同濟(jì)大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院 秦朝葵 袁 兢

0 引言

大規(guī)模開發(fā)可再生能源已成為全球范圍的重要能源戰(zhàn)略之一。較之常規(guī)能源，可再生能源的污染少、儲(chǔ)量大，但其空間上的分散、時(shí)間上的不可控等局限對(duì)現(xiàn)有電力系統(tǒng)的運(yùn)行安全和穩(wěn)定構(gòu)成了巨大挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)電網(wǎng)的調(diào)度和控制模式已無法滿足大規(guī)模的新能源開發(fā)與利用。如何高效、安全、經(jīng)濟(jì)地消納并利用新能源是一個(gè)全球性技術(shù)難題。儲(chǔ)能技術(shù)具有對(duì)功率和能量的時(shí)間遷移能力，應(yīng)用于電力系統(tǒng)，將打破電能生產(chǎn)、輸送與消費(fèi)必須同步完成的傳統(tǒng)模式。

歷經(jīng)二十多年的發(fā)展，儲(chǔ)能技術(shù)的種類和性能也隨著研究深入而越發(fā)成熟、多樣化。依照介質(zhì)的不同，儲(chǔ)能技術(shù)可分為機(jī)械類儲(chǔ)能、電氣類儲(chǔ)能、電化學(xué)類儲(chǔ)能、熱儲(chǔ)能和化學(xué)類儲(chǔ)能。每類儲(chǔ)能技術(shù)各有其優(yōu)缺點(diǎn)、運(yùn)行特性和應(yīng)用領(lǐng)域。各類儲(chǔ)能技術(shù)特性對(duì)比見表1。

表1 各類儲(chǔ)能技術(shù)特性對(duì)比

現(xiàn)階段已商業(yè)化或達(dá)到示范應(yīng)用水平的電力儲(chǔ)能技術(shù)中，適用于大規(guī)模儲(chǔ)能的系統(tǒng)僅抽水儲(chǔ)能和壓縮空氣儲(chǔ)能。前者已獲廣泛應(yīng)用，但受限于嚴(yán)格的地理地質(zhì)條件和對(duì)環(huán)境的影響評(píng)價(jià)，進(jìn)一步創(chuàng)新與研究頗有難度。

壓縮空氣儲(chǔ)能(compressed air energy storage,CAES)裝機(jī)容量僅次于抽水儲(chǔ)能，運(yùn)行維護(hù)方便、響應(yīng)快、環(huán)境友好、綜合效率高，是解決諸多問題的極佳選擇。

本文主要介紹CAES的基本原理、運(yùn)行特性和系統(tǒng)分類，對(duì)國內(nèi)外較成熟的系統(tǒng)進(jìn)行分析與對(duì)比，概述了國內(nèi)外學(xué)者與機(jī)構(gòu)在過去近十年的一些研究工作，最后對(duì)CAES未來可能遇到的挑戰(zhàn)與發(fā)展前景進(jìn)行了展望。

1 CAES技術(shù)

1.1 CAES的起源

1940年之前，壓縮空氣已廣泛使用于制造業(yè)，但其用途主要局限于能量載體或者流動(dòng)載體。無論哪種用途，壓縮空氣均是通過消耗電能獲得并在當(dāng)?shù)刂苯邮褂?。以德國為例，目前每年要消?6 TWh的電能來生產(chǎn)工業(yè)用壓縮空氣，在德國總電能消耗中占比達(dá)到了2.5%，但壓縮空氣從未被確立為一種適用于公用事業(yè)能源供應(yīng)的媒介。與電、氣、熱這三種能源相比，壓縮空氣的劣勢(shì)在于能量密度低、運(yùn)輸損失大。到 1960年，隨著以核能為燃料的基荷發(fā)電技術(shù)引進(jìn)，為節(jié)約能源，一個(gè)經(jīng)濟(jì)性的想法誕生了，即在基荷發(fā)電時(shí)將富裕的廉價(jià)電能轉(zhuǎn)移到用電高峰時(shí)使用。實(shí)現(xiàn)這一想法的最初途徑是建立抽水儲(chǔ)能電站，然而依賴地形條件的抽水儲(chǔ)能不適用于多山脈地區(qū)。1969年，對(duì)儲(chǔ)能大容量的渴求最終促使德國在北部山區(qū)開始建立世界上第一個(gè)CAES電站，即 Huntorf電站。這片地域有著合適的地質(zhì)構(gòu)造和巨大的儲(chǔ)氣鹽洞等天然優(yōu)勢(shì)。Huntorf自 1978年投入運(yùn)行后至今狀況良好，它在技術(shù)上的種種突破與成就至今仍深遠(yuǎn)地影響著后繼的壓縮空氣儲(chǔ)能電站。

1.2 CAES的基本原理

CAES是指利用低谷電、棄風(fēng)電、棄光電等電能將空氣壓縮，并將高壓空氣密封在地下鹽穴、地下礦洞、油氣井或高壓容器中，在電網(wǎng)負(fù)荷高峰期釋放壓縮空氣推動(dòng)透平發(fā)電的儲(chǔ)能方式。圖1為傳統(tǒng)CAES系統(tǒng)的原理。

圖1 傳統(tǒng)CAES基本原理

它是基于燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)提出的一種能量存儲(chǔ)系統(tǒng)，但與燃?xì)廨啓C(jī)工作原理明顯不同的是壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的壓縮機(jī)和透平不同時(shí)工作。在儲(chǔ)能時(shí)，壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)耗用電能將空氣壓縮并存于儲(chǔ)氣室中；在釋能時(shí)，高壓空氣從儲(chǔ)氣室釋放，進(jìn)入燃?xì)廨啓C(jī)中的燃燒室同燃料一起燃燒后，驅(qū)動(dòng)透平發(fā)電。傳統(tǒng)壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)一般包括6個(gè)主要部件：

(1)壓縮機(jī)，一般為多級(jí)壓縮機(jī)帶中間冷卻裝置；

(2)透平，為多級(jí)透平膨脹機(jī)帶級(jí)間再熱設(shè)備；

(3)燃燒室及換熱器，用于燃料燃燒和回收余熱等；

(4)儲(chǔ)氣裝置，地下或者地上洞穴或壓力容器；

(5)電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)，通過離合器分別和壓縮機(jī)以及透平聯(lián)接；

(6)控制系統(tǒng)和輔助設(shè)備，包括控制系統(tǒng)、燃料罐、機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)、管路和配件等。其中壓縮機(jī)和透平是CAES的核心部件，其性能對(duì)整個(gè)系統(tǒng)效率有著決定性的影響。

一般來說，CAES的工作壽命在30～40年之間，具體取決于電站建設(shè)的機(jī)械水平。

1.3 CAES的分類

20世紀(jì)40年代起，開展了大量的關(guān)于壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)的研究，壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)的類別也被細(xì)化出了多個(gè)方面。下面介紹兩種主流分類方式。

1.3.1 按容量分類

根據(jù)CAES存儲(chǔ)容量大小將系統(tǒng)分為大型、小型和微型三種類型，其單臺(tái)機(jī)組規(guī)模分別為100MW級(jí)，10 MW級(jí)和10 kW級(jí)。

(1)大型CAES，單機(jī)容量為100 MW；通常應(yīng)用在CAES電站中，主要部件包括壓縮機(jī)、透平、燃燒室、儲(chǔ)氣室、電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)以及控制系統(tǒng)及輔助設(shè)備。大型CAES的儲(chǔ)氣室容量及成本優(yōu)勢(shì)明顯，主要包括天然的鹽穴洞、硬巖層結(jié)構(gòu)的礦井或洞穴、地下含水層、廢棄的天然氣儲(chǔ)氣室或者石油儲(chǔ)氣室等地下儲(chǔ)氣裝置。

(2)小型CAES，單機(jī)容量為10 MW；其組成與大型CAES類似。小型CAES利用地面上的高壓儲(chǔ)氣罐存儲(chǔ)高壓空氣，突破了大型CAES的選址限制，布局靈活性更強(qiáng)，可適應(yīng)各種環(huán)境。小型CAES可用作無間斷電源或電力需求側(cè)管理等，還可與新能源耦合。

(3)微型 CAES，單機(jī)容量為 10 kW；與小型CAES相似，容量和體積更小。微型CAES通常應(yīng)用到特殊領(lǐng)域，例如控制、通信和軍事領(lǐng)域等，作為備用電源，或應(yīng)用于偏遠(yuǎn)孤立地區(qū)的微小型電網(wǎng)、以及壓縮空氣汽車動(dòng)力等。

1.3.2 按熱源分類

根據(jù)儲(chǔ)氣室出口處熱源情況進(jìn)行分類，可分為以燃料為熱源的系統(tǒng)(diabatic compressed air energy storage，D-CAES)，帶儲(chǔ)熱的系統(tǒng)(adiabatic compressed air energy storage，A-CAES)，以及無熱源的系統(tǒng)(isothermal diabatic compressed air energy storage，I-CAES)。

1.3.2.1 D-CAES

在D-CAES也即傳統(tǒng)壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)中，壓縮空氣與燃料混合燃燒，產(chǎn)生的高溫高壓燃?xì)怛?qū)動(dòng)膨脹機(jī)做功發(fā)電。作為最初的壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)，D-CAES在技術(shù)和管理上已相當(dāng)成熟，但D-CAES對(duì)天然氣具有極強(qiáng)的依賴性，碳排放量高，同時(shí)在壓縮過程中空氣壓縮熱的排放也嚴(yán)重制約著儲(chǔ)能效率。

德國Huntorf壓縮空氣儲(chǔ)能電站是典型的傳統(tǒng)CAES，燃燒廢氣直接排向大氣，廢氣仍然具有較高的溫度，造成了熱能的浪費(fèi)。美國阿拉巴馬州的McIntosh壓縮空氣儲(chǔ)能電站保持Huntorf基本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，并引入了回?zé)崞骰厥諒U氣中的熱能，對(duì)存儲(chǔ)的壓縮空氣在進(jìn)入燃燒室之前的壓縮空氣進(jìn)行加熱，從而提高了系統(tǒng)能效。兩個(gè)電站的系統(tǒng)原理如圖2和圖3所示。

圖2 Huntorf CAES系統(tǒng)原理

圖3 McIntosh電站CAES系統(tǒng)原理

1.3.2.2 A-CAES

A-CAES通過添加蓄熱裝置有效存儲(chǔ)壓縮熱，無需其他的熱源。圧縮熱沒有損失，而是最大限度地將其用作壓縮空氣回?zé)?，提高透平機(jī)做功的效率，通過絕熱壓縮、高溫回?zé)?，?shí)現(xiàn)了系統(tǒng)循環(huán)過程的能量平衡，無需外部燃料補(bǔ)燃。不過，為了保證系統(tǒng)有較高的存儲(chǔ)溫度，整個(gè)系統(tǒng)核心部件(如透平機(jī)械、儲(chǔ)熱器、換熱器等)的設(shè)計(jì)難度和操作要求提高，系統(tǒng)成本也大幅增加。蓄熱介質(zhì)是A-CAES要重點(diǎn)突破的技術(shù)瓶頸。圖4為A-CAES基本原理圖，壓縮機(jī)和透平均可為多級(jí)壓縮和膨脹。

圖4 A-CAES基本原理圖

1.3.2.3 I-CAES

等溫壓縮空氣儲(chǔ)能I-CAES是指空氣在壓縮和膨脹的過程無限接近于等溫過程，壓縮熱最小化甚至為零。由熱力學(xué)理論可知：等溫壓縮過程消耗的壓縮功最少，等溫膨脹過程產(chǎn)生的膨脹功最多。滿足等溫壓縮和等溫膨脹的條件是壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)必須具備良好的熱交換能力。在傳統(tǒng)的活塞式壓縮機(jī)中，由于活塞的高速往復(fù)運(yùn)動(dòng)，空氣壓縮產(chǎn)生的熱量來不及通過缸壁向環(huán)境散熱，因此近似為絕熱過程。為了提高熱效率，對(duì)壓縮比較高的壓縮機(jī)，有效換熱是實(shí)現(xiàn)等溫過程的關(guān)鍵，需要采用多級(jí)壓縮缸的結(jié)構(gòu)。目前實(shí)現(xiàn)等溫壓縮/膨脹的主要手段有兩種：噴淋與液體活塞。圖5和圖6是兩種結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)原理圖。分能量損失。在膨脹過程中，則有溶解于水中的部分空氣會(huì)析出。

圖5 噴淋式CAES系統(tǒng)原理

不同設(shè)計(jì)概念所帶來系統(tǒng)參數(shù)的差別，使得這些CAES系統(tǒng)在循環(huán)效率、能源密度、啟動(dòng)時(shí)間等指標(biāo)上表現(xiàn)各異，見表2。

表2 三類典型系統(tǒng)的參數(shù)對(duì)比情況

圖6 液體活塞式CAES系統(tǒng)原理

噴淋式壓縮空氣儲(chǔ)能的設(shè)計(jì)核心理念是用水霧吸收/釋放熱量。如圖5所示，在其缸蓋上設(shè)有噴淋頭，在壓縮過程時(shí)，由噴淋頭噴出的低溫水霧對(duì)壓縮空氣進(jìn)行充分冷卻；在膨脹過程時(shí)，由噴淋頭噴出的高溫水霧對(duì)壓縮空氣進(jìn)行充分加熱，從而保證實(shí)現(xiàn)等溫壓縮和等溫膨脹。水循環(huán)是由水泵完成的，其泵出的水通過外置蓄熱裝置進(jìn)行熱交換。

液體活塞式壓縮空氣儲(chǔ)能的設(shè)計(jì)核心理念是以液柱代替剛性活塞。如圖所示，儲(chǔ)能過程中，電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)液壓泵工作，將右側(cè)活塞中的液體抽入儲(chǔ)液(氣)罐中，壓縮儲(chǔ)液(氣)罐中的氣體同時(shí)吸收壓縮熱量。此過程將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，最終轉(zhuǎn)化為空氣勢(shì)能。釋能過程中，啟動(dòng)換向閥將左側(cè)活塞液體導(dǎo)入右側(cè)后釋放壓縮空氣，經(jīng)吸熱膨脹驅(qū)動(dòng)液壓馬達(dá)工作，帶動(dòng)同軸的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)發(fā)電。此過程是儲(chǔ)能過程的逆過程，將空氣勢(shì)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，最終轉(zhuǎn)化為電能供用戶使用。為了增大壓縮空氣與液體的換熱面積，液體活塞缸中可能會(huì)填滿內(nèi)徑很小的金屬管，或者填滿金屬絲棉。

兩種系統(tǒng)都存在同一問題，在壓縮過程中，部分空氣溶解于水中而沒有存儲(chǔ)到儲(chǔ)氣罐，造成了部

2 CAES的發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 現(xiàn)有示范電站及其現(xiàn)狀

自1949年德國首次提出CAES概念以來，目前世界上共有兩座投入商業(yè)運(yùn)營的大型 CAES電站，分別為德國Huntorf電站和美國McIntosh電站，目前均運(yùn)行良好。鑒于上文已有介紹，不再贅言。

此外，國內(nèi)外也陸續(xù)發(fā)展和建立了許多創(chuàng)新性示范系統(tǒng)。

德國Huntorf電站屬于第一代CAES系統(tǒng)。美國 McIntosh電站和日本上砂川町項(xiàng)目等添加回?zé)嵫b置來減少燃料供應(yīng)與尾氣排放的CAES系統(tǒng)則屬于第二代CAES系統(tǒng)。第一代和第二代都屬于傳統(tǒng)壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)。以下則是針對(duì)為了擺脫常規(guī)壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)大型儲(chǔ)氣裝置以及化石燃料的依賴而研發(fā)的無燃?xì)?、無尾氣的各種第三代CAES系統(tǒng)的介紹。

2010年，德國萊茵集團(tuán)、德國宇航中心和德國旭普林公司等共同啟動(dòng)了名為ADELE的非補(bǔ)燃式先進(jìn)絕熱CAES系統(tǒng)(advanced adiabatic compressed air energy storage，AA－CAES)研究。根據(jù)其設(shè)計(jì)方案，系統(tǒng)采用絕熱壓縮技術(shù)，通過高溫蓄熱裝置回收壓縮熱用于加熱透平進(jìn)口空氣，提高氣體的做功能力。但由于高溫壓縮機(jī)、高溫蓄熱裝置具有一定的技術(shù)難度，目前該項(xiàng)目進(jìn)展緩慢。

美國公司SustainX于2013年完成了全球首個(gè)兆瓦級(jí)等溫壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)并開始啟用。該技術(shù)采用噴水霧的辦法吸收壓縮過程中產(chǎn)生的熱量，以熱水的形式被儲(chǔ)存，在膨脹過程中回噴進(jìn)入氣缸。該專利技術(shù)通過改變氣缸內(nèi)的溫度、壓力等條件，使得空氣在整個(gè)過程中幾乎保持恒溫。系統(tǒng)的使用期限為20年，幾乎全部由鋼、水和空氣組成。

近年來，我國也開始關(guān)注壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)，并取得了重大的進(jìn)展和突破。目前國內(nèi)還沒有壓縮空氣儲(chǔ)能電網(wǎng)的商業(yè)應(yīng)用，但是已經(jīng)建立了一些示范項(xiàng)目并成功地運(yùn)作，大規(guī)模的商業(yè)化推廣正在有條不紊地進(jìn)展中。

中國科學(xué)院工程熱物理研究在 2009年所提出超臨界CAES技術(shù)，綜合了常規(guī)壓縮空氣儲(chǔ)能和液化空氣儲(chǔ)能技術(shù)。系統(tǒng)采用高壓蓄冷蓄熱裝置實(shí)現(xiàn)壓縮熱和低溫冷能的回收與再利用，儲(chǔ)能時(shí)，空氣被壓縮機(jī)壓縮到超臨界狀態(tài)，在釋放并存儲(chǔ)壓縮熱后利用存儲(chǔ)的冷能和節(jié)流閥膨脹機(jī)將其冷卻液化，儲(chǔ)于低溫儲(chǔ)罐中；釋能時(shí)，液態(tài)空氣加壓至超臨界壓力并將其冷量儲(chǔ)存在蓄冷回?zé)崞髦?，進(jìn)一步吸收儲(chǔ)存的壓縮熱后進(jìn)入透平膨脹做功。儲(chǔ)熱過程與儲(chǔ)熱性能的關(guān)鍵參數(shù)，傳熱流體與儲(chǔ)熱介質(zhì)之間的相間傳熱系數(shù)成為整個(gè)蓄冷蓄熱裝置設(shè)計(jì)研發(fā)過程的重點(diǎn)。依托于該項(xiàng)技術(shù)，壓縮空氣儲(chǔ)能裝置從kW級(jí)一直做到了現(xiàn)在的1.5MW。

2012年7月，國家電網(wǎng)公司設(shè)立重大科技專項(xiàng)，由清華大學(xué)牽頭，聯(lián)合中國電力科學(xué)研究院、中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所首期建設(shè)500 kW非補(bǔ)燃式壓縮空氣儲(chǔ)能示范系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于多溫區(qū)高效回?zé)峒夹g(shù)儲(chǔ)存壓縮熱并用其加熱透平進(jìn)口高壓空氣，實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能發(fā)電全過程的高效轉(zhuǎn)換和零排放。該系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備均為常規(guī)成熟的工業(yè)產(chǎn)品，具有技術(shù)可靠、成本較低、使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)。下一步團(tuán)隊(duì)將不斷提升非補(bǔ)燃式壓縮空氣儲(chǔ)能發(fā)電效率，并參與建設(shè)可平抑大型風(fēng)電場和光伏電站間歇式發(fā)電的百兆瓦級(jí)大型壓縮空氣儲(chǔ)能發(fā)電系統(tǒng)。

2016年國家電網(wǎng)公司研究了壓縮空氣儲(chǔ)能示范工程實(shí)施方案，明確了建設(shè)規(guī)模、組織形式等。工程將依托張北風(fēng)光儲(chǔ)輸二期工程建設(shè)，通過能量型規(guī)模化儲(chǔ)能技術(shù)，提高新能源消納水平，發(fā)揮風(fēng)光儲(chǔ)輸工程的示范作用。張北的示范項(xiàng)目建成后，將成為世界上儲(chǔ)能容量最大的壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)。系統(tǒng)能量密度可達(dá)約100 Wh/L，是傳統(tǒng)壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)能量密度的20倍以上。

隨著技術(shù)的進(jìn)步以及電網(wǎng)對(duì)大規(guī)模儲(chǔ)能需求的日益迫切，再加上壓縮空氣儲(chǔ)能電站的建設(shè)成本及發(fā)電成本均低于抽水蓄能電站，預(yù)計(jì)它的應(yīng)用規(guī)模將很快超過抽水蓄能電站。

一些典型CAES系統(tǒng)的技術(shù)參數(shù)情況見表3。

表3 國內(nèi)外典型CAES示范電站技術(shù)參數(shù)情況

2.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及動(dòng)態(tài)

除了對(duì)CAES的全系統(tǒng)研究，其他相關(guān)探索也從未間斷，一直有新的科研成果出現(xiàn)。

在對(duì)壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)的系統(tǒng)組件以及儲(chǔ)能效率的研究方面。

Penberton D等設(shè)計(jì)了地上儲(chǔ)氣裝置，可以承受8.3 MPa以上的壓力，可滿足小型CAES系統(tǒng)對(duì)儲(chǔ)氣設(shè)備的要求。

Pimm等設(shè)計(jì)了能夠吸附于海底的編織容器，將它放置在水下一定深度，作為水下壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的定壓儲(chǔ)氣室。

Pickard等對(duì)AA-CAES進(jìn)行了?分析，評(píng)估了系統(tǒng)的循環(huán)效率。結(jié)論是這種系統(tǒng)在技術(shù)上可行，并且效率達(dá)到50%甚至更多。

在對(duì)壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)的仿真模型研究方面。褚曉廣等對(duì)基于渦旋機(jī)的CAES系統(tǒng)進(jìn)行了動(dòng)態(tài)仿真，仿真結(jié)果表明渦旋壓縮機(jī)腔室間壓差小，泄漏損耗小，全效率高，適合在CAES系統(tǒng)中應(yīng)用。

Kushinir等基于數(shù)學(xué)模型研究了地下CAES系統(tǒng)的熱力學(xué)特性，并且通過系統(tǒng)的充放電周期驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，洞穴壁的熱交換對(duì)氣室儲(chǔ)能密度影響顯著。

在對(duì)壓縮空氣儲(chǔ)能的控制策略方面。Saadat等設(shè)計(jì)了一個(gè)非線性控制器，并且觀察到在他們提出的的CAES系統(tǒng)中，該控制器能與儲(chǔ)能子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)相互配合，滿足不同子系統(tǒng)的物理需求。

Latha等研究了電力系統(tǒng)的多種操作工況，討論了用電高峰期使用CAES系統(tǒng)帶來的情況改善；還研發(fā)了一種能夠適應(yīng)不同載荷需求的空氣流量調(diào)節(jié)器，從而達(dá)到了維持微電網(wǎng)穩(wěn)定性的目的。

在對(duì)壓縮空氣儲(chǔ)能的經(jīng)濟(jì)性分析方面。劉文毅等對(duì)微型CAES的容量效益、環(huán)保效益和能量轉(zhuǎn)化效益等靜態(tài)效益進(jìn)行了建模評(píng)估，以裝機(jī)容量為800 kW 的分布式微型系統(tǒng)為例，計(jì)算得出總靜態(tài)效益為679.53萬元/a，靜態(tài)效益明顯。

Safaei等評(píng)估了管道長度對(duì)D-CAES經(jīng)濟(jì)性的影響，位于壓縮機(jī)與儲(chǔ)氣室的管長決定了管道耗材成本以及使用的天然氣種類。最后得到的結(jié)論是，建設(shè)結(jié)構(gòu)更為緊湊的D-CAES要比傳統(tǒng)壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)消耗的管道更少，因而也更為經(jīng)濟(jì)。

3 CAES的挑戰(zhàn)與前景展望

CAES的綜合效益高，應(yīng)用范圍廣泛，研究性強(qiáng)，優(yōu)勢(shì)明顯。在過去的幾十年中，CAES的推廣應(yīng)用程度卻一直略低于抽水儲(chǔ)能系統(tǒng)，這是因?yàn)樗诩夹g(shù)、經(jīng)濟(jì)、政策等方面還存在亟待解決的限制與障礙。

(1)技術(shù)挑戰(zhàn)。CAES技術(shù)成熟度還有待提高，特別是關(guān)鍵材料、核心技術(shù)。目前還缺少高效CAES系統(tǒng)所應(yīng)具備的機(jī)械設(shè)備，尤其是高溫絕熱部分。另外，探究地下 CAS時(shí)所必須面對(duì)的地理?xiàng)l件限制與環(huán)境的不確定性，建設(shè)與維護(hù)合適的地下儲(chǔ)氣室，也是一大技術(shù)阻礙。

(2)經(jīng)濟(jì)挑戰(zhàn)。與關(guān)鍵技術(shù)、能源效率以及應(yīng)用場合密切聯(lián)系的建設(shè)和維護(hù)成本將成為各種CAES發(fā)展程度的重點(diǎn)考量因素。此外，發(fā)電廠常規(guī)設(shè)備組合發(fā)電與大量光伏并網(wǎng)在一定程度上縮小了降低了電量峰谷差，從而降低了發(fā)電與儲(chǔ)能相結(jié)合的電廠經(jīng)濟(jì)效益，尤其是以CAES為首的負(fù)荷平衡儲(chǔ)能技術(shù)。

(3)市場挑戰(zhàn)。儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展離不開高效的市場機(jī)制。CAES要想在智能電網(wǎng)和能源互聯(lián)網(wǎng)中推廣應(yīng)用，就需要適當(dāng)?shù)募?lì)、合理的策與法規(guī)還有完善的市場交易機(jī)制。能源定價(jià)機(jī)制和政策是支持能源產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要因素。

盡管存在挑戰(zhàn)，CAES仍然以蓬勃的生命力持續(xù)發(fā)展，并得到國內(nèi)外學(xué)者以及政府的高度重視。CAES逐漸成為國家能源利用及環(huán)保領(lǐng)域的研發(fā)熱點(diǎn)，被認(rèn)為是最有發(fā)展前景的大規(guī)模電力儲(chǔ)能技術(shù)之一。今年5月份，國家發(fā)展改革委、國家能源局印發(fā)了《能源技術(shù)革命創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃(2016～2030年)》，其中，儲(chǔ)能技術(shù)作為能源互聯(lián)網(wǎng)和可再生能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)被列為中國未來 15年的關(guān)鍵創(chuàng)新任務(wù)之一。

CAES技術(shù)最初主要用于電網(wǎng)的調(diào)峰和調(diào)頻，但是隨著該技術(shù)的發(fā)展，未來大規(guī)模電力電網(wǎng)系統(tǒng)、微能源網(wǎng)、可再生能源、分布式能源、UPS電源等領(lǐng)域中都將出現(xiàn)CAES的身影。未來一段時(shí)間內(nèi)，CAES的應(yīng)用與研究將集中在以下幾個(gè)方向。

(1)發(fā)展中小型 CAES系統(tǒng)。新近的經(jīng)濟(jì)型CAES電廠規(guī)模將比以往的已建成電廠要小，這得益于I-CAES技術(shù)的快速發(fā)展。目前，模塊化的試驗(yàn)電廠正在運(yùn)作之中，功率高達(dá)數(shù)兆瓦。中小型建設(shè)規(guī)模更容易克服技術(shù)發(fā)展過程中的經(jīng)濟(jì)障礙，投資成本小且市場回報(bào)率高。

(2)CAES與可再生能源發(fā)電并網(wǎng)。CAES系統(tǒng)在未來會(huì)與更多的新能源相結(jié)合，以改善新能源的運(yùn)行狀況，緩解新能源接入與傳統(tǒng)電網(wǎng)之間的矛盾。CAES系統(tǒng)與其他能源系統(tǒng)的耦合方式也將成為關(guān)于CAES系統(tǒng)的研究熱點(diǎn)之一。

(3)CAES與分布式能源耦合。CAES與其他系統(tǒng)聯(lián)合循環(huán)以及熱、電、冷多聯(lián)供等方式都可以大幅度提高能源利用效率，解決發(fā)電側(cè)供應(yīng)單一(電)與用戶側(cè)需求多樣(電、冷、熱)的矛盾，是未來研究的發(fā)展趨勢(shì)。

(4)優(yōu)化配合。CAES系統(tǒng)元件多，配合復(fù)雜。未來的工作中，各部件的最優(yōu)配合，提高系統(tǒng)效率顯得尤為重要。新型工作模式設(shè)計(jì)中，更需要將優(yōu)化配合擺在首位。

雖然目前投運(yùn)的壓縮空氣儲(chǔ)能電站只有兩座，但全球處于規(guī)劃、建設(shè)階段的壓縮空氣儲(chǔ)能項(xiàng)目的累計(jì)裝機(jī)量約為3.6 GW，投運(yùn)后，壓縮空氣儲(chǔ)能的裝機(jī)量將大幅增加；另外新型壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)的日臻完善和產(chǎn)業(yè)化也將逐步突破地質(zhì)條件對(duì)壓縮空氣技術(shù)發(fā)展的限制，推動(dòng)壓縮空氣儲(chǔ)能的應(yīng)用；風(fēng)電等可再生能源的快速增長也將給適合應(yīng)用于大規(guī)模風(fēng)場的壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)帶來更多的機(jī)會(huì)。

4 結(jié)語

CAES是一種有助于電力系統(tǒng)升級(jí)、能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化以及電能生產(chǎn)消費(fèi)變革的重要支撐性技術(shù)。針對(duì)這項(xiàng)具有巨大潛力的電力儲(chǔ)能技術(shù)，本文主要通過對(duì)CAES的綜述，介紹了CAES的概念起源、系統(tǒng)原理、一般性分類等基本情況，并且在對(duì)國內(nèi)外最新發(fā)展?fàn)顩r及其研究進(jìn)展的分析上，指出了CAES面臨的現(xiàn)實(shí)挑戰(zhàn)，如何突破相關(guān)技術(shù)瓶頸將成為CAES近期的研究重點(diǎn)，同時(shí)展望了CAES在未來電網(wǎng)中的應(yīng)用前景。希望政府、工業(yè)、學(xué)者與研究機(jī)構(gòu)通力合作，通過進(jìn)一步研究和示范工程使其盡早、及時(shí)地得到推廣與應(yīng)用。