壓縮空氣儲能技術現狀與發展趨勢*

張建軍，周盛妮，李帥旗，宋文吉?，馮自平

（1. 中國科學院廣州能源研究所，廣州 510640；2. 中國科學院大學，北京 100049；3. 中國科學院可再生能源重點實驗室，廣州 510640；4. 廣東省新能源和可再生能源研究開發與應用重點實驗室，廣州 510640）

0 前 言

為緩解因火力發電對環境造成的污染，一方面需要加強火力發電過程中煤的清潔利用技術的研究，另一方面，要大力發展新能源如風力及光伏發電等可再生能源發電技術。隨著可再生能源（風能、太陽能等）發電部分在電力供應中份額逐漸增加，可再生能源的固有缺點如間歇性、不確定性等日益影響到電網的安全與穩定，增加了電網系統控制的復雜性。同時，隨著傳統電力峰谷差值的增長，電網的穩定與安全問題日益突出，儲能技術是解決這一突出問題的重要途徑。

儲能系統通過特定的儲能介質在用電低俗時將多余電能以某種形式儲存在儲能介質中，在用電需求高峰時再將存儲在儲能介質中的能量以電能的形式釋放。儲能系統可以使電力生產、供應和消費過程分時段進行。配備儲能系統的電力系統，具備移峰填谷的功能，滿足用戶用電需求的同時，提高了發電廠發電效率[1-2]。儲能技術種類眾多，如抽水蓄能、壓縮空氣儲能、飛輪儲能、電容和超級電容、蓄電池、液流電池、超導磁能等[3-5,8]。按儲能形式可分為物理儲能、化學儲能和直接儲電技術等[6-7,9]。各種儲能技術各有特點，如有的儲能規模大，有的響應速度快，有的能量密度高，有的循環效率高。但到目前為止，能與電網匹配，可實現大規模儲能的儲能技術只有抽水蓄能電站技術和壓縮空氣儲能電站。

抽水蓄能電站技術成熟、循環效率高、儲能容量大、周期長。但是建造抽水蓄能電站要求有較大落差的水庫和相應的水壩，受地質條件和需要大量水等條件的制約，適合建造抽水蓄能電站的地點越來越少，目前只有 200多座抽水蓄能電站在運行[10-13]。壓縮空氣儲能（compressed air energy storage, CAES）技術是目前已經被驗證可以與抽水蓄能儲能技術相當的可實現大規模儲能的儲能技術。CAES通過空氣壓縮機組把用電低谷期的多余電能以壓縮空氣的壓力勢能形式存儲到儲氣罐內，當用電需求增加時，釋放存儲在儲氣罐內的壓縮空氣，加熱后通過透平機將壓縮空氣儲存的能量轉變為電能，滿足峰電期用電需要。CAES系統可以實現電力生產和消費錯時進行，實現電網的“削峰填谷”以平衡電力負荷，從而提高電網的穩定性和可靠性。CAES系統可以把風電、光電等零星的、間歇或不穩定的能源“拼接”起來，從而成為電力供應基本負荷的一部分[14-16]，可以削弱甚至消除可再生能源（風能、太陽能等）部分在電力供應中份額逐漸增加對電網帶來的不利影響。

本文首先介紹傳統CAES系統工作原理及技術特點，給出CAES系統性能評價指標，然后分析提高CAES技術性能的不同技術方案及其特點。最后在介紹CAES技術研究發展和應用現狀的基礎上，分析了未來CAES技術的應用領域和發展趨勢。

表1 縮略語表Table 1 Acronyms table

1 CAES系統工作原理

壓縮空氣廣泛應用于工業生產生活各領域，但絕大多數的應用都是將壓縮空氣作為工作介質，即能量的載體加以應用。與電能、化學能相比，壓縮空氣的能量密度低，因此，壓縮空氣很少被用作儲能介質。利用壓縮空氣作為儲能介質始于 20世紀40年代， GAY提出“利用儲存流體發電的方法”的專利[3-4]。20世紀60年代后期出現眾多核電站和火力發電站，為保證電站的發電效率，發電站按照基礎負荷進行發電。近年來，隨著可再生能源發電份額不斷增加，電網的穩定和安全受到影響。為保證發電系統高效運行和電網的安全可靠，同時又能滿足用電側不斷變化的電力需求，電網中需要配有移峰填谷功能的大規模儲能系統。

CAES技術最初被命名為 Air storage system energy transfer（ASSET），寓意為利用存儲空氣實現電能轉換，最初只是用來儲電。后來又被稱作是空氣儲能式調峰電站。傳統的CAES是在燃氣輪機技術原理的基礎上提出的一種能量存儲系統，作為調峰電廠用的。圖 1為燃氣輪機的工作原理圖，環境空氣經壓氣機部分壓縮后升壓，在燃燒室中與燃料混合燃燒，高溫高壓煙氣進入透平膨脹做功。因為燃氣輪機的壓氣機部分與透平機部分同軸，因此，驅動壓氣機部分要消耗約三分之二左右的透平輸出功，因此燃氣輪機的凈輸出功僅占透平輸出功的三分之一左右。

圖1 燃氣輪機工作原理示意圖Fig. 1 Schematic of gas turbine working principle

CAES技術源于燃氣輪機工作原理，不同之處在于CAES工作過程中，空壓機部分與透平機部分錯時工作[11]，空壓機部分在用電低谷時工作，不但儲存了多余的電能，而且成本較低。透平機部分在用電高峰時工作，以電能的形式釋放儲存在系統中的能量。在一定的工況下，在相同的燃料消耗的前提下，CAES系統可以發出3倍左右傳統燃氣輪機的發電量。因為在放電過程中沒有空壓機消耗透平所產電能，因此，系統的輸出功率較傳統的燃氣輪機可以高出2倍左右[10,22]，如圖2所示。

圖2 傳統CAES系統工作原理示意圖[4]Fig. 2 Schematic of conventional CAES working principle

CAES系統工作周期多為一天，也可以根據當地用電需求，設定為一周或更長的時間。CAES系統可以迅速的在充、放電模式下進行切換以適應市場電價波動的需求。與其他儲能技術相比，CAES技術儲存可以根據需要調節，成本低且效率高。典型的CAES系統的單機功率一般在50 ～ 300 MW之間，大型的儲能系統可以考慮多機并聯等方式。CAES儲能技術是唯一可以和PHS技術實現大規模儲能系統。

2 CAES系統技術方案

CAES系統可以實現大規模儲能，技術相對成熟，商業化運行的CAES電站已經運行將近40年。根據實際應用效果和運行情況來看，CAES系統具有很多先天的優點，可以與電網匹配實現大規模儲能，投資低，而且環境影響小。但目前運行的CAES還存在一些不足。一方面，大規模的CAES系統需要既能耐高壓，又要容量大的儲氣裝置。如德國Huntorf CAES 電站儲氣室的容積為31萬m3，系統運行壓力范圍為4.6 ～ 7.2 MPa。因此，系統需要容量大、壓力高的儲氣室成了限制CAES技術推廣應用的障礙之一。另一方面，和其他形式的儲能技術相比，CAES循環效率偏低。Huntorf CAES電站的循環效率僅為42%，McIntosh CAES電廠技術改進后達到54%，與其他儲能技術如電池、電容等80%以上的效率相比，仍然偏低。只有突破CAES系統需要大容量、耐高壓的洞穴等儲存高壓空氣的限制，提高系統的循環效率， CAES技術才會有更廣闊的應用領域。為此，在傳統CAES技術的基礎上，為提高效率、克服存儲限制的CAES方案應運而生。

2.1 提高循環效率的CAES技術方案

2.1.1 非絕熱壓縮空氣儲能（D-CAES）系統

傳統的壓縮空氣儲能系統屬于（diabatic compressed air energy storage, D-CAES）系統。目前已經商業化運行的D-CAES儲能電站有兩座，一座是德國Huntorf的壓縮空氣儲能電站，于1978年投入運行，一座是美國McIntosh的壓縮空氣儲能電站，于1991年投入運行。D-CAES主要包括壓縮機組、儲氣室、透平機組、冷卻器、燃燒室、發電機組及控制系統[17-20]。

為提高系統的效率，D-CAES系統先減少壓縮機組能耗，壓縮空氣從儲氣室出來后，再利用燃料進一步提高溫度，提升壓縮空氣的焓值，提高壓縮空氣的做功能力。圖3為德國Huntorf的壓縮空氣儲能電站原理示意圖。系統的壓縮過程分為兩級壓縮，膨脹過程分為兩級膨脹。由于相同工況下，等溫壓縮時壓縮機消耗功率最小，因此，采取級間冷卻的方式后相同的壓力和流量時壓縮機組消耗的功率減少，從而提升了系統的循環效率。另外，通過增加儲氣室內壓縮空氣的儲量可以提高系統的發電能力，如圖3所示，D-CAES系統在高壓壓縮機出口處進入級后冷卻裝置后，由于壓縮空氣溫度降低、密度增加，儲氣室體積不變但增加系統壓縮空氣儲存量。為提高壓縮空氣儲能系統的發電功率，可以在壓縮空氣進入低壓透平之前對其進行再次加熱，以增加其焓值從而提高做功能力，如在Huntorf CAES儲電電站中，壓縮空氣被加熱到845℃[5,8,21-22]。

圖3 D-CAES系統示意圖Fig. 3 Schematic of D-CAES system

如圖4所示，為進一步提高D-CAES系統的循環效率，美國McIntosh的壓縮空氣儲能電站除了采取級間冷卻、級后冷卻的方式外，在低壓透平出口設置余熱回收，利用這部分余熱對進入高壓透平前的壓縮空氣進行預熱。早期德國 Huntorf 儲能電站的充電功率為60 MW，發電功率為290 MW。2006年德國Huntorf 儲能電站對系統進行了優化，一方面，為提高系統的安全性能，將高壓透平進口溫度由原來的550℃降低至490℃，另一方面，為提高系統的發電能力，低壓透平入口溫度從 825℃提高到945℃。系統的發電功率由原來的 290 MW 提升到321 MW。改造后系統經低壓透平做功發電后空氣溫度為 480℃左右，因此，有大量的熱量?排放，如果回收這部分能量，還可以進一步提高系統的循環效率[23]。美國McIntosh的壓縮空氣儲能電站回收排氣部分的余熱后，壓縮空氣被這部分余熱預熱到297℃，系統循環效率提升到54%[8]，與Huntorf系統相比，單位發電量燃氣消耗節約23%左右，同時，儲能系統的循環效率從42%提高到54%，說明減少系統?損失是提高效率的有效途徑。從整個工作過程來看，壓縮熱沒有得到有效利用，而且，為了提高發電功率，系統采用了燃料加熱空氣的方式。級間冷卻的目的只是為了能夠降低壓縮機組的功率，壓縮空氣中原來以熱量形式存在的能量被冷卻介質帶走。

圖4 有余熱回收型D-CAES系統示意圖Fig. 4 Schematic of D-CAES system with recuperator

圖5 A-CAES系統示意圖Fig. 5 Schematic of A-CAES system

2.1.2 （先進）絕熱壓縮空氣儲能（A-CAES、AA-CAES）系統

與熱力學上沒有熱量進出系統的絕熱系統概念不同，在先進絕熱壓縮空氣儲能（advanced adiabatic compresses air energy storage, AA-CAES）系統中，絕熱代表在系統充放電過程中沒有凈的額外能源消耗，但不排除工質和環境的熱交換。如圖5所示的方案中，有兩級壓縮和兩級膨脹。充電過程中，經過壓縮機做功，空氣的壓力和溫度同時提高，此時壓縮空氣的焓可以分為兩部分，一部分是和壓力參數有關，一部分和溫度參數有關。級間冷卻和級后冷卻就是把與溫度相關的部分焓取出后儲存在儲熱器中。在放電過程中，利用充電過程中儲存在蓄熱器中的能量加熱進入膨脹機空氣的方式提高發電能力，從而提高系統循環效率。實現了既減少二氧化碳排放，又能提高系統效率的目的。

該技術以盡量減少放電過程的二氧化碳排放為目標，避免使用化石燃料提高系統發電量，因此，與D-CAES系統相比，AA-CAES系統雖然發電量偏低，但系統采用絕熱壓縮技術，通過回收壓縮熱代替燃燒室，很適合用于可再生能源發電系統與電網的整合[24-29]。

AA-CAES系統的概念始于20世紀80年代，由于技術原因，該技術還沒有實現商業化運行。隨著燃料成本提高和減少 CO2排放的需要，對于AA-CAES技術的研究再次得到重視。由于充分考慮了壓縮熱的回收和利用，AA-CAES系統的循環效率有可能接近70%[8]。和D-CAES的主要區別是增加了儲熱系統（thermal energy storage, TES），可以將充電過程中壓縮熱儲存起來。在放電階段，該部分熱量用于加熱壓縮空氣以增加透平的輸出功，從而提高系統循環效率。AA-CAES最大的優點是在放電過程中減少了化石燃料的消耗和二氧化碳的排放。

2.1.3 噴蒸汽增焓壓縮空氣儲能（SI-CAES）系統

噴蒸汽增焓壓縮空氣儲能（steam injection compressed air energy storage, SI-CAES）系統與帶余熱回收型的D-CAES系統相似，都是在傳統壓縮空氣儲能技術的基礎上，在低壓透平出口高溫排氣處設置了余熱回收裝置。不同之處在于，SI-CAES系統設置的余熱回收裝置用于生產蒸汽，加入到燃燒室后的做功工質中，從而增加放電系統做功工質質量，提高系統放電能力。在保證相同發電能力時，可以減少壓縮空氣的存儲。

SI-CAES系統與同等儲電能力的D-CAES系統相比，通過向燃燒室后的工質中噴入過熱蒸汽，可減少儲能系統存儲的壓縮空氣量，或者在保持儲電能力的前提下可減少CAES系統儲氣室的容積[30]。如圖6所示，在傳統CAES系統工作過程中，低壓透平排放出氣體的溫度約為 480℃，通過 SI-CAES系統后，排氣溫度可以更低。在帶余熱回收的D-CAES系統中，通過氣-氣換熱，如圖4所示，可以將進入加熱室前的壓縮空氣預熱到 297℃。排氣溫度依然在200℃以上。如果采用SI-CAES中的蒸汽發生器后，排煙溫度可以達到 120℃左右，可以回收更多余熱，從而提高系統的循環效率。

圖6 SI-CAES系統示意圖[4]Fig. 6 Schematic of SI-CAES system

2.2 克服存儲空間限制的CAES技術方案

2.2.1 液態空氣儲能（LAES）系統

CAES技術推廣過程中遇到的另一個問題是大規模壓縮空氣儲能系統需要很大并能承受高壓的存儲空間。以德國Huntorf壓縮空氣儲能電站為例，該電站的發電能力為321 MW，可以連續工作2 h左右，用于儲存高壓空氣的儲氣室有兩個，總容積達31萬m3左右，耐壓為7 MPa以上。美國McIntosh壓縮空氣儲能電站發電能力為 110 MW，可以連續發電26 h，儲氣洞的容積是56萬m3左右，耐壓為7 MPa以上。如此大容積的儲存空間，要求承壓超過70 MPa以上，同時還要滿足地質條件的地點很少。

克服大規模壓縮空氣儲能系統對大型儲氣室依賴的有效方法是對工質進行液化。液態空氣儲能（liquid air energy storage, LAES）系統屬于低溫儲能[33]，如圖7所示，與傳統的CAES系統一樣，分為充電、儲存和放電三個過程。第一個階段是儲電，利用多余電能（谷價電）將空氣進行過濾、壓縮和液化[31-35]。第二階段是在常壓、-196℃時對液態空氣進行存儲。第三個階段為放電，通過泵、再熱器和膨脹機組，在用電高峰電價較高時作為電能的形式釋放[31-38]。在第二個階段也包括壓縮熱和低溫?的存儲。這兩種能量可以分別用在第一階段和第三階段，一方面可以提高電能的產出，另一方面，可以減少在空氣液化過程中電量的消耗。通過液化，可以將儲氣室體積大大減小，從而增加了壓縮空氣儲能的應用地域。因此，LAES系統與傳統 CAES系統相比，有效克服了壓縮空氣儲能系統對大型儲氣室的依賴的缺點。

圖7 SC-CAES系統示意圖[33]Fig. 7 Schematic of SC-CAES system

2.2.2 超臨界壓縮空氣儲能（SC-CAES）系統

超臨界壓縮空氣儲能（super critical compressed air energy storage, SC-CAES）系統是由中科院工程熱物理研究所陳海生研究團隊為解決傳統壓縮空氣儲能系統的問題而提出。該技術在LAES技術的基礎上，為擺脫壓縮空氣儲能技術對化石燃料和大型儲氣室的依賴進行研發的。由于該技術采用超臨界壓縮空氣作為介質，超臨界空氣的特殊物理性能強化了系統的換熱。系統的能量密度大大提高，是D-CAES系統的18倍[44]，因此，儲能室的體積大大縮小，擺脫了對大型儲氣室的依賴。

如圖8所示，SC-CAES系統主要包括壓縮機組、膨脹機組、蓄熱器、蓄冷器、膨脹閥、儲液罐和低溫泵等[39-41]。在SC-CAES系統儲電過程中，常溫常壓空氣經壓縮機組壓縮至超臨界狀態，級間壓縮熱和級后冷卻熱被冷卻器回收并儲存在蓄熱器中。利用系統上次放電過程中蓄冷器中的冷量，將超臨界壓縮空氣冷卻至液態，然后通過膨脹閥降壓后至常壓存放在低溫儲罐內。在系統放電過程中，首先通過低溫泵將液態空氣加壓后通入到蓄冷器中被加熱。然后由原來儲存的壓縮熱或其他工業余熱進一步加熱后到透平機組發電。因此，在放電過程中，液態空氣的冷量被回收并存放在蓄冷室內。由于系統儲能用的壓縮空氣轉換為液態空氣進行存儲，因此，系統需要的儲存室減少，擺脫了對大型儲氣室的依賴。另一方面，由于系統在充電過程中的壓縮熱回收并用于放電過程中工質的加熱，在系統不使用化石燃料的情況下，依然可以獲得較高的循環效率，當系統的儲能壓力和釋能壓力分別為 12 MPa和 9.501 MPa時，系統的循環效率可以達到67.41%[39]。因此，系統擺脫了對化石燃料的依賴，減少了過程中二氧化碳的排放。

圖8 SC-CAES系統示意圖[39]Fig. 8 Schematic of SC-CAES system

2.2.3 液態二氧化碳儲能（LCES）系統

液態二氧化碳儲能（liquid carbon dioxide energy storage, LCES）系統也是基于傳統壓縮空氣儲能系統需要大型的儲氣室的限制提出[42-45]。與 D-CAES系統相比，LCES系統的能量密度高，單位儲罐體積發電量EVR值高，如圖9所示，通過和 ORC制冷系統相結合，可以充分回收透平出口處二氧化碳氣體的余熱，利用這部分余熱，通過ORC系統再發出更多的電能。與ORC系統匹配后，LCES系統的循環效率可以達到56.64%[44]。

如圖10所示，通過對LCES系統進一步優化，根據余熱、余冷梯級利用的原則，充分利用了壓縮過程的壓縮熱和放電過程的冷量，從而在單獨采取二氧化碳化作儲能工質時，系統的循環效率達到58.65%。該系統主要由壓縮機組、膨脹機組、蓄熱/冷器、泵及液態二氧化碳儲罐等組成。LAES系統不同之處在于系統多一個液態二氧化碳儲罐，多一個膨脹機組。對于LAES系統而言，從液態空氣儲罐出來后，經加壓，釋放冷量后再被壓縮熱加熱后做功發電，完成發電后就可以排放到大氣中。而對于LCES系統而言，經過TRUB1做功后，需要進一步冷卻，液化后儲存在TANK2中，以作為下一個充電過程的工質。為盡量提高 TANK2中的溫度，透平TURB1后需要保持一定的壓力。和SC-CAES系統相比，充電過程中壓縮機組最高壓力有所降低，可以低至 7 MPa，且液態的二氧化碳帶壓存放在TANK1中，減少了因過程中壓力變化而造成的?損失。同時，放電過程中最后儲存液態二氧化碳的儲罐內溫度較高，可以達到-56℃，使得系統更容易執行。

圖9 LCES系統流程圖[44]Fig. 9 Schematic of LCES system

圖10 改進的液態二氧化碳儲能（LCES）系統示意圖Fig. 10 Schematic of modified LCES system

3 CAES系統技術評價

可以從多種角度評價壓縮空氣儲能系統的性能，如系統的循環效率、投資回收期、充放電效率等。壓縮空氣儲能系統源于燃氣輪機，又有別于燃氣輪機。因此，對于壓縮空氣儲能系統的評價可以參考燃氣輪機的參數評價。燃氣輪機發電系統的發電效率是指發1 kW·h電能需要消耗燃料的熱能。但在與電網匹配的壓縮空氣儲能系統，特別是傳統的壓縮空氣儲能系統D-CAES充電和放電過程中，涉及到兩種能量形式，一種是用于驅動壓縮機組，將環境空氣壓縮到高溫高壓的用電低谷時的多余電能，另一種是在放電過程中，為提高放電效果，利用燃料燃燒加熱壓縮空氣的燃料化學能?；瘜W能轉化為熱能加熱壓縮空氣提升壓縮空氣的焓值。如果CAES系統和可再生能源發電系統如風電系統匹配，這部分電能主要是棄風電，不可控制，與來自火力發電的電能是有區別的。這部分用于儲存的電能可以理解為零成本。儲能系統運行的成本只是在電能釋放過程中燃料的消耗，較燃氣輪機發電過程中消耗的燃氣明顯減少。根據相關文獻，目前表示CAES系統參數的性能指標主要有充電率（charging electricity ratio, CER）、系統循環效率（round trip efficiency, RTE）[36-37,46-49]。

CER為儲能系統每個周期內放電過程的輸出電量與充電過程壓縮機組和相關設備消耗電量的比值。在傳統的D-CAES系統中，由于在放電過程中有燃料燃燒熱能的加入，因此CER一般大于1，介于1.2 ～ 1.8之間。計算過程不考慮燃料能源的消耗，表示系統儲電后能釋放出電能的比率。

RTE為整個系統充電和放電過程中，能量轉化與平衡的關系。如式（2），RTE是指儲能系統的發電機輸出功率與壓縮機能量的消耗與輸入燃料折合電量的和的比值。燃料部分能源在不同的工況條件折合系數不同，如與CAES系統匹配的是燃氣輪機系統，則折合系數按0.39考慮，如是聯合發電系統，則折合系數為0.6，即以燃料低位發熱量計，RTE計算公式中的Efuel部分分別為發熱量的 39%和60%。該參數考慮了燃料在電能釋放過程中的份額[3]。

圖11 Huntorf工廠鳥瞰圖與機組裝配圖[33]Fig. 11 Aerial view and assemble of Huntorf plant[33]

4 CAES技術研究與發展現狀

4.1 國外CAES技術應用發展

壓縮空氣儲能技術從提出到商業化運行，經歷了30年的時間。CAES技術的發展主要受到世界能源價格波動的影響。目前，世界上已經有兩座投入商業運行的大規模的壓縮空氣儲能電站。第一座是德國Huntorf壓縮空氣儲能電站，于1978年投入商業化運行，如圖11所示。在Huntorf CAES電站運行之初，高壓空氣進入高壓透平前在燃燒室內被加熱到550℃。一級膨脹后壓力降低到1 MPa左右，然后，壓縮空氣在進入低壓透平前，在低壓燃燒室內再次被加熱到825℃后做功發電。根據實際生產數據可知，CAES每生產1 kW·h的電能，壓縮機組需要大約0.82 kW·h的電能，同時，要以燃料的形式提供約為5 800 kJ的熱量，提供的熱量較燃氣輪機6 700 ～ 9 400 kJ/kW·h的熱量需求要小。壓縮機組的額定功率為60 MW，透平機組設計的釋能輸出功率為290 MW。系統冷態啟動至滿負荷約需6 min，充電和放電時間比約為4∶1。為提高系統循環效率，Huntorf工廠在運行了28年后，2006年改造了透平發電部分，優化了操作參數。為系統安全等因素考慮，將進入高壓透平的工質壓縮空氣的溫度從550℃降低到490℃，壓力不變。為提高工質做功能力，提高了低壓燃燒室溫度到 945℃。改造完成后，系統最大輸出功率由290 MW提高到321 MW[5]。

在德國的Huntorf工廠成功安裝運行13年后，1991年，世界第二座大型 D-CAES儲電站——McIntosh電站在美國 Alabama建成，放電功率為110 MW，可以連續發電26 h。和Huntorf工廠相比，該電站只有一個容積為56萬m3的儲氣室，這座儲能電站主要用于儲存谷價電能，在峰價是生產電能，并提供備用功能，儲氣室的壓力范圍為4.5 ～ 7.4 MPa。在美國的McIntosh工廠設計方案中，對末級透平排放空氣余熱進行了回收利用，如圖4所示，在最后一級透平排氣處安裝了熱回收器，利用溫度達370℃的低壓透平的排氣余熱預熱來自儲氣室的高壓工質以減少燃料的消耗。這種方式可以將壓縮空氣加熱到 297℃，根據實際運行數據，相同功率下，可以節約燃燒23%左右。系統的循環效率達54%左右。

除McIntosh儲能電站外，美國多州都進行了關于CAES技術的開發與推廣。Soyland Power公司于1982年開始計劃建一座功率為220 MW帶有余熱回收并配有水補償的地下洞穴作為儲氣室的 D-CAES系統。后因市場需求波動而取消。1991年McIntosh儲能電站的成功引起美國多家機構對CAES技術關注。美國Ohio州Norton從2001年計劃建一座2 700 MW的大型壓縮空氣儲能商業電站，電站由9臺300 MW機組組成。壓縮空氣存儲于地下670 m的巖鹽層洞穴內，儲氣洞穴的容積為957萬m3，所存儲的壓縮空氣可以供透平連續發電2天。加利福尼亞PG&E公司計劃于2020年建成一座300 MW D-CAES系統，發電時間為10 h。Apex CAES計劃在德克薩斯州建造兩座CAES儲能電站[3-4,33,50-51]。

另外，國際上其他不少國家展開了關于 CAES技術的研究和應用推廣。日本于2001年在上砂川盯建成輸出功率為4 MW的壓縮空氣儲能示范項目，為進一步開發400 MW機組做準備。目前，除德國、美國、日本和瑞士外，俄羅斯、意大利、韓國等也在積極開發壓縮空氣儲能電站技術。

4.2 國內關于CAES技術研究

我國對壓縮空氣儲能技術的研究開發起步較晚，主要集中于理論研究和小型實驗階段。在內蒙和新疆地區，風力發電的快速發展與配套設施不完善導致有大量的棄風。為了充分發揮風力發電站的效用，迫切開發大規模儲電系統與之配套。因此，隨著電力儲能需求的快速增加，相關研究逐漸被一些大學和科研機構所重視。目前，展開系統 CAES技術研究的大學和科研機構有中國科學院工程熱物理研究所、華北電力大學、西安交通大學、清華大學、華中科技大學和中科院廣州能源研究所等。目前雖然還沒有投入商業運行的壓縮空氣儲能電站，但清華大學等已經完成了500 kW機組非補燃壓縮空氣儲能技術的實驗研究，主要側重于無補燃壓縮空氣儲能技術的開發，由于該技術利用壓縮熱實現放電過程中工質的再熱，基本不消耗燃料，因此該技術放電過程中基本沒有溫室氣體的排放。中科院工程熱物理研究所完成了1.5 MW超臨界壓縮空氣儲能技術機組的調試和優化，目前與中科院廣州能源研究所、北京工業大學、西安交通大學和南方電網等單位一起正在進行 10 MW 級超臨界壓縮空氣儲能電站的示范工作，過程中不但考慮了盡量少用或不用燃料，還盡量的回收壓縮熱和冷量?，減少了系統工作過程的?損失，提高了系統的效率。由于壓縮空氣是以液態常壓形式存儲，因此，有效解決了儲氣室受限的難題，并盡量減少了對于環境的影響。另外，西安交通大學利用液態二氧化碳作為儲能介質進行了探索，采用了ORC匹配后，充分利用了透平排出氣體的余熱，實現能源的梯級利用，系統循環效率達到了56.64%。

5 發展趨勢

壓縮空氣儲能（CAES）技術可以實現大規模儲電，投資和運行成本低已經是儲能技術研究人員的共識。但在推廣過程中遇到的主要問題一是由于壓縮空氣的能源密度相對低，因此，要實現大規模儲電就要有大型的儲氣裝置，另一方面，系統在放電過程中，都要消耗一定量的燃料。傳統的CAES技術還依賴于化石燃料，這兩個因素影響了該技術的推廣應用。為有效克服這兩個方面的不足，學者提出了不同的實施方案，如提出了絕熱壓縮空氣儲能技術（A-CAES），液化空氣儲能技術（LAES）、超臨界壓縮空氣儲能技術（SC-CAES）以及和可再生能源發電技術耦合的CAES技術等。

CAES技術的發展趨勢就是改變系統儲氣室依賴的方式，減少溫室氣體的排放，因此，該技術的發展趨勢應為以液態空氣儲能技術為基礎的超臨界壓縮空氣儲能技術（SC-CAES）技術會向三個方向發展，一是小型化，與可再生能源發電系統匹配，有效減弱可再生能源先天性不穩定的影響，一是大型化，與電網匹配，為一個地區的供電穩定，提高供電安全性服務。一個是微型化，特別是在生產工藝有大量余熱又消耗大量電能的大型企業，建造微型SC-CAES系統，利用蜂谷電價，減少企業生產成本。

總的來說，壓縮空氣儲能技術基本成熟，是能與抽水蓄能方式相媲美的大規模儲電技術。由于儲電規模大，成本低，在風力發電、光伏發電快速發展，又具有間歇性難以回避的大背景下，CAES儲能技術已經獲得廣泛的認可，不同形式的CAES必將獲得長足發展，以滿足電網、用戶不同級別的儲電需求，特別是超臨界壓縮空氣儲能技術。

6 結 論

本文在分析傳統壓縮空氣儲能（CAES）技術的工作原理和技術特點的基礎上，總結并分析了不同的壓縮空氣儲能技術的方案，并給出了評價不同系統性能的技術參數。再分析國內外CAES技術研究及應用現狀部分。最后通過不同壓縮空氣儲能技術方案的對比分析了 A-CAES、LAES、SC-CAES和LCES系統的先進性、競爭優勢與不足，分析了未來CAES的技術的發展趨勢。

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