肖定，王承民，衣涛，谢宁，史伟伟（上海交通大学电子信息与电气工程学院，上海200240）smallCAESJmicroCAES：介绍了一种新型的大规模蓄能技术一压缩空气蓄能（CompressedAirEnergyStorage，CAE9，CAES系统响应快、容量大、成本低、寿命长，逐渐成为了全球第二大蓄能技术。
根据CAES系统的容量不同，将CAES系统划分为大型CAES、小型CAES和微型CAES 3种，并针对3种不同容量级的CAES，详细介绍了其组成及现状，对技术特点与难点和应用领域及场景进行了分析与概述。对CAES系统的研究方向与发展前景进行了展望。
随着我国经济的发展，电力需求不断增加，大规模可再生能源的接入对电力系统的规划、建设、调度运行以及控制方式运行提出了新的要求。在此基金项目：国家高技术研究发展计划项目（863计划）背景下，大规模蓄能技术的应用打破了电力供需实时平衡的限制，蓄能技术能在负荷高峰时发电，在负荷低谷时存储电能，不仅提高了系统的灵活性，有效降低昼夜峰谷差，还提升了电网稳定性、可靠性和电能质量M.蓄能技术与可再生能源的结合应用，显著提高了可再生能源的利用率，同时，在分时段电价的机制下，蓄能技术也会带来明显的经济效益。
不同的蓄能技术有不同的特点与特性，使它们的适用场景各不相同。现有的蓄能技术主要包括：电池蓄能、抽水蓄能、飞轮蓄能、CAES等。表1给出了各种蓄能方式的性能对比A其中，电池蓄能技术简单，易于掌握，但是寿命短，不易回收，对环境影响较大；抽水蓄能装机容量大，可达到GW级，运行成本低，但是建设工期长，初期投资高，对环境破坏较大；飞轮蓄能建设周期短，效率较高，但是投资较高，持续供电能力较弱，技术尚未成熟。CAES投资低，运行维护费用低，启动快，对环境污染较小，容量范围广，响应迅速，可以适用于多种环境，是除抽水蓄能外装机容量第二的大规模蓄能技术，具有光明的发展前景。
本文主要介绍了CAES的发展与分类，针对不同容量的CAES系统的组成、技术特点与难点和应用领域及场景进行了总结与概述；并对CAES系统的研究方向与发展前景进行了展望。
1949年，德国首次提出CAES概念，即利用多余的电能驱动压缩机压缩空气，将电能转化为机械能，*后转化为空气的内能存储。在需要时，释放空76肖定，等：压缩空气蓄能（CAES）系统综述V1.30No.l能量转换效率/存储容量/（MW-h）响应时间/功率/MW电池蓄能抽水蓄能飞轮蓄能气的内能，使其转化为电能，给用户供电。
成，总容量为290 MW.1991年，美国AlabamaElectricCooperative公司在阿拉巴马州的McIntosh建成世界上第2座CAES电站，其总容量为110 000个家庭连续供电26h.在建设35MW的CAES电站，以色列也在建设一个100MW、利用含水层洞穴储存的CAES电站。其他正在规划或建设的CAES电站有：意大利的针对含水岩层的研究用25MW的CAES发电设施；以色列的研究用硬岩含水层3x100MW的CAES发电设施等。
CAES电站的核心技术为CAES系统，目前为止，根据CAES系统所用技术的不同，可将CAES系统分为3个代。
**代：压缩空气与燃料混合燃烧，提高燃料燃烧效率。德国Htmtorf电站采用的是**代C AES系统。
第二代：与**代CAES系统相似，技术有所改进，效率更高，经济效益更好。美国McIntosh电站采用的是第二代CAES系统。
第三代：压缩或膨胀过程绝热，发电过程不使用燃料，无尾气排放。CAES系统在压缩空气过程中会储存热能，并在气体膨胀时给气体加热。第三代CAES系统目前仍在研发阶段。
根据CAES系统存储容量的不同，CAES系统可以分为3类大型CAES，单机容量为100 MW；勿小型CAES，单机容量为10 MW；多微型CAES，单机容量为10大型CAES存储规模在100MW级，通常应用在CAES电站中，主要部件包括压缩机、膨胀机、燃烧室、储气室、电动机/发电机以及控制系统及辅助设备。对于第三代大型CAES，即AA-CAES系统，采用储热器替代了燃烧室，避免了废弃污染环境。）压缩机。压缩机是CAES系统的核心部件，其性能会对CAES系统的能量存储效率产生影响。尽管压缩空气储能循环与燃气轮机类似，但是燃气轮机的压缩机压比般小于20，而压缩空气储能系统的压缩机压比则达到40~80，甚至更高。因此，大型压CAES电站的压缩机般采用轴流与离心压缩机组成多级压缩、级间和级后冷却的结构形式M.对基于涡旋机的CAES系统进行了动态仿真，仿真结果表明涡旋压缩机腔室间压差小，泄漏损耗小，全效率高，适合在CAES系统中应用。
念膨胀机M.与压缩机类似，压缩空气储能系统膨胀机的膨胀比也远远高于常规燃气轮机透平，因而一般采用多级膨胀加中间再热的形式。比如，Huntorf电站的膨胀机由两级构成，**级从4.6MPa膨胀至1.1MPa，第二级则完全膨胀。由于压力过高，第级透平不能直接应用普通燃气轮机透平，Htmtorf电站采用了改造过的蒸汽透平作为第级透平使用。
多燃烧室J彭胀的空气进入燃烧室，燃烧燃料，产生蒸汽和高压空气起进入膨胀机做功。燃烧室内部的压力和温度较大，燃烧产生的污染物也会随之增加，因此在燃烧过程中需控制其燃烧温度，通常设置在500T：以下。Huntorf电站的**级透平前的燃烧室温度则为500T：。
4）储气室。洞穴或者压力容器，用来储存高压空气。一般而言，一个200MW的CAES电站需要约1Mm3的存储空间用于存储高压空气大型CAES系统的储气室压力通常为4.0~8.0MPaM，例如，McIntosh电站储气室压力为7.5MPa.为形成大规模储能，通常利用含盐岩石或硬岩地层人工开挖，或自然形成的多孔的地下蓄水岩层，用于贮存压缩空气。盐穴、硬岩空腔和地下蓄水层都可用作高压贮CAES电站工作可分为两相：压缩相和发电相。
压缩相中，将大气中的空气吸入压缩机压缩，得到的高压空气在储气室存储。发电相中，压缩的高压空气从储气室进入燃烧室，与燃料燃烧产生的高温和高压气体混合到起进入到膨胀机，带动发电机发电。大型CAES系统的转化效率在75%左右，使用寿命在30a以上。CAES的建设成本主要取决于储气室的成本，每千瓦的建设成本通常在500~600美兀。
气库，且容量大，费用较低间。已投入运行的Htmtorf和Mclntosli电站均米用地下盐矿洞穴。
3电动机/发电机。电动机与压缩机相连，发电机与膨胀机相连，无特殊要求。
6控制系统和辅助设备。燃料罐、管路和配件等，可保证系统安全高效运行。
力储热器。从成本和效率方面考虑，AA-CAES的储热材料应该具有较大的比热容、温度范围宽广、环境友好、易于获得等特点。tl6对多种材料的储热性质做了对比分析，Li-CaF2是高温储热的较理想材料之。AA-CAES的储热器以热存储技术为基础，需要保证密闭性好、热耗散小，能适应透平机械的工作范围，同时成本适宜采用固体材料存储热量，对比了多种方案，提出了采用固体材料增大与气体的接触面积，减小热损失，实现热量储存。tl9则采用水作为储热材料，在压缩或膨胀空气时进行喷水汽，在增大接触面积的情况下，实现大量的能量储存。
CAES电站的示意图可如所示。
来实现高压空气的存储，突破了大型CAES的选址限制，布局灵活性更强，可以适应各种环境。在出力范围内，小型CAES燃烧成本温度、成本较低。t24中对小型CAES进行了评估，证明其可行性及经济性较好。
小型CAES可以用作无间断电源或电力需求侧管理等，还可以和新能源耦合。对小型CAES系统在韩国电网需求侧管理中的作用进行了研究，并对CAES系统在韩国未来的良好应用前景进行了展望。P6-27表明，小型CAES系统能够与风电场结合，改善风电场的运行状况，取得良好的经济效益。对小型CAES系统在光伏电池中的应用进行了建模与仿真，并指明该耦合方式具有光明前景。
小型CAES的技术难点在于储气罐。小型CAES系统由于体积限制，将空气储存到压力容器中，同时，为了提高蓄能总量，需将空气压缩到更大的压强下储存。t29设计了地上储气装置，可以承受8.3MPa以上的压强，能够满足小型CAES系统对储气设备的要求。目前市场上的高压储气罐容许压强可以达到30MPa以上。
Alliso公司应用于小型CAES系统的燃气透平可提供8~12MW的功率，地上储气室压力更高，约为10~14MPa，供能时间为3~5h，该小型CAES电站的投资成本约为550/kW.微型CAES的存储规模在10kW级，与小型CAES相似，容量和体积更小。微型CAES通常应用到特殊领域，例如控制、通信和军事领域等，作为备用电源。或应用于偏远孤立地区的微小型电网、以及压缩空气汽车动力等。
能量转化效益等静态效益进行了建模评估，以装机容量为800kW的分布式微型系统为例，计算得出总静态效益为679.53万元/a，静态效益明显。
微型CAES系统的选型、热力计算和综合效益进行了详细叙述以及评估。
小型CAES的存储规模在10MW级，其组成与大型CAES类似。小型CAES利用地面上的高压储气罐目前，CAES已展现出其光明的前景，除了在容电网与清洁能源量效益、环保效益和能量转化效益等静态效益中优势明显，还具有调频效益、调相效益、快速负荷跟踪效益、旋转备用效益、提高供电可靠性效益和黑启动效益6个方面的动态效益。CAES的综合效益高，应用范围广泛，研究性强。
未来一段时间内，CAES系统的研究将集中在以下几个方面。）模块化研究。大型CAES系统储气室一般为洞穴，造成CAES的选址较为苛刻。模块化研究将CAES系统拆分成各个小型CAES系统，结合分布式能量系统，可根据需要拼接成各种容量的CAES系统。目前，已有单机容量2MW的CAES模块。
勿新H旨源蒿合方式。CAES系统在未来会与更多的新能源相结合，以改善新能源的运行状况，缓解新能源接入与传统电网之间的矛盾。CAES系统与其他能源系统的耦合方式也将成为关于CAES系统的研究热点之。
多热电联产。CAES与其他系统联合循环以及热、电、冷多联供等方式都可以大幅度提高能源利用效率，是未来研究的发展趋势之。
4）储热器。AA-CAES系统的储热器非常重要，在绝热环境下，如何收集以及存储热量是个重大课题。目前，在绝热条件达到标标的情况下，考虑到经济性和实用性，水可以成为良好的储热介质。美国和俄罗斯正在进行这方面的研究。
3储气罐。空气储存时般有恒压和恒容2种存储方式，提出恒压储气罐的效率远高于恒容储气罐，但是恒容储气罐的存储体积又大于恒压储气罐。因此未来段时间，攻克恒压储气罐技术具有重要意义。
3优化配合。CAES系统元件多，配合复杂。未来的工作中，各部件的*优配合，提高系统效率显得尤为重要。新型工作模式设计中，更需要将优化配合摆在首位。
1）CAES系统的特点在于其清洁高效，投资抵，寿命长，响应迅速。它可以与太阳能、风能等新能源配合运行，提高可再生能源的利用率和效率，还能集成于微网、电动汽车中，产生的社会效益、经济效益和环境效益明显。
勿CAES系统的难点在于中小型CAES系统的储气罐储能容量与成本的矛盾，以及不同储气方式和运行模式下的效率问题。
多CAES系统正向模块化，大型化，高效化，清洁化发展，随着CAES系统技术的不断发展与完善，CAES系统将在未来蓄能技术应用中占有更高的比重，成为一种经济可行的蓄能技术。
