一、压缩空气储能的技术路线及主要设备

压缩空气储能是指在充电过程中利用电网中低谷电或新能源中不稳定的弃风、弃光等电能驱动压缩机，吸取环境空气并将其压缩至高压空气储存在储气装置中，使电能转化为压缩空气的内能；在放电过程中，释放出高压空气，推动空气膨胀机做功发电，使压缩空气的内能重新转化为电能。

１、传统补燃式压缩空气储能

传统补燃式压缩空气储能系统的原理如图１所示，此系统在膨胀机前需要设置燃烧室，通过燃料燃烧来加热膨胀机入口的压缩空气，以提升空气膨胀机进气温度，提高空气做功能力。其主要设备有空气压缩机、膨胀机、电动机、发电机、储气室、燃烧器等。

2、先进绝热压缩空气储能

先进绝热压缩空气储能系统原理如图２所示，在压缩过程中，通过采取良好的保温隔热措施，尽量降低压缩机与环境的换热而减少热量耗散，可以使压缩过程最大限度地接近绝热压缩过程，或者说实现准绝热压缩过程。释能过程中，储存的压缩热能可用于加热膨胀机入口空气，实现无须补充燃料的非补燃式压缩空气储能。其主要设备有压缩机、电动机、发电机、换热器、蓄热器、膨胀机和储气室等。

３、等温压缩空气储能

等温压缩空气储能系统原理如图３所示，储能系统在加压过程中通过连续冷却空气来降低热量损失，并且在气体释放过程中使用回收的压缩余热来维持等温膨胀。其主要设备有液体活塞、电动机、发电机、储气室、液压泵和液压马达等。

４、液态空气储能／超临界空气储能

液态空气储能系统原理如图４所示，储能过程中，利用电能驱动压缩机压缩空气并液化储存在液态空气储罐中，同时回收未液化空气的冷能。释能时，液态空气经过泵加压后经过蓄冷器回收并储存冷能，此时液态空气已经转化为气态空气，气态空气通过加热器形成高温高压空气推动空气膨胀机做功。其主要设备有压缩机、膨胀机、电动机、发电机、液态空气储罐、换热器、节流阀、蓄冷器、蓄热器和低温泵等。

５、压缩空气储能＋外部热源耦合

耦合外部热源的压缩空气储能系统原理如图５所示，系统在膨胀过程中利用太阳能、风能、工业废热或电厂余热等热源来逐级加热高压空气，提高空气做工能力。其主要设备有压缩机、电动机、发电机、换热器、外热源、膨胀机和储气室等。

二、重力储能的技术路线及主要设备

重力储能系统主要利用谷电或过剩电力驱动起重机等设备提升重物储存势能，用电高峰时重物下落带动发电机发电，重物一般选择金属、砂石、混凝土等密度较大的建筑废料。

１、海下储能系统

海下储能系统原理如图６所示，在海洋底部放置中空球体，当水从球体中被抽出来时储存能量。释能时，在海水静压力的作用下，海水会流入中空球体内，并通过涡轮机发电。其主要设备有发电机／电动机、水泵、中空球体储罐等。

２、活塞水泵结构

活塞水泵结构储能系统原理如图７所示，在有富余电力时利用液压系统举起活塞。当需要电力时，活塞下沉，利用活塞的重量挤压密封储水池中的水流经涡轮机发电。其主要设备有发电机／电动机、活塞、水泵等。

３、基于构筑物结构

基于构筑物结构重力储能方式包括储能塔结构、支撑架和承重墙等。如图８所示，储能塔结构是依靠起重机将重物以码垛的形式堆叠到一定高度来储存能量，释能时依次放下重物。支撑架和承重墙结构原理与储能塔结构类似，利用支撑架或承重墙支撑和堆叠重物。其主要设备有起重机、重物、支撑架、滑轮组、发电机／电动机等。

４、基于山体落差－机车斜坡轨道系统

如图９所示，机车斜坡轨道结构的重力储能系统采用成熟的轨道技术，储能时电动机驱动大量机车上坡，将电力转化为重力势能。当释能时，大量机车在重力的作用下运动至山下，此时链条带动发电机发电。其主要设备有起重机、机车、轨道、链条、发电机／电动机等。

５、基于山体落差－山地缆绳索道结构

山地缆绳索道结构的重力储能系统原理如图１０所示，是指在陡峭的峡谷或山的边缘建造两台起重机，储能时通过阀门释放储存的砂子和砾石并将其装载到储存容器中，利用缆绳或索道结构将重物从较低的储存地点移动到较高的山体上。其主要设备有砂砾储存站、起重机、缆绳、存放砂石的筐、发电机／电动机等。

三、飞轮储能的技术路线及主要设备

如图1２所示，飞轮储能是一种简单的动能存储形式，充电时电能转化为飞轮转子的机械能，放电时转子机械能转化为电能，并且系统的响应速度非常快，能够在短时间内实现高效率的存储。随着磁轴承和高效电机／发电机的引入，飞轮储能已成为新型物理储能中的有力竞争者。飞轮储能主要设备有飞轮转子、轴承系统、电动机、发电机、电力电子变换器以及真空室。

1、轴承

（１）机械球轴承

（２）被动磁轴承

（３）主动磁轴承

（４）超导磁轴承

２、飞轮转子材料

飞轮储能转子材料的强度和密度决定了飞轮转子的能量容量。碳纤维复合材料和合金钢是制造转子常用的两种材料，表１给出了不同转子材料的数据。更高强度的转子意味着可实现更高的转速，因此复合转子的转速可达数万转／分钟，而钢制转子的转速通常为数千转／分钟。材料的选择取决于能源需求、风险、成本和应用领域。

四、三种新型物理储能方式对比

重力储能的成本最低，响应速度为秒级，但是以固体为介质的重力储能系统功率等级最大只达到５０ＭＷ，适用于建设中等容量和功率的储能系统，通过增加被提升物的质量和提升高度可提高储能系统的功率和容量。活塞水泵结构的重力储能虽然可以达到２７５０ＭＷ功率等级，但是技术不成熟，活塞与水池壁之间的密封性使其足以抵抗水压是该项技术最大的难点。

压缩空气储能系统可以达到３００ＭＷ功率等级，容量可达到１８００ＭＷ·ｈ，并且能量密度大，适合作为大规模、长时间的储能模式。压缩空气储能响应速度与功率、能量成本都介于重力储能和飞轮储能之间，运行寿命较长，但是在不耦合其他外部热源的情况下，其能量转换效率要低于飞轮储能。

飞轮储能的能量转换效率最高，但飞轮储能的缺点是系统存在摩擦损耗，自放电率高，运行寿命也相对较短，并且初始成本相对较高，功率等级低，可以通过设置多个飞轮组成飞轮组来提高整个储能系统的功率等级。

国内３００ＭＷ级以上大型压缩空气储能设备制造技术尚不成熟，３００ＭＷ级压缩空气储能电站的系统集成、关键设备研制、自动控制及智能化运行技术亟须开发突破。液态空气储能系统和超临界压缩空气系统能量密度大，储气装置体积小，但系统热量损失大，储能效率低，未来可逐步解决能量损失大的技术问题。采用液态／超临界空气储能技术＋外部热／冷源耦合的方式，可提高系统储能效率，小容量储气罐也解决了对热源地和储气装置选址的限制问题，适合未来的发展方向。

重力储能

可根据不同地理位置和储能容量需求来设计重力储能系统方案，储能介质可以选择混凝土、砂石等建筑废料，可有效提高系统建设的经济性。基于山体落差和地下竖井的重力储能系统结构更加稳定，承重能力强，相关的电动机／发电机技术、吊装技术等将会被重点关注。通过建设多个重力储能系统集群，可以使其储能容量和功率更大，从而适合大规模储能方案，但是同时选址会受到相应限制。

飞轮储能

在飞轮储能系统中相比于机械轴承、主／被动磁轴承和超导磁轴承，混合轴承（不同轴承的混合）可达到优势互补，更具有研究价值。高转速飞轮储能系统转子质量小、体积小、储能密度高，优势更明显，更具有发展前景。提高转速是提高飞轮储能量的有效途径，转速提升的关键是转子材料，大多飞轮转子材料可承受的边缘线速度较低，限制了飞轮储能系统的发展，可承受高速旋转的复合材料转子飞轮适合未来发展趋势。

六、结　论