随着传统化石能源的日益枯竭和温室效应的日益严重，全球各国都在积极地发展可再生能源。至2016年底，全球可再生能源累计装机量达到2017GW，占全球发电总装机量的30％，占总发电量的24.5％。其中，风能和太阳能尤其成为了各国发展可再生能源的重点方向。然而，风能和太阳能发电具有极大的不确定性，随机性和间歇性等特点，会对整个电力系统产生较大的冲击，影响电网的调度，稳定性，安全性和运营成本。压缩空气储能是解决大规模可再生能源发电并网问题的一种重要技术。　　为了提高压缩空气储能系统的储能密度，同时避免使用化石燃料补燃和高温压缩机，本文结合风电存储，太阳能光热存储，空气透平发电和有机朗肯循环技术设计了一种新型风-光-压缩空气储能系统，实现了可再生能源的“绿色存储”和梯级利用。同时，文中还研究了一种新型的高速三级同轴回热式空气透平膨胀机，对其进行了理论分析与结构设计，并通过大量实验研究了耦合式空气透平发电机组的运行特性。本文主要完成的工作和结论具体如下所述。　　(1)对风-光-压缩空气储能系统中各部件建立了能量分析和(炯)分析模型，阐述了能量和(炯)的流动与转化规律，引入了多个系统性能综合评价指标。分析了风-光-压缩空气储能系统中初始循环参数的设计原则，选取了最优的储气压力，R123透平膨胀机进气压力，太阳能光热存储介质以及有机朗肯循环工质。　　(2)通过模拟计算得到该风-光-压缩空气储能系统的总输出功为8037kWh，每天可供应94吨60℃的生活热水，其电能存储效率ESE为87.7％，循环效率RTE为61.2％，(炯)效率ηex为65.4％，储能密度EPV为4.19kWh/m3。详细分析了风-光-压缩空气储能系统中各部件的(炯)损占比，得出了(炯)损大小的排序。　　(3)对风-光-压缩空气储能系统进行了参数敏感性分析。结果显示，相对较低的环境温度和较高的空气透平膨胀机进气温度会有利于系统性能的提高，而空气透平膨胀机进气压力的选择则涉及到系统性能和储能密度的权衡。　　(4)基于国内首套500kW绝热型压缩空气储能电站示范工程，研究了一种新型的高速三级同轴回热式空气透平膨胀机，确定了透平膨胀机的基本进出口热力参数和结构参数。通过对比五种不同的设计方案，得到了透平膨胀机的最优进气压力为2.5MPa。同时，分析了透平膨胀机中的五种热损失，并提出了相应减小热损失的措施。对透平膨胀机进行了结构设计并基于有限元方法进行了转子动力学分析，绘制了转子的前四阶模态振型图，定性分析了转子各点的相对振幅大小。　　(5)完成了空气透平发电机组的耦合式设计，搭建了透平发电机组的实验系统。通过大量的升速实验，获得了转子的1阶临界转速为18600r/min。实验研究了透平发电机组从空载升速到最大带载的放气过程，主要分析了储气罐的储气压力和温度，节流阀出口温度，透平膨胀机各级进排气压力和温度以及透平发电机组的各轴承温度等参数随着放气时间的变化。同时，重点分析了透平膨胀机的转速，转子轴向位移以及发电机的功率和电压随一级进气压力的变化。　　(6)实验结果显示，在透平膨胀机一级进气压力分别为2.5MPa和3.0MPa时，透平膨胀机的平均绝热效率ηTB分别为69.6％和73.8％，透平发电机组的输出功率分别为340kW和432kW，总效率ηTG分别为50.4％和57.1％，均与理论设计值存在一定偏差，主要是由于透平发电机组的偏工况运行和第三级透平膨胀机较低的绝热效率导致的，需要对喷嘴作进一步的优化。