風(fēng)能—壓縮空氣—柴油聯(lián)合發(fā)電循環(huán)理論研究

【摘要】：隨著邊際地區(qū)用電需求逐年增加,在傳統(tǒng)柴油發(fā)電的基礎(chǔ)上,人們普遍采用蓄電池儲(chǔ)能的風(fēng)能-柴油聯(lián)合發(fā)電技術(shù)來(lái)提高風(fēng)能利用效率并降低邊際地區(qū)燃油消耗。由于蓄電池價(jià)格昂貴且存在二次污染,限制了其進(jìn)一步推廣。結(jié)合壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù),形成風(fēng)能-壓縮空氣-柴油聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng),將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為壓縮空氣勢(shì)能儲(chǔ)存,可以避免上述蓄電池儲(chǔ)能技術(shù)的缺陷。因此,對(duì)風(fēng)能-壓縮空氣-柴油聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)開展研究,提高其儲(chǔ)能過(guò)程和發(fā)電過(guò)程能量轉(zhuǎn)化效率,具有重大意義。本論文以風(fēng)能-壓縮空氣-柴油聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)為研究對(duì)象,從理想熱力循環(huán)和實(shí)際工作過(guò)程2個(gè)角度,分別對(duì)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的風(fēng)能-壓縮空氣儲(chǔ)能過(guò)程、壓縮空氣膨脹做功過(guò)程以及壓縮空氣-柴油混合做功過(guò)程進(jìn)行分析。最后結(jié)合實(shí)際發(fā)電工況,評(píng)估該聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)節(jié)油潛力。全文主要工作及結(jié)論如下：1)傳統(tǒng)風(fēng)能-柴油聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)能量流分析。建立了傳統(tǒng)蓄電池儲(chǔ)能的風(fēng)能-柴油聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)數(shù)值仿真模型,分析了其工作過(guò)程能量流狀態(tài)。以某村莊風(fēng)速條件和用電負(fù)荷為例,計(jì)算結(jié)果表明：約27%的風(fēng)能最終轉(zhuǎn)化為負(fù)載電能；弱風(fēng)速區(qū)間風(fēng)能全部廢棄,能量占比約3%；工作風(fēng)速區(qū)間,部分風(fēng)能未有效利用；柴油機(jī)排氣帶走的(?)量占燃料總(?)量約18%,其中自由排氣(?)占排氣總(?)量40%～60%,自由排氣壓力(?)占排氣總(?)量8%-10%。2)風(fēng)能-壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)化理論研究。首先,建立了活塞式壓縮機(jī)效率分析模型,分析了運(yùn)行參數(shù)對(duì)能量轉(zhuǎn)化效率的影響規(guī)律。結(jié)果表明：轉(zhuǎn)速、排氣壓力以及進(jìn)氣壓力等因素對(duì)壓縮機(jī)性能的影響存在耦合關(guān)系；降低排氣壓力和轉(zhuǎn)速,均會(huì)提高能量轉(zhuǎn)化比。然后,建立了風(fēng)能-壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)效率分析模型,分析了運(yùn)行參數(shù)對(duì)系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)化效率的影響規(guī)律。結(jié)果表明：低風(fēng)速、大壓縮機(jī)排量、大儲(chǔ)氣罐容積以及低儲(chǔ)氣罐壓力均有利于提高能量轉(zhuǎn)化效率,但后兩者會(huì)降低能量品位；高風(fēng)速時(shí)應(yīng)擴(kuò)大儲(chǔ)氣罐容積來(lái)提高風(fēng)能儲(chǔ)存能力,并增大壓縮機(jī)排量來(lái)降低壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速；風(fēng)速低于4 m/s時(shí),采用壓縮空氣儲(chǔ)能方式能量轉(zhuǎn)化效率高于蓄電池儲(chǔ)能方式,風(fēng)速高于4 m/s時(shí)則相反；壓縮空氣儲(chǔ)能方式年均成本僅為電池儲(chǔ)能方式的10%16%。3)壓縮空氣膨脹做功循環(huán)研究。建立了壓縮空氣膨脹做功循環(huán)效率分析模型并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證,分析了其能量損失機(jī)理及變化規(guī)律。結(jié)果表明：因進(jìn)氣節(jié)流導(dǎo)致的進(jìn)氣損失和高壓、低溫排氣導(dǎo)致的排氣損失是壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī)能量損失的主要組成部分,兩者總共占進(jìn)氣總(?)量的30%q0%；轉(zhuǎn)速升高會(huì)增加進(jìn)氣損失、排氣損失,降低(?)效率；進(jìn)氣壓力升高會(huì)增加排氣損失,減少進(jìn)氣損失,提高(?)效率；進(jìn)氣溫度升高有利于減少進(jìn)氣損失和排氣損失,提高(?)效率。最后,對(duì)壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了臺(tái)架試驗(yàn)研究,驗(yàn)證了各參數(shù)對(duì)(?)效率的影響規(guī)律。4)壓縮空氣回收利用柴油機(jī)排氣能量方法研究。首先,分析了壓縮空氣回收柴油機(jī)排氣能量的熱交換方案和直接混合方案排氣(?)回收效率。結(jié)果表明：柴油機(jī)排氣能量回收方案選擇取決于排氣壓力水平；對(duì)于柴油機(jī)實(shí)際排氣,應(yīng)采用聯(lián)合回收方案來(lái)回收排氣能量。然后,建立了采用聯(lián)合方案回收柴油機(jī)排氣能量的壓縮空氣-燃油混合動(dòng)力效率分析模型,分析了不同運(yùn)行參數(shù)對(duì)混合動(dòng)力總能轉(zhuǎn)化效率的影響。結(jié)果表明：采用聯(lián)合回收方案,混合動(dòng)力柴油機(jī)(?)效率基本不變,部分柴油機(jī)排氣(?)進(jìn)入壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī),壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī)(?)效率提高；混合動(dòng)力總能轉(zhuǎn)化效率受柴油機(jī)排氣提前角、壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣提前角、柴油機(jī)負(fù)荷以及壓縮空氣壓力等參數(shù)影響；相比于僅采用熱交換方案的混合動(dòng)力,聯(lián)合回收方案有效回收排氣壓力能,總能轉(zhuǎn)化效率提升幅度為1%-2%。最后,對(duì)混合動(dòng)力進(jìn)行了原理性臺(tái)架試驗(yàn)研究,驗(yàn)證了柴油機(jī)排氣能量聯(lián)合回收方案的可行性。5)風(fēng)能-壓縮空氣-柴油聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)仿真研究?；谀称h(yuǎn)村莊風(fēng)速條件和用電需求,合理匹配風(fēng)能-壓縮空氣-柴油聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)子部件,建立聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)性能分析模型,充分回收利用柴油機(jī)排氣和冷卻水余能,并降低風(fēng)扇功耗。獲得了聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)能量高效利用控制策略,計(jì)算了其節(jié)油率。結(jié)果表明：相比于純柴油發(fā)電,聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)節(jié)油約32%,其中風(fēng)能利用貢獻(xiàn)值約22%；相比于無(wú)柴油機(jī)廢棄能量回收方案,聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)節(jié)油約10%,其中柴油機(jī)排氣和冷卻水能量回收利用貢獻(xiàn)值分別約7%和2%,柴油機(jī)風(fēng)扇功耗降低貢獻(xiàn)值約1%：相比于蓄電池儲(chǔ)能方案,聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)燃油消耗量增加約8%,但年均儲(chǔ)能成本降低約84%。 【關(guān)鍵詞】：內(nèi)燃機(jī) 風(fēng)能-壓縮空氣-柴油聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng) 壓縮空氣儲(chǔ)能 壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī) 壓縮空氣-燃油混合動(dòng)力 廢棄能量回收利用 能量梯級(jí)利用
【學(xué)位授予單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TM61
【目錄】：

• 致謝5-6
• 摘要6-8
• Abstract8-28
• 1 緒論28-48
• 1.1 課題研究背景和意義28-31
• 1.1.1 內(nèi)燃機(jī)在分布式能量系統(tǒng)中的應(yīng)用現(xiàn)狀28-29
• 1.1.2 風(fēng)能-柴油聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用現(xiàn)狀29-30
• 1.1.3 壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的應(yīng)用現(xiàn)狀30-31
• 1.1.4 風(fēng)能-壓縮空氣-柴油聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)研究的意義31
• 1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀31-45
• 1.2.1 壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)研究現(xiàn)狀31-34
• 1.2.2 壓縮空氣膨脹做功系統(tǒng)研究現(xiàn)狀34-38
• 1.2.3 壓縮空氣-燃油混合動(dòng)力的研究現(xiàn)狀38-44
• 1.2.4 存在的問(wèn)題44-45
• 1.3 本文主要研究?jī)?nèi)容45-48
• 2 傳統(tǒng)風(fēng)能-柴油聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)能量流分析48-76
• 2.1 風(fēng)能-柴油聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)工作原理48-49
• 2.2 風(fēng)能發(fā)電系統(tǒng)工作過(guò)程能量流分析49-56
• 2.2.1 工作原理49-50
• 2.2.2 數(shù)值仿真模型建立50-52
• 2.2.3 模型驗(yàn)證52-54
• 2.2.4 能量流分析54-56
• 2.3 柴油發(fā)電系統(tǒng)工作過(guò)程能量流分析56-67
• 2.3.1 工作原理56-57
• 2.3.2 數(shù)值仿真模型建立57-61
• 2.3.3 模型驗(yàn)證61-64
• 2.3.4 能量流分析64-67
• 2.4 風(fēng)能-柴油聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)能量流分析67-73
• 2.4.1 蓄電池?cái)?shù)學(xué)建模67-68
• 2.4.2 計(jì)算邊界條件及設(shè)備選型68-70
• 2.4.3 能量流分析70-73
• 2.5 本章小結(jié)73-76
• 3 風(fēng)能-壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)化理論研究76-110
• 3.1 風(fēng)能-壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)工作原理及數(shù)值建模76-82
• 3.1.1 工作原理76-77
• 3.1.2 數(shù)值仿真模型77-82
• 3.2 空氣壓縮過(guò)程數(shù)值仿真分析82-96
• 3.2.1 數(shù)值仿真模型驗(yàn)證82-84
• 3.2.2 實(shí)際工作過(guò)程分析84-85
• 3.2.3 性能影響因素分析85-96
• 3.3 風(fēng)能-壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)能量流分析96-105
• 3.3.1 能量轉(zhuǎn)化過(guò)程分析97-98
• 3.3.2 能量轉(zhuǎn)化效率影響因素分析98-105
• 3.4 風(fēng)能-壓縮空氣儲(chǔ)能和蓄電池儲(chǔ)能對(duì)比105-107
• 3.4.1 儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行成本對(duì)比105-106
• 3.4.2 能量效率對(duì)比106-107
• 3.5 本章小結(jié)107-110
• 4 壓縮空氣膨脹做功循環(huán)研究110-130
• 4.1 壓縮空氣膨脹做功系統(tǒng)工作原理110-111
• 4.2 壓縮空氣膨脹做功循環(huán)熱力學(xué)分析111-115
• 4.2.1 理想熱力循環(huán)分析111-113
• 4.2.2 膨脹循環(huán)優(yōu)化分析113-115
• 4.3 壓縮空氣膨脹做功過(guò)程數(shù)值分析115-121
• 4.3.1 數(shù)值仿真模型115-118
• 4.3.2 模型驗(yàn)證118-120
• 4.3.3 工作過(guò)程計(jì)算結(jié)果及分析120-121
• 4.4 壓縮空氣膨脹做功過(guò)程能量流分析121-125
• 4.4.1 壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī)(?)分析121-122
• 4.4.2 運(yùn)行參數(shù)對(duì)壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī)能量流的影響122-125
• 4.5 試驗(yàn)研究125-129
• 4.5.1 試驗(yàn)系統(tǒng)介紹125-127
• 4.5.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析127-129
• 4.6 本章小節(jié)129-130
• 5 壓縮空氣回收利用柴油機(jī)排氣能量方法研究130-156
• 5.1 柴油機(jī)排氣能量回收方式理論分析130-136
• 5.1.1 熱交換回收方式理論分析130-132
• 5.1.2 直接混合方式理論分析132-135
• 5.1.3 聯(lián)合回收方案理論分析135-136
• 5.2 混合動(dòng)力原理及工作過(guò)程(?)分析136-141
• 5.2.1 混合動(dòng)力原理136-139
• 5.2.2 工作過(guò)程(?)分析139-141
• 5.3 混合動(dòng)力工作過(guò)程影響因素分析及優(yōu)化141-149
• 5.3.1 邊界條件及優(yōu)化目標(biāo)141-142
• 5.3.2 柴油機(jī)排氣提前角的影響分析142-144
• 5.3.3 壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣提前角的影響分析144-147
• 5.3.4 柴油機(jī)負(fù)荷的影響分析147-149
• 5.3.5 壓縮空氣壓力的影響分析149
• 5.4 原理性試驗(yàn)研究149-154
• 5.4.1 試驗(yàn)系統(tǒng)介紹149-152
• 5.4.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析152-154
• 5.5 本章小節(jié)154-156
• 6 風(fēng)能-壓縮空氣-柴油聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)仿真研究156-168
• 6.1 聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)工作原理156-157
• 6.2 計(jì)算邊界條件及設(shè)備選型157-161
• 6.2.1 計(jì)算邊界條件157-158
• 6.2.2 設(shè)備選型158-161
• 6.3 聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)能量控制策略161-163
• 6.3.1 約束條件161-163
• 6.3.2 能量控制策略163
• 6.4 計(jì)算結(jié)果及分析163-167
• 6.5 本章小結(jié)167-168
• 7 全文工作總結(jié)與展望168-174
• 7.1 全文工作總結(jié)168-171
• 7.2 主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)171-172
• 7.3 研究不足及展望172-174
• 參考文獻(xiàn)174-186
• 作者簡(jiǎn)歷186-187

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