基于绝热压缩空气储能的分布式冷热功联产系统

发布时间：2017-11-19 23:03

  本文关键词：基于绝热压缩空气储能的分布式冷热功联产系统

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【摘要】：随着人类社会的快速发展,对于能源的需求越来越大,导致传统集中式供电网络的负荷大幅增大。然而由于社会活动的时间性,大负荷集中式供电网络出现了严重的“峰谷电”问题,对供电网络的发展产生了重大不利影响。除了电力供应中的峰谷问题以外,由于传统化石能源的加速消耗引发了越来越严重的能源危机,以及由于化石能源的大量使用带来的严重环境污染问题,都促使人们去寻找可再生的清洁能源。正是在这样的社会背景下,近年来,风能、太阳能以及潮汐能等可再生能源出现了大规模的增长。然而随着可再生能源自身规模的不断增长,他们自身的间歇性、分散性以及不稳定性等特点却成为了它们自身发展的障碍,也越来越影响其进行能源供应的稳定性和可靠性。在这样的社会能源问题背景下,储能技术以及分布式联产技术成为了整个人类社会的关注焦点。储能技术具有分时进行能量转换存储和释放的特性,可以实现在能量需求低谷时将多余能量进行转化存储,在能量需求高峰时则将存储的能量进行释放供应：而分布式联产技术可以克服传统集中式供电网络的臃肿以及复杂等弊端,并且可以实现能量的梯级利用,提高整个系统的能量利用效率。两种技术的特性使它们具有了解决传统“峰谷电”和可再生能源不稳定性两大问题的潜质和能力。本文正是基于这两种技术,通过热力学分析以及试验验证的方法,对一种基于这两种技术的集成系统进行了分析研究。1)本文首先通过相关文献调研以及统计数据,表明了目前社会存在的电力峰谷问题以及可再生能源发展问题,进而引出解决这两大问题的方法：储能技术和分布式能源系统。通过对比各种储能技术的技术参数和特征,发现压缩空气储能技术具有自己独特的优点,具有大规模发展的潜力。因此本文对压缩空气储能技术的发展历史和研究现状进行了大量的文献调研,发现目前压缩空气储能技术正处于蓬勃发展时期,并且压缩空气储能技术可以根据自身特点进行分类,绝热压缩空气储能技术就是其中的一种,其通过收集空气压缩过程产生的热量,从而提高真个系统的能量利用效率。基于绝热压缩空气储能技术的优点,本文对绝热压缩空气储能技术的研究现状进行了文献调研。除此以外,本文还对分布式联产系统进行了相关的文献调研,了解了该技术的发展现状。通过文献调研可以看出,目前还没有将这两种技术进行集成的相关研究,因此如果可以将这两种技术进行集成,就可以使集成系统具备这两种技术的双重优点。2)本文提出了一种基于绝热压缩空气储能技术的分布式冷热功联产系统。该系统结合了压缩空气储能技术以及分布式联产技术,不仅可以实现储能系统的基本作用,而且可以实现联产系统中对于能量的梯级利用。通过利用低价“谷电”或者可再生能源,系统可以将其转换为高压空气以及热能进行存储,从而解决了低价“谷电”和可再生能源的浪费问题;在用电高峰时期,系统通过高压空气在气动马达中的膨胀做功,可以输出机械功和低温空气,输出的机械功可以推动发电机进行电力供应,从而解决用电高峰时期的电力短缺问题。在整个系统运行过程中,可再生能源经过系统的能量存储和释放环节,可以保证自身输出的稳定性。此外,该系统的规模较小,使用的储气设备是人造储气罐,可以实现各种地理条件下的安装运行,因此可以实现与微电网的集成,从而可以成为分布式能源系统中的重要成员。3)为了了解验证提出系统的系统性能以及相关特性,本文对整个系统运行流程进行了热力学建模分析。通过对热力学相关理论,简化计算了系统中各个重要节点的气体参数,并利用相关试验数据对其进行了验证。利用验证过的热力学模型,本文还分析了相关的系统参数对于系统性能的影响,主要有环境温度、气动马达膨胀比以及多变指数对于气动马达排气温度的影响,以及它们对系统的比机械功和比制冷量的影响。文章还分析了储气罐的初始压力以及最终压力对于系统性能的影响,讨论了储气罐压力参数的选择方法。系统的热力学模型计算也表明,气动马达低温排气的利用对于提高整个系统的能量效率具有重要意义。4)为了证明本文提出的系统可以提高能量效率,本文对提出系统和传统绝热压缩空气储能系统进行了对比。通过利用热力学第一定律和第二定律,对两个系统分别进行了能量平衡和（火用）平衡分析。文中对比计算了两个系统中各节点工作介质的热力学参数,并计算了两个系统中各个组件的（火用）损失,对比了两个系统的储气时间、排气时间、空气质量流率、机械功输出效率、制冷制热能效比以及总（火用）效率。除了对相关系统参数的对比,文中还分析了环境温度、高压膨胀透平进口温度以及气动马达进口压力对于两个系统中的相关系统参数的影响。热力学对比分析的结果也表明,相比于传统的绝热压缩空气储能系统,本文提出的冷热功联产系统可以提高系统的总（火用）效率,达到更加高效利用能量的目的。
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TK02

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本文编号：1205186