高壓蒸汽保證系統放電穩定性的改進方法[23]。

為推動等溫壓縮空氣儲能技術的大規模應用，本文首先介紹了等溫壓縮空氣儲能的原理及控溫技術，之后整理了現有的等溫壓縮空氣儲能系統，并對抽水壓縮空氣儲能（pumped hydro combined with compressed air energy storage，PHCA）系統及地面綜合儲能（ground-level integrated diverse energy storage，GLIDES）系統進行了詳細分析，得到了不同改進方案對系統性能的影響，最后提出了目前等溫壓縮空氣儲能技術尚待研究的關鍵技術以及尚未解決的問題。

1 等溫壓縮空氣儲能技術原理

等溫壓縮空氣儲能技術是通過采取特定控溫手段，使空氣在壓縮及膨脹過程中溫度保持在一定范圍內的儲能技術。由于空氣在壓縮（膨脹）過程中涉及大量熱量的產生（吸收）及傳遞，因而壓縮空氣儲能技術的傳熱行為在很大程度上能夠影響其性能。根據傳熱性能的好壞，可將壓縮空氣儲能的熱力循環分為等溫循環、絕熱循環以及多變循環。不同循環過程的壓縮與膨脹軌跡如圖1所示。

圖1 壓縮空氣儲能的熱力過程Fig.1 Thermodynamic process of compressed air energy storage

循環過程壓縮耗功量為[24]：

式中：Win為壓縮耗功量，J；pc為壓縮后的空氣壓力，Pa；p0為壓力容器內空氣的初始壓力，Pa；V0為初始空氣體積，m3；Vc為壓縮后的空氣體積，m3。

循環過程膨脹做功量為

式中：Wout為膨脹做功量，J；pe、p0分別為膨脹前、后的空氣壓力，Pa；Vc為膨脹初始過程中的空氣體積，m3；Ve為膨脹后的空氣體積，m3。

由圖1a)可以看出，根據式(1)，曲線AB、AC、AD與壓力p軸圍成的面積代表了不同壓縮過程將空氣壓縮至規定狀態的耗功，其中，ABMN為等溫壓縮耗功，ACMN為多變壓縮耗功，ADMN為絕熱壓縮耗功。因此，絕熱壓縮耗功最多，等溫壓縮耗功最少，多變壓縮居中，與等溫壓縮越接近的多變壓縮耗功越少。

由圖1b)可以看出，根據式(2)，曲線OE、OF、OG與壓力p軸圍成的面積代表了不同膨脹過程中空氣膨脹至規定狀態能夠做的功，EOHI為等溫膨脹做功，FOHI為多變膨脹做功，GOHI為絕熱膨脹做功。其中，絕熱膨脹過程能夠提取的功最少，等溫膨脹過程能夠提取的功最多，多變膨脹過程居中，與等溫過程越接近的多變過程能夠提取的功越多。由此可見，在一個熱力學循環過程中，不同循環方式所造成的能量損失不同，如圖2所示。

圖2 不同熱力循環的p-V圖Fig.2 p-V diagram for different thermodynamic cycles

圖2中，MJ、RS分別代表絕熱壓縮與膨脹過程，MN、RK分別代表多變壓縮與膨脹過程，MR、RM分別代表等溫壓縮與膨脹過程。由式(1)與式(2)可知：MJRS、MNRK圍成的面積分別代表單個絕熱循環及多變循環造成的能量損失；等溫循環理論上不會產生能量損失，效率可達到100%；離等溫循環越近的多變循環，系統產生的能量損失越少，效率越高。但是，在實際熱力循環過程中，由于傳熱系數、傳熱面積等因素的影響，不可能完全實現等溫壓縮與膨脹過程，提高系統的傳熱性能，使壓縮與膨脹過程盡可能接近等溫過程是提高系統效率的關鍵。而等溫壓縮空氣儲能的控溫技術通過強化氣水間的換熱，可以大大降低空氣在運行過程中的溫度變化，使等溫壓縮空氣儲能系統在運行過程中盡可能接近等溫。

2 等溫壓縮空氣儲能控溫技術

傳統壓縮空氣儲能系統在壓縮過程中通常會導致氣體溫度大幅升高，這是由于壓縮時間一般很短，壓縮過程產生的熱量來不及散失，產生了一個近乎絕熱的過程，因此需要比等溫壓縮消耗更多的功。而當氣體長時間存儲在高壓儲氣罐中時，溫度降低，導致系統總體壓縮效率降低，尤其是在高壓比情況下，提高氣體與水和外界的傳熱性能，使實際過程接近等溫是提高CAES循環效率的關鍵之一。本文介紹4種等溫壓縮空氣儲能的控溫技術，通過不同方式強化氣水間的換熱，以實現空氣的近等溫壓縮與膨脹。

2.1 液體活塞技術

液體活塞（liquid piston, LP）技術是通過將液體泵入含有一定數量氣體的密閉壓力容器中以壓縮氣體的技術，只要液體被泵入壓力容器的速度對氣液界面沒有太大的影響，氣相和液相就會因密度的不同而自然分離，從而達到壓縮氣體的目的[25]。與傳統固體活塞相比，LP技術的主要優點是：可以避免氣體泄漏；用黏性摩擦取代滑動密封摩擦，大大減少了由于摩擦導致的能量耗散；氣體在壓縮過程中產生的部分熱量能夠被液體吸收，且在膨脹過程中可以從液體中吸收熱量，從而減小了壓縮和膨脹過程中氣體溫度的變化，使壓縮和膨脹過程更接近等溫過程，保證更高的壓縮及膨脹效率[26]。

然而，在液體活塞中，氣液直接接觸會導致部分氣體溶解于液體中，從而造成部分壓力損失。氣體在液體中溶解度的規律可以通過亨利定律來解釋[27]：氣體的分壓與該氣體在溶液中的摩爾濃度近似成正比。隨著活塞內部氣體壓力的增加，溶解于液體中的氣體質量不斷增加，除此之外，活塞內部氣體壓力變化較大，可能會導致系統運行不穩定。

圖3為一種基于LP的等溫壓縮空氣儲能系統示意[28]。在壓縮過程中，電動機驅動水泵將水逐漸送至壓力容器，隨著壓力容器中水位的升高，空氣逐漸被壓縮，電能轉化為壓縮空氣的勢能進行存儲。空氣在壓縮過程中產生的熱量可以被水和外界吸收，大大減小了壓縮過程中空氣的溫升，使壓縮過程趨于等溫壓縮，減小了壓縮功的消耗。在膨脹過程中，壓力容器內的高壓空氣逐漸膨脹，推動壓力容器內的水進入水輪機做功并帶動發電機發電，將壓縮空氣的勢能轉化為電能。同時，空氣在膨脹過程中可以吸收水和外界的熱量以減緩溫度降低的幅度，使膨脹過程接近等溫膨脹[29-30]。

圖3 基于液體活塞的等溫壓縮空氣儲能系統示意Fig.3 Schematic diagram of an isothermal compressed air energy storage system based on liquid piston

2.2 液體噴霧技術

液體噴霧技術是將部分液體轉換為小液滴后進入壓力容器中與氣體進行換熱的技術，大量的小液滴可以大大提高氣液的總換熱表面積，從而達到減緩氣體溫度變化的目的，其原理如圖4所示。

圖4 液體噴霧技術原理Fig.4 Principle of liquid spray technology

在運行過程中，啟動循環水泵將壓力容器內的部分液體送入噴霧發生器中，液體在轉化為小液滴后再次進入壓力容器與氣體進行換熱。許未晴等[18]分析了使用液體噴霧技術對系統壓縮過程的影響，結果表明，體積為0.94 L的壓力容器在壓比為2情況下，采用液體噴霧技術后，壓縮耗功從177.9 J降為121.2 J，壓縮效率由61.6%提高至88.7%，而產生液滴消耗的功僅占壓縮功的2%左右。因此，使用液體噴霧技術可以實現壓縮效率的提高。

在使用液體噴霧技術時，液滴直徑與噴霧流量是影響系統傳熱能力的重要因素[19]。液滴直徑越小、噴霧流量越大，則液體與氣體的接觸面積越大，氣體在壓縮過程中的溫升幅度越小，壓縮耗功越少，壓縮效率越高[31-32]。雖然較小的液滴直徑、較大的噴霧流量會減小氣體的壓縮耗功，但會相應增加循環水泵耗功，而當循環水泵耗功大于氣體壓縮耗功減少量時，使用液體噴霧技術反而會增大壓縮過程總耗功[33-34]。因此，選擇合適的液滴直徑與噴霧流量，使壓縮過程的總耗功達到最小非常重要。

2.3 水泡沫技術

水泡沫技術是通過在活塞底部產生泡沫（含水添加劑），之后泡沫上升到氣液界面以增加氣液間傳熱面積，從而達到強化氣液間換熱的技術。Sustain公司率先提出在液體活塞中利用水泡沫技術代替液體噴霧技術，以提高等溫壓縮與膨脹的效果[35]。與液體噴霧技術相比，水泡沫技術的氣液接觸面積大、作用時間長、產生泡沫的功耗少。Patil等人[36]對采用水泡沫技術的壓縮機性能進行了研究，結果表明，當壓比為2.5時，使用水泡沫技術可使壓縮過程空氣溫度降低7～20 ℃，壓縮效率提高4%～8%。

雖然水泡沫技術能夠強化系統的換熱性能，然而，經過幾次循環后，殘留泡沫的積累可能會改變系統內部的傳熱特性和流動動力學特性，并可能導致系統某些部分的腐蝕。在未來，需要對該技術進一步進行研究，確定循環操作和泡沫幾何形狀變化對系統性能的影響。

2.4 多孔介質技術

多孔介質技術是通過將多孔介質插件插入氣液中增大換熱面積，以強化系統換熱性能的技術。將多孔介質技術應用于液體活塞可以提高其壓縮及膨脹效率[20]。Zhang等人的研究表明：在壓縮狀態下，使用多孔介質插件能夠使壓縮效率最高達到95%，提高了18%[37]；在膨脹狀態下，使用多孔介質插件能夠使膨脹效率達到89%，提高了7%[38]。多孔介質插件安裝時的覆蓋區域靈活，可以覆蓋整個壓縮/膨脹區域，也可以只覆蓋其中一部分。

多孔介質插件的結構及材料也會影響系統的換熱性能。Wieberdink等人[39]通過利用金屬平行板模擬多孔介質插件，來評價其對液體活塞壓縮過程的影響。與未插入平板的液體活塞相比，加入5塊平板和9塊平板分別可以使空氣的最終溫度降低15 ℃和20 ℃，其中，在插入9塊平板之后，壓縮效率由86.91%提高到88.91%，提高了2%。

雖然使用多孔介質插件能在一定程度上減緩空氣在壓縮（膨脹）過程的溫度變化，但使用多孔介質插件后，由于活塞體積的一部分被多孔介質占據，因此氣相空間相對變小，儲能能力相對降低。

2.5 4種控溫技術的比較

上述4種等溫壓縮空氣儲能的控溫技術能夠通過不同方式強化氣水間的換熱，從而減小運行過程中氣體溫度變化，使壓縮和膨脹過程盡可能接近等溫，降低熱損失，其優缺點匯總見表1。

表1 4種控溫技術的優缺點比較Tab.1 Analysis of the advantages and disadvantages of four kinds of temperature control technology

3 等溫壓縮空氣儲能技術研究進展

目前已有一些對等溫壓縮空氣儲能系統的研究（表2），盡管實現近等溫的方式有所不同，但都能在一定程度上降低壓縮及膨脹過程中溫度變化的幅度。

表2 現有等溫壓縮空氣儲能研究及技術特點Tab.2 Current researches and technical characteristics of isothermal compressed air energy storage

3.1 抽水壓縮空氣儲能系統

2013年，王煥然等[40]提出了一種抽水壓縮空氣儲能系統，如圖5a)所示。之后不斷對該系統進行優化，2014年提出了一種定壓PHCA系統[21]，如圖5b)所示，2021年又提出了一種新型蒸汽恒壓型PHCA系統，如圖5c)所示[23]。

圖5 PHCA系統結構Fig.5 Structural diagram of PHCA system

傳統PHCA系統在儲能過程中，水泵將水送至壓力容器中，空氣壓力會隨著水量的增加而增大；在釋能過程中，壓力容器內的高壓空氣膨脹，驅動水進入水輪機做功。

與常規PHCA系統相比，定壓PHCA系統增加了一個壓縮機與節流閥。在儲能過程中，壓縮機將壓力容器內的壓縮空氣進一步加壓后送入高壓儲氣罐中進行存儲。在釋能過程中，高壓儲氣罐內的空氣經過節流閥節流后進入壓力容器，以保證壓力容器內空氣壓力的恒定。

與傳統PHCA相比，蒸汽恒壓PHCA系統增加了一個蒸汽發生器，在釋能過程中將利用工業廢熱產生的高溫高壓蒸汽送入壓力容器中，利用蒸汽凝結過程釋放的熱量，可實現系統膨脹過程的恒壓運行。

傳統PHCA的提出能夠在一定程度上解決傳統壓縮空氣儲能系統存在的問題，但其自身在運行過程中會帶來一些新的問題。同樣，定壓PHCA與蒸汽恒壓PHCA可以解決傳統PHCA運行過程中出現的一些問題，但這是以一些方面的妥協為前提的。這3種PHCA系統的優勢及依舊存在的問題見表3。

表3 PHCA技術特點Tab.3 Technical characteristics of PHCA system

3.2 地面綜合儲能系統

Odukomaiya等人[41-42]提出了一種地面綜合儲能系統，如圖6所示。該系統利用水來壓縮空氣，通過強化水和空氣間的換熱提高系統的性能，共先后提出了以下4種方案。

方案1：采用液體活塞技術，并用水泵與水輪機代替壓縮機與膨脹機進行空氣的壓縮與膨脹過程，如圖6a)所示。

方案2：在方案1的基礎上，通過控制水泵的啟停調節壓縮過程中空氣的溫度（當壓力容器內氣體溫度高于35 ℃時，將水泵停機，當溫度降至27 ℃時，重新啟動水泵壓縮空氣）。

方案3：在方案1的基礎上，采用液體噴霧技術，在壓縮和膨脹過程中啟動循環水泵將部分水轉換成噴霧，增大空氣與水之間的傳熱，如圖6b)所示。

方案4：在方案3的基礎上，在循環水泵后添加一個熱交換器，在膨脹過程中將循環水加熱至90 ℃后再轉化為噴霧進入壓力容器，防止膨脹過程中壓力容器內空氣溫度大幅降低，如圖6c)所示。

圖6 GLIDES系統結構Fig.6 Structural diagram of GLIDES system

考慮系統各參數隨時間變化的情況，對該系統初、終壓力分別為7、13 MPa的循環過程（壓縮—第1次暫停—膨脹—第2次暫停）進行熱力學分析及仿真計算，結果見表4。其中，系統熱效率的計算方法如下：

表4 GLIDES系統仿真結果[42]Tab.4 Simulation results of the GLIDES system[42]

式中：ηt為系統熱效率，%；Wt為系統能夠從壓力容器內提取的能量，J；Et為輸入壓力容器的能量，J。

系統電效率的計算方法如下：

式中：ηe為系統電效率，%；We為發電機的發電量，J；Ee為電動機電能消耗量，J。

由表4可以看出，方案1的熱效率、電效率及能量密度最低。方案4中隨著熱交換器出口溫度的提高，系統效率及能量密度呈上升趨勢，系統熱效率大于1的原因是該系統在膨脹過程中使用工業廢熱或光伏電站余熱加熱水，其熱量并不計入效率計算中。相較于初始GLIDES系統，優化后的GLIDES系統在效率及能量密度上都有了一定的提升。

針對GLIDES系統，分別測試了不同初始壓力及壓比條件下的系統性能，結果見表5。在實驗工況1條件下系統電效率及各部分的損失分布見表6。

由表5可知：在初始壓力相同的情況下，系統的壓比越大，熱效率越低，能量密度越高；系統在所有實驗工況下的熱效率較高而電效率較低。由表6可知，系統能量損失大部分集中于水泵與水輪機，這是由于該系統在實際運行過程中壓力容器內的空氣壓力變化較大，可能會使水泵與水輪機偏離額定狀態運行，造成大量的能量損失。通過優化和重新確定這些部件的額定工作范圍，可能會使該系統的電效率與能量密度進一步提升。

表5 GLIDES系統實驗結果[45]Tab.5 Experimental results of the GLIDES system[45]

表6 GLIDES系統效率及各部分損失分布[45]Tab.6 Efficiency and loss distribution of the GLIDES system[45]

4 討 論

等溫壓縮空氣儲能系統具有結構簡單、理論效率高、容易與可再生能源耦合等特點，然而在實際運行過程中，可能會出現如下問題：

1）等溫壓縮空氣儲能系統活塞內部空氣壓力變化較大，可能會使水泵與水輪機超出額定工作范圍運行，導致系統效率大幅降低且運行不穩定。

2）在壓縮過程中，隨著活塞內部空氣壓力增大，溶于水中的空氣質量不斷增加，導致部分工質損失；在進行多次循環之后，可能會使壓力容器內的空氣質量大幅減少。

3）等溫壓縮空氣儲能系統的壓縮與膨脹過程在壓力容器內進行，因此，需要壓力容器能夠承受較高的壓力，這可能會導致系統成本增加，經濟性降低。

4）在初始壓力一定時，隨著壓比的增大，系統能量密度增大而效率降低；在壓比一定時，隨著初始壓力的增大，系統能量密度增大而效率降低。因此，需要選擇合適的參數，使系統擁有較高效率的同時盡可能增加系統的能量密度。

5）在強化傳熱領域，使用液體噴霧技術時如何選擇合適的噴霧流量使壓縮功達到最小，使用多孔介質技術時如何平衡系統效率與能量密度的關系，也是需要考慮的問題。

以上問題可通過下述思路解決：

1）針對系統運行過程中壓力不穩定的問題，從技術方面而言，等溫壓縮空氣儲能大多基于液體活塞技術實現，而目前液體活塞以空氣為介質，水為活塞液。可以尋找一種在常溫高壓下容易液化的氣體為介質，使其在壓縮過程中由氣態變為液態，在膨脹過程中由液態變為氣態，根據氣體在液化過程中壓力維持不變的特性，大大降低運行過程中的壓力變化幅度。從設備方面而言：一方面可以選擇額定工作范圍較廣的水泵與水輪機，通過對系統參數進行設計與優化，保證實際運行過程中系統參數處于水泵與水輪機的額定范圍內；另一方面，可將多臺額定水頭不同的水輪機并聯，在放電過程中根據系統所處狀態選擇不同的水輪機運行。

2）針對空氣在運行過程中溶于水的問題：一方面可以通過在循環一定次數后對壓力容器進行補氣解決；另一方面，需要選擇合適的系統參數，在保證系統效率及能量密度的前提下，盡可能減小系統的壓比。

3）對于系統的經濟性問題，需要對其成本及收益進行詳細計算，以確定系統的全壽命周期成本、投資回報年限等問題。

4）在參數選擇方面，需要分析各參數對系統性能的影響，選擇合適的參數，在保證系統經濟性的同時，使系統擁有較高效率及較大的能量密度。

5）在強化換熱方面，需要選擇合適的強化換熱方式，明確影響系統換熱性能的因素，并對其進行理論計算及實驗分析，在提高系統換熱性能的同時盡量減小其他因素對系統性能的影響。

5 結 語

可再生能源的大規模發展是我國可持續發展的必然，同時也需要綠色、安全的儲能技術保證其大規模并網及安全運行。等溫壓縮空氣儲能技術容易與可再生能源電站進行耦合，且具有效率高、結構簡單，容量配置靈活等優點，從長遠來看，耦合可再生能源的等溫壓縮空氣儲能系統擁有巨大的發展潛力。