风电与先进绝热压缩空气储能技术的系统集成与仿真研究

【摘要】：间歇性、波动性和非周期性是风能的重要特征,也是造成风力发电系统不稳定性的重要原因。随着风电行业的快速发展,风电“弃风”现象越来越严重。压缩空气储能技术被认为是解决风电“弃风”问题的重要技术途径之一。然而传统压缩空气储能技术需要使用化石燃料,会造成环境污染等问题,同时风电与压缩空气储能技术集成应用的相关研究还存在较大空白。因此,设计与研发绿色、高效、无污染的新型压缩空气(气体)储能系统,开展风电与压缩空气(气体)储能系统的集成应用研究,对于提高电网运行的安全稳定性和风电机组利用率,减少风电“弃风”,推进储能技术的发展具有重要意义。本文结合理论分析和仿真模拟的方法开展相关研究。首先,通过对压缩空气储能技术发展现状的研究分析,以先进绝热压缩空气储能(Advanced Adiabatic Compressed Air Energy Storage,简称AA-CAES)系统作为本文主要研究对象。根据储能系统储气室部件的热力学特性,构建四种通用性储气室模型(定容绝热模型、定容等温模型、定压绝热模型、定压等温模型)。在得到四种储气室模型热力学特性的基础上,建立AA-CAES系统模型并对采用不同储气室模型时系统的热力学特性进行对比和分析,完成系统与核心部件、参数之间的关联性分析。在把握AA-CAES系统热力学特性的基础上,结合热力学分析和仿真模拟方法,以Matlab/Simulink为仿真模拟平台,建立了风模型、风电机模型和AA-CAES系统模型,并完成模型之间的集成耦合。构建了集成系统的能量转化和传递模型,对不同风况条件下集成系统内的能量转化和传递特性进行了分析和研究。研究结果显示,集成系统内主要涉及风能、机械能、电能、空气内能和热能的转化；影响集成系统整体效率的主要部件(过程)为风电机与AA-CAES系统储能阶段。在稳定风况下,低风速时风能转化为热能的比例较高,高风速时风能转化为空气内能的比例较高,且风速发生变化时,风能转化为热能和空气内能的变化趋势相反。此外,对波动风况下集成系统内的能量转化和传递特性研究发现,波动风况主要影响风电机部分的能量转化和与热能相关的能量转化过程,对空气内能的影响较小；从过程角度看,在AA-CAES系统储能阶段,压气机效率会影响储能阶段不同形式能量转化效率的变化趋势。为开发AA-CAES技术的应用潜力,本文开展了AA-CAES系统应用于分布式能源领域的研究工作。基于AA-CAES系统概念,研究提出了一种能够实现多种不同供能模式的分布式能源系统模型,给出了系统处于不同供能模式下的判定条件。此外,结合能量和(?)分析方法,研究了系统的供能特性和部件损失情况,同时对系统供能模式与系统主要参数(透平机械效率、压比、换热器效能等)之间的关联性进行了分析。研究结果显示,系统的供能(冷、热、电)量、供能效率与系统储热器中的热量分配情况直接相关；在不同供能模式下,各部件(?)损失占总(?)损失的比例有所不同。当系统处于不同的供能模式时,系统参数的变化对效率等参数的影响程度有所差异。从(?)角度来看,透平机械效率、换热器效能的升高均可以减少系统的(?)损失,提升系统的总(?)效率。最后,本文以二氧化碳为工作介质开展了新型储能系统的设计和优化研究。文中对以二氧化碳为介质的热电储能系统进行了热力学建模和分析工作,分别从循环角度和实际运行角度探讨了系统、循环、部件与参数之间的关联性；比较了循环角度和实际运行角度下热电储能系统热力学特性的差异性和关联性,为热电储能系统的优化提供了理论支持。此外,以朗肯循环和布雷顿循环为基础,研究提出了多种以二氧化碳为工作介质的新型储能系统。其中,以朗肯循环为基础的超(跨)临界C02储能系统可以风电弃风为储能阶段的能量来源,同时利用太阳能保证系统在释能阶段的能量输出；基于朗肯循环和电压缩制冷循环的集成型储能系统可以有效提高风电弃风利用率,同时该系统有应用于分布式供能领域的潜力；基于布雷顿循环的超(跨)临界C02储能系统利用储热技术避免了辅助供热,可以达到较高的系统效率。以C02为工作介质的新型储能系统为可再生能源的高效利用与储能技术的发展提供了新途径和新方案。 【关键词】：先进绝热压缩空气储能 风力发电 系统集成 仿真模拟 分布式能源系统 二氧化碳
【学位授予单位】：中国科学院研究生院(工程热物理研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TM614
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-19
• 第1章 绪论19-45
• 1.1 课题背景与意义19-22
• 1.2 储能技术的发展研究现状22-27
• 1.2.1 不同形式储能技术概况22-25
• 1.2.2 不同储能技术的性能对比25-27
• 1.3 压缩空气储能技术的发展现状27-35
• 1.3.1 压缩空气储能技术的应用现状27-32
• 1.3.2 压缩空气储能系统分析方法和评价准则32-34
• 1.3.3 不同压缩空气储能技术的比较34-35
• 1.4 绝热压缩空气(气体)储能技术的研究和应用现状35-44
• 1.4.1 绝热压缩空气储能系统的研究现状35-38
• 1.4.2 风电与压缩空气储能集成系统的研究现状38-40
• 1.4.3 基于压缩空气储能技术的分布式能源系统的研究现状40-41
• 1.4.4 以二氧化碳为介质的储能系统的研究现状41-44
• 1.5 本文的主要研究内容44-45
• 第2章 先进绝热压缩空气储能系统热力学特性分析45-65
• 2.1 引言45
• 2.2 AA-CAES系统热力学建模45-52
• 2.2.1 储能阶段46-47
• 2.2.2 释能阶段47
• 2.2.3 储气室模型47-52
• 2.3 AA-CAES系统热力学特性分析52-62
• 2.3.1 储气室模型对从-CAES系统特性的影响52-58
• 2.3.2 透平机械级数对AA-CAES系统特性的影响58-62
• 2.4 小结62-65
• 第3章 风电与先进绝热压缩空气储能系统的集成特性研究65-121
• 3.1 引言65
• 3.2 模块化建模方法65-67
• 3.3 风电与AA-CAES系统仿真建模67-83
• 3.3.1 风模型建模68-70
• 3.3.2 风电机模型建橫70-76
• 3.3.3 先进绝热压缩空气储能系统模型建模76-83
• 3.4 风电与先进绝热店缩空气储能系统的集成特性研究83-118
• 3.4.1 集成系统的能量转化特性83-87
• 3.4.2 集成系统仿真模拟结果分析87-99
• 3.4.3 稳定风况下集成系统特性研究99-106
• 3.4.4 波动风况下集成系统特性研究106-118
• 3.5 小结118-121
• 第4章 基于AA-CAES技术的分布式能源系统121-169
• 4.1 引言121
• 4.2 基于AA-CAES技术的分布式能源系统模型121-131
• 4.2.1 基于AA-CAES技术的分布式能源系统的供能模式分析121-122
• 4.2.2 基于AA-CAES技术的分布式能源系统建模122-131
• 4.3 基于AA-CAES技术的分布式能源系统供能特性分析131-166
• 4.3.1 系统基本供能特性分析132-137
• 4.3.2 系统应用分析137-140
• 4.3.3 系统热力特性评估140-166
• 4.4 小结166-169
• 第5章 超(跨)临界CO_2储能系统概念与热力学特性分析169-227
• 5.1 引言169
• 5.2 以CO_2为工质的热电储能系统169-214
• 5.2.1 热电储能系统热力学模型171-172
• 5.2.2 热电储能系统循环效率与热力学特性分析172-195
• 5.2.3 100MW系统参数确定和热力学特性分析195-214
• 5.3 基于朗肯循环的超（跨）临界CO_2储能系统214-219
• 5.3.1 可利用太阳能和风能的超(跨)临界CO_2储能系统215-216
• 5.3.2 CO_2朗肯循环与电压缩制冷循环集成型储能系统216-219
• 5.4 基于布雷顿循环的超（跨）临界CO_2储能系统219-225
• 5.4.1 一种跨临界CO_2储能系统220-223
• 5.4.2 一种超临界CO_2储能系统223-225
• 5.5 小结225-227
• 第6章 结论与展望227-231
• 6.1 结论227-228
• 6.2 创新点228-229
• 6.3 展望229-231
• 参考文献231-241
• 攻读博±学位期间发表的论文241-243
• 致谢243-244

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