水下壓縮空氣儲能系統(tǒng)設計與能效分析.pdf

1、可再生能源在可持續(xù)能源結構中的比重和作用越來越大，海洋可再生能源具有潛能巨大、靠近能源消費中心、不占寶貴土地資源、增強沿海國家能源安全等諸多優(yōu)勢，相比于開發(fā)較為成熟的陸上可再生能源，海上可再生能源開發(fā)仍處于初級階段。但是，不管是陸上還是海上可再生能源，都存在著顯著的間歇性、隨機性和低能量密度缺陷。合適的儲能技術是解決以上問題的有效方法之一。受限于獨特的海洋環(huán)境，現(xiàn)有儲能技術難以滿足大規(guī)模海洋可再生能源存儲的需求。應運而生的水下壓縮空氣儲

2、能(UWCAES)技術尤其適合于沿海及海上能源的規(guī)模化存儲，為未來海洋可再生能源的規(guī)?；鎯μ峁┝艘环N全新的思路和可行的技術方案。因此，本文針對水下壓縮空氣儲能系統(tǒng)設計與能效分析展開了較為詳細的探索性研究，旨在為開發(fā)和完善水下壓縮空氣儲能技術奠定理論基礎。
　　論文的研究工作主要包括以下幾個方面:
　　完成了帶儲熱水下壓縮空氣儲能系統(tǒng)的整體設計，對與水下壓縮空氣儲能相關的關鍵技術及系統(tǒng)主要裝置:壓縮機、膨脹機、換熱器、儲熱單

3、元和水下儲氣裝置進行了分析。對水下壓縮空氣儲能系統(tǒng)獨特的氣球狀儲氣裝置模型進行了小雷諾數(shù)(7×104)的流體動力學數(shù)值模擬與實驗研究，通過對時均/瞬態(tài)流體力、時均/瞬態(tài)尾跡流場和尾跡渦脫分析，發(fā)現(xiàn)k-ω SST湍流模型僅能正確計算時均流場特性，而LES大渦模擬湍流模型既可以正確計算時均流場特性，也可以正確計算瞬態(tài)流場特性，為后續(xù)大雷諾數(shù)數(shù)值模擬提供了參考依據(jù)。然后以我國南海海島能源系統(tǒng)為例，集成設計了一個以水下壓縮空氣儲能為主、電池儲能

4、為輔的混合儲能系統(tǒng)，分析表明，集成了水下壓縮空氣儲能系統(tǒng)的海島能源系統(tǒng)能夠有效提高可再生能源利用率、降低燃油消耗和溫室氣體排放，極具經(jīng)濟價值與環(huán)保意義。
　　以設計的混合儲能系統(tǒng)為基礎，建立詳細的考慮各裝置動態(tài)特性的水下壓縮空氣儲能系統(tǒng)動態(tài)熱力學模型，對系統(tǒng)在設計工況和非設計工況的運行特性進行比較。針對前人研究中尚未完善的有關定壓與定容壓縮空氣儲能的比較，本研究從動態(tài)特性、系統(tǒng)效率和儲能能量密度三個方面對定容和定壓壓縮空氣儲能進行

5、了全面客觀地比較，發(fā)現(xiàn)同等條件下，定壓系統(tǒng)循環(huán)效率比定容系統(tǒng)循環(huán)效率高約6％，定壓系統(tǒng)體積能量密度是定容系統(tǒng)體積能量密度的2.5倍，說明了水下定壓存儲較傳統(tǒng)定容存儲的優(yōu)勢。
　　最后對系統(tǒng)能效進行了深入分析，探究了系統(tǒng)過程中能量傳遞、耦合和損失的特性。首先通過對比分析壓縮空氣系統(tǒng)能效評估的三類方法，得出了基于熱力學第二定律的(火用)分析是最合理有效的?；赗-K-S實際氣體狀態(tài)方程和熱力學參數(shù)焓熵的一般表達式推導了實際氣體的焓(火

6、用)的一般表達式，通過與理想氣體焓(火用)比較，得出了理想氣體(火用)與實際氣體(火用)的偏差，對于本文研究的系統(tǒng)壓力(0～7MPa)和溫度(300～500K)范圍而言，理想氣體假設產(chǎn)生的相對誤差小于5％，證明了采用理想氣體假設的合理性。然后對本文提出的水下壓縮空氣儲能系統(tǒng)進行了(火用)分析和參數(shù)敏感度分析，得出實際工況下系統(tǒng)總(火用)效率可達58.91％，不可避免工況下系統(tǒng)總(火用)效率可達80.08％，高等(火用)分析進一步表明系統(tǒng)