本文關(guān)鍵詞：基于絕熱壓縮空氣儲能的分布式冷熱功聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)

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【摘要】：隨著人類社會的快速發(fā)展,對于能源的需求越來越大,導(dǎo)致傳統(tǒng)集中式供電網(wǎng)絡(luò)的負(fù)荷大幅增大。然而由于社會活動的時間性,大負(fù)荷集中式供電網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)了嚴(yán)重的“峰谷電”問題,對供電網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展產(chǎn)生了重大不利影響。除了電力供應(yīng)中的峰谷問題以外,由于傳統(tǒng)化石能源的加速消耗引發(fā)了越來越嚴(yán)重的能源危機(jī),以及由于化石能源的大量使用帶來的嚴(yán)重環(huán)境污染問題,都促使人們?nèi)ふ铱稍偕那鍧嵞茉�。正是在這樣的社會背景下,近年來,風(fēng)能、太陽能以及潮汐能等可再生能源出現(xiàn)了大規(guī)模的增長。然而隨著可再生能源自身規(guī)模的不斷增長,他們自身的間歇性、分散性以及不穩(wěn)定性等特點卻成為了它們自身發(fā)展的障礙,也越來越影響其進(jìn)行能源供應(yīng)的穩(wěn)定性和可靠性。在這樣的社會能源問題背景下,儲能技術(shù)以及分布式聯(lián)產(chǎn)技術(shù)成為了整個人類社會的關(guān)注焦點。儲能技術(shù)具有分時進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換存儲和釋放的特性,可以實現(xiàn)在能量需求低谷時將多余能量進(jìn)行轉(zhuǎn)化存儲,在能量需求高峰時則將存儲的能量進(jìn)行釋放供應(yīng)：而分布式聯(lián)產(chǎn)技術(shù)可以克服傳統(tǒng)集中式供電網(wǎng)絡(luò)的臃腫以及復(fù)雜等弊端,并且可以實現(xiàn)能量的梯級利用,提高整個系統(tǒng)的能量利用效率。兩種技術(shù)的特性使它們具有了解決傳統(tǒng)“峰谷電”和可再生能源不穩(wěn)定性兩大問題的潛質(zhì)和能力。本文正是基于這兩種技術(shù),通過熱力學(xué)分析以及試驗驗證的方法,對一種基于這兩種技術(shù)的集成系統(tǒng)進(jìn)行了分析研究。1)本文首先通過相關(guān)文獻(xiàn)調(diào)研以及統(tǒng)計數(shù)據(jù),表明了目前社會存在的電力峰谷問題以及可再生能源發(fā)展問題,進(jìn)而引出解決這兩大問題的方法：儲能技術(shù)和分布式能源系統(tǒng)。通過對比各種儲能技術(shù)的技術(shù)參數(shù)和特征,發(fā)現(xiàn)壓縮空氣儲能技術(shù)具有自己獨特的優(yōu)點,具有大規(guī)模發(fā)展的潛力。因此本文對壓縮空氣儲能技術(shù)的發(fā)展歷史和研究現(xiàn)狀進(jìn)行了大量的文獻(xiàn)調(diào)研,發(fā)現(xiàn)目前壓縮空氣儲能技術(shù)正處于蓬勃發(fā)展時期,并且壓縮空氣儲能技術(shù)可以根據(jù)自身特點進(jìn)行分類,絕熱壓縮空氣儲能技術(shù)就是其中的一種,其通過收集空氣壓縮過程產(chǎn)生的熱量,從而提高真?zhèn)�系統(tǒng)的能量利用效率�；诮^熱壓縮空氣儲能技術(shù)的優(yōu)點,本文對絕熱壓縮空氣儲能技術(shù)的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了文獻(xiàn)調(diào)研。除此以外,本文還對分布式聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行了相關(guān)的文獻(xiàn)調(diào)研,了解了該技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀。通過文獻(xiàn)調(diào)研可以看出,目前還沒有將這兩種技術(shù)進(jìn)行集成的相關(guān)研究,因此如果可以將這兩種技術(shù)進(jìn)行集成,就可以使集成系統(tǒng)具備這兩種技術(shù)的雙重優(yōu)點。2)本文提出了一種基于絕熱壓縮空氣儲能技術(shù)的分布式冷熱功聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)。該系統(tǒng)結(jié)合了壓縮空氣儲能技術(shù)以及分布式聯(lián)產(chǎn)技術(shù),不僅可以實現(xiàn)儲能系統(tǒng)的基本作用,而且可以實現(xiàn)聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)中對于能量的梯級利用。通過利用低價“谷電”或者可再生能源,系統(tǒng)可以將其轉(zhuǎn)換為高壓空氣以及熱能進(jìn)行存儲,從而解決了低價“谷電”和可再生能源的浪費問題;在用電高峰時期,系統(tǒng)通過高壓空氣在氣動馬達(dá)中的膨脹做功,可以輸出機(jī)械功和低溫空氣,輸出的機(jī)械功可以推動發(fā)電機(jī)進(jìn)行電力供應(yīng),從而解決用電高峰時期的電力短缺問題。在整個系統(tǒng)運行過程中,可再生能源經(jīng)過系統(tǒng)的能量存儲和釋放環(huán)節(jié),可以保證自身輸出的穩(wěn)定性。此外,該系統(tǒng)的規(guī)模較小,使用的儲氣設(shè)備是人造儲氣罐,可以實現(xiàn)各種地理條件下的安裝運行,因此可以實現(xiàn)與微電網(wǎng)的集成,從而可以成為分布式能源系統(tǒng)中的重要成員。3)為了了解驗證提出系統(tǒng)的系統(tǒng)性能以及相關(guān)特性,本文對整個系統(tǒng)運行流程進(jìn)行了熱力學(xué)建模分析。通過對熱力學(xué)相關(guān)理論,簡化計算了系統(tǒng)中各個重要節(jié)點的氣體參數(shù),并利用相關(guān)試驗數(shù)據(jù)對其進(jìn)行了驗證。利用驗證過的熱力學(xué)模型,本文還分析了相關(guān)的系統(tǒng)參數(shù)對于系統(tǒng)性能的影響,主要有環(huán)境溫度、氣動馬達(dá)膨脹比以及多變指數(shù)對于氣動馬達(dá)排氣溫度的影響,以及它們對系統(tǒng)的比機(jī)械功和比制冷量的影響。文章還分析了儲氣罐的初始壓力以及最終壓力對于系統(tǒng)性能的影響,討論了儲氣罐壓力參數(shù)的選擇方法。系統(tǒng)的熱力學(xué)模型計算也表明,氣動馬達(dá)低溫排氣的利用對于提高整個系統(tǒng)的能量效率具有重要意義。4)為了證明本文提出的系統(tǒng)可以提高能量效率,本文對提出系統(tǒng)和傳統(tǒng)絕熱壓縮空氣儲能系統(tǒng)進(jìn)行了對比。通過利用熱力學(xué)第一定律和第二定律,對兩個系統(tǒng)分別進(jìn)行了能量平衡和（火用）平衡分析。文中對比計算了兩個系統(tǒng)中各節(jié)點工作介質(zhì)的熱力學(xué)參數(shù),并計算了兩個系統(tǒng)中各個組件的（火用）損失,對比了兩個系統(tǒng)的儲氣時間、排氣時間、空氣質(zhì)量流率、機(jī)械功輸出效率、制冷制熱能效比以及總（火用）效率。除了對相關(guān)系統(tǒng)參數(shù)的對比,文中還分析了環(huán)境溫度、高壓膨脹透平進(jìn)口溫度以及氣動馬達(dá)進(jìn)口壓力對于兩個系統(tǒng)中的相關(guān)系統(tǒng)參數(shù)的影響。熱力學(xué)對比分析的結(jié)果也表明,相比于傳統(tǒng)的絕熱壓縮空氣儲能系統(tǒng),本文提出的冷熱功聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)可以提高系統(tǒng)的總（火用）效率,達(dá)到更加高效利用能量的目的。
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TK02

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本文編號：1205186