先进绝热压缩空气储能系统部件特性对系统性能影响的研究

发布时间：2017-11-13 23:00

  本文关键词：先进绝热压缩空气储能系统部件特性对系统性能影响的研究

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【摘要】：可再生能源具有间歇性、波动性和非周期性,导致可再生能源发电在并网的时候,电网产生波动,造成风力发电并网的弃风。为了提高风力发电等可再生能源的利用,储能技术被越来越多的应用到这一领域。压缩空气储能是储能技术中较为有优势的一种储能方式。上个世纪50年代开始研究的传统的压缩空气储能技术已经在德国和美国有了实验电站,随着储能技术的发展,先后出现了绝热压缩空气储能技术(A-CAES)和先进绝热压缩空气储能技术(AA-CAES),两种技术的发展还不是很成熟,对AA-CAES系统及其设备的研究还有很多的空白。因此,对AA-CAES系统各部件特性的研究,各部件对系统热力学特性影响的研究就成为了必要的课题。为了更好的分析系统的性能,本文基于热力学理论分析建立系统仿真模型,对系统进行仿真分析,并对系统进行实验研究,把仿真结果与实验结果进行对比,主要内容如下：第一,为了研究AA-CAES系统中换热器的性能对系统的影响,首先分析了系统的各部件的热力学特性并建立了热力学模型,根据热力学模型对系统进行仿真分析,用MATLAB/simulink软件建立了AA-CAES系统的仿真模型。从热力学及能量转化角度,以换热器为研究对象,分析了四种情况下换热器核心参数变动造成系统的运行时间、系统能量转化特点以及系统效率的变化情况。研究结果表明,换热器的热容量流率z直接影响系统的炯效率；在不考虑换热器压力损失的时候,提升储能阶段换热器的效能同时保证释能阶段换热器效能不变和提升释能阶段换热器的效能同时保证储能阶段换热器效能不变均可以提升系统的整体效率；而从能量转化角度看,在两种情况下空气内能和储热器中热能的存储和转化略有差异,效能变化和变化位置的不同均会造成不同的空气内能和储热器中热能的利用率；当考虑换热器压力损失的时候,储能或释能阶段换热器效能的变化也会对系统效率造成影响；在一定范围内,换热器效能增加会提升系统整体效率,但效能过高时,也会导致系统的整体效率降低。第二,根据不同热力学特性的储气室模型,完成了系统模型的建模,对系统进行了热力学理论分析,研究了透平机级数与系统能量转化、利用之间的关系,以及透平机级数对不同储气室模型系统的影响,得出结果表明：透平机级数对不同的储气室模型的系统热能利用与转换影响不同,压缩机与透平机级数对G模型和VT模型系统的空气压力能利用率几乎没有影响。P模型和VA模型系统空气压力能利用率随着压缩机级数的增大而降低,膨胀机的级数对其没有影响。采用不同的透平机级数时,P模型的系统总效率最高,VA模型当压缩机级数小于两级时,总效率高于G模型和VT模型,当压缩机级数大于三级时,系统总效率低于G模型和VT模型。第三,用仿真模拟的方法建立了四种类型的空气压缩储能系统模型,得到了系统在循环反复运行过程中能量的变化规律,以及压力与温度的变化对效率的影响。采用四种储气室模型系统热力学参数随着循环次数的增加,都会趋于稳定,其中VA模型的储气室内的质量最小,温度最高；四种模型的储热器温度都会随着循环次数的增加而升高,且逐渐趋于稳定达到最大值,其中VA模型储热器的储热温度随循环次数的变化温度差最大,发热后的温度也最高,热能利用率最低；P模型系统的总效率最高,且系统最稳定,VA模型系统总效率变化最大。分别仿真了有无储热器的一级压缩膨胀系统的运行过程,研究了系统热力学参数及效率随循环次数的变化,结果表明不使用储热器效率更高。第四,对储气室进行实验研究,分析了空气压缩储能系统中储气罐的热力学模型,分析了绝热、等温、多变过程储气罐内温度压力随时间变化规律。对实验装置的构造、实验设备、控制系统、实验过程进行了论述,介绍了实验数据采集系统和测试工具。实验结果表明：储气罐的保温性和密闭性良好,储气罐的换热系数随着压比的增大而增大,但换热系数对储气效率影响很小。充放气过程中储气罐的温度上下限随着循环次数变化而变化,并且与储气罐内的压力上下限有关。在循环过程中,储气罐的储能效率和释能效率与储气罐的压力上下限值有关。
【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】：2015
【分类号】：TK172;TK02

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本文编号：1182743