在“双碳”背景下，压缩空气储能技术已经较为成熟，具有单机规模大、储能时间长、使用寿命长、调节性能强等特点，在提高电网调节能力和增强可再生能源消纳方面具有巨大的应用潜能。对压缩空气储能系统的工作原理及关键技术进行介绍，简述了目前压缩空气储能技术的研究状况以及压缩空气储能电站的建设情况，提出未来压缩空气储能技术的发展趋势。
引言
根据国家统计局发布的数据，2023年全国发电总量为94 564.4亿kW·h，比2022年增长6.9%。火力发电量依然占据第一位，发电量为62 657.4亿kW·h，约占我国总发电量的66.3%，比2022年增长6.4%；水力发电量排第二，2023年产生的电力为12 858.5亿kW·h，约占全国总发电量的13.6%，比2022年减少4.9%；风力发电排第三，2023年产生的电力为8 858.7亿kW·h，占比9.4%，比2022年增长16.2%。太阳能发电量为5 841.5亿kW·h，占比6.2%，比2022年增长36.7%；核能发电量为4 347.2亿kW·h，占比4.6%，比2022年增长4.1%。2023年全国发电量分布如图1所示，由此可知，火电仍是我国主要的发电方式。
目前，我国能源产量和消耗量都比较高，同时，快速的发展伴随着能源结构不合理、能源利用率低、可再生能源发电占比低等问题。大力发展储能技术，推动能源结构调整，推动新能源消纳，已成为我国新能源发展的重要内容。我国可再生能源风能、太阳能资源丰富，但其存在间歇性、不稳定性等特点。由于电力系统的峰谷差异，对调峰的要求较高，导致供需失衡，造成优质电能大量浪费。
根据国务院关于印发《2030年前碳达峰行动方案的通知》（国发〔2021〕23号），到2025年，我国新型储能装机容量将达到3 000万kW以上。新型储能中以电化学储能和压缩空气储能技术最为成熟，但电化学储能设施仍未形成公认的安全性解决方案，存在发生火灾、爆炸等安全隐患。相比较而言，压缩空气储能安全性较高，具有储能规模大、放电时间长、使用寿命长、热冷电综合利用面广等优点。
储能系统可消纳不稳定的可再生能源，具有为电网运行调峰、调频、快速响应电网需求等优点，能够保证新能源发电系统灵活、经济和安全运行。储能技术作为分布式能源、能源互联网及区域能源微网的重要支撑，发展规模化的储能系统是改善能源结构、加快能源高质量发展的关键措施。
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压缩空气储能系统工作原理
压缩空气储能系统是一种复杂的能量流动体系，该系统包括压缩机、膨胀机、储气室、换热器、储热罐、电动发电机等部件。
压缩空气储能技术是指利用低谷电将空气压缩到储气室中，等到用电高峰时再释放出来发电，从而提升电网调节能力和新能源消纳能力的技术。
由压气机、膨胀机、储气室等构成的储能子系统，以压缩空气的形式将电厂低谷的廉价电能存储在储气室中。储能时利用耦合器将发电机与压气机耦合，与燃气轮机解耦。将压缩空气与天然气或油混合燃烧，发电时，发电机会与燃气轮机耦合，提升了发电效率，实现了能源高效率利用。
压缩空气储能根据工质、存储介质与热源的不同分为不同的系统，如图2所示。
压缩空气储能技术是以常规燃气轮机为基础，发展而成的一种能量储存技术。压缩空气储能的关键设备包括压缩机、膨胀机、储热器、换热器、系统集成与控制设备等。
2.1压缩机
压缩机是压缩空气储能系统的关键部件之一，压缩机的性能对系统整体都有影响。压缩机是一种将机械能转化为压力势能的装置，其结构紧凑，能够通过大流量的空气，同时能够平稳的运行，这些特点使得压缩机能够与压缩空气储能系统的运行工况契合，同时，其经济性较好，压缩机在压缩空气储能系统中扮演着重要角色。
2.2膨胀机
膨胀机也是压缩空气储能系统的关键部件之一，可以影响到整个系统的性能，见表1。从表1中可知，在应用场景下，对于较大规模的压缩空气储能系统采用向心透平膨胀机。
2.3储气室和换热器
储气室是一种用于储存压缩空气的储气库，相当于整个系统的能量中转站。当前，大型压缩空气储能系统一般利用地下盐矿、岩洞作为储气室，小型压缩空气储能系统为了减少对储气洞的依赖性，一般将地表高压储气罐用作储气室。储气室工作包含储能过程、释能过程及间隔过程。
换热器是实现压缩空气储能系统热回收和热利用的主要部件。压缩阶段时，冷流体流经换热器吸收压缩过程产生的压缩热，提高压缩机的压缩比和压缩效率；膨胀阶段时，热流体流经换热器给压缩空气加热，提高压缩空气在膨胀机中的膨胀效率。换热器是将热流体的部分热量传递给冷流体的设备，按换热结构，换热器主要分为管壳式换热器和板式换热器。国内化工及动力设备配套厂家均具备换热器设计加工能力，大多可开展换热装置的设计和计算工作，针对压缩空气储能系统工作特点及参数完成换热器的加工设计并完成组装。换热系统参数对系统的储能效率影响较大，蓄热温度和回热温度越高，系统的㶲损失越小，系统的储能效率越高。通过提升蓄热回热系统的蓄热温度、换热效率，可进一步提升系统的整体效率。
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压缩空气储能技术发展方向
（1）未来压缩空气储能技术要向着增强自主研发能力，落实先进技术应用的方向发展。国外压缩空气储能技术更成熟，国外电站示范项目建设远远早于国内，相关技术也与国外成熟技术之间存在壁垒。对于国内而言，该技术仍处于初级发展阶段，还存在很大的发展空间，关键技术过度依赖于引进，许多研究停留在理论层面的情况比较多，针对先进的理论和技术需要更加深入的研究，要逐步缩小差距，加快核心关键设备与关键材料研发，开发具有自主知识产权的技术，建立相关技术标准和规范。
（2）未来压缩空气储能技术要向着增强压缩空气储能系统并网的适配性方向发展。为了加快能源转型，需要处理好系统集成问题，做好储能系统与新能源发电系统之间的耦合，要完善适用于不同规模储能电站的系统集成方案，提高新能源发电的占比。
（3）压缩空气储能电站要向着产业化、商业化运行和装机规模化的方向发展。从目前的压缩空气储能电站建设情况来看，压缩空气储能产业化进程显著加快，虽然已经投入运行的电站规模都比较小，但是开建和规划的压缩空气储能项目装机规模增大。压缩空气储能系统在海拔较低地区具有良好的应用前景。同时，基于构建以新能源发电为主体的新型电力系统，在多项政策的支持下，建设压缩空气储能电站的需求增大。
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结论
在新型储能技术与产业快速发展的背景下，本文阐述了压缩空气储能系统的工作原理及其关键技术，对国内外压缩空气储能技术研究现状以及示范项目的进展进行了研究，对其商业应用场景进行了分析，最终得出以下结论：
（1）压缩空气储能技术具有绿色环保、高安全系数、快速响应等特点，是一种具有商业前景和实用价值的大规模储能技术。
（2）国外建设的一些压缩空气储能电站经过几十年的商业运营检验，其安全稳定的运营为我国的压缩空气储能电站研究提供了有益的参考。最近几年，我国的压缩空气储能技术处在一个蓬勃发展的时期，完成了各项示范工程建设，实现了理论到应用的突破。
（3）在应用场景下，压缩空气储能技术起到了调峰调频、耦合新能源与并网发电、消纳新能源发电系统间歇性和不可靠性等作用。压缩空气储能技术未来将向着促进系统集成，增强并网能力，提高关键技术自主研发能力以及建设大规模商业化运行电站等方向发展。