压缩空气再生能源利用系统可行性探究
可再生能源中的风能、太阳能、海洋能蕴藏量巨大且无穷尽，但有一个共同缺陷是能量密度低并具有间隙性和波动性，所以采集这种能源将其转换为稳定电能的难度较大，技术和经济成本较高，如果再缺乏大规模，低成本储能手段的配合，可再生能源的开发利用会事倍功半。现提出一种方式，将可再生能源先转换为压缩空气能源，再根据需要来转换为动能或电力能源。采用这种方式，现阶段开发利用可再生能源中的很多问题就可迎刃而解。当然有一个前提是：不仅需要压缩空气动力设备在技术上有所突破，更需要人们在压缩空气能源利用的方式上、观念上有所转变，用压缩空气做为可再生能源的转换介质，可以绕开可再生能源转换为稳定电能中很多难以解决的问题。对此，不妨先看看压缩空气有哪些优点。
一、压缩空气能源的优势
1.可再生能源转换为压缩空气容易，采集简单
风能发电是利用空气动能将其转换为电能，由于风的波动性和间歇性，要利用很多技术手段才能让这种“垃圾能源”变为稳定的电能，风电还存在用电低谷时段放空和上网比例受限等问题，所以风能直接发电存在很多致命弱点。
将风能直接转变为压缩空气就不存在上述问题，压缩空气无所谓质量好坏，只有制取量的多少和压力的高低指标。所以采集风力能源没有什么特别要求，只要将空压机缸头与桨叶的转动组合起来就可以陆续的得到压缩空气能源，组合的方式很多，可以用增速方式直接带动空压机缸头。
太阳能是新能源开发利用中的大户，主要有光伏和光热二种形式，利用光伏制取压缩空气非常简单，光伏获取的是直流电，用直流电机驱动空压机制取压缩空气是很容易的，光照强度大电流大，制取压缩空气多，光照小电流小，制取压缩空气小，这种获取压缩空气能源的方式简单方便，没有技术障碍，不需要电池存储和逆变转换等环节。未来太阳能利用的主要方向在太阳热电开发上，美国的内华达太阳能一号工程是利用槽式反射镜采集太阳热能，将合成油加热，通过与熔融盐交换热量，熔融盐再使水汽化推动汽轮机发电，其中的储能手段是利用大量的熔融盐来实现，这种熔融盐储热发电工序增加了设备的复杂性和成本。如果将汽轮机多余的机械能用于压缩空气以平衡发电功率，就可以减少熔融盐储热的工序和相关设备，替补手段仅需增加相应制取压缩空气设备就可以，所以利用富于太阳热能压缩空气平衡发电功率是太阳热能利用中的优选方式，当然还要辅以压缩空气还原动力的设备，这种模式说明了太阳热能制取压缩空气的方便和可行性。小规模的太阳热能利用是在楼顶上安装一个碟式太阳热能采集装置，使水汽化，用高温蒸汽通过空气动力发动机产生动力来制取压缩空气，这种制取压缩空气的方式比获取稳定电能要容易很多。
海洋能中主要有潮汐能、波浪能等，潮汐能是一种低水头的水力发电。利用这种水力制取压缩空气只需将空压机替代发电机就行了。波浪能的特点是上下起伏，由远至近，其浮力和冲击力符合汽缸伸缩制取压缩空气动作要求，用波浪能制取压缩空气就远比发电简单，其方式很多。
火电、核电具有“热惯性”，不能停机，在用电低谷时段让汽轮机一部分机械能发电满足负荷要求，一部分机械能制取压缩空气，这只需要将汽轮机动力轴的动力传输到空压机上就可实现。
将风能、太阳能、海洋能直接转换为压缩空气相对于发电要简单，采集能量时匹配容易，这样可再生能源被采集后就不会被浪费掉，相对提高了采集设备的利用率，所以从可再生能源中获取压缩空气能源比获取电力能源具有明显优势。
2.压缩空气储能简单
储能是新能源开发利用的一个重要环节，缺少这个环节新能源的开发和利用将会大打折扣。目前大规模、低成本储能手段是抽水储能，而飞轮储能、电池储能对大规模的电力储能只能是杯水车薪。抽水储能需要特殊的山形地貌条件，且对原生态的地理环境破坏较大，存储1kWh需要1m3水的理论位差是360m，按70%储能效能计算, 实际位差要达到512m，所以抽水储能需要有高水位差和充足的水源等相关条件。
压缩空气储能在上世纪美国和德国就有了成功案例，其方式是利用地下岩洞、废弃矿洞来储存压缩空气，在低谷用电时段将电能转化为压缩空气储存，在高峰用电时段将压缩空气与燃油或燃气混合后燃烧，通过特制汽轮机发电，节约1/3的油气资源，所以利用压缩空气储能并非异想天开，但不借用油气能源仅单一使用压缩空气发电还没有先例，本文涉及到这一问题的解决。
压缩空气储能有三种方式，一种是容积式储能，即利用容器储存压缩空气，这种方式的特点是随着压缩空气的使用，气源压力渐渐降低，其储能量小，压力波动大，一般只是用作小能量临时储能或平衡管道流速及用气点压力。另一种是压气式储能，即上设一个储水池，下设一个密闭压力容器（或密闭岩洞、矿洞）一根水管上下相连，一根气管与下面压力容器相连，把压缩空气压入下面容器中，水被排到上水池，其水位高差决定了压缩空气的压力，使用前后压缩空气的压力基本恒定，如果地下512m深有个密闭空间，用压气式可以获得压力为5.12MPa的压缩空气（未考虑压缩空气本身密度和高度所抵消的压差），其压缩空气理论储能密度为5.88kWh/m3，实际储能密度应大于4kWh/m3，其储能效果4倍于相同水位差的抽水储能。湖南衡阳有个盐矿，在700米的岩层下，由于几十年的开采地下饱和盐水有近二千万立方，用此空间来存储压缩空气，储气压力为8.2MPa（饱和盐水比重按1.2t/m3，未考虑压缩空气本身密度和高度要抵消的压差），压缩空气的理论储能密度为14.3kWh/m3，实际储能密度应在10kWh/m3以上，在地面建一个1000×2000×12m的盐水池，该盐矿储能可达2亿kWh以上，相当于30个福建同安云顶山抽水储能电站的储能，而占地不会超过一个同安云顶山抽水电站的占地面积。部分地下岩洞、矿洞和废弃的油、气田也是可以利用的压缩空气存能空间。沿海地区可以在海岸线下人工开凿地下空间作为地下密闭容器，上水池是海洋，以这种方式储存压缩空气几乎不占地，所以压气式储能是大规模、低成本实现储能的最佳方式。第三种方式是利用卡皮查低温膨胀液化循环方式将压缩空气冷却至-192℃，在常压下以液态空气的方式储能，其理论储能密度可达到120kWh/m3以上，实际储能密度可以达到80kWh以上，英国Highview储能技术公司正尝试用这种方式来储能发电。
压缩空气储能是最有前景的储能方式，其环保性好于抽水储能，储能规模可以远大于抽水储能，这样形式的储能过程同样只涉及物理性质的变化，所以说压缩空气储能简单、可行的。
3.压缩空气能源与电力能源的转换容易
利用电能转换为压缩空气非常容易且技术成熟，目前最大的离心式空压机功率达到60MW，等熵效能达到85%以上，大功率的离心式空压机提升压力可达10.0MPa，中、小功率的气缸容积式空压机压力可以达到30MPa以上，这种转换技术非常成熟并有成型产品，所以用电能转换为压缩空气是没有问题的。将压缩空气转换为动力的设备也较多，如制气行业中使用的中、低压透平膨胀机，功率也超过几十MW，等熵效能也在85%以上，中、小流量的活塞式膨胀机等熵效能达到70%。制气行业中利用膨胀机主要作用是提取冷量，伴随着冷量产生的同时向外输出动力，用这种动力拖动电机发电是行业中回收能量的一种方式，但这类膨胀机一般都是单级做功，无法适应较宽的压力范围和实现多级变容降压做功，其适用范围有限。能够实现多级变容降压做功的设备是空气动力发动机，这种设备开发的主要用途是应用在空气动力汽车上，从目前资料来看，法国的MDI公司走在前面，但仍未取得实质性的突破，估计其空气动力发动机的效能仅为30～40%，功率也不容易做大，所以只有解决了空气动力发动机的高效能、大功率、适用压力范围广、低成本、低噪音等问题，压缩空气在新能源中的巨大作用才会显现。本文涉及的惯性气动马达正是这样一种设备，先预设这个条件成立，所以说压缩空气能源与电能的相互转换容易。
4.压缩空气能源适合做为多媒体能源
压缩空气便于传输，在一定的区域内建立有效的压缩空气网管系统，实现互联互通，这样有一个好处，就是需要用压缩空气时，可以从网管上得到，有富余的能量时，可以制取为压缩空气送入网管，跟互联网可以实现自由下载和上传性息一样，用压缩空气做能量介质也可以方便的实现下载和上传能量，压缩空气储能就相当于网络的数据库或电脑数据硬盘，将压缩空气作为能源多媒体并实现网络化，其巨大作用就会显现出来，比喻说：在有风力资源地区的一个企业，生产用电需要1000kW，在主网管上接一根压缩空气管道到厂区，然后在自己的厂区内按装二台500kW风能空压机来压缩空气发电，风力较弱时，从网管上适量补充压缩空气，风力正常时，空气动力设备拖动电机正常发电，晚上不生产时将多余的压缩空气送入网管，一段时间下来，该企业压缩空气用量可能为零或负数，实际结果是企业生产消耗能源为可再生能源，且电力质量又好。一个小区、一个商业服务企业也可以按这种模式自行供电和为网管提供多余的压缩空气，如：在楼顶上安装太阳光伏设备或太阳热能动力设备或风能空压机制取压缩空气，一部分压缩空气用来发电，一部分用来回馈压缩空气网管系统，天气不好时和晚上即可以取用网管上的压缩空气发电或消费网电，但总体上计算，送上网管的压缩空气能量和从网管及电网上获取的能量基本持平，这样很多单位即是能源的消费者又是能源的生产者。这种模式只有通过压缩空气能源为介质来实现。因此用压缩空气将风能、太阳能、海洋能、电能等有机的结合起来进行配置和使用，是可以实现真正的能源网络智能化。而结合的介质就是压缩空气这种多媒体能源。压缩空气在很多地方还是被直接利用的能源，如自动化生产线、电气一体设备、气动工具、矿区、制气行业等都需要大量的压缩空气，每年制取压缩空气需要消耗全国发电总量的近10%，这一部分电能的节约都是相当可观的，可见压缩空气作为能源多媒体是当之无愧的。
5.压缩空气可以拓展应用范围
在新能源中另一个大项是新能源汽车，目前纯电动汽车、氢能源汽车渐渐成为人们热议的话题，但真正的纯电动汽车可能还有一段很长的路要走，德国的最新纯电动汽车一次跑了600多km，但安全性、和充电时间及成本较高在长时间内仍将是其商业化瓶颈，氢动力汽车的安全性、成本和氢能的获取也将是其未来发展的障碍。而空气动力汽车是新能源汽车中的一匹黑马，法国、澳大利亚、印度等一些国家都在研发空气动力汽车，法国的MDI公司并有产品面世，虽然与纯电动汽车、氢动力汽车相比压缩空气的能量密度低（压缩空气约220kj/kg，液态空气约，360kj/kg），续航里程稍短，但其有二个巨大的优势，一是其环保属性好，压缩空气排出来的是洁净的冷空气，即净化了城市的空气还消除了城市的热岛效应，在空气动力汽车的生产，使用、和废弃处理中产生的污染物也是最小的，这使人们的生活环境品质提高。二是经济性好，压缩空气动力汽车的结构简单，维护方便，压缩空气汽车的动力能源即压缩空气容易获取，这使压缩空气动力汽车无论购买、使用都无需承受高额费用，作为城市代步工具的压缩空气动力汽车将会是最佳选项。
空调效应是压缩空气动力使用的另一个拓展领域，空气被压缩过程中产生热量，压缩空气在膨胀做功过程中吸收热量，利用其这种物理特性，宏观上可以起到调控区域温度的作用。如南方的夏天，把压缩空气大部分散热留在海洋，高空和城市郊外，较低温度的压缩空气送入城市，用于区域性发电和驱动汽车及驱动工厂设备，由于压缩空气大量的使用，其膨胀吸热起到冷空调的作用明显，使环境降温消除了城市的热岛效应。北方的冬天，将区域内或一家一户安装的风能空压机在加压空气时产生的热量引导进入住宅，起到加热水温和取暖的作用。当然这需要相关配套的设施，但这种以空气为介质的制冷或制热作用无疑是有巨大经济价值的。
6.压缩空气能源的利用无需贵金属、稀土材料等，成本较低
压缩空气利用是传统产业，实现压缩空气能源化、网络化实际上只是将压缩空气应用范围扩大，仅需要开发和增加相应的设备和设施就可以了，可再生能源的采集设备、储能网管设施和压缩空气动力设备基本上是属于在传统产业范畴。无需依靠和等待新技术的突破。空气动力发动机也不像汽车燃油发动机一样要在高温、高强度冲击和要多系统协调工况下工作，所以其结构复杂性、精度要求、工艺要求、制作加工要求均远低于汽车燃油发动机，特别是其材料使用上很少涉及贵金属、稀土材料和化工原料的使用，其知识产权涉及的范围也很小，所以在可再生能源基础上建立的压缩空气能源系统其经济成本相对较低。