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(fèi)的持續(xù)增長，化石能源日益枯竭，能源危機(jī)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(yán)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(fēng)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(jì)、清潔的現(xiàn)代能源供應(yīng)體系。
由于風(fēng)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(yùn)行帶來諸多挑戰(zhàn)，而儲能裝置具有對功率和能量的時(shí)間遷移能力，可以有效解決大規(guī)模風(fēng)電、光伏等新能源發(fā)電并網(wǎng)問題；同時(shí)，通過大規(guī)模儲能技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)的“削峰填谷”，增強(qiáng)電網(wǎng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。美國能源部前部長、諾貝爾物理學(xué)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(dāng)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?xiàng)l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(dāng)，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(yùn)行，多座電站正在建設(shè)之中。此外，多家研究機(jī)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(fēng)電、棄光電等對空氣進(jìn)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(fù)荷高峰期釋放壓縮空氣推動透平機(jī)（氣輪機(jī)、渦輪機(jī)等）發(fā)電。按照運(yùn)行原理，壓縮空氣儲能系統(tǒng)可以分為補(bǔ)燃式和非補(bǔ)燃式兩類。
補(bǔ)燃式CAES需要借助燃料的補(bǔ)燃，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的循環(huán)運(yùn)行，系統(tǒng)流程如圖2（a）所示。儲能時(shí)，電機(jī)驅(qū)動壓縮機(jī)將空氣壓縮至高壓并存儲在儲氣室中；釋能時(shí)，儲氣室中的高壓空氣進(jìn)入燃?xì)廨啓C(jī)，在燃燒室中與燃料混合燃燒，驅(qū)動燃?xì)廨啓C(jī)做功，從而帶動發(fā)電機(jī)對外輸出電能。補(bǔ)燃式CAES由于采用燃料補(bǔ)燃，存在污染排放問題，同時(shí)存在對天然氣等燃料的依賴。非補(bǔ)燃式CAES基于常規(guī)的補(bǔ)燃式CAES發(fā)展而來，通過采用回?zé)峒夹g(shù)，將儲能時(shí)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(shí)加熱進(jìn)入透平的高壓空氣，系統(tǒng)流程如圖2（b）所示。非補(bǔ)燃式CAES不僅消除了對燃料的依賴，實(shí)現(xiàn)了有害氣體零排放，同時(shí)還可以利用壓縮熱和透平的低溫排氣對外供暖和供冷，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)冷熱電三聯(lián)供，實(shí)現(xiàn)了能量的綜合利用，系統(tǒng)綜合效率較高。鑒于非補(bǔ)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(bǔ)燃式壓縮空氣儲能系統(tǒng)流程圖
圖2（b） 非補(bǔ)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(gè)方面。
1）削峰填谷。集中式的大型CAES電站的單機(jī)容量可達(dá)百兆瓦量級，發(fā)電時(shí)間可達(dá)數(shù)小時(shí)，可在電力系統(tǒng)負(fù)荷低谷時(shí)消納富余電力，在負(fù)荷高峰時(shí)向電網(wǎng)饋電，起到“削峰填谷”的作用，從而促進(jìn)電力系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)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(fēng)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(dāng)前的棄風(fēng)、棄光和棄水困局。
3）構(gòu)建獨(dú)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(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電、潮汐發(fā)電等清潔能源，結(jié)合非補(bǔ)燃CAES的冷熱電聯(lián)供特點(diǎn)，則有望構(gòu)建低碳環(huán)保的冷熱電三聯(lián)供獨(dú)立電力系統(tǒng)。
4）緊急備用電源。由于非補(bǔ)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(fù)荷單位如政府機(jī)關(guān)、軍事設(shè)施、醫(yī)院等的正常運(yùn)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(gè)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(xué)研究進(jìn)展
2012年，在國家電網(wǎng)公司的資助下，清華大學(xué)作為項(xiàng)目負(fù)責(zé)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(bǔ)燃CAES研究，并于2014年底建成了世界第一個(gè)500kW非補(bǔ)燃CAES動態(tài)模擬系統(tǒng)（如圖3和圖4所示）并成功實(shí)現(xiàn)了儲能發(fā)電。該系統(tǒng)基于多溫區(qū)高效回?zé)峒夹g(shù)儲存壓縮熱并用其加熱透平進(jìn)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(bǔ)燃的技術(shù)路線，實(shí)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(shí)驗(yàn)效率高達(dá)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(dá)72%。未來若采用高溫的蓄熱介質(zhì)提高回?zé)釡囟?，系統(tǒng)的能量綜合利用效率有望達(dá)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(jìn)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(xué)在TICC-500的基礎(chǔ)上，進(jìn)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(jì)研究、微型CAES系統(tǒng)研制、太陽能光熱復(fù)合利用的非補(bǔ)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(bǔ)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(diǎn)，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(yùn)行的CAES電站，其相關(guān)的設(shè)備研制、電站建設(shè)、運(yùn)行操作經(jīng)驗(yàn)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(xué)電機(jī)系教授，博士生導(dǎo)師，長江學(xué)者，杰出青年，IET Fellow，IEEE Fellow，青海大學(xué)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(xué)電機(jī)系副教授，碩士生導(dǎo)師，IEEE member，青海大學(xué)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(xué)電機(jī)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(xué)電機(jī)系控制理論與數(shù)字化技術(shù)研究室，由盧強(qiáng)院士、梅生偉教授、沈沉教授為學(xué)術(shù)帶頭人，是國家基金委創(chuàng)新研究群體。目前該團(tuán)隊(duì)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(jìn)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(xué)二等獎2項(xiàng)，軍隊(duì)科技進(jìn)步一等獎1項(xiàng)，教育部自然科學(xué)一等獎1項(xiàng)，省部級及其他獎勵10余項(xiàng)。近5年來，團(tuán)隊(duì)發(fā)表和錄用SCI論文50余篇，EI論文100多篇。
