爱华网风能压缩空气—压缩空气储能—压缩空气发电项目
风能并网发电是现行风能利用的主要方式。并网发电分为直驱发电和双馈发电形式，单机规模现达到2~8MW，无论是直驱还是双馈并网发电都存在一些结构性的问题，如：风能利用率低、电能的品质较差、电能无法存储、投入成本及维护成本偏高等一些问题。现提出一种全新的风电模式，即风能压缩空气—压缩空气储能—压缩空气发电，这种风电模式能够较好的解决上述几个问题。
风能压缩空气发电的原理见图1。
图1
图1中，风能空压机制取压缩空气，通过压缩空气管道与地下密闭水池相连接，系统压缩空气压力的大小由水压差决定，压力的大小是基本恒定的，下水池与上水池起储能作用，惯性气动马达在恒定压缩空气供给下工作，拖动电机发电。
一、风能压缩空气
根据贝茨理论，风能的最大理论利用率为59.3%，就是说实际风能转换为轴功率的效能要低于59.3%，风能并网发电或是风能压缩空气都是在这个前提之下来利用风能。风轮轴功率的大小不仅与风叶半径有关还与风速和空气密度有关。
根据风力能量公式： WF=r2πρ V3/2 （1-1）
假如风力动能转换为风轮轴功率的转换率为η=45%，风速为V=4~20m/s，风叶半径为r=25m，空气密度ρ=1.2kg/m3，据公式（1-1）计算风轮轴的轴功率应在34~4241kw之间。
风轮轴的输入功率在大范围内波动，发电机很难与其匹配。假如风能电机额定功率为600kw，风轮轴输入功率大于600kw的风力能量部分就会采用调整风叶角度等方法来过滤掉，大幅低于600kw的风轮轴功率也无法利用，由此可知风力有效能量有一部分被浪费掉，另一方面即使风力电机满负荷发电但此时电网正处于低谷用电时段，风能发电也被空耗。所以风能并网发电的实际有效利用率是很低的。
采用风能压缩空气可以很好的利用风力能量，方法如图2
图 2
图2是风能凸轮式空气压缩机（风能空压机）的部分基本结构，风能空压机是一种利用大力矩、低转速扭矩力来产生压缩空气的风能设备。
图2中的中轴是风轮轴，轴带动凸轮转动，固定架上固定有汽缸，拖杆尾部安装在汽缸后端，拖杆前部塔在凸轮轮廓上，其作用是消除凸轮对汽缸活塞杆的切向力，凸轮转动抬高拖杆，拖杆推动汽缸活塞杆制取压缩空气，拖杆顶部滑轮越过凸轮齿顶后，在弹簧力的作用下，汽缸活塞杆回位，汽缸吸入空气，凸轮不停的转动使汽缸活塞杆往复工作连续的制取压缩空气。
图2中五个汽缸为一个汽缸组，如果在轴向上排布有三个汽缸组，压缩空气制取量会大大增加。虚拟效果图如图3所示：
图 3
假如汽缸尺寸为Φ600﹡1200mm，凸轮齿数S=2，风速V=4m/s、风叶转速RL=15转/min，如果风力较弱，风轮轴输入功率无法负载全部汽缸工作，此时可以控制仅启动一个汽缸压缩空气，汽缸的排气量为Q
Q=πD2 LRLS=10.18 m3/min =0.17 m3/s （1-2）
如果制取的压缩空气压力为P1=0.4MPa(绝压)，根据热力学知识，空气在被压缩时温度增加，压缩功正好等于压缩空气温度升高的差值与压缩前后温度之间气体的平均定压比热CP的乘积，单位时间内做功为压缩功功率为NY。
NY=Q ρT0 [ —1] CP =29.8kw （1-3）
公式（1-3）中空气密度ρ=1.2kg/m3、环境温度T0=20℃(293K)、环境压力P0=0.1 MPa、空气绝热压缩过程指数k=1.4、空气在0~160℃之间的平均比热。CP =1.026。
在启动一个汽缸工作时所消耗的压缩功小于风速为4M/S时的风轮轴输入功率，就是说在风速较低的情况下，也可以很好利用风能制取压缩空气。
如果风速较大，三个汽缸组共15只汽缸全部启动工作，凸轮转速为RH=60转/min，需要的轴功率为NH
NH= 15NYRH/RL=1788kw (1-4)
风力较大时，风轮轴的大功率输入也能被利用，在一定的风速情况下，风轮轴的实际转速、功率输入和负载的平衡点上每一份风力能量都能得到利用。即无论风力大小风力动能均能有效转变为压缩空气能量形式。
风能压缩空气是一个简单的物理能量转换过程，其中的技术、工艺、设备的加工制作等都没有难度，大直径的气缸、活塞均可以借用通用的气动元件而无需专业制作，风能压缩空气过程中需要有相应的启动气缸工作的控制手段。
现在的活塞、螺杆、离心式空压机的等熵效果可以达到87%左右，风能压缩空气达到80%的等熵效能是没有问题的。
二：压缩空气储能
二：压缩空气储能(Compressed air energystorage)：
压缩空气储能是储能领域中备受关注的一项技术，相关链接（http://www.escn.com.cn/），单纯的压缩空气存储不难，关键是涉及到压缩空气储能前后的能量转换的效能和处理方式，目前国内还没有大规模利用压缩空气储能的案例，国外利用压缩空气储能的概念是：利用电能制取压缩空气，存储在地下岩洞或废弃矿洞中，错开时间再利用压缩空气与燃油、燃气混合产生动力发电，利用压缩空气来节省发电过程中的燃油或燃气用量来达到储能目的。而直接利用压缩空气产生动力发电的方式目前还是空白，本节的压缩空气储能是单纯的储能概念而未涉及广义储能前后的能量转换手段和过程。
压缩空气储能有三种形式，分别是容积式、压气式、和常压低温液态式。容积式压缩空气储能是利用一定的容积空间存储压缩空气，其特点是随着压缩空气的使用，容器内压力渐渐降低，气源的输出压力在最大存储压力至正常大气压之间变化。压气型是用水的高度来产生压力差，用具有压力差的水填充容器空间来排出压缩空气，这种压缩空气气源使用前后压力基本恒定。常压低温型就是将压缩空气的热量排出使其温度低于-191.8℃，得到的液化空气，液化空气可以在环境大气压力情况下低温存储。本节只涉及压气式储能，其原理示意如图4：
图 4
图4的压气式压缩空气储能系统中有上、下二个储水池，下面一个水池是密封的，相当于一个压力容器，上面是一个开放式的蓄水池，二个水池上下垂直高度为h，根据水的密度知道，下水池的压力约为h*0.1kg/m，形成0.4MPa（绝压）的压力需水压高度差约为30m，3.6MPa的压力约需360m水压差，30MPa的水压差需3000米以上的水压差，因为压缩空气在这样的密度和高度上造成的压差要抵消一部分水压差。
压气式储能由于其输出的压缩空气压力基本恒定，所以单位体积的压缩空气储能包含做功能量有体积功和膨胀功。压气式储能的能量密度主要与压缩空气压力大小有关，压力P1 =0.4MPa（绝压）、1 m3的压缩空气储能为W0.4
W0.4 = P1V +P1Vln()=701.59kJ/m3=0.195kwh/m3(2-1)
（2-1）式中的膨胀功为压缩空气等温膨胀做功，如果按等熵膨胀做功来计算W0.4=0.137kwh。
3.6MPa的压缩空气储能为16169kj/m3，相当于4.49kwh/m3，如果按二级等熵膨胀、中间升温至环境温度方式和80%的机械效率来计算，有效储能为2.61kwh/m3。30MPa的压缩空气储能为196980kj/m3，相当于54.7kwh/m3，如果是液态空气,以升温至20℃的储能来计算为476523kj/m3,相当于132.4kwh/m3的电能（液态空气没有计算体积功），由此看出，压缩空气的存储压力越高，能量密度就越大。
压气式方式储能需要二个基本条件，一是要有较大的地下密闭容积空间，二是要有相应的水资源，同时满足这二个条件的地方很多，地下废弃矿洞、无开采价值的废弃油田、正在开采的盐矿都是可以利用的地下容积空间。如果利用这些地下容积空间，那储能的成本很低。专门挖掘地下容积空间也是可行的，这需要一定要求的地质结构，其挖掘成本相对较高。
小规模的风能压缩空气发电，可以用0.3~0.5MPa左右的压力来存储压缩空气，这种方式可以在地下浅层挖掘密闭空间，在地面建水池。大规模的压缩空气储能需要大容积的密闭空间，储能100万kwh的电量，按360m的水压差即3.6MPa的压力来存储压缩空气，按等熵膨胀和一定的机械效率来计算，实际做功约为2.6kwh/m3，得到100万kwh的电量需38.5万m3左右的储能容积空间。我国开采的大部分油田深度为1000~3000米，按一个深2000m、100万m3的地下废弃油田计算就能存储接近3千万kwh的电能。衡阳有一个盐矿处于岩层以下，其深度约600~700米深，有1千多万m3饱和盐水空间，如在地面建一个饱和盐水池做上水池，这样就可以很容易的建成为一个压缩空气储能系统，其储能量可达1亿kwh左右。我国近海风力资源丰富，在海岸线下开掘深度约360米深的密闭空间，上水池就是海洋，利用海水的压力差存储压缩空气是储能的很好选项，相对于抽水储能而言它即不存在对原生态的山林地貌造成破坏，更不存在对宝贵土地资源的大量占用。
压缩空气储能可能存在的问题是：有风能的地方不一定有合适的地质条件，有地质条件的地方不一定有水资源，我国的南方的内陆区域地质条件、水资源都没问题，但风力资源不足，我国的内蒙、西北地域风力资源丰富但水源不一定能满足条件，这就需要跨区域的输送压缩空气，压缩空气的流动性能很好，在风能充足的内蒙和西北地区采集压缩空气，通过管道配送压缩空气至有条件储能的地方是可以实现的，如果按3.6MPa的压力来输送压缩空气，送气速度按30米/s，内径1.8米管道一天输送的压缩空气能量可以达到1715万kwh以上。用跨区域方式来输送压缩空气即可以解决风能压缩空气发电系统中的风能与储能的错位问题又可以减轻电力网络设施的送电压力。
压气式储能，是物理方式的储能，能量损失很小，大规模实施的经济性较好，技术上是可以实现的。
三：压缩空气发电
无需燃油或燃气直接利用压缩空气发电需要高效能的压缩空气动力设备拖动电机，而惯性气动马达正是这种利用压缩空气产生动力的设备，有了对外输出动力，带动发电机平稳运转就能得到电力，所以关键是如何利用压缩空气得到高效能的动力，惯性气动马达是如何得到高效能的动力？其工作原理和基本结构可从以下该链接得到了解。
http://blog.sina.com.cn/s/blog_6b637bc60100o2ci.html
惯性气动马达（初级样机）的视频可以从以下链接了解。
http://www.tudou.com/programs/view/rVWrFRoAGDI/
惯性气动马达在风能压缩空气发电中有二个作用，
一是利用风能空压机制取的0.4MPa的压缩空气，通过惯性气动马达来产生动力继续提升0.4Mpa压缩空气压力，以便适应不同压力的压缩空气储能。
二是用惯性气动马达产生动力拖动电机发电。
惯性气动马达产生动力来自于压缩空气的体积功和膨胀功二部分，体积功是压缩空气的体积与压力的乘积，膨胀功是压缩空气内能的释放所做的功，由于膨胀做功过程时间短暂，所以膨胀做功只能以一种绝热等熵方式进行，这部分做功只有通过变容降压方式才能获取，惯性气动马达符合这个特征。
下面以二个假设来说明风能压缩空气和压缩空气做功的效能。
第一种假设：有上下二个水池垂直距离为30米，由水压差形成的压力为0.4Mpa（绝压）。
利用风能空压机将质量M=1kg、T0 =20℃（293K）的空气压缩至P1=0.4MPa(绝压),考虑摩擦、容积、行程、泄漏等综合因素，取等熵效能系数为λ=0.8，并将该压缩空气视为理想气体，消耗的压缩功为W
W= T0[ —1] CP /λ=182.6KJ(3-1)
气体在加压后温度由T0升至T1
T1=T0 =435.4K(3-2)
1kg空气加压前的体积V0
V0=nVK293K/273K=0.829m3(3-3)
公式（3-3）中：1kg空气为n=34.5 mol（空气分子量按29），VK =22.4L/mol为一个大气压、273K温度时1摩尔气体的体积。
1kg空气加压升温后的体积为V1
V1= V0 P0T1/ T0 P1=0.308M3(3-4)
如果直接利用升温的压缩空气供给惯性气动马达做功，产生的做功为W1
W1={P1V1+ P1V1}λ=131.6kj(3-5)
压缩空气未降温时的能效利用率ηH=W1/W=72%
如果压缩空气冷却至环境温度,体积缩小至V2
V2= V1 T0/T1 =0.207M3
再通过惯性气动马达做功为W2
W2={P1V2+ P1V2}λ=88.55kj(3-6)
压缩空气降温后的能效利用率ηL=W2/W=48.5%
由此知道：风能压缩空气经存储稳压后做功的效能是较高的，还有很多后续手段可以提高压缩空气的能效利用率。其中之一的方式是：在压缩空气进入气缸的同时，将一定温度的水雾化喷入气缸，使压缩空气膨胀做功过程基本保持为一种等温膨胀过程，做功效能还能提高1.31倍左右（降压比为4时）。
第二个假设：
如果需要储能的压缩空气压力为3.6MPa，那就需要用惯性气动马达将0.4MPa的压缩空气进行二级压缩比为3（0.4*3*3）的加压，通过加压达到要求的储能压力。
压缩空气能量的释放是通过惯性气动马达工作逐级的释放来实现，3.6MPa的压缩空气可按照6*6降压比来产生动力，由于压缩空气的绝热膨胀做功需消耗内能，使自身温度降低，在中、低压之间需要加装热交换器使降温后的压缩空气升温至接近环境温度，这样有利于压缩空气做功能效的提高。
下面还是以M=1kg、T0=20℃(293K)的空气为例来说明3.6MPa压缩空气压缩和做功的能效利用率。
将空气加压至3.6MPa，需要经过4*3*3的加压过程，第一级由风能空压机完成，第二、三级由惯性气动马达带动活塞式空压机完成，假设在每一级压缩之前对压缩空气进行冷却至接近环境温度，加压过程所需要的做功为W3.6。
按公式（3-1）计算第一级消耗压缩功为178.7kj,第二、三级消耗压缩功各为138.6kj,三级共消耗压缩功为W3.6=456kj。
在压缩空气冷却至环境温度后，将3.6MPa的压缩空气通过惯性气动马达做功，做功过程分为6*6的降压比，在中间环节对0.6MPa的压缩空气进行热交换，使其接近环境温度再做功，这样二级做功值是相同的，即WH=W L
WH={P3.6V3.6+P3.6V3.6}λ=108.3kj (3-7)
二级共做功为216.6kj，做功效能为η
η=W H+WL/W3.6=47.5%(3-8)
用二级不同压力的压缩空气来做功，惯性气动马达的处理方式如图5：
图 5
图4是惯性气动马达中、低压二级汽缸工作的基本原理，其中间级的热交换器是安装在惯性气动马达的外缘上，起到吸收环境温度增加压缩空气内能作用，外挂式的热交换器的处理的方式如图6
图 6
图6是一个外挂式热交换器的实物图片，一个MW级的惯性气动马达需要很大的外挂式热交换器。假如有一个2MW级的惯性气动马达，由3.6MPa汽缸组和0.6MPa汽缸组组成，低压汽缸组产生的功率与中压汽缸组产生的功率是相等的，就是说热交换器的换热功率要大于1MW。
2MW功率的惯性气动马达直径约在4m以上，按4m计算，外挂式热交换器的周长约为12.56m,设翅片尺寸为0.3*1.8m，翅片间隔为30MM，热交换器的双面总面积为452m2，材料的热传导系数按150W/m2·K计算，考虑到热交换器的表面有结霜，温度差值只能按20K计算，该热交换器的热传导功率为1357kw，可见热交换器的功率能满足压缩空气升温要求，包裹在惯性气动马达外缘的热交换器的制造应没有问题。
利用惯性气动马达将压缩空气转换为动力实际上是活塞式空压机的逆向工作，如果不考虑摩擦、容积、行程、泄漏、管道压力、温度损失等因素，风能压缩空气—压缩空气存储—压缩空气产生动力过程是一个完全可逆的空气热力学过程，实际过程中各种能量损耗因素是存在的，除压缩空气降温能耗损失较大外其它损耗都较小，而压缩空气降温导致的能量损失是可以采用较简单的工艺手段得到补救的，所以随着风能压缩空气、储能、压缩空气发电技术的日益成熟，其总体效能利用率会提高到60~80%这样的水平。风能压缩空气发电不涉及其它形式的能量转换，处理过程简单，设备制造的技术、工艺、加工制造不复杂，设备也不涉及稀土和贵金属材料。是新能用利用中洁净环保性能最好的形式。
传统观念中认为压缩空气利用率很低，是基于以下情况：煤炭发电按30%能效，用电来压缩空气按85%能效，压缩空气冷却体积减少做功减少40%（按0.6MPa），气动马达每kw耗气量约18~30L/S（现市面上的气动马达耗气量）,即气动马达的平均做功效能按30%，一路算下来气动马达产生动力的总能效利用率仅为4.6%。所以说气动马达是高能耗设备。而利用风能空压机和惯性气动马达来利用风能发电，效能可达47.5%以上，通过一些工艺手段可以使能效利用率达到更高水平。
风能压缩空气发电即可以作为并网—储能发电系统存在，又可以作为独立的发电系统离网存在，在有风力资源的地区，国家可以采用此方案大量的采集风力资源来为电网送电和存储电能。作为厂矿、企业可以自建风能压缩空气发电系统来为自己提供高峰用电，单门独户或小区也可以利用此方式来为自己建立第二套电力能源系统，这样的电力的品质很好且有保障，同时也符合节能减排的政策目标。
四：风能压缩空气—压缩空气储能—压缩空气发电的商业价值：
（1）风能压缩空气发电的优点;
采用风能压缩空气发电形式，与风能并网发比较主要有以下几个方面的优点：
（a）风能的利用率较高，风能空压机是接受风力动能来压缩空气，风力大风轮转速快就会增加汽缸工作频率，压缩空气制取量就大，风力小转速减慢，压缩空气制取量就小，无论风力的大小风能空压机都可以得到相应的压缩空气制取量，使风力能量得到最大限度的吸收和利用的。
（b）压缩空气能够方面的输送和存储，风能空压机制取压缩空气后，压缩空气作为一种承载能量的介质可以远距离输送和存储，能量的存储是能源领域中一个世界性的难题，目前大规模、较低成本的储能方式是抽水储能，其它方式的储能不是存在技术问题就是存在成本偏高问题，而压缩空气储能有可能成为成本最低、最洁净环保的储能方式，因为压缩空气储能占用的土地资源最少，对生态环境的破坏也最小。
（c）风能压缩空气发电的品质好于风能并网发电，风力能源的间歇性和波动性致使风能发电的品质较低，我国风电的多次脱网事故说明了风电并网发电仍存在许多潜在问题，而风能压缩空气发电由于压缩空气压力基本恒定，其发电的品质与水力发电无差别，所以风能压缩空气发电的品质较高。
（d）风能压缩空气发电的规模可大可小，具有极强的适应性。风能并网发电需要有好的风力资源，大的资金投入，要有电力网络公司的上网许可，要有国家资金的补贴，在这种情况下，风电企业才有生存空间。而风能压缩空气发电，即可以独立门户自给自足发电，也可以由专业的风电企业规模开发经营。即可以建一个规模仅几个kw的系统，也可以建几百、几千kw的独立供电系统，还可以建上百万kw的并网电站。根据风力资源的状况、用电需要、资金多少来建供电系统体现了风能压缩空气发电有极好的适应性。
（2）风能压缩空气发电系统的技术构成：
风能压缩空气—压缩空气储能—压缩空气发电系统是一个简单的空气热力学转换过程，压缩空气是成熟的传统产业，只要将其技术与风力能量衔接就可以了。压缩空气存储设施的建造没有技术和施工难度。风能压缩空气发电的过程中需要有高效能的压缩空气动力转换设备，惯性气动马达符合这种要求，用其动力拖动电机发电也不存在技术问题，所以系统构成中设施、设备及处理手段都是现代技术可以覆盖的，采用风能压缩空气发电项目是不存在技术风险。
（3）风能压缩空气发电系统的简单经济测算：
风能压缩空气发电系统的制造成本主要包括有几个部分：
（a）风能空压机，该设备主要由塔架、风叶、轴、汽缸支架、汽缸、过滤器、压缩空气管道、控制系统组成，大部分都属机械组件，无稀土和贵金属材料，造价相对较低，按MW级来测算成本应≤1500元/kw。
（b）储能系统是一个地下容积空间，我国煤炭采挖深度一般在几百至一千多米，煤炭比重0.6~1吨/m3不等,煤炭开掘约成本不到200元/m3，开挖地下岩洞成本如果为开挖煤炭成本的6~8倍，360米地下岩层开掘成本约为1200~1600元/m3，如果按发电效能为2.6kwh/m3储能计算，储能的地下开掘成本也仅为462~615元/kwh，如果利用地下废弃的油田、盐矿、煤矿储能成本将降100元/kwh以下，而现在的储能方式中，最低储能成本至少在1500元/kwh以上。
（c）惯性气动马达比活塞式空压机结构要发复杂一些，因此造价要高于普通活塞式空压机，MW级的惯性气动马达造价应≤1000元/kw计算。
惯性气动马达还有一个作用就是提升压缩空气压力，这需要系统中还有增加一台低压的惯性气动马达，这台设备的造价按800元/kw计算，系统中惯性气动马达设备总计应≤1800元/kw。
（d）规模大的风电站，需要有厂房和管道阀门等设施，这一部分按1500元/kw计算。
设备、设施的成本造价约为4800元/kw，这未包含储能设施成本，这相当于建造火电厂的成本水平，而火电厂的后续燃料成本是很大的。风能压缩空气发电的实际成本与电站规模，环境条件等因素有关，这里只是做一个模糊的成本估算，用以说明风能压缩空气发电的经济性是较好的。
（e）利益测算
一个商业性的风能压缩空气发电系统需要达到一定规模，为了说明其成本及利益的关系，现假设在沿海建一个500MW级的风能压缩空气—压缩空气储能—压缩空气发电站，电站储能规模按500万kwh设计，考虑到实际发电的效能，按2.6kwh/m3来建地下储能空间，需要地下容积空间为192.3万m3。其中设备、设施造价按4800元/kw，需投资为24亿元，挖掘地下储能空间造价为1500元/m3，需投资为28.8亿元，总造价费用为52.8亿元。设备折旧以15年计，储能设施折旧按60年计，考虑后续维护、管理成本0.5亿元/年。每天发电8个小时，一天的发电量为400万kwh,每年按330天计算，15年的发电量为198亿kwh,而15年发电的总成本约为38.7亿，电能分摊成本仅为0.195元/kwh。现在国家电网收购风电价格为0.6元/kwh，从这个预期看出，风能压缩空气发电比现行的风电具有较大的竞争优势。
小规模的风能压缩空气发电系统，成本造价会高于大规模的电站造价成本，但是在离网地区如海岛、哨所、西北偏远居民集聚地使用压缩空气发电，即使成本较高也是可以接受的，因为它远比建造太阳能光伏和离网风能发电系统成本要低很多。
从简单的测算中，我们可以了解到，风能压缩空气发电的巨大商业利益是客观存在的。
（4）市场：
风能是新能源开发利用中的主要选项，我国可利用的风能十倍于水利能源，近年来我国的风能装机量以每年上千万kw的速度发展，但由于并网风电存在着波动性、间歇性缺陷而受到诸多限制。一种能稳定产生电能、又能起调峰作用、无需辅助化石源能、无环境污染的大规模低成本的风能利用将毫无疑问的取代现行风能发电方式，这就是风能压缩空气发电市场的未来。
如果风能压缩空气发电据有国内市场份额的10%，设备功率都将高达上百万kw,设备产值将达到30~40亿元，未来实际的市场份额应远大于此数。
风能压缩空气发电系统也可应用于储能领域，用电动空压机取代系统中的风能空压机，系统的其他构成和工作原理与风能压缩空气发电是完全相同的，大规模的压缩空气储能其储能的效能会接近于抽水储能，经济性会好于抽水储能，所以用压缩空气储能并发电会有很广的市场前景的。
该文可能存在一些计算上的错误，但偏差不会很大，总的思路和处理方式应没有什么大的问题。希望读者能参与讨论并批评指正。
本人还希望与有一定实力从事新能源开发或是与压缩空气设备、风能发电相关的企业进行合作，来共同实施定性的初级项目、中级项目。并共享成果。
有意者可通过电子邮件联系：wangrxang@126.com
