本文關(guān)鍵詞：先進(jìn)絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)部件特性對(duì)系統(tǒng)性能影響的研究

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【摘要】：可再生能源具有間歇性、波動(dòng)性和非周期性,導(dǎo)致可再生能源發(fā)電在并網(wǎng)的時(shí)候,電網(wǎng)產(chǎn)生波動(dòng),造成風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)的棄風(fēng)。為了提高風(fēng)力發(fā)電等可再生能源的利用,儲(chǔ)能技術(shù)被越來(lái)越多的應(yīng)用到這一領(lǐng)域。壓縮空氣儲(chǔ)能是儲(chǔ)能技術(shù)中較為有優(yōu)勢(shì)的一種儲(chǔ)能方式。上個(gè)世紀(jì)50年代開始研究的傳統(tǒng)的壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)已經(jīng)在德國(guó)和美國(guó)有了實(shí)驗(yàn)電站,隨著儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展,先后出現(xiàn)了絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)(A-CAES)和先進(jìn)絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)(AA-CAES),兩種技術(shù)的發(fā)展還不是很成熟,對(duì)AA-CAES系統(tǒng)及其設(shè)備的研究還有很多的空白。因此,對(duì)AA-CAES系統(tǒng)各部件特性的研究,各部件對(duì)系統(tǒng)熱力學(xué)特性影響的研究就成為了必要的課題。為了更好的分析系統(tǒng)的性能,本文基于熱力學(xué)理論分析建立系統(tǒng)仿真模型,對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析,并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究,把仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,主要內(nèi)容如下：第一,為了研究AA-CAES系統(tǒng)中換熱器的性能對(duì)系統(tǒng)的影響,首先分析了系統(tǒng)的各部件的熱力學(xué)特性并建立了熱力學(xué)模型,根據(jù)熱力學(xué)模型對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析,用MATLAB/simulink軟件建立了AA-CAES系統(tǒng)的仿真模型。從熱力學(xué)及能量轉(zhuǎn)化角度,以換熱器為研究對(duì)象,分析了四種情況下?lián)Q熱器核心參數(shù)變動(dòng)造成系統(tǒng)的運(yùn)行時(shí)間、系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)化特點(diǎn)以及系統(tǒng)效率的變化情況。研究結(jié)果表明,換熱器的熱容量流率z直接影響系統(tǒng)的炯效率；在不考慮換熱器壓力損失的時(shí)候,提升儲(chǔ)能階段換熱器的效能同時(shí)保證釋能階段換熱器效能不變和提升釋能階段換熱器的效能同時(shí)保證儲(chǔ)能階段換熱器效能不變均可以提升系統(tǒng)的整體效率；而從能量轉(zhuǎn)化角度看,在兩種情況下空氣內(nèi)能和儲(chǔ)熱器中熱能的存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)化略有差異,效能變化和變化位置的不同均會(huì)造成不同的空氣內(nèi)能和儲(chǔ)熱器中熱能的利用率；當(dāng)考慮換熱器壓力損失的時(shí)候,儲(chǔ)能或釋能階段換熱器效能的變化也會(huì)對(duì)系統(tǒng)效率造成影響；在一定范圍內(nèi),換熱器效能增加會(huì)提升系統(tǒng)整體效率,但效能過高時(shí),也會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的整體效率降低。第二,根據(jù)不同熱力學(xué)特性的儲(chǔ)氣室模型,完成了系統(tǒng)模型的建模,對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了熱力學(xué)理論分析,研究了透平機(jī)級(jí)數(shù)與系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)化、利用之間的關(guān)系,以及透平機(jī)級(jí)數(shù)對(duì)不同儲(chǔ)氣室模型系統(tǒng)的影響,得出結(jié)果表明：透平機(jī)級(jí)數(shù)對(duì)不同的儲(chǔ)氣室模型的系統(tǒng)熱能利用與轉(zhuǎn)換影響不同,壓縮機(jī)與透平機(jī)級(jí)數(shù)對(duì)G模型和VT模型系統(tǒng)的空氣壓力能利用率幾乎沒有影響。P模型和VA模型系統(tǒng)空氣壓力能利用率隨著壓縮機(jī)級(jí)數(shù)的增大而降低,膨脹機(jī)的級(jí)數(shù)對(duì)其沒有影響。采用不同的透平機(jī)級(jí)數(shù)時(shí),P模型的系統(tǒng)總效率最高,VA模型當(dāng)壓縮機(jī)級(jí)數(shù)小于兩級(jí)時(shí),總效率高于G模型和VT模型,當(dāng)壓縮機(jī)級(jí)數(shù)大于三級(jí)時(shí),系統(tǒng)總效率低于G模型和VT模型。第三,用仿真模擬的方法建立了四種類型的空氣壓縮儲(chǔ)能系統(tǒng)模型,得到了系統(tǒng)在循環(huán)反復(fù)運(yùn)行過程中能量的變化規(guī)律,以及壓力與溫度的變化對(duì)效率的影響。采用四種儲(chǔ)氣室模型系統(tǒng)熱力學(xué)參數(shù)隨著循環(huán)次數(shù)的增加,都會(huì)趨于穩(wěn)定,其中VA模型的儲(chǔ)氣室內(nèi)的質(zhì)量最小,溫度最高；四種模型的儲(chǔ)熱器溫度都會(huì)隨著循環(huán)次數(shù)的增加而升高,且逐漸趨于穩(wěn)定達(dá)到最大值,其中VA模型儲(chǔ)熱器的儲(chǔ)熱溫度隨循環(huán)次數(shù)的變化溫度差最大,發(fā)熱后的溫度也最高,熱能利用率最低；P模型系統(tǒng)的總效率最高,且系統(tǒng)最穩(wěn)定,VA模型系統(tǒng)總效率變化最大。分別仿真了有無(wú)儲(chǔ)熱器的一級(jí)壓縮膨脹系統(tǒng)的運(yùn)行過程,研究了系統(tǒng)熱力學(xué)參數(shù)及效率隨循環(huán)次數(shù)的變化,結(jié)果表明不使用儲(chǔ)熱器效率更高。第四,對(duì)儲(chǔ)氣室進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究,分析了空氣壓縮儲(chǔ)能系統(tǒng)中儲(chǔ)氣罐的熱力學(xué)模型,分析了絕熱、等溫、多變過程儲(chǔ)氣罐內(nèi)溫度壓力隨時(shí)間變化規(guī)律。對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置的構(gòu)造、實(shí)驗(yàn)設(shè)備、控制系統(tǒng)、實(shí)驗(yàn)過程進(jìn)行了論述,介紹了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和測(cè)試工具。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：儲(chǔ)氣罐的保溫性和密閉性良好,儲(chǔ)氣罐的換熱系數(shù)隨著壓比的增大而增大,但換熱系數(shù)對(duì)儲(chǔ)氣效率影響很小。充放氣過程中儲(chǔ)氣罐的溫度上下限隨著循環(huán)次數(shù)變化而變化,并且與儲(chǔ)氣罐內(nèi)的壓力上下限有關(guān)。在循環(huán)過程中,儲(chǔ)氣罐的儲(chǔ)能效率和釋能效率與儲(chǔ)氣罐的壓力上下限值有關(guān)。
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)科學(xué)院研究生院(工程熱物理研究所)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TK172;TK02

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