等温压缩空气储能过程中的热力学机制研究

摘要

等温压缩空气储能系统作为一种高效、环保和灵活的压缩空气储能系统，具有很大的发展意义和商业价值，同时，提高压缩空气储能系统效率一直是学者们所追寻的目标。尽管当前的压缩空气储能电站主要以非绝热压缩空气储能为主，但是其在热力学性能上不如等温压缩空气储能系统，若等温压缩空气储能电站技术在未来能够大规模的推广，这将对能源利用和环境保护具有重要的意义。本文旨在提高储能系统的效率，因此有必要对其热力学机制进行分析。 首先，对等温压缩空气储能系统中能量平衡和(火用)平衡展开分析，结果表明：理想情况下输入能量等于输出能量，其循环效率可以达到100%，此时，压缩空气的机械(火用)最大，热(火用)为零。实际过程中，若要提高等温压缩空气储能的效率，需减小内部摩擦损耗和小温差带来的不可逆损耗，并增大压缩过程中的传热效率。 其次，简化系统运行过程，提出了拟合等温循环的多变定压循环和多变定容循环，研究了二者在单级和多级方案下的系统效率，并得出结论：单级方案下，前者效率高于后者，适当的压比对循环效率有着重要的作用。多级方案下，随着分级个数的增加，循环效率增大；当总压比和分级数一定时，压比分配先后顺序对循环效率无影响，分压比相同的系统效率最高；无论是单级方案还是多级方案，多变定压循环效率更接近等温循环，且改变初温对两种循环效率无影响。 最后建立了多变指数接近1的近等温压缩模型和等温充气模型，结合过程热量计算分析了不同参数下系统喷水量，同时得到了不同参数对系统的能量效率和(火用)效率的影响关系，为实际测试与应用提供理论数据和参考价值。主要研究结论为：①压比、传热效率、混合物的终温均对空气与水质量之比有影响；②其他参数一定时，曲轴转速对空气与水质量比无影响，但转速的提升会使喷水量增大；③初终态的温差越小，初温对喷水量的影响也就越小，且高压比减小了初温对喷水量的影响作用；④干度法计算喷水量的方法和混合物加权焓法计算喷水量的方法在本质上并无区别，且二者计算结果相近，差值精度在0.1；⑤一定条件下，系统(火用)效率可高达96%，压比和温差的增大都会使系统效率降低。

目录

声明

第1章 引言

1.1 研究背景及意义

1.1.1 能源结构与能源发展

1.1.2 大规模储能的意义

1.1.3 压缩空气储能的意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 非绝热压缩空气储能

1.2.2 绝热压缩空气储能

1.2.3 等温压缩空气储能

1.3 研究内容与研究方法

第2章 压缩空气储能热力学分析

2.1 压缩空气储能原理及分类

2.2 理想系统热力过程分析

2.3 基于热力学第一定律分析

2.3.1 能量转换过程

2.3.2 能量循环效率

2.4 基于热力学第二定律分析

2.5 本章小结

第3章 等温压缩空气储能的热力学途径分析

3.1 热力学途径介绍

3.2 单级循环热力学计算分析

3.2.1 多变定压过程分析

3.2.2 多变定容过程分析

3.2.3 混合过程分析

3.3 多级循环热力学计算分析

3.3.1 多变定压循环分析

3.3.2 多变定容循环分析

3.3.3 不同循环对比分析

3.4 本章小结

第4章 等温压缩空气储能喷水量研究

4.1 压缩过程描述

4.2 理论分析

4.2.1 近等温压缩过程分析

4.2.2 能量与(火用)量分析

4.3 能量计算

4.3.1 能量分布分析

4.3.2 能量占比分析

4.4 喷水量计算

4.4.1 干度法

4.4.2 混合物加权焓法

4.5 系统效率分析

4.6 建模分析

4.7 本章小结

第5章 等温压缩空气储能充气过程研究

5.1 储气方式介绍

5.2 理论分析

5.1.1 控制体积能量方程

5.1.2 控制体积熵方程

5.2.1 绝热充气

5.2.2 等温充气

5.4 储气过程的热力学能(火用)

5.5 计算分析

5.4.1 充气量分析

5.4.2 热力学能(火用)分析

5.4.3 (火用)效率分析

5.5 建模分析

5.6 本章小结

第6章 结论

6.1 研究总结

6.2 研究展望

致谢

参考文献

攻读学位期间获得与学位论文相关的科研成果