压缩空气储能技术的简介

引言：能够扛起未来新能源绿色汽车这杆大旗的，无论是燃气、电动、还是混合动力汽车，可以说通通地都不给力。那么如果我说有一种可以不消耗任何燃料或者电力就能行驶的汽车，你一定会笑是异想天开痴人说梦。几乎每年都举办的各式环境会议吵来吵去多年也没个结果，各大汽车巨头也在混合动力和纯电动之间举棋不定，其实早就有一些中小车厂另辟蹊径地把眼光投向了更远的靠空气驱动汽车的方向，而可喜可贺的是他们已经取得了一些实质性进展。如果在将来这种100%零污染的环保汽车能够实现商业化量产，无疑会引发一场汽车业地覆天翻的大地震。未来可能引起汽车产业界大动荡的地震源——压缩空气动力汽车。★★压缩空气动力汽车的发动机原理类似于传统的汽油发动机，不同的只是，压缩空气动力汽车是靠气体的压缩和膨胀来推动发动机活塞运动，从而为汽车提供前行动力。我们都知道，要论哪种物质是取之不尽用之不竭，那几乎等同于痴人说梦，可是对于我们地球来说，空气可以说是最符合这一点的。就连我们古代的老祖先哲学家们都说万事万物皆来于气，最终也会归于气。将压缩空气储存的压力转换为汽车行驶的机械能这个创新，我想说，第一个产生这个想法并付诸于行动的人，是个天才，真正的天才。背景:近代经济的快速发展，得益于化石能源如石油、天然气、煤炭等的广泛使用。然而据科学推算，化石能源将在21世纪上半叶迅速接近枯竭：石油储量将在2050年左右耗尽，天然气最多还可以用65年，煤的储量多些，但最多也就再供应不足200年。化石能源的短缺和供给的中断，必将深刻影响经济的发展，影响世界局势。事实上近10多年来，世界许多地区的冲突和战争都是因争夺能源而引发的。为了有效应对化石能源耗尽所带来的能源危机，许多国家都在寻求化石能源的替代品，如风能、核能、太阳能以及生物燃料等。然而，不论是不可再生的还是可再生的能源，很大一部分都必须转化为电能加以利用。因此从历史发展的趋势来看，特别是随着化石能源的耗尽，未来能源最主要的形式将是电能。然而电能却有一个非常不利的缺点：不便储存。在整个电网内，用户消耗的电能任何时候都等于电网内发电厂在同一时刻生产的电能，发电厂的发电量要随用户用电量的变化而变化。由于用户在用电高峰与用电低谷间的用电需求差别很大，往往会导致发电厂生产的电能，在用电高峰时不能满足用户的需求，而在用电低谷时大量的富裕电量又不能得到有效利用。以上海近几年的统计数据为例，为解决全市每年约200小时的高峰用电负荷，仅对电网一项的投资每年就超过200亿元之多，而为此形成的输配电能力的年平均利用率却不到 2％，造成了很大的浪费。如果能建立起大容量的电力储能装置，将对电能的合理利用起到“削峰填谷”的作用。通过储存电网夜间用电低谷时充足的富余电能，然后到白天用电高峰时反馈输出进行平抑，这样可以大大提高发电设备的利用效率，并节约巨额投资。正是由于电力储能装置对提高能源利用率有着重要的意义，因此发达国家早就开始了针对储能技术的研究。目前，世界上的储能技术归纳起来主要有物理储能（如抽水蓄能、压缩空气储能、飞轮储能等）、化学储能（如钠硫电池、液流电池、铅酸电池、镍镉电池等）和电磁储能(如超导储能、超级电容储能等)这三大类。由于化学储能存在成本高、容量小、且对环境有污染等问题，目前尚不适宜开展大规模的工业化应用；而电磁储能开展研究的时间还不长，技术还不够成熟。因此，物理储能作为一种相对成熟也是实际应用较早的储能方式，在工业应用领域占主导地位。压缩空气储能：压缩空气储能的两大优势使其能够成为一种重要的储能手段。首先，压缩空气储能在装机容量上可达上百兆瓦，规模仅次于抽水蓄能，便于开展大规模的商业化应用；其次，压缩空气储能在技术上较为成熟，并且其技术发展前景也较为广阔。压缩空气储能是一种基于燃气轮机的储能技术，其原理是将燃气轮机的压缩机和透平分开。在储能时，用电能驱动压缩机将空气压缩并存于储气容器内；在释能时，高压空气从储气室释放，进入燃烧室助燃，燃气膨胀驱动涡轮做功发电。压缩空气储能的能源转化效率较高，一般在75流右，其中德国一座装机容量为29万千瓦的压缩空气储能电站，其能源转化效率高达77%如果再采用一些先进的技术(如超导热管技术等)，其效率能进一步提升到80沖上。压缩空气储能技术入围2009年度世界十大科技概念之一。美国在压缩空气储能方面取得新进展据了解，美国压缩空气储能技术公司 sustainx成立仅3年，目前已经在压缩空气储能方面取得至少6项的专利，解决了很多制约技术推广的关键问题。SustainX公司是一家新创公司，在新罕布什尔州(NewHampshire)西黎巴嫩(WestLebanon)，已经获得2000万元美元的风险资金，用于大规模测试它的压缩空气储能(compressed-airenergystorage)技术。压缩空气储能的应用：除了将富余的电能储存再利用，实现常规的“削峰平谷”之外，压缩空气储能技术还特别适用于解决风力发电和太阳能发电的随机性、间隙性和波动性等问题，可以实现其发电的平滑输出。而随着压缩空气储能技术的不断发展，其应用领域也在不断的扩展，特别是伴随着压缩空气储能装置的小型化，其在城市内的应用前景也不断扩大。首先，压缩空气储能装置可以作为楼宇大厦的应急电源。传统的应急电源一般是采用柴油发电机或蓄电池的方式。前者需要一定的启动时间，且设备容易老化损坏、可维护性差；而后者的容量有使其作限，无法实现长时间的供电。随着压缩空气储能装置的小型化发展，

为应急电源成为了一种可能。相对于前两者，压缩空气储能装置的启动时间短、能量密度高,使其作能够快速持续的供电，是一种非常有效的应急电源。而且其寿命长、维护方便，只需定期检测压缩空气量是否能够满足要求， 在压缩空气量有所不足的时候， 利用电网低谷时期的电力驱动空气压缩机适当进行补充即可。其次，随着技术的发展，单个压缩空气储能装置的容量进一步扩大，其作为分布式电源的前景也更加明朗。并且由于空气在压缩与膨胀的过程中总是分别伴随着热量的释放与吸收，因此未来的建筑中可以通过一个压缩空气储能装置来同时实现供电和温度调节的功能,从另一个渠道来实现零排放的绿色建筑。 除了在电厂和建筑物上的应用之外，目前，国外已经开始探索基于压缩空气储能的混合动力车的研制， 这种混合动力车不需要蓄电池或电动机，而是通过发动机活塞压缩空气来储存能量。 在短距离或低速情况下， 仅通过压缩空气来驱动汽车，当车速提高后，通过调整发动机的负荷（要么通过活塞压缩空气来增加负荷，要么用压缩空气驱动活塞来减小负荷） 使其在最佳效率的状态下运转。实验的结果表明，这种基于压缩空气储能的混合动力车与当今的油电混合动力车节省的燃料相当， 但成本却比后者低得多。另据报道，也有国外的研究机构开展了直接用储存起来的压缩空气驱动膨胀机做功作为汽车动力的试验，目前已经达到时速 50公里，可行驶90公里的效果。原理：压缩空气储能的原理是空气压缩时储能，膨胀时发电。 （新的系统使用电力，驱动气缸内活塞压缩空气，为了释放能量，膨胀的空气反向驱动活塞，这就驱动了发电机。 ）相关技术：恒温压缩空气储能系统（收集废热重新发电）。意义：它既可以应用于可再生能源项目，也可以帮助化石燃料发电厂更绿色的运行。控制系统（保持储能系统内外能量恒定传动）。意义：此举可提高发电的经济效益，同时简化运行过程。此技术在汽车上的应用：压缩空气储能混合动力系统驱动汽车混合动力汽车通常是结合传统发动机与电池供电的电动马达。但是，许多汽车制造商正在开发替代类型的混合动力汽车，其中一些已经亮相，就在德国法兰克福车展上。混合动力系统回收利用的动能，来自发动机或车辆本身，要用来提高发动机的效率。典型的混合动力汽车要做到这一点，需要给电池充电。史古德利公司（Scuderi）位于马萨诸塞州（Massachusetts）西斯普林菲尔德

WestSpringfield)WestSpringfield)开内燃机循环的四个部分， 相关的两个汽缸同步采用同一曲轴。 一个汽缸处理进气，以及循环中的压缩部分，泵抽压缩空气，通过交叉管道进入第二个汽缸。 交叉管道包含燃油喷射系统，燃烧和排气是在第二个汽缸处理。当车辆不需要电源，也就是下坡行驶，刹车或减速时，第二个汽缸被禁用， 第一个汽缸的空气转而进入一个高压空气储罐。这些空气可用来帮助运行发动机，提高效率。位于苏黎世的瑞士联邦理工学院(SwissFederalInstituteofTechnology)正在研制一种新型的混合动力车，它与如今的油电混合动力车节省的燃料相当， 但成本却只有后者的一小部分。瑞士的研究人员在2009年4月举行的汽车工程师学会年会(SocietyforAutomotiveEngineer'sCongress)上用一个新系统测试版演示了其实验结果。传统的油电混合动力车使用电池来储存在制动过程中回收到的能量， 否则这些能量会以热能的形式被浪费。接着这些能量可用来驱动辅助汽车发动机的电动机。 但是高昂的电池成本和附加成本一一包括电动机和汽油发动机两种驱动装置 一一使得这种混合动力车售价昂贵。这就减缓了大众对其的接受程度， 并限制了它们在减少车辆温室气体排放中所起的作用。瑞士研究所的机械工程教授利诺？古泽拉(LinoGuzzella)正在开发一种不需要电池或者电动机的混合动力车。相反，它通过用发动机活塞压缩空气来储存能量。 之后这些空气被释放以推动活塞，并驱动车辆。古泽拉说，这个系统只比传统发动机增加了 20%的成本，而混合动力电动车所需的额外组件需增加 200%的成本。他说，计算机模拟显示，此设计可以减少32%的燃油消耗，大约是油电混合动力车节省燃油的 80%。初始实验表明，该设计能够实现。空气(或者叫气动)混合动力的整体概念并不是全新的，但要使其高效面临很大的挑战。麻省理工学院机械工程教授约翰 ？海伍德(JohnHeywood)一直致力于空气混合动力研究，他说：“在流动的空气中把(能量)损耗保持在一个足够小的数值，这看上去很有吸引力，但实现起来非常困难。”而且，弗吉尼亚理工大学( VirginiaTech)的机械工程教授道格？纳尔逊(DougNelson)说，压缩空气罐储存的能量远小于电池储存的能量，这严重制约了在典型的空气混合动力设计中的燃料节约。 这是完全使用压缩空气的车辆设计存在的一个主要缺陷。古泽拉的新式空气混合动力设计使用先进的控制系统更精确地控制空气的流动，提高了整体效率。为了解决存储容量的限制问题， 这项设计与其他混合动力车相比， 较少地依赖于从制动中获取能量，而更多地依赖于另一种途径来节约能量： 使用气动动力来改善更小、更有效率的汽油发动机的性能。传统车辆使用可以提供远大于车辆巡航所需能量的发动机， 剩余的能量被用来加速和维持很高的速度。但这些发动机效率低， 尤其是其在大部分时间里在远低于原定设计的负荷下运行。古泽拉的设计用一个能提供足够续航速度的 750毫升的汽油发动机取代了一个 2升的发动机。它使用压缩空气提供汽车加速所需的能量。 密集的压缩空气提供的氧气比通常情况下燃烧更多燃料所需的氧气还多，这种技术被称为增压技术。

类似的方法已经在某些量产汽车中使用了，其使用废气来推动涡轮增压器。但是涡轮增压器有一个被称为“涡轮迟滞”的问题——在油门减小和额外动力补充之间存在一个明显的延迟。该滞后的产生是因为涡轮在涡轮机旋转到足够快的速度需要时间。古泽拉说，他的系统能即刻提供额外的动力，所以不会出现这样的延迟。密西根大学机械工程教授卓然 ?菲利匹（ZoranFilipi）没有参与这项研究，他说，这将使这项技术更吸引消费者。古泽拉的系统有80%的效能来自于小发动机的使用，其余的来自于从制动中获得的能量，并用于加速——在短距离内，无需使用燃料，只用压缩空气就可以驱动汽车。通过调整发动机的负荷——要么通过活塞压缩空气来增加负荷，要么用压缩空气驱动活塞来减小负荷——使其在最佳效率的状态运转也能节省燃料。最后，压缩空气还可以用来重启发动机，这使得在任何时候停车时关闭发动机变得现实可行，而不是怠速运转。走在世界前列的法国MDI公司和它的MiniCAT★★早在2001年，法国汽车工程师GuyNeger就发明出了靠类似深海潜水员用的高压气罐中的压缩空气供给能量的汽车，一罐压缩空气可以推动这辆只有700千克重汽车行驶200公里，并可以由压缩空气站或者自行用气泵充气。★★Neger的这一革命性发明因其高昂的成本（平均每公里的行驶成本为1美元）而搁浅，之后法国国际机械研发公司（MDd重拾这一设计并进行了长达十多年的研究。MDI为它设计开发的这款压缩空气动力车型取了一个颇为可爱的名字，迷你猫MiniCAT。MiniCAT有4个总容量为90升的压缩空气缸可储存90立方米的空气，最高时速可达110公里，平均每加一次气能行驶200公里或10小时。而引擎排除的“废气”还可以继续循环，被用来车内空调系统进气。这款MiniCAT乖巧可爱且用材十分的环保，它的整车车身由玻璃纤维制造，在保证坚固的同时也减轻了重量，可谓是一举两得。★★压缩空气动力汽车的充气过程非常简单，只需把接通车上空气压缩机电源就可在4个小时内完成充气，同时也可以到MDI指定的加气站里在短短3分钟内完成充气，每次费用只要1.5欧元。CityCat不吃也不喝的城市猫咪★★CityCat是由印度塔塔公司正式生产的一款全新压缩空气动力小车，这只猫咪只是靠“吃”空气就能“活”还能拉人载货。CityCat拥有一个可储52加仑压缩空气的空气罐，充满气后可连续行驶125英里，最高68英里的时速完全可以满足在城市里穿梭往来。★★当气罐内的空气用完之后，CityCat可以在一个随便的轮胎充气点加气，这只“猫咪”在行驶时，代替“喵喵”叫的只有因排气所发出的“嗞嗞”的声音。★★CityCat的售价在8000到10000美元之间，因为结构简单，所以维护和修理也很简单。不甘示弱的美国公司和它的AirPod★★一向争强好胜敢为人先的美国人也在最近推出了自己的压缩空气汽车，美国零污染汽车公司(ZeroPollutionMotors)已经研发成功了自己的压缩空气车AirPod，并计划在2011年投产上市。★★只有前后两个座位的三个车轮的AirPod更像是一台圭寸闭起来的摩托车。AirPod车头和车尾上各有一个可以向上打开的玻璃车门，车身长度只有2米，很适合个人用户城市行走。★★AirPod的动力同样来自压缩空气的推动，但和其它压缩空气汽车不同的是，AirCar的引擎可以在高速时用汽油来加热空气室从何获得更大的活塞推动力。它的压缩空气发动机的工作分为进气、压缩、辅助气体喷射、空气膨胀以及气体排放五个流程，AirPod一次加满气后可以行驶848英里路程，最高时速也达到154公里，显然要比CityCat先进不少。★★量产后的AirPod预