众所周知，能源是人类社会赖以生存和发展的物质基础。随着全球能源生产和消费的持续增长，化石能源日益枯竭，能源危机已成为世界范围内面临的共同难题，对人类的生存和发展构成了严重威胁。面对上述挑战，各国都在积极研究和发展新能源技术，特别是太阳能、风能等可再生能源，以期用清洁能源全面取代化石能源，最终建立安全、经济、清洁的现代能源供应体系。
由于风电、光伏等新能源发电具有波动性、不确定性，其大规模并网将对电网的安全和稳定运行带来诸多挑战，而储能装置具有对功率和能量的时间迁移能力，可以有效解决大规模风电、光伏等新能源发电并网问题；同时，通过大规模储能技术可以实现电网的“削峰填谷”，增强电网运行的经济性。美国能源部前部长、诺贝尔物理学奖获得者朱棣文指出：将储能技术与太阳能技术相结合，其在配电和发电领域的影响或可与当年互联网所造成的颠覆性冲击相媲美。由此可见储能技术对于未来电力和能源系统的重要意义。
压缩空气储能(compressed air energy storage，CAES)对地理条件无特殊要求，建造成本和响应速度与抽水蓄能电站相当，使用寿命长，储能容量大，是一种具有推广应用前景的大规模储能技术。国外已有两座大型CAES电站分别在美国和德国（如图1所示）投入商业运行，多座电站正在建设之中。此外，多家研究机构及公司开展了该方面的研究，提出了许多创新性的CAES系统技术方案。
图1 德国Huntorf CAES电站（左）和美国McIntosh CAES电站（右）
2压缩空气储能基本原理
压缩空气储能系统可利用低谷电、弃风电、弃光电等对空气进行压缩，并将高压空气密封在地下盐穴、地下矿洞、过期油气井或新建储气室中，在电网负荷高峰期释放压缩空气推动透平机（气轮机、涡轮机等）发电。按照运行原理，压缩空气储能系统可以分为补燃式和非补燃式两类。
补燃式CAES需要借助燃料的补燃，以实现系统的循环运行，系统流程如图2（a）所示。储能时，电机驱动压缩机将空气压缩至高压并存储在储气室中；释能时，储气室中的高压空气进入燃气轮机，在燃烧室中与燃料混合燃烧，驱动燃气轮机做功，从而带动发电机对外输出电能。补燃式CAES由于采用燃料补燃，存在污染排放问题，同时存在对天然气等燃料的依赖。非补燃式CAES基于常规的补燃式CAES发展而来，通过采用回热技术，将储能时压缩过程中所产生的压缩热收集并存储，待系统释能时加热进入透平的高压空气，系统流程如图2（b）所示。非补燃式CAES不仅消除了对燃料的依赖，实现了有害气体零排放，同时还可以利用压缩热和透平的低温排气对外供暖和供冷，进而实现冷热电三联供，实现了能量的综合利用，系统综合效率较高。鉴于非补燃式CAES在环保、能量综合利用等方面的优势，目前已成为CAES的主流研究方向。
图2（a） 补燃式压缩空气储能系统流程图
图2（b） 非补燃式压缩空气储能系统流程图
3典型应用场景
压缩空气储能技术在电力系统中应用前景广阔，典型应用场景包括如下几个方面。
1）削峰填谷。集中式的大型CAES电站的单机容量可达百兆瓦量级，发电时间可达数小时，可在电力系统负荷低谷时消纳富余电力，在负荷高峰时向电网馈电，起到“削峰填谷”的作用，从而促进电力系统的经济运行。
2）消纳新能源。分散式CAES电站的容量配置为几兆瓦到几十兆瓦，可与光伏电站、风电场、小水电站等配套建设，将间歇性的可再生能源储存起来，在用电高峰期释放，缓解当前的弃风、弃光和弃水困局。
3）构建独立电力系统。CAES还可用于沙漠、山区、海岛等特殊场合的电力系统。该类地区对储能系统的寿命、环保等方面有特殊需求。在此情况下，若配合风力发电、光伏发电、潮汐发电等清洁能源，结合非补燃CAES的冷热电联供特点，则有望构建低碳环保的冷热电三联供独立电力系统。
4）紧急备用电源。由于非补燃CAES技术不受外界电网、燃料供应等条件的限制，对于电网出现突发情况如冰灾造成的断网等，该技术的应用将能确保重要负荷单位如政府机关、军事设施、医院等的正常运行。
5）辅助功能。压缩空气储能具有功率和电压均可调节的同步发电系统，且响应迅速，其大量应用可以增加整个电力系统的旋转备用和无功支撑能力，提高系统电能品质和安全稳定水平。
4清华大学研究进展
2012年，在国家电网公司的资助下，清华大学作为项目负责单位联合中科院理化所、中国电科院等单位开展了基于压缩热回馈的非补燃CAES研究，并于2014年底建成了世界第一个500kW非补燃CAES动态模拟系统（如图3和图4所示）并成功实现了储能发电。该系统基于多温区高效回热技术储存压缩热并用其加热透平进口高压空气，从而摒弃了欧美现有CAES商业电站天然气补燃的技术路线，实现储能发电全过程的高效转换和零排放。该系统电换电实验效率高达40%。此外，若考虑利用压缩热对外供热（80℃）以及透平的低温排气供冷（3℃），其冷热电综合利用效率将达72%。未来若采用高温的蓄热介质提高回热温度，系统的能量综合利用效率有望达到80%以上，其中电换电效率超过50%。
图3 TICC-500压缩空气储能电站效果图
图4 TICC-500压缩空气储能电站现场照片
此外，为了进一步提升系统储能效率、降低系统建设成本，使CAES满足不同应用场景的需求。近年来，清华大学在TICC-500的基础上，进一步开展了基于盐穴储气和压力容器储气的CAES电站工程设计研究、微型CAES系统研制、太阳能光热复合利用的非补燃CAES研究等工作，以期不断推动CAES技术的发展和工程应用。
5结论和展望
CAES发电系统尤其是非补燃式CAES发电系统具有储能容量大、环境友好、综合效率高等特点，在电网调峰、消纳新能源等方面具有广阔的应用前景，有望成为未来大规模储能技术的理想解决方案之一。
目前，我国还没有投入商业运行的CAES电站，其相关的设备研制、电站建设、运行操作经验均十分匮乏，建议通过建设CAES示范电站推动相关技术成果的产业化。
作者简介：
梅生伟，清华大学电机系教授，博士生导师，长江学者，杰出青年，IET Fellow，IEEE Fellow，青海大学新能源光伏产业研究中心主任。目前主要从事电力系统分析与控制、可再生能源发电及综合利用等领域的研究。
陈来军，清华大学电机系副教授，硕士生导师，IEEE member，青海大学新能源光伏产业研究中心副主任。目前主要从事新能源发电、微能源网及储能等相关领域的研究。
薛小代，清华大学电机系博士后。目前主要从事压缩空气储能、微能源网、新能源发电、新型发电系统等领域的研究。
清华大学电机系控制理论与数字化技术研究室，由卢强院士、梅生伟教授、沈沉教授为学术带头人，是国家基金委创新研究群体。目前该团队有教授3人，副教授4人，助理研究员2人，博士后3人，研究生40余人。主要研究领域包括电力系统分析与控制、先进能量管理系统、智能微电网、压缩空气储能等，相关研究成果广泛应用于我国电力行业。曾获国家自然科学二等奖2项，军队科技进步一等奖1项，教育部自然科学一等奖1项，省部级及其他奖励10余项。近5年来，团队发表和录用SCI论文50余篇，EI论文100多篇。
