壓縮空氣儲(chǔ)能專利技術(shù)綜述

張　祥（國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作江蘇中心,江蘇　蘇州　215000）

壓縮空氣儲(chǔ)能專利技術(shù)綜述

張祥
（國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作江蘇中心,江蘇蘇州215000）

壓縮空氣儲(chǔ)能被公認(rèn)為是一種比較適合大規(guī)模系統(tǒng)的儲(chǔ)能技術(shù)。本文分析了壓縮空氣儲(chǔ)能概況和工作原理，并通過(guò)壓縮空氣儲(chǔ)能方面的專利申請(qǐng)為例子和脈絡(luò)，分析了壓縮空氣儲(chǔ)能的發(fā)展歷程。

壓縮空氣；儲(chǔ)能；原理；發(fā)展

1　壓縮空氣儲(chǔ)能概況及技術(shù)原理

1.1壓縮空氣儲(chǔ)能概況

儲(chǔ)能通過(guò)一定介質(zhì)存儲(chǔ)能量（主要是電能），在需要時(shí)將所存儲(chǔ)能量釋放，以提高能量系統(tǒng)的效率、安全性和經(jīng)濟(jì)性。儲(chǔ)能是目前制約可再生能源大規(guī)模利用的最主要瓶頸之一，也是提高常規(guī)電力系統(tǒng)效率、安全性和經(jīng)濟(jì)性以及分布式能源系統(tǒng)和智能電網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)，因此成為了當(dāng)前電力和能源領(lǐng)域的研發(fā)和投資熱點(diǎn)。

1.2壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)原理

壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)是基于燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)發(fā)展起來(lái)的一種能量存儲(chǔ)系統(tǒng)。壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的壓縮機(jī)和渦輪不同時(shí)工作，在儲(chǔ)能時(shí)，壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)耗用其它能源將空氣壓縮并存于儲(chǔ)氣室中；在釋能時(shí)，高壓空氣從儲(chǔ)氣室中釋放，進(jìn)入燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室同燃料一起燃燒后，驅(qū)動(dòng)渦輪做功。由于儲(chǔ)能、釋能分時(shí)工作，在釋能過(guò)程中，并沒(méi)有壓縮機(jī)消耗渦輪的輸出功[1]。

2　壓縮空氣儲(chǔ)能發(fā)展歷程

自20世紀(jì)40年代末開(kāi)始，出現(xiàn)了較為早期和初步的壓縮空氣儲(chǔ)能的專利申請(qǐng)至今，這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)歷了六十余年的發(fā)展歷程，在這過(guò)程中，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步、成熟和完善，壓縮空氣儲(chǔ)能也經(jīng)歷了從最開(kāi)始的構(gòu)成較為簡(jiǎn)單、單一到不斷改進(jìn)完善、綜合、多元化和系統(tǒng)化的不斷發(fā)展的過(guò)程。

1949-1960年：萌芽和初步發(fā)展階段。在這個(gè)時(shí)間段里，壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)出現(xiàn)了早期的專利申請(qǐng)，1949年就有專利（GB671539A）里提出，空氣經(jīng)過(guò)帶中間冷卻器的多級(jí)壓縮機(jī)壓縮后，存儲(chǔ)于與湖泊連通的地下腔室中，當(dāng)需要發(fā)電時(shí)，壓縮空氣被引出后與燃料在燃燒室中燃燒后驅(qū)動(dòng)渦輪帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)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(yù)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(jìn)入渦輪膨脹做功，這樣省去了燃燒室，也使得系統(tǒng)更加清潔，減少了化石燃料燃燒產(chǎn)生的污染。

1961-1980年：初步改進(jìn)發(fā)展階段。隨著壓縮空氣技術(shù)被提出后，在這個(gè)階段里，人們對(duì)這項(xiàng)技術(shù)做出了一些初步的改進(jìn)以使其更加完善和高效，1970年，有申請(qǐng)人在專利（FR2042024A5）中在多級(jí)透平之間設(shè)置再熱裝置，壓縮空氣被引入燃燒室中和燃料燃燒后進(jìn)入第一級(jí)渦輪做功后被再熱裝置再次加熱后進(jìn)入第二級(jí)渦輪，這樣進(jìn)一步提高了系統(tǒng)熱效率。隨著壓縮技術(shù)不斷進(jìn)步，為了避免壓縮空氣在存儲(chǔ)的過(guò)程中溫度降低，1977年就有申請(qǐng)人在專利（例如US4147204A）中提出，在壓縮空氣進(jìn)入地下洞穴被存儲(chǔ)之前，利用儲(chǔ)熱系統(tǒng)吸收高溫壓縮空氣的熱量，并將熱量?jī)?chǔ)存于儲(chǔ)熱介質(zhì)（例如巖石，人工燒成石灰等）中，在釋能過(guò)程中，再利用儲(chǔ)熱系統(tǒng)加熱壓縮空氣然后驅(qū)動(dòng)渦輪做功，由于回收了空氣壓縮過(guò)程中的壓縮熱，使得系統(tǒng)熱效率得到較大提高，理論上可達(dá)到70%以上。

1981-2000年：綜合發(fā)展階段。壓縮空氣儲(chǔ)能在經(jīng)歷初步發(fā)展和完善改進(jìn)之后，技術(shù)已經(jīng)比較成熟，因此，人們也在試圖將這項(xiàng)技術(shù)和其它動(dòng)力、能源領(lǐng)域的技術(shù)相結(jié)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(chǔ)能與太陽(yáng)能技術(shù)相結(jié)合，利用太陽(yáng)能集熱器收集太陽(yáng)能熱量加熱進(jìn)入渦輪前的壓縮空氣，這樣就把壓縮空氣儲(chǔ)能和太陽(yáng)能等可再生資源相拼接耦合，使得系統(tǒng)更加綜合發(fā)展空間得到拓展。隨著世界上發(fā)電站的發(fā)展不斷大型化和綜合化，1992年，有申請(qǐng)人將壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)應(yīng)用于燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)電站，在專利（US5386687A1）中，壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)和燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)共同運(yùn)行，用于產(chǎn)生高峰電能，該系統(tǒng)耦合了壓縮空氣儲(chǔ)能、燃?xì)廨啓C(jī)和蒸汽輪機(jī)3種熱力循環(huán)，使得低品位余熱得到更加充分地利用，因而系統(tǒng)熱效率得到進(jìn)一步提高，同時(shí)也使得整個(gè)發(fā)電系統(tǒng)更加綜合以滿足大型綜合電站的發(fā)展需求。

2001至今：多元化系統(tǒng)化改進(jìn)發(fā)展階段。2000年以后，隨著科技技術(shù)的進(jìn)一步快速發(fā)展，申請(qǐng)人對(duì)壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)進(jìn)行了多方面的結(jié)構(gòu)上和系統(tǒng)上的進(jìn)一步改進(jìn)，以期進(jìn)一步拓寬發(fā)展空間、提高效率簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)。2003年，專利（EP1536541A 1）提出利用可再生資源提供能量以驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)壓縮空氣，這樣使得整個(gè)系統(tǒng)與可再生資源有機(jī)耦合，使得系統(tǒng)更加清潔。2009年，通用公司在專利（US2011094212A1）中提出利用可逆壓縮機(jī)-膨脹器單元，在儲(chǔ)能時(shí)，可逆壓縮機(jī)-膨脹器單元作為壓縮機(jī)壓縮空氣并將其儲(chǔ)存，在釋能時(shí)，可逆壓縮機(jī)-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(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，減小成本和占地面積。2009年，申請(qǐng)人中國(guó)科學(xué)院工程熱物理研究所在專利（CN102213113A）中提出通過(guò)風(fēng)能發(fā)電利用風(fēng)電液化空氣，將風(fēng)電儲(chǔ)存于液態(tài)空氣中，在需要電力時(shí)，將液態(tài)空氣增壓后并回收其冷能提供給空氣液化過(guò)程，然后再被儲(chǔ)存太陽(yáng)能的高溫蓄熱介質(zhì)加熱后進(jìn)入渦輪做功，這樣實(shí)現(xiàn)了壓縮空氣儲(chǔ)能與風(fēng)能、太陽(yáng)能的綜合互補(bǔ)利用；同時(shí)在專利（CN 102052256A）中提出將空氣壓縮至超臨界狀態(tài)，提高了能量密度、儲(chǔ)能效率。

縱觀壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展，壓縮空氣儲(chǔ)能也在不斷的發(fā)展和完善，和相近領(lǐng)域的其它技術(shù)也有了多樣的結(jié)合，使得這項(xiàng)技術(shù)能夠不斷發(fā)展成熟也有了更加廣闊的應(yīng)用前景。

3　小結(jié)

綜述了壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)的原理和發(fā)展歷程，隨著電力儲(chǔ)能需求的快速增加以及我國(guó)近年的科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，我國(guó)在壓縮空氣儲(chǔ)能方面的研究也在不斷發(fā)展進(jìn)步，并且隨著未來(lái)電力儲(chǔ)能的進(jìn)一步需求和發(fā)展，壓縮空氣儲(chǔ)能必將會(huì)在電力系統(tǒng)中得到更廣泛的應(yīng)用。

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