風電與先進絕熱壓縮空氣儲能技術的系統(tǒng)集成與仿真研究

【摘要】：間歇性、波動性和非周期性是風能的重要特征,也是造成風力發(fā)電系統(tǒng)不穩(wěn)定性的重要原因。隨著風電行業(yè)的快速發(fā)展,風電“棄風”現(xiàn)象越來越嚴重。壓縮空氣儲能技術被認為是解決風電“棄風”問題的重要技術途徑之一。然而傳統(tǒng)壓縮空氣儲能技術需要使用化石燃料,會造成環(huán)境污染等問題,同時風電與壓縮空氣儲能技術集成應用的相關研究還存在較大空白。因此,設計與研發(fā)綠色、高效、無污染的新型壓縮空氣(氣體)儲能系統(tǒng),開展風電與壓縮空氣(氣體)儲能系統(tǒng)的集成應用研究,對于提高電網(wǎng)運行的安全穩(wěn)定性和風電機組利用率,減少風電“棄風”,推進儲能技術的發(fā)展具有重要意義。本文結合理論分析和仿真模擬的方法開展相關研究。首先,通過對壓縮空氣儲能技術發(fā)展現(xiàn)狀的研究分析,以先進絕熱壓縮空氣儲能(Advanced Adiabatic Compressed Air Energy Storage,簡稱AA-CAES)系統(tǒng)作為本文主要研究對象。根據(jù)儲能系統(tǒng)儲氣室部件的熱力學特性,構建四種通用性儲氣室模型(定容絕熱模型、定容等溫模型、定壓絕熱模型、定壓等溫模型)。在得到四種儲氣室模型熱力學特性的基礎上,建立AA-CAES系統(tǒng)模型并對采用不同儲氣室模型時系統(tǒng)的熱力學特性進行對比和分析,完成系統(tǒng)與核心部件、參數(shù)之間的關聯(lián)性分析。在把握AA-CAES系統(tǒng)熱力學特性的基礎上,結合熱力學分析和仿真模擬方法,以Matlab/Simulink為仿真模擬平臺,建立了風模型、風電機模型和AA-CAES系統(tǒng)模型,并完成模型之間的集成耦合。構建了集成系統(tǒng)的能量轉化和傳遞模型,對不同風況條件下集成系統(tǒng)內(nèi)的能量轉化和傳遞特性進行了分析和研究。研究結果顯示,集成系統(tǒng)內(nèi)主要涉及風能、機械能、電能、空氣內(nèi)能和熱能的轉化；影響集成系統(tǒng)整體效率的主要部件(過程)為風電機與AA-CAES系統(tǒng)儲能階段。在穩(wěn)定風況下,低風速時風能轉化為熱能的比例較高,高風速時風能轉化為空氣內(nèi)能的比例較高,且風速發(fā)生變化時,風能轉化為熱能和空氣內(nèi)能的變化趨勢相反。此外,對波動風況下集成系統(tǒng)內(nèi)的能量轉化和傳遞特性研究發(fā)現(xiàn),波動風況主要影響風電機部分的能量轉化和與熱能相關的能量轉化過程,對空氣內(nèi)能的影響較??；從過程角度看,在AA-CAES系統(tǒng)儲能階段,壓氣機效率會影響儲能階段不同形式能量轉化效率的變化趨勢。為開發(fā)AA-CAES技術的應用潛力,本文開展了AA-CAES系統(tǒng)應用于分布式能源領域的研究工作?；贏A-CAES系統(tǒng)概念,研究提出了一種能夠實現(xiàn)多種不同供能模式的分布式能源系統(tǒng)模型,給出了系統(tǒng)處于不同供能模式下的判定條件。此外,結合能量和(?)分析方法,研究了系統(tǒng)的供能特性和部件損失情況,同時對系統(tǒng)供能模式與系統(tǒng)主要參數(shù)(透平機械效率、壓比、換熱器效能等)之間的關聯(lián)性進行了分析。研究結果顯示,系統(tǒng)的供能(冷、熱、電)量、供能效率與系統(tǒng)儲熱器中的熱量分配情況直接相關；在不同供能模式下,各部件(?)損失占總(?)損失的比例有所不同。當系統(tǒng)處于不同的供能模式時,系統(tǒng)參數(shù)的變化對效率等參數(shù)的影響程度有所差異。從(?)角度來看,透平機械效率、換熱器效能的升高均可以減少系統(tǒng)的(?)損失,提升系統(tǒng)的總(?)效率。最后,本文以二氧化碳為工作介質開展了新型儲能系統(tǒng)的設計和優(yōu)化研究。文中對以二氧化碳為介質的熱電儲能系統(tǒng)進行了熱力學建模和分析工作,分別從循環(huán)角度和實際運行角度探討了系統(tǒng)、循環(huán)、部件與參數(shù)之間的關聯(lián)性；比較了循環(huán)角度和實際運行角度下熱電儲能系統(tǒng)熱力學特性的差異性和關聯(lián)性,為熱電儲能系統(tǒng)的優(yōu)化提供了理論支持。此外,以朗肯循環(huán)和布雷頓循環(huán)為基礎,研究提出了多種以二氧化碳為工作介質的新型儲能系統(tǒng)。其中,以朗肯循環(huán)為基礎的超(跨)臨界C02儲能系統(tǒng)可以風電棄風為儲能階段的能量來源,同時利用太陽能保證系統(tǒng)在釋能階段的能量輸出；基于朗肯循環(huán)和電壓縮制冷循環(huán)的集成型儲能系統(tǒng)可以有效提高風電棄風利用率,同時該系統(tǒng)有應用于分布式供能領域的潛力；基于布雷頓循環(huán)的超(跨)臨界C02儲能系統(tǒng)利用儲熱技術避免了輔助供熱,可以達到較高的系統(tǒng)效率。以C02為工作介質的新型儲能系統(tǒng)為可再生能源的高效利用與儲能技術的發(fā)展提供了新途徑和新方案。 【關鍵詞】：先進絕熱壓縮空氣儲能 風力發(fā)電 系統(tǒng)集成 仿真模擬 分布式能源系統(tǒng) 二氧化碳
【學位授予單位】：中國科學院研究生院(工程熱物理研究所)
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2014
【分類號】：TM614
【目錄】：

• 摘要5-7
• Abstract7-19
• 第1章 緒論19-45
• 1.1 課題背景與意義19-22
• 1.2 儲能技術的發(fā)展研究現(xiàn)狀22-27
• 1.2.1 不同形式儲能技術概況22-25
• 1.2.2 不同儲能技術的性能對比25-27
• 1.3 壓縮空氣儲能技術的發(fā)展現(xiàn)狀27-35
• 1.3.1 壓縮空氣儲能技術的應用現(xiàn)狀27-32
• 1.3.2 壓縮空氣儲能系統(tǒng)分析方法和評價準則32-34
• 1.3.3 不同壓縮空氣儲能技術的比較34-35
• 1.4 絕熱壓縮空氣(氣體)儲能技術的研究和應用現(xiàn)狀35-44
• 1.4.1 絕熱壓縮空氣儲能系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀35-38
• 1.4.2 風電與壓縮空氣儲能集成系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀38-40
• 1.4.3 基于壓縮空氣儲能技術的分布式能源系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀40-41
• 1.4.4 以二氧化碳為介質的儲能系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀41-44
• 1.5 本文的主要研究內(nèi)容44-45
• 第2章 先進絕熱壓縮空氣儲能系統(tǒng)熱力學特性分析45-65
• 2.1 引言45
• 2.2 AA-CAES系統(tǒng)熱力學建模45-52
• 2.2.1 儲能階段46-47
• 2.2.2 釋能階段47
• 2.2.3 儲氣室模型47-52
• 2.3 AA-CAES系統(tǒng)熱力學特性分析52-62
• 2.3.1 儲氣室模型對從-CAES系統(tǒng)特性的影響52-58
• 2.3.2 透平機械級數(shù)對AA-CAES系統(tǒng)特性的影響58-62
• 2.4 小結62-65
• 第3章 風電與先進絕熱壓縮空氣儲能系統(tǒng)的集成特性研究65-121
• 3.1 引言65
• 3.2 模塊化建模方法65-67
• 3.3 風電與AA-CAES系統(tǒng)仿真建模67-83
• 3.3.1 風模型建模68-70
• 3.3.2 風電機模型建橫70-76
• 3.3.3 先進絕熱壓縮空氣儲能系統(tǒng)模型建模76-83
• 3.4 風電與先進絕熱店縮空氣儲能系統(tǒng)的集成特性研究83-118
• 3.4.1 集成系統(tǒng)的能量轉化特性83-87
• 3.4.2 集成系統(tǒng)仿真模擬結果分析87-99
• 3.4.3 穩(wěn)定風況下集成系統(tǒng)特性研究99-106
• 3.4.4 波動風況下集成系統(tǒng)特性研究106-118
• 3.5 小結118-121
• 第4章 基于AA-CAES技術的分布式能源系統(tǒng)121-169
• 4.1 引言121
• 4.2 基于AA-CAES技術的分布式能源系統(tǒng)模型121-131
• 4.2.1 基于AA-CAES技術的分布式能源系統(tǒng)的供能模式分析121-122
• 4.2.2 基于AA-CAES技術的分布式能源系統(tǒng)建模122-131
• 4.3 基于AA-CAES技術的分布式能源系統(tǒng)供能特性分析131-166
• 4.3.1 系統(tǒng)基本供能特性分析132-137
• 4.3.2 系統(tǒng)應用分析137-140
• 4.3.3 系統(tǒng)熱力特性評估140-166
• 4.4 小結166-169
• 第5章 超(跨)臨界CO_2儲能系統(tǒng)概念與熱力學特性分析169-227
• 5.1 引言169
• 5.2 以CO_2為工質的熱電儲能系統(tǒng)169-214
• 5.2.1 熱電儲能系統(tǒng)熱力學模型171-172
• 5.2.2 熱電儲能系統(tǒng)循環(huán)效率與熱力學特性分析172-195
• 5.2.3 100MW系統(tǒng)參數(shù)確定和熱力學特性分析195-214
• 5.3 基于朗肯循環(huán)的超（跨）臨界CO_2儲能系統(tǒng)214-219
• 5.3.1 可利用太陽能和風能的超(跨)臨界CO_2儲能系統(tǒng)215-216
• 5.3.2 CO_2朗肯循環(huán)與電壓縮制冷循環(huán)集成型儲能系統(tǒng)216-219
• 5.4 基于布雷頓循環(huán)的超（跨）臨界CO_2儲能系統(tǒng)219-225
• 5.4.1 一種跨臨界CO_2儲能系統(tǒng)220-223
• 5.4.2 一種超臨界CO_2儲能系統(tǒng)223-225
• 5.5 小結225-227
• 第6章 結論與展望227-231
• 6.1 結論227-228
• 6.2 創(chuàng)新點228-229
• 6.3 展望229-231
• 參考文獻231-241
• 攻讀博±學位期間發(fā)表的論文241-243
• 致謝243-244

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