等温压缩空气储能技术及其研究进展

何 青，王 珂

（华北电力大学能源动力与机械工程学院，北京 102206）

“碳达峰、碳中和”目标的提出，使得能源的绿色、低碳发展成为主流。当前，能源行业碳排放量占我国全部碳排放量的80%以上，而煤炭在一次能源消费中占比高达57%，因此，能源行业的低碳转型成为实现“双碳”目标的关键[1]。在此背景下，以新能源为主体的电力系统将得到迅猛发展。面对大规模新能源并网可能带来的电网运行稳定性问题，储能系统具有调节速率快，容量配置灵活等特点，能够提高电能质量，促进能源转型，提高电力系统的稳定性[2]。

目前，储能技术种类较多[3-4]，从储能系统的输出功率、效率、寿命、运行成本、存储周期等方面综合考虑，压缩空气储能（compressed air energy storage, CAES）是适用于大规模系统运行的储能技术之一，可用于电力系统调频调峰、能量管理、备用等领域[5-6]。根据空气在压缩过程中的热量管理方式，可将压缩空气储能分为非绝热压缩空气储能、绝热压缩空气储能与等温压缩空气储能[7-8]。目前，压缩空气储能技术正朝着高效率、零碳排的方向发展[9-10]。与其他2种压缩空气储能系统相比，等温压缩空气储能（isothermal CAES, I-CAES）系统不依赖化石燃料、压缩耗功少、结构简单、效率较高，在未来具有很好的发展前景，然而难点在于如何增强气液两相的换热，使压缩与膨胀过程尽可能接近等温。截至目前，使用常规机械设备很难实现气体的等温压缩和膨胀，大多I-CAES概念都是基于液体活塞技术，通过相对较慢的压缩或膨胀过程，为热交换留出足够的时间[11-12]。

美国的SustainX、Lightsail Energy等公司在等温压缩空气储能技术领域有很多突出成果，通过利用液体活塞、液体喷雾、水泡沫等方式增大气液的接触面积与接触时间，从而提高气液间的换热效果，减少热损失[13-14]。在等温压缩空气储能应用领域，Berrada等人将等温压缩空气储能与重力储能进行耦合，并对耦合后的系统性能进行了评估[15]，而Buhagiar等人[16]以及Augwind公司[17]分别对等温压缩空气储能与可再生能源耦合后的系统进行了相应的研究。

我国对于等温压缩空气储能的研究集中于提高气液换热性能以及系统运行的稳定性方面。在提高气液换热性能方面，对液体喷雾及多孔介质等技术进行了详细的研究[18-20]。在提高系统运行稳定性方面，Yao等人提出了一种利用压缩机与节流阀的稳压措施[21]，傅昊通过在系统中增加虚拟抽蓄子系统以维持压力的恒定[22]，李丞宸等提出了一种利用高温高压蒸汽保证系统放电稳定性的改进方法[23]。

为推动等温压缩空气储能技术的大规模应用，本文首先介绍了等温压缩空气储能的原理及控温技术，之后整理了现有的等温压缩空气储能系统，并对抽水压缩空气储能（pumped hydro combined with compressed air energy storage，PHCA）系统及地面综合储能（ground-level integrated diverse energy storage，GLIDES）系统进行了详细分析，得到了不同改进方案对系统性能的影响，最后提出了目前等温压缩空气储能技术尚待研究的关键技术以及尚未解决的问题。

1 等温压缩空气储能技术原理

等温压缩空气储能技术是通过采取特定控温手段，使空气在压缩及膨胀过程中温度保持在一定范围内的储能技术。由于空气在压缩（膨胀）过程中涉及大量热量的产生（吸收）及传递，因而压缩空气储能技术的传热行为在很大程度上能够影响其性能。根据传热性能的好坏，可将压缩空气储能的热力循环分为等温循环、绝热循环以及多变循环。不同循环过程的压缩与膨胀轨迹如图1所示。

图1 压缩空气储能的热力过程Fig.1 Thermodynamic process of compressed air energy storage

循环过程压缩耗功量为[24]：

式中：Win为压缩耗功量，J；pc为压缩后的空气压力，Pa；p0为压力容器内空气的初始压力，Pa；V0为初始空气体积，m3；Vc为压缩后的空气体积，m3。

循环过程膨胀做功量为

式中：Wout为膨胀做功量，J；pe、p0分别为膨胀前、后的空气压力，Pa；Vc为膨胀初始过程中的空气体积，m3；Ve为膨胀后的空气体积，m3。

由图1a)可以看出，根据式(1)，曲线AB、AC、AD与压力p轴围成的面积代表了不同压缩过程将空气压缩至规定状态的耗功，其中，ABMN为等温压缩耗功，ACMN为多变压缩耗功，ADMN为绝热压缩耗功。因此，绝热压缩耗功最多，等温压缩耗功最少，多变压缩居中，与等温压缩越接近的多变压缩耗功越少。

由图1b)可以看出，根据式(2)，曲线OE、OF、OG与压力p轴围成的面积代表了不同膨胀过程中空气膨胀至规定状态能够做的功，EOHI为等温膨胀做功，FOHI为多变膨胀做功，GOHI为绝热膨胀做功。其中，绝热膨胀过程能够提取的功最少，等温膨胀过程能够提取的功最多，多变膨胀过程居中，与等温过程越接近的多变过程能够提取的功越多。由此可见，在一个热力学循环过程中，不同循环方式所造成的能量损失不同，如图2所示。

图2 不同热力循环的p-V图Fig.2 p-V diagram for different thermodynamic cycles

图2中，MJ、RS分别代表绝热压缩与膨胀过程，MN、RK分别代表多变压缩与膨胀过程，MR、RM分别代表等温压缩与膨胀过程。由式(1)与式(2)可知：MJRS、MNRK围成的面积分别代表单个绝热循环及多变循环造成的能量损失；等温循环理论上不会产生能量损失，效率可达到100%；离等温循环越近的多变循环，系统产生的能量损失越少，效率越高。但是，在实际热力循环过程中，由于传热系数、传热面积等因素的影响，不可能完全实现等温压缩与膨胀过程，提高系统的传热性能，使压缩与膨胀过程尽可能接近等温过程是提高系统效率的关键。而等温压缩空气储能的控温技术通过强化气水间的换热，可以大大降低空气在运行过程中的温度变化，使等温压缩空气储能系统在运行过程中尽可能接近等温。

2 等温压缩空气储能控温技术

传统压缩空气储能系统在压缩过程中通常会导致气体温度大幅升高，这是由于压缩时间一般很短，压缩过程产生的热量来不及散失，产生了一个近乎绝热的过程，因此需要比等温压缩消耗更多的功。而当气体长时间存储在高压储气罐中时，温度降低，导致系统总体压缩效率降低，尤其是在高压比情况下，提高气体与水和外界的传热性能，使实际过程接近等温是提高CAES循环效率的关键之一。本文介绍4种等温压缩空气储能的控温技术，通过不同方式强化气水间的换热，以实现空气的近等温压缩与膨胀。

2.1 液体活塞技术

液体活塞（liquid piston, LP）技术是通过将液体泵入含有一定数量气体的密闭压力容器中以压缩气体的技术，只要液体被泵入压力容器的速度对气液界面没有太大的影响，气相和液相就会因密度的不同而自然分离，从而达到压缩气体的目的[25]。与传统固体活塞相比，LP技术的主要优点是：可以避免气体泄漏；用黏性摩擦取代滑动密封摩擦，大大减少了由于摩擦导致的能量耗散；气体在压缩过程中产生的部分热量能够被液体吸收，且在膨胀过程中可以从液体中吸收热量，从而减小了压缩和膨胀过程中气体温度的变化，使压缩和膨胀过程更接近等温过程，保证更高的压缩及膨胀效率[26]。

然而，在液体活塞中，气液直接接触会导致部分气体溶解于液体中，从而造成部分压力损失。气体在液体中溶解度的规律可以通过亨利定律来解释[27]：气体的分压与该气体在溶液中的摩尔浓度近似成正比。随着活塞内部气体压力的增加，溶解于液体中的气体质量不断增加，除此之外，活塞内部气体压力变化较大，可能会导致系统运行不稳定。

图3为一种基于LP的等温压缩空气储能系统示意[28]。在压缩过程中，电动机驱动水泵将水逐渐送至压力容器，随着压力容器中水位的升高，空气逐渐被压缩，电能转化为压缩空气的势能进行存储。空气在压缩过程中产生的热量可以被水和外界吸收，大大减小了压缩过程中空气的温升，使压缩过程趋于等温压缩，减小了压缩功的消耗。在膨胀过程中，压力容器内的高压空气逐渐膨胀，推动压力容器内的水进入水轮机做功并带动发电机发电，将压缩空气的势能转化为电能。同时，空气在膨胀过程中可以吸收水和外界的热量以减缓温度降低的幅度，使膨胀过程接近等温膨胀[29-30]。

图3 基于液体活塞的等温压缩空气储能系统示意Fig.3 Schematic diagram of an isothermal compressed air energy storage system based on liquid piston

2.2 液体喷雾技术

液体喷雾技术是将部分液体转换为小液滴后进入压力容器中与气体进行换热的技术，大量的小液滴可以大大提高气液的总换热表面积，从而达到减缓气体温度变化的目的，其原理如图4所示。

图4 液体喷雾技术原理Fig.4 Principle of liquid spray technology

在运行过程中，启动循环水泵将压力容器内的部分液体送入喷雾发生器中，液体在转化为小液滴后再次进入压力容器与气体进行换热。许未晴等[18]分析了使用液体喷雾技术对系统压缩过程的影响，结果表明，体积为0.94 L的压力容器在压比为2情况下，采用液体喷雾技术后，压缩耗功从177.9 J降为121.2 J，压缩效率由61.6%提高至88.7%，而产生液滴消耗的功仅占压缩功的2%左右。因此，使用液体喷雾技术可以实现压缩效率的提高。

在使用液体喷雾技术时，液滴直径与喷雾流量是影响系统传热能力的重要因素[19]。液滴直径越小、喷雾流量越大，则液体与气体的接触面积越大，气体在压缩过程中的温升幅度越小，压缩耗功越少，压缩效率越高[31-32]。虽然较小的液滴直径、较大的喷雾流量会减小气体的压缩耗功，但会相应增加循环水泵耗功，而当循环水泵耗功大于气体压缩耗功减少量时，使用液体喷雾技术反而会增大压缩过程总耗功[33-34]。因此，选择合适的液滴直径与喷雾流量，使压缩过程的总耗功达到最小非常重要。

2.3 水泡沫技术

水泡沫技术是通过在活塞底部产生泡沫（含水添加剂），之后泡沫上升到气液界面以增加气液间传热面积，从而达到强化气液间换热的技术。Sustain公司率先提出在液体活塞中利用水泡沫技术代替液体喷雾技术，以提高等温压缩与膨胀的效果[35]。与液体喷雾技术相比，水泡沫技术的气液接触面积大、作用时间长、产生泡沫的功耗少。Patil等人[36]对采用水泡沫技术的压缩机性能进行了研究，结果表明，当压比为2.5时，使用水泡沫技术可使压缩过程空气温度降低7～20 ℃，压缩效率提高4%～8%。

虽然水泡沫技术能够强化系统的换热性能，然而，经过几次循环后，残留泡沫的积累可能会改变系统内部的传热特性和流动动力学特性，并可能导致系统某些部分的腐蚀。在未来，需要对该技术进一步进行研究，确定循环操作和泡沫几何形状变化对系统性能的影响。

2.4 多孔介质技术

多孔介质技术是通过将多孔介质插件插入气液中增大换热面积，以强化系统换热性能的技术。将多孔介质技术应用于液体活塞可以提高其压缩及膨胀效率[20]。Zhang等人的研究表明：在压缩状态下，使用多孔介质插件能够使压缩效率最高达到95%，提高了18%[37]；在膨胀状态下，使用多孔介质插件能够使膨胀效率达到89%，提高了7%[38]。多孔介质插件安装时的覆盖区域灵活，可以覆盖整个压缩/膨胀区域，也可以只覆盖其中一部分。

多孔介质插件的结构及材料也会影响系统的换热性能。Wieberdink等人[39]通过利用金属平行板模拟多孔介质插件，来评价其对液体活塞压缩过程的影响。与未插入平板的液体活塞相比，加入5块平板和9块平板分别可以使空气的最终温度降低15 ℃和20 ℃，其中，在插入9块平板之后，压缩效率由86.91%提高到88.91%，提高了2%。

虽然使用多孔介质插件能在一定程度上减缓空气在压缩（膨胀）过程的温度变化，但使用多孔介质插件后，由于活塞体积的一部分被多孔介质占据，因此气相空间相对变小，储能能力相对降低。

2.5 4种控温技术的比较

上述4种等温压缩空气储能的控温技术能够通过不同方式强化气水间的换热，从而减小运行过程中气体温度变化，使压缩和膨胀过程尽可能接近等温，降低热损失，其优缺点汇总见表1。

表1 4种控温技术的优缺点比较Tab.1 Analysis of the advantages and disadvantages of four kinds of temperature control technology

3 等温压缩空气储能技术研究进展

目前已有一些对等温压缩空气储能系统的研究（表2），尽管实现近等温的方式有所不同，但都能在一定程度上降低压缩及膨胀过程中温度变化的幅度。

表2 现有等温压缩空气储能研究及技术特点Tab.2 Current researches and technical characteristics of isothermal compressed air energy storage

3.1 抽水压缩空气储能系统

2013年，王焕然等[40]提出了一种抽水压缩空气储能系统，如图5a)所示。之后不断对该系统进行优化，2014年提出了一种定压PHCA系统[21]，如图5b)所示，2021年又提出了一种新型蒸汽恒压型PHCA系统，如图5c)所示[23]。

图5 PHCA系统结构Fig.5 Structural diagram of PHCA system

传统PHCA系统在储能过程中，水泵将水送至压力容器中，空气压力会随着水量的增加而增大；在释能过程中，压力容器内的高压空气膨胀，驱动水进入水轮机做功。

与常规PHCA系统相比，定压PHCA系统增加了一个压缩机与节流阀。在储能过程中，压缩机将压力容器内的压缩空气进一步加压后送入高压储气罐中进行存储。在释能过程中，高压储气罐内的空气经过节流阀节流后进入压力容器，以保证压力容器内空气压力的恒定。

与传统PHCA相比，蒸汽恒压PHCA系统增加了一个蒸汽发生器，在释能过程中将利用工业废热产生的高温高压蒸汽送入压力容器中，利用蒸汽凝结过程释放的热量，可实现系统膨胀过程的恒压运行。

传统PHCA的提出能够在一定程度上解决传统压缩空气储能系统存在的问题，但其自身在运行过程中会带来一些新的问题。同样，定压PHCA与蒸汽恒压PHCA可以解决传统PHCA运行过程中出现的一些问题，但这是以一些方面的妥协为前提的。这3种PHCA系统的优势及依旧存在的问题见表3。

表3 PHCA技术特点Tab.3 Technical characteristics of PHCA system

3.2 地面综合储能系统

Odukomaiya等人[41-42]提出了一种地面综合储能系统，如图6所示。该系统利用水来压缩空气，通过强化水和空气间的换热提高系统的性能，共先后提出了以下4种方案。

方案1：采用液体活塞技术，并用水泵与水轮机代替压缩机与膨胀机进行空气的压缩与膨胀过程，如图6a)所示。

方案2：在方案1的基础上，通过控制水泵的启停调节压缩过程中空气的温度（当压力容器内气体温度高于35 ℃时，将水泵停机，当温度降至27 ℃时，重新启动水泵压缩空气）。

方案3：在方案1的基础上，采用液体喷雾技术，在压缩和膨胀过程中启动循环水泵将部分水转换成喷雾，增大空气与水之间的传热，如图6b)所示。

方案4：在方案3的基础上，在循环水泵后添加一个热交换器，在膨胀过程中将循环水加热至90 ℃后再转化为喷雾进入压力容器，防止膨胀过程中压力容器内空气温度大幅降低，如图6c)所示。

图6 GLIDES系统结构Fig.6 Structural diagram of GLIDES system

考虑系统各参数随时间变化的情况，对该系统初、终压力分别为7、13 MPa的循环过程（压缩—第1次暂停—膨胀—第2次暂停）进行热力学分析及仿真计算，结果见表4。其中，系统热效率的计算方法如下：

表4 GLIDES系统仿真结果[42]Tab.4 Simulation results of the GLIDES system[42]

式中：ηt为系统热效率，%；Wt为系统能够从压力容器内提取的能量，J；Et为输入压力容器的能量，J。

系统电效率的计算方法如下：

式中：ηe为系统电效率，%；We为发电机的发电量，J；Ee为电动机电能消耗量，J。

由表4可以看出，方案1的热效率、电效率及能量密度最低。方案4中随着热交换器出口温度的提高，系统效率及能量密度呈上升趋势，系统热效率大于1的原因是该系统在膨胀过程中使用工业废热或光伏电站余热加热水，其热量并不计入效率计算中。相较于初始GLIDES系统，优化后的GLIDES系统在效率及能量密度上都有了一定的提升。

针对GLIDES系统，分别测试了不同初始压力及压比条件下的系统性能，结果见表5。在实验工况1条件下系统电效率及各部分的损失分布见表6。

由表5可知：在初始压力相同的情况下，系统的压比越大，热效率越低，能量密度越高；系统在所有实验工况下的热效率较高而电效率较低。由表6可知，系统能量损失大部分集中于水泵与水轮机，这是由于该系统在实际运行过程中压力容器内的空气压力变化较大，可能会使水泵与水轮机偏离额定状态运行，造成大量的能量损失。通过优化和重新确定这些部件的额定工作范围，可能会使该系统的电效率与能量密度进一步提升。

表5 GLIDES系统实验结果[45]Tab.5 Experimental results of the GLIDES system[45]

表6 GLIDES系统效率及各部分损失分布[45]Tab.6 Efficiency and loss distribution of the GLIDES system[45]

4 讨 论

等温压缩空气储能系统具有结构简单、理论效率高、容易与可再生能源耦合等特点，然而在实际运行过程中，可能会出现如下问题：

1）等温压缩空气储能系统活塞内部空气压力变化较大，可能会使水泵与水轮机超出额定工作范围运行，导致系统效率大幅降低且运行不稳定。

2）在压缩过程中，随着活塞内部空气压力增大，溶于水中的空气质量不断增加，导致部分工质损失；在进行多次循环之后，可能会使压力容器内的空气质量大幅减少。

3）等温压缩空气储能系统的压缩与膨胀过程在压力容器内进行，因此，需要压力容器能够承受较高的压力，这可能会导致系统成本增加，经济性降低。

4）在初始压力一定时，随着压比的增大，系统能量密度增大而效率降低；在压比一定时，随着初始压力的增大，系统能量密度增大而效率降低。因此，需要选择合适的参数，使系统拥有较高效率的同时尽可能增加系统的能量密度。

5）在强化传热领域，使用液体喷雾技术时如何选择合适的喷雾流量使压缩功达到最小，使用多孔介质技术时如何平衡系统效率与能量密度的关系，也是需要考虑的问题。

以上问题可通过下述思路解决：

1）针对系统运行过程中压力不稳定的问题，从技术方面而言，等温压缩空气储能大多基于液体活塞技术实现，而目前液体活塞以空气为介质，水为活塞液。可以寻找一种在常温高压下容易液化的气体为介质，使其在压缩过程中由气态变为液态，在膨胀过程中由液态变为气态，根据气体在液化过程中压力维持不变的特性，大大降低运行过程中的压力变化幅度。从设备方面而言：一方面可以选择额定工作范围较广的水泵与水轮机，通过对系统参数进行设计与优化，保证实际运行过程中系统参数处于水泵与水轮机的额定范围内；另一方面，可将多台额定水头不同的水轮机并联，在放电过程中根据系统所处状态选择不同的水轮机运行。

2）针对空气在运行过程中溶于水的问题：一方面可以通过在循环一定次数后对压力容器进行补气解决；另一方面，需要选择合适的系统参数，在保证系统效率及能量密度的前提下，尽可能减小系统的压比。

3）对于系统的经济性问题，需要对其成本及收益进行详细计算，以确定系统的全寿命周期成本、投资回报年限等问题。

4）在参数选择方面，需要分析各参数对系统性能的影响，选择合适的参数，在保证系统经济性的同时，使系统拥有较高效率及较大的能量密度。

5）在强化换热方面，需要选择合适的强化换热方式，明确影响系统换热性能的因素，并对其进行理论计算及实验分析，在提高系统换热性能的同时尽量减小其他因素对系统性能的影响。

5 结 语

可再生能源的大规模发展是我国可持续发展的必然，同时也需要绿色、安全的储能技术保证其大规模并网及安全运行。等温压缩空气储能技术容易与可再生能源电站进行耦合，且具有效率高、结构简单，容量配置灵活等优点，从长远来看，耦合可再生能源的等温压缩空气储能系统拥有巨大的发展潜力。