小型風力-壓縮空氣儲能系統(tǒng)研究概述

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(內蒙古科技大學 機械工程學院，內蒙古 包頭 014010)

引言

人類對化石能源的依賴導致用能比例的嚴重失衡。目前，我國90%能源消耗來自化石燃料的燃燒。用清潔能源來代替?zhèn)鹘y(tǒng)燃料將會成為今后的發(fā)展趨勢。據(jù)世界能源市場展望報道，從2015～2040年能源的需求將增長51%[1]。

解決能源問題的主要方法是大力發(fā)展再生能源，再生能源當中，風能技術無論從技術還是成本方面都是最具有競爭力的。全國風力發(fā)電由2010年的11.26億千瓦時增長到2017年的2950億千瓦時，年均增長122%。然而，風能等可再生能源的間歇性和不穩(wěn)定性導致了雖然裝機容量巨大，但不能大規(guī)模并入電網。以內蒙古西部2017年上半年為例上網電量約1.6×106MW，棄風電量約3.5×105MW，如圖1所示。

小型壓縮空氣儲能能夠有效的達到削峰填谷，并解決風力發(fā)電的波動性及其并網消納等問題[2-3]。壓縮空氣儲能有著使用壽命長、 能量密度大和建造成本低等優(yōu)點受到了廣泛的關注。目前以高壓大規(guī)模地下洞穴空氣儲能為主，但其建設成本較高，使用范圍條件特殊難以大規(guī)模普及。而針對與單臺風力發(fā)電機耦合的小型壓縮空氣儲能系統(tǒng)更為經濟、穩(wěn)定。這種微網型的儲能方式適應性更強，也能較好的解決風電由于間歇性和波動性導致的風電場容量可信度低、可調節(jié)性差等問題[4-5]。

圖1 內蒙古西部2017年上半年各地區(qū)上網電量與棄風電量對比

本研究將為一些地區(qū)嚴重的棄風現(xiàn)象提供一種可行的技術解決方案，可實現(xiàn)“消峰填谷”和平衡電力負荷的作用。為可再生能源應用于微能源電網提供一種可行的技術路徑，對于解決能源危機、環(huán)境污染現(xiàn)狀,以及國民經濟的發(fā)展起到了巨大的推動作用。研究對目前儲能技術進行介紹與總結，并指出其關鍵技術的發(fā)展方向。

1 儲能技術

新能源的發(fā)展逐漸開始重視風力發(fā)電的穩(wěn)定性與配合風力發(fā)電聯(lián)合運行的儲能技術[6-8]。隨著科技的發(fā)展當前出現(xiàn)多種儲能方式，其中壓縮空氣儲能、蓄電池、抽水儲能和超級電容的研究與應用較為廣泛。表1對幾種儲能方式進行了簡要介紹與對比。文獻[9-11]中提到了各種儲能方式的特點。蓄電池儲能技術最為成熟，電池主要采用鈉硫電池和鉛酸電池等。但是蓄電池壽命較短，需定期批量更換，間接的加大了使用成本，并且電池達到使用年限后的處理也較為繁瑣[12-13]。超級電容具有優(yōu)良的充放電性能，其使用條件相對寬松，并且使用壽命較長，但是超級電容儲能能量密度較小，造價較高，無法應用于風力發(fā)電儲能中[14]。抽水儲能嚴格受到地理位置的限制，北方為風力發(fā)電主要建設與出力區(qū)域，大多數(shù)北方地區(qū)水資源不豐富，很難形成風-水互補型的電站[15-16]。而壓縮空氣儲能有成本低、容量大和適應性強等特點，這使它比其他儲能技術更適合配合風力發(fā)電[17-18]。

表1 簡要比較各種儲能形式

1.1 壓縮空氣發(fā)展現(xiàn)狀

STAL Laval在1949年首次提出壓縮空氣儲能的概念，隨著能源行業(yè)的大發(fā)展，儲能技術成為科研發(fā)展的熱點。從20世紀開始世界各地陸續(xù)建設壓縮空氣電站和示范應用性項目。

當前壓縮空氣儲能的應用主要是針對大規(guī)模的地下壓縮[19-22]，原理圖見圖2。以地下鹽穴儲氣技術為例，它利用工人挖掘或改造地下洞穴來儲存壓縮空氣的技術[23-24]。洞穴的深度、容量、間距和壓力等參數(shù)嚴格的受到地理條件的限制[25]，具體參數(shù)見表2。

圖2 大型壓縮空氣儲能原理圖

表2 已運行的大規(guī)?？諝鈨δ茈娬?/p>

總體來看，大規(guī)模壓縮空氣儲能技術研究雖然已趨于成熟，但其技術的應用嚴重依賴于大型儲氣室的建造，導致整體推廣比較困難。

為了解決壓縮空氣儲能依賴大型地下洞穴的問題，2007 年中科院物理所陳海生[31]在其專利中提出了液化空氣儲能系統(tǒng)，將儲存容積減小一個數(shù)量級。

近些年，為了提高小型電網電能質量，壓縮空氣儲能規(guī)模逐步向微小型化發(fā)展，以滿足分散式發(fā)電和微型智能電網的要求[32]。王成山等[33]研究了混合儲能系統(tǒng)的工作原理并設計了系統(tǒng)的基本結構，通過實驗提出了壓縮空氣儲能原動機部分的數(shù)學模型。ROBERTO等[34]對小型壓縮空氣儲能系統(tǒng)進行了能量和熱力學性能的研究，討論了一種近似等溫壓縮/膨脹的方法，指出了該方法可以提高整體系統(tǒng)的效率。為了解決小型移動基站電力需求，JANNELLI等[32]提出了一種新型小規(guī)模與新能源相耦合的壓縮空氣儲能系統(tǒng)，并對其儲能裝置的尺寸進行了設計。

隨著分布式智能微網的建設，小型壓縮空氣儲能技術受到了廣泛的關注，尤其是結合風力發(fā)電的小型壓縮空氣耦合系統(tǒng)的研究逐漸成為研究的熱點問題。

2 小型CAES(Compressed Air Energy Storage)的工作原理

為了克服風能利用過程中風力的隨機性和波動性問題，HAO等[35]利用渦輪式膨脹機設計了一種新型的風力-壓縮空氣儲能系統(tǒng)，氣壓驅動機構輸出的動力通過電磁離合器與風力永磁發(fā)電機相連，因而驅動機構動力輸出發(fā)電無需再配置發(fā)電機，并搭建了一個小規(guī)模的試驗平臺，系統(tǒng)測試結果顯示從壓縮空氣獲取的能量55%轉化成電能輸出，其效率值遠高于典型氣動執(zhí)行器的效率，其系統(tǒng)原理圖如圖3所示。同時研究表明，風能與壓縮空氣耦合系統(tǒng)可使風力發(fā)電的發(fā)電率提升到80%，遠高于現(xiàn)普及的風力發(fā)電機40%的上限[36]。小型風力-壓縮空氣儲能系統(tǒng)，不但能夠提高系統(tǒng)發(fā)電率，而且對現(xiàn)有傳統(tǒng)風機進行儲能改造時無需單獨匹配發(fā)電機，可以同風機共同使用一臺發(fā)電機很大程度上減少了成本。

其工作原理是風力發(fā)電機通過在非高峰時段存儲剩余功率并將其釋放用于峰值來提高電力系統(tǒng)的供電能力和風能利用率[37-40]。一般情況下，風速較大時剩余功率較多，這時風力發(fā)電機組將多余電能驅動壓縮機進行儲能[41-42]。當風速較小的時候，將儲存的高壓空氣釋放并驅動膨脹機，通過動力耦合器將機械能傳遞給發(fā)電機，達到平穩(wěn)發(fā)電的目的。為了使風力發(fā)電機組能夠高效運行在發(fā)電與儲能兩種狀態(tài)之間，可以結合當天風功率預測，提前規(guī)劃運行方式。風力發(fā)電機單獨工作時發(fā)電機轉數(shù)將隨著風速變換產生波動，如果根據(jù)當天風功率預測，找到最佳的運行方式，在風速較大時期儲能，風速較小時期釋能，使風力發(fā)電機組能夠較為穩(wěn)定的輸出功率。

圖3 風-儲耦合小型壓縮空氣系統(tǒng)

3 關鍵技術

當前風力發(fā)電機組主要以2 MW和3 MW為主。根據(jù)不同機型的發(fā)電機功率選擇相匹配的膨脹機，按照儲氣容積和儲氣壓力確定壓縮機規(guī)格。按理論上壓縮空氣儲能系統(tǒng)的運行最大效率和系統(tǒng)最小儲氣容積計算，如表3所示。當調峰時間一定時，隨著儲氣壓力的不斷增加，壓縮耗時和耗能都增加，但是儲能所占空間會降低。表3的內容表明壓縮儲能系統(tǒng)各參數(shù)之間的關系[43]。

儲能系統(tǒng)各部分之間有著緊密的關系，下面分析每個過程。

表3 小型壓縮空氣儲能系統(tǒng)參數(shù)與性能

3.1 空氣儲能技術

為了減小儲能規(guī)模對儲氣容積的依賴，減少化石燃料的使用，研究人員在傳統(tǒng)壓縮空氣儲能的基礎上提出了具有熱量存儲的壓縮空氣儲能系統(tǒng)(Advanced Adiabatic Compressed Air Energy Storage，AA-CAES)[44-45]和等溫壓縮空氣儲能系統(tǒng)(Isothermal Compressed Air Energy Storage，I-CAES)[46]。空氣在壓縮過程中會產生大量的熱量，高溫高壓的氣體在壓縮過程中和儲存過程中對設備都是一種考驗。下面分別介紹三種壓縮技術來解決溫度問題。

1) 先進絕熱壓縮

相比傳統(tǒng)的CAES，AA-CAES系統(tǒng)安裝蓄熱裝置來儲存壓縮空氣過程中的熱量，這樣就代替了燃料燃燒來提高膨脹效率，原理圖如圖4所示。近年來，涌現(xiàn)一批具有競爭力的科研隊伍，并積極的推進了國家示范工程。清華大學建成安徽蕪湖 500 kW AA-CAES 實驗系統(tǒng) TICC-500，率先實現(xiàn)并網發(fā)電，儲能發(fā)電效率高達 41%(初始實驗效率33.3%)，綜合能量效率高達 72%[47-48]。2016 年 8月，清華大學研發(fā)的千瓦光熱混合計算機測試系統(tǒng)STHC-100在青海大學智能微電網示范區(qū)成功完成冷熱電三聯(lián)供電試驗[49-50]。

圖4 AA-CAES簡化原理圖

AA-CAES 系統(tǒng)由壓縮機、膨脹機、蓄熱裝置、儲氣罐等組成，各組成部件動態(tài)特性緊密耦合。它的工作原理是，在儲能過程中，電機帶動多級壓縮機對空氣進行逐級壓縮，每級壓縮后通過蓄熱裝置對壓縮氣體進行冷卻，并將壓縮過程中產生的熱量儲存在蓄熱裝置中。在膨脹過程中，高壓氣體在每一級膨脹之前先通過蓄熱裝置，通過吸收蓄熱器中的熱量后變成高溫高壓氣體，從而提高膨脹效率[51-55]。

一方面，蓄熱系統(tǒng)的存在已經取代傳統(tǒng)CAES電站中的燃燒燃料的環(huán)節(jié)，另一方面使 AA-CAES 電站可利用系統(tǒng)多余的壓縮熱能(或外部擴展熱源)供熱，提高了綜合能量效率與用途。AA-CAES 電站的電能存儲與熱量存儲特性賦予其多能聯(lián)儲特性[56]。AA-CAES 電站具備優(yōu)異的熱電聯(lián)儲與熱電聯(lián)產特性，具有靈活的運行特性，適宜在智能電網和綜合能源系統(tǒng)中推廣應用[57]。AA-CAES 另一個優(yōu)勢在于其具備靈活的擴展能力，可通過輔助電加熱單元[58]、光熱收集單元[59-60]等外部擴展熱源，提高單位工質(高壓空氣)做功能力。文獻[49]與文獻[50]所構建的光熱復合壓縮空氣儲能系統(tǒng)即為一種采用槽式集熱輔助單元的 AA-CAES 系統(tǒng)。文獻[61]提出一種結合光熱或低中溫廢熱的AA-CAES系統(tǒng)，以降低AA-CAES系統(tǒng)成本。

效率問題是其推廣的瓶頸。AA-CAES電站的效率與其內部組件結構及參數(shù)密切相關[62-64]。具體表現(xiàn)為以下兩個方面：

(1) 不同的壓縮透平級數(shù)結構配置對 AA-CAES 效率有較大影響[65]；

(2) 在相同結構配置下，不同的溫度、壓比分配策略對壓縮機與空氣透平性能也有影響[66-68]；

將先進絕熱技術應用到小型儲能系統(tǒng)中需要解決下面兩個難題：

(1) 先進絕熱壓縮技術需要在膨脹機之間進行快速熱交換。但采用多級壓縮/膨脹形式將會提高系統(tǒng)自身能耗，能量轉換效率降低；

(2) 如果采用大功率單級壓縮，這樣只有一次熱交換過程，很難實現(xiàn)高效的溫度控制。

2) 等溫壓縮

對于絕熱類壓縮空氣技術由于溫度波動導致效率下降的問題，以氣水高速熱交換為手段，達到等溫壓縮的目的，從而提高系統(tǒng)的發(fā)電效率。等溫壓縮過程是電機帶動液壓泵將液體泵入液氣共容腔，通過泵入液體對空氣進行壓縮，氣體體積逐漸減小，壓強逐漸升高，電能以低溫高壓氣體形式進行儲存[69]。等溫壓縮系統(tǒng)在原系統(tǒng)中加入了控制溫度的環(huán)節(jié)，通過水為介質與高壓氣體進行熱交換，并采用水封作用減少了能耗。因為水具有比熱容較大，熱交換性能較好的特點可以為系統(tǒng)運行營造近似恒溫的環(huán)境[69]，如圖5所示。現(xiàn)有的等溫壓縮空氣儲能技術已有很多方案，利用活塞、噴淋等方式增大高壓氣體與液體的接觸面積與接觸時間，從而實現(xiàn)快速交換溫度使氣體縮放時達到等溫的目的，將熱損失降到最低[70]。

圖5 等溫壓縮空氣系統(tǒng)簡圖

等溫壓縮空氣作為CAES中轉換效率最高的儲能方式，當下還處在科學研究階段。最初等溫壓縮技術由CONEY等人通過改造柴油機氣缸進行了理論計算和實驗驗證，利用柴油機內部噴嘴將液體噴入缸內來達到控制溫度的目的。其實驗表明壓縮機在380 r/min時，高壓氣體溫度能夠長時間維持在100 ℃以下[71]。VEN等[72]提出液體活塞概念，液體位于氣室上方，經過實驗驗證表明水的比表面積(面積/體積)與傳熱效率成正比關系。QIN等[73]將上述兩種方法相結合，同時采用液體活塞和向缸內噴射液體技術，并通過仿真建模，研究轉速在60 r/min時，考慮噴入共容腔內液滴尺寸、噴入液體總量及噴射方式的影響。研究得到減少液滴尺寸可以高效控制高壓氣體溫度，液滴尺寸為20 μm 時為最佳尺寸。

等溫壓縮方法并不是嚴格意義的等溫，但是在壓縮效率方面要比絕熱壓縮的效率高很多。相比絕熱壓縮方法，等溫壓縮方法需要水箱，在較為寒冷地區(qū)防止水箱結冰也是值得思考的問題。

3) 液化空氣儲能

2007年中科院熱物理所陳海生[31]在其專利中提出了液化空氣儲能系統(tǒng)(Cryogen Energy Storage，CES)。這種儲能方式很大程度上解決了儲氣罐較大的問題，其原理如圖6所示。電能需求小于電網供給時，系統(tǒng)進入儲能環(huán)節(jié)，多余的電能驅動電機帶動液化空氣系統(tǒng)，空氣經冷卻變成低溫液化空氣，實現(xiàn)蓄電；電能需求大于電網供給時，系統(tǒng)進入釋能環(huán)節(jié)，低溫泵對液化空氣加壓，得到的高壓液化空氣從蓄冷介質中吸熱后，氣化并膨脹推動渦輪膨脹機，實現(xiàn)發(fā)電。

上述液化流程中采用基于湯姆遜效應的節(jié)流閥液化流程不可逆損失大，2013年許劍[74]、陳海生[75-76]各自分別提出新的液化流程，采用膨脹機代替節(jié)流閥，以減小節(jié)流損失，驅動空氣壓縮機，從而提高了液化效率。為了避免低溫泵增壓環(huán)節(jié)能量消耗，2013年楊亮[77]提出將空氣冷卻至介于氣態(tài)和液態(tài)的超臨界態(tài)儲存，利用超臨界空氣接近液體的良好傳熱特性和類似氣體的黏度小、易擴散等特性，從而提高釋能過程冷能回收效率。2015年MORGAN R[78]公布了Highview Power Storage公司2008年在英國的示范工程樣機實驗數(shù)據(jù)，儲能釋能一個循環(huán)總效率為8%，低溫泵輸出最高工作壓力6 MPa，采用4級膨脹機結構，每級之間采用水-乙二醇混合溶液加熱，采用石子填充床為蓄冷介質，冷能回收率為51%。

圖6 液化空氣儲能

現(xiàn)有液化空氣儲能流程可以歸納為“電能-冷能-壓力能-電能”過程，相關研究均圍繞解決液化空氣儲能效率低的問題展開，其瓶頸難題在于“冷能-壓力能”環(huán)節(jié)壓力能轉換率低，引出兩個關鍵技術問題：

(1) 轉換后剩余的冷能大量損失；

(2) 膨脹機僅實現(xiàn)壓力能向電能的轉換，導致發(fā)電效率低。

通過上述介紹對幾種儲能技術進行總結如表4。

表4 三種不同的儲能方法技術參數(shù)對比

3.2 空氣釋能技術

空氣釋能的主要工作原理是將高壓氣體釋放帶動膨脹機轉動，實現(xiàn)將高壓氣體的能量轉變成機械能。所以選擇不同的膨脹機對整個系統(tǒng)具有較大影響。

表5 各類型膨脹機性能對比

膨脹機分為容積型和速度型兩種。速度型膨脹機，它的工作原理是利用噴嘴將高溫高壓氣體轉化為高速氣流，高速氣流推動葉輪，將動能轉換為機械能進行輸出。這種膨脹機輸出效率與轉數(shù)較高，因此其一般應用于大流量場所。容積型膨脹機，其基本原理是通過體積的改變來獲得膨脹比和焓降，然后再將高速流體的動能轉化為旋轉機械的軸功。相比速度型膨脹機，該類型一般適用于小流量、大膨脹比的場合[79]。無論哪種類型的膨脹機都面臨能量損失，例如泄漏損失、葉輪損失、余速損失等，所以膨脹機一般情況下的絕熱效率為：中壓膨脹機65%～75%，低壓膨脹機75%～85%。表5對常用幾種類型的膨脹機進行性能對比。

在空氣釋能系統(tǒng)中通常使用三種類型的膨脹機：螺桿膨脹機、渦旋膨脹機和活塞式膨脹機。

1) 螺桿膨脹機

螺桿膨脹機主要適用于低溫、小規(guī)模熱源發(fā)電的動力裝置。螺桿膨脹機的功率一般在10～1000 kW之間[79-81]。螺桿膨脹機又分為單螺桿膨脹機和雙螺桿膨脹機。雙螺桿膨脹機目前在市場屬于高端產品，單螺桿還處在技術開發(fā)階段[82]。單螺桿膨脹機相比雙螺桿膨脹機，單螺桿轉子受力平衡，運動零部件相對較少，所以單螺桿膨脹機有運轉平穩(wěn)、 磨損較小、壽命長的優(yōu)勢[81]。對兩者進行了對比如表6所示。

表6 單、雙螺桿壓縮機性能比較

注：本表為美國芝加哥風動工具公司整理。

由于單螺桿膨脹機具有獨特的優(yōu)勢，下面將重點介紹單螺桿膨脹機。它的核心部件為1個圓柱螺桿和2個對稱配置的平面星輪組成。單螺桿膨脹機關鍵部件如圖7所示。

圖7 單螺桿膨脹機關鍵部件

螺桿螺槽、機殼和星型構成封閉的齒間容積。運轉時，高壓氣體由進氣口進入螺槽內推動螺桿轉動，同時由于螺桿轉動齒間容積逐漸增大，氣體在此不斷膨脹做功，最后由排氣口排出[83]。螺桿通常有6個螺槽，由2個星型輪將它分隔成上下2個空間，并實現(xiàn)各自獨立工作[84-86]。因此一臺單螺桿膨脹機相當于一臺六缸雙作用的活塞膨脹機。這種高效性非常適合配合風力系統(tǒng)工作。

單螺桿的進出口溫度、壓力、流量都是其重要參數(shù)[87]。單螺桿膨脹機進出口焓差可通過下式得到：

h1-h2=Cp(T1-T2)

(1)

式中，h1，h2分別為膨脹機進、出口實際焓；Cp為空氣的定壓比熱；T1為單螺桿膨脹機進氣溫度；T2為單螺桿膨脹機排氣溫度。

氣體溫度一般可視為常溫的理想狀態(tài)，可根據(jù)下式得到理想焓降：

(2)

式中，Δh為膨脹機理想焓降；K為定熵指數(shù)； Rg為氣體常數(shù)；p1為單螺桿膨脹機進氣壓力；p2為單螺桿膨脹機排氣壓力。

耗氣率，即每產生1 kW·h電能所消耗的氣量，是膨脹機性能評價的一個重要指標?？梢酝ㄟ^下式得到：

(3)

式中，q為耗氣率；pe為單螺桿膨脹機端功率；qm為氣體流量。

在單螺桿膨脹機中標準能量轉換過程的指標就是效率。

等熵效率：

(4)

機械效率：

(5)

總效率：

η=ηsηm

(6)

目前這個膨脹機技術還存在一些問題：

(1) 受轉子剛度、軸承壽命等限制，螺桿膨脹機只能適用于中、低壓范圍，承壓一般不超過3 MPa；

(2) 不能用于微型場合，因使用工作間隙密封氣體，目前只有流量大于0.2 m3/min時，螺桿膨脹機才具有優(yōu)越的性能。

2) 渦旋膨脹機

主要結構包括：靜、動渦旋盤，偏心主軸，進氣管，防自轉機構等。渦旋膨脹機的效率受到進氣壓力、進氣流量、負載及自身結構的影響[88]。自身結構中渦盤的型線包括圓漸開線、線段漸開線、正多邊形漸開線[89-90]。渦旋膨脹機有結構相對簡單、噪聲小和容積大等特點[91-94]，被廣泛應用于小型有機郎肯循環(huán)(ORC)發(fā)電系統(tǒng)[95-100]。

渦旋膨脹機的主體由運動渦旋盤和固定渦旋盤組成，它們之間相位相差180°，并形成月牙形密封空間[101]。在工作時，動渦盤在動力機構的帶動下繞定渦盤中心線做圓周運動，在此過程中渦旋盤槽板間的密封嚙合線的位置不斷改變，使密封空間不斷改變，從而達到膨脹氣體的目的[102-103]。

目前，渦旋膨脹機存在很多問題。提高渦旋膨脹機的工作效率，可以從以下兩個方面入手：

(1) 渦旋膨脹機的軸向間隙會產生徑向泄漏，徑向間隙會增加切向氣體泄漏量，因此解決泄漏將會成為其發(fā)展的重要的方向；

(2) 渦旋膨脹機轉速較高，動渦盤在高速圓周運動時會產生慣性力，所以會有磨損和振動。采用何種方式平衡掉這部分慣性力是一個研究方向?，F(xiàn)有一些方法例如加一平衡質量來抵消等。

3) 活塞式膨脹機

活塞式氣壓驅動機構是另一種小規(guī)模利用的氣壓驅動機構，具有壓比高、制造工藝成熟、密封潤滑性能好，并且使用壽命長等優(yōu)點，如圖8所示。雖然目前關于活塞式氣壓驅動機構的研究主要集中在空分和制冷領域，但其優(yōu)良的特性也可以應用到該系統(tǒng)中。BADAMI M等[104]采用活塞式氣壓驅動機構設計了一個25 kW的余熱回收系統(tǒng)，同時對系統(tǒng)進行初步設計和控制策略的研究，證明了活塞式氣壓驅動機構輸出做功的能力。馮黎明等[105]利用活塞式氣壓驅動機構作為回收發(fā)動機排氣廢熱的動力輸出機構，研究了其熱力學過程，分析了主要技術參數(shù)對驅動機構性能影響規(guī)律。OLIVIER DUMONT等[106]利用試驗分析了不同容積式氣壓驅動機構的工作性能，指出相對于其他形式的容積式氣壓驅動機構，活塞式氣壓驅動機構容積比大、允許的最大壓力高，因此輸出功率大。

圖8 單缸往復式活塞膨脹機

作為小型壓縮空氣儲能系統(tǒng)，為了在較小的儲能空間儲存盡量多的能量，一般而言是通過提高空氣的壓力進而提高儲能密度。這樣壓縮空氣在利用過程中就需要氣壓驅動機構能夠具有較大的容積比。由于單級活塞式氣壓驅動機構結構容積比的限制，在高壓工況下導致氣壓驅動機構做功過程欠膨脹損失大大提高，從而嚴重影響了其能量利用效率。為了提高活塞式氣壓驅動機構的性能，研究者們逐漸開始研究多級膨脹機構，LIU Chimin等提出了一種由小氣缸和大氣缸構成的雙級活塞式氣壓驅動機構。除了驅動機構本身的能量利用效率外，高壓氣體膨脹過程外部冷凝過程也是影響其長期高效運行的重要問題。為了減小儲氣空間，必然會提高儲存壓力。當高壓氣體在膨脹過程中會從周圍環(huán)境中吸收熱量，導致工作環(huán)境溫度快速下降。當周圍環(huán)境溫度低于當?shù)芈饵c溫度時，設備外表面就會產生結霜。眾多學者為抑制和暫緩結霜現(xiàn)象提出了很多方法，譬如 KONDEPUDI等[107]研究了固體干燥劑對蒸發(fā)器表面結霜的影響；LIU等[108]開發(fā)了一種強吸水性涂料，在空氣相對濕度較低、冷壁表面溫度較高的情況下可保持長時間不結霜。

4 結論

本研究分析了壓縮空氣儲能系統(tǒng)在風力系統(tǒng)中使用的可行性，并對其關鍵技術的發(fā)展現(xiàn)狀進行了總結。壓縮空氣儲能系統(tǒng)在風力系統(tǒng)中的高效應用，受壓縮方式、膨脹機構形式、溫度等因數(shù)的綜合影響。不但要平衡各個因數(shù)之間的關系，還要考慮到風力發(fā)電機的工作環(huán)境和空間有限的特點。

基于氣壓驅動機構的小型風能-壓縮空氣儲能系統(tǒng)，儲能流程可以歸納為“電能-壓力能-電能”的轉換過程，相關研究均圍繞解決電能的高效存儲和壓縮空氣壓力能高效利用而展開，其瓶頸難題在于“壓力能-電能”環(huán)節(jié)能量轉換效率低。因此對今后的相關研究提出以下建議：

(1) 由于風力系統(tǒng)空間有限，儲能系統(tǒng)在滿足高效的前提下，體積應該盡可能的小。例如采用膨脹機壓縮機一體化設計、高壓儲存等；

(2) 氣壓驅動機構做功過程中壓力能轉換為機械能的能量大量損失。應合理安排壓縮與膨脹級數(shù)等相關參數(shù)；

(3) 同新能源耦合的隨機性和不穩(wěn)定性使得驅動機構輸出動力和風機輸出動力不匹配。應調整系統(tǒng)結構，保證耦合后功率相互匹配。