眾所周知，能源是人類社會賴以生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)。隨著全球能源生產(chǎn)和消費的持續(xù)增長，化石能源日益枯竭，能源危機已成為世界范圍內(nèi)面臨的共同難題，對人類的生存和發(fā)展構(gòu)成了嚴重威脅。面對上述挑戰(zhàn)，各國都在積極研究和發(fā)展新能源技術(shù)，特別是太陽能、風能等可再生能源，以期用清潔能源全面取代化石能源，最終建立安全、經(jīng)濟、清潔的現(xiàn)代能源供應(yīng)體系。
由于風電、光伏等新能源發(fā)電具有波動性、不確定性，其大規(guī)模并網(wǎng)將對電網(wǎng)的安全和穩(wěn)定運行帶來諸多挑戰(zhàn)，而儲能裝置具有對功率和能量的時間遷移能力，可以有效解決大規(guī)模風電、光伏等新能源發(fā)電并網(wǎng)問題；同時，通過大規(guī)模儲能技術(shù)可以實現(xiàn)電網(wǎng)的“削峰填谷”，增強電網(wǎng)運行的經(jīng)濟性。美國能源部前部長、諾貝爾物理學獎獲得者朱棣文指出：將儲能技術(shù)與太陽能技術(shù)相結(jié)合，其在配電和發(fā)電領(lǐng)域的影響或可與當年互聯(lián)網(wǎng)所造成的顛覆性沖擊相媲美。由此可見儲能技術(shù)對于未來電力和能源系統(tǒng)的重要意義。
壓縮空氣儲能(compressed air energy storage，CAES)對地理條件無特殊要求，建造成本和響應(yīng)速度與抽水蓄能電站相當，使用壽命長，儲能容量大，是一種具有推廣應(yīng)用前景的大規(guī)模儲能技術(shù)。國外已有兩座大型CAES電站分別在美國和德國（如圖1所示）投入商業(yè)運行，多座電站正在建設(shè)之中。此外，多家研究機構(gòu)及公司開展了該方面的研究，提出了許多創(chuàng)新性的CAES系統(tǒng)技術(shù)方案。
圖1 德國Huntorf CAES電站（左）和美國McIntosh CAES電站（右）
2壓縮空氣儲能基本原理
壓縮空氣儲能系統(tǒng)可利用低谷電、棄風電、棄光電等對空氣進行壓縮，并將高壓空氣密封在地下鹽穴、地下礦洞、過期油氣井或新建儲氣室中，在電網(wǎng)負荷高峰期釋放壓縮空氣推動透平機（氣輪機、渦輪機等）發(fā)電。按照運行原理，壓縮空氣儲能系統(tǒng)可以分為補燃式和非補燃式兩類。
補燃式CAES需要借助燃料的補燃，以實現(xiàn)系統(tǒng)的循環(huán)運行，系統(tǒng)流程如圖2（a）所示。儲能時，電機驅(qū)動壓縮機將空氣壓縮至高壓并存儲在儲氣室中；釋能時，儲氣室中的高壓空氣進入燃氣輪機，在燃燒室中與燃料混合燃燒，驅(qū)動燃氣輪機做功，從而帶動發(fā)電機對外輸出電能。補燃式CAES由于采用燃料補燃，存在污染排放問題，同時存在對天然氣等燃料的依賴。非補燃式CAES基于常規(guī)的補燃式CAES發(fā)展而來，通過采用回熱技術(shù)，將儲能時壓縮過程中所產(chǎn)生的壓縮熱收集并存儲，待系統(tǒng)釋能時加熱進入透平的高壓空氣，系統(tǒng)流程如圖2（b）所示。非補燃式CAES不僅消除了對燃料的依賴，實現(xiàn)了有害氣體零排放，同時還可以利用壓縮熱和透平的低溫排氣對外供暖和供冷，進而實現(xiàn)冷熱電三聯(lián)供，實現(xiàn)了能量的綜合利用，系統(tǒng)綜合效率較高。鑒于非補燃式CAES在環(huán)保、能量綜合利用等方面的優(yōu)勢，目前已成為CAES的主流研究方向。
圖2（a） 補燃式壓縮空氣儲能系統(tǒng)流程圖
圖2（b） 非補燃式壓縮空氣儲能系統(tǒng)流程圖
3典型應(yīng)用場景
壓縮空氣儲能技術(shù)在電力系統(tǒng)中應(yīng)用前景廣闊，典型應(yīng)用場景包括如下幾個方面。
1）削峰填谷。集中式的大型CAES電站的單機容量可達百兆瓦量級，發(fā)電時間可達數(shù)小時，可在電力系統(tǒng)負荷低谷時消納富余電力，在負荷高峰時向電網(wǎng)饋電，起到“削峰填谷”的作用，從而促進電力系統(tǒng)的經(jīng)濟運行。
2）消納新能源。分散式CAES電站的容量配置為幾兆瓦到幾十兆瓦，可與光伏電站、風電場、小水電站等配套建設(shè)，將間歇性的可再生能源儲存起來，在用電高峰期釋放，緩解當前的棄風、棄光和棄水困局。
3）構(gòu)建獨立電力系統(tǒng)。CAES還可用于沙漠、山區(qū)、海島等特殊場合的電力系統(tǒng)。該類地區(qū)對儲能系統(tǒng)的壽命、環(huán)保等方面有特殊需求。在此情況下，若配合風力發(fā)電、光伏發(fā)電、潮汐發(fā)電等清潔能源，結(jié)合非補燃CAES的冷熱電聯(lián)供特點，則有望構(gòu)建低碳環(huán)保的冷熱電三聯(lián)供獨立電力系統(tǒng)。
4）緊急備用電源。由于非補燃CAES技術(shù)不受外界電網(wǎng)、燃料供應(yīng)等條件的限制，對于電網(wǎng)出現(xiàn)突發(fā)情況如冰災(zāi)造成的斷網(wǎng)等，該技術(shù)的應(yīng)用將能確保重要負荷單位如政府機關(guān)、軍事設(shè)施、醫(yī)院等的正常運行。
5）輔助功能。壓縮空氣儲能具有功率和電壓均可調(diào)節(jié)的同步發(fā)電系統(tǒng)，且響應(yīng)迅速，其大量應(yīng)用可以增加整個電力系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)備用和無功支撐能力，提高系統(tǒng)電能品質(zhì)和安全穩(wěn)定水平。
4清華大學研究進展
2012年，在國家電網(wǎng)公司的資助下，清華大學作為項目負責單位聯(lián)合中科院理化所、中國電科院等單位開展了基于壓縮熱回饋的非補燃CAES研究，并于2014年底建成了世界第一個500kW非補燃CAES動態(tài)模擬系統(tǒng)（如圖3和圖4所示）并成功實現(xiàn)了儲能發(fā)電。該系統(tǒng)基于多溫區(qū)高效回熱技術(shù)儲存壓縮熱并用其加熱透平進口高壓空氣，從而摒棄了歐美現(xiàn)有CAES商業(yè)電站天然氣補燃的技術(shù)路線，實現(xiàn)儲能發(fā)電全過程的高效轉(zhuǎn)換和零排放。該系統(tǒng)電換電實驗效率高達40%。此外，若考慮利用壓縮熱對外供熱（80℃）以及透平的低溫排氣供冷（3℃），其冷熱電綜合利用效率將達72%。未來若采用高溫的蓄熱介質(zhì)提高回熱溫度，系統(tǒng)的能量綜合利用效率有望達到80%以上，其中電換電效率超過50%。
圖3 TICC-500壓縮空氣儲能電站效果圖
圖4 TICC-500壓縮空氣儲能電站現(xiàn)場照片
此外，為了進一步提升系統(tǒng)儲能效率、降低系統(tǒng)建設(shè)成本，使CAES滿足不同應(yīng)用場景的需求。近年來，清華大學在TICC-500的基礎(chǔ)上，進一步開展了基于鹽穴儲氣和壓力容器儲氣的CAES電站工程設(shè)計研究、微型CAES系統(tǒng)研制、太陽能光熱復(fù)合利用的非補燃CAES研究等工作，以期不斷推動CAES技術(shù)的發(fā)展和工程應(yīng)用。
5結(jié)論和展望
CAES發(fā)電系統(tǒng)尤其是非補燃式CAES發(fā)電系統(tǒng)具有儲能容量大、環(huán)境友好、綜合效率高等特點，在電網(wǎng)調(diào)峰、消納新能源等方面具有廣闊的應(yīng)用前景，有望成為未來大規(guī)模儲能技術(shù)的理想解決方案之一。
目前，我國還沒有投入商業(yè)運行的CAES電站，其相關(guān)的設(shè)備研制、電站建設(shè)、運行操作經(jīng)驗均十分匱乏，建議通過建設(shè)CAES示范電站推動相關(guān)技術(shù)成果的產(chǎn)業(yè)化。
作者簡介：
梅生偉，清華大學電機系教授，博士生導師，長江學者，杰出青年，IET Fellow，IEEE Fellow，青海大學新能源光伏產(chǎn)業(yè)研究中心主任。目前主要從事電力系統(tǒng)分析與控制、可再生能源發(fā)電及綜合利用等領(lǐng)域的研究。
陳來軍，清華大學電機系副教授，碩士生導師，IEEE member，青海大學新能源光伏產(chǎn)業(yè)研究中心副主任。目前主要從事新能源發(fā)電、微能源網(wǎng)及儲能等相關(guān)領(lǐng)域的研究。
薛小代，清華大學電機系博士后。目前主要從事壓縮空氣儲能、微能源網(wǎng)、新能源發(fā)電、新型發(fā)電系統(tǒng)等領(lǐng)域的研究。
清華大學電機系控制理論與數(shù)字化技術(shù)研究室，由盧強院士、梅生偉教授、沈沉教授為學術(shù)帶頭人，是國家基金委創(chuàng)新研究群體。目前該團隊有教授3人，副教授4人，助理研究員2人，博士后3人，研究生40余人。主要研究領(lǐng)域包括電力系統(tǒng)分析與控制、先進能量管理系統(tǒng)、智能微電網(wǎng)、壓縮空氣儲能等，相關(guān)研究成果廣泛應(yīng)用于我國電力行業(yè)。曾獲國家自然科學二等獎2項，軍隊科技進步一等獎1項，教育部自然科學一等獎1項，省部級及其他獎勵10余項。近5年來，團隊發(fā)表和錄用SCI論文50余篇，EI論文100多篇。
