综述：微压缩空气储能技术综述：应用、组件选择与动态建模

《Journal of Energy Storage》：A review of micro compressed air energy storage: Applications, component selection, and dynamic modeling

微型压缩空气储能（Micro CAES）系统特性、组件选型及动态建模方法综述。

　　随着全球能源需求的不断上升，能源与环境问题日益突出。传统能源的使用带来了诸多挑战，如资源枯竭、环境污染等，而可再生能源的间歇性和不稳定性也对电网的稳定运行提出了更高的要求。在此背景下，能量存储技术成为了实现能源高效利用和可持续发展的重要手段。压缩空气储能（Compressed Air Energy Storage, CAES）作为一种物理储能方式，因其具备宽广的功率范围、长寿命、长时间储能以及较低的环境影响等优势，逐渐成为研究热点。然而，传统CAES系统通常需要大型地下储气洞，依赖化石燃料，且效率较低，限制了其在分布式和小型化场景中的应用。因此，微压缩空气储能（Micro CAES）作为CAES的一种小型化形式，因其结构紧凑、运行灵活、易于控制等特性，吸引了越来越多的关注。

Micro CAES系统的主要应用领域包括建筑物、分布式能源系统、备用电源供应以及压缩空气车辆等。在这些场景中，Micro CAES能够有效应对电力供需不平衡的问题，实现削峰填谷，同时减少对传统热能发电的依赖，从而降低环境污染。此外，由于其具备冷热电三联供的潜力，Micro CAES也被应用于与可再生能源结合的分布式能源系统中，进一步提升了系统的综合能源利用效率。

在Micro CAES系统中，关键组件的选择对于系统的性能至关重要。常见的压缩机类型包括活塞式压缩机和径向涡轮机，它们分别适用于不同的应用场景。例如，活塞式压缩机因其结构简单、成本较低，适用于需要较高储能效率的场景；而径向涡轮机则在高功率输出和快速响应方面表现优异。在热交换器的选择上，板翅式热交换器因其高效的热传导能力和紧凑的结构，成为Micro CAES系统的优选方案。同时，储气容器通常采用圆柱形罐体，以确保储气的安全性和经济性。这些组件的选择不仅影响系统的整体效率，还决定了其在不同应用场景下的适应性。

对于Micro CAES系统的动态建模，目前的研究主要集中在零维和一维建模方法上。零维建模适用于简化系统模型，能够快速评估系统在不同工况下的性能；而一维建模则更加精确，能够反映系统在不同阶段的能量转换过程。然而，现有的研究在低速压缩机和涡轮机的特性建模方面仍存在不足，这需要进一步的实验数据和理论分析来完善。此外，动态建模方法的系统性和全面性仍有待提升，特别是在处理复杂工况和非设计工况时，模型的准确性需要进一步优化。

Micro CAES系统的动态性能对实际应用具有重要意义。由于其在不同工况下可能面临非设计条件，因此，研究系统的动态响应能力是实现高效运行的关键。一些学者已经对Micro CAES的动态特性进行了深入研究，并提出了多种控制策略，以提高系统的调节能力和响应速度。例如，Salvini等人研究了Micro CAES压缩机单元的动态运行特性，并提出了一种基于恒速储能过程的负载调节控制策略；Lemofouet等人则提出了一种最大效率点跟踪控制方法，以提高Micro CAES与超级电容器耦合系统的动态响应能力。此外，先进的控制技术，如模型预测控制（MPC）和主动扰动抑制控制（ADRC）等，也被应用于Micro CAES的动态调节中，显著提升了系统的灵活性和适应性。

在Micro CAES与其他储能技术的对比中，其优势和局限性也逐渐显现。相较于化学储能设备，如铅酸电池、锂离子电池、液流电池和各种燃料电池，Micro CAES具有更长的使用寿命、更低的污染排放以及更少的维护需求。然而，其响应速度相对较慢，无法满足某些高频率的电力需求波动。因此，Micro CAES通常需要与电化学储能或飞轮储能等技术相结合，以实现更广泛的运行条件适应性。此外，Micro CAES的经济性也受到其系统成本的影响，特别是热存储和热交换介质的使用，使得其在某些场景下的经济性不如其他储能方式。

尽管Micro CAES在多个方面展现出显著优势，但其在实际应用中仍面临一些挑战。首先，热存储材料的热存储性能和保温材料的隔热性能对系统效率有重要影响，因此需要开发高性能的热存储材料和先进的保温技术。其次，系统的结构设计需要兼顾紧凑性和安全性，特别是在高温高压条件下，压缩机和涡轮机的材料选择和制造工艺需要进一步优化。此外，Micro CAES的动态建模和控制策略仍需深入研究，以提高系统的响应速度和运行效率。

综上所述，Micro CAES作为一种小型化、灵活化的储能技术，具有广阔的应用前景。它不仅能够有效应对可再生能源的间歇性和不稳定性，还能在分布式能源系统中发挥重要作用。然而，要实现Micro CAES的广泛应用，仍需在热存储材料、系统结构设计、动态建模和控制策略等方面进行深入研究和优化。通过不断的技术创新和工程实践，Micro CAES有望在未来成为实现能源高效利用和可持续发展的重要工具。