水下压缩空气储能系统设计与能效分析

摘要

可再生能源在可持续能源结构中的比重和作用越来越大，海洋可再生能源具有潜能巨大、靠近能源消费中心、不占宝贵土地资源、增强沿海国家能源安全等诸多优势，相比于开发较为成熟的陆上可再生能源，海上可再生能源开发仍处于初级阶段。但是，不管是陆上还是海上可再生能源，都存在着显著的间歇性、随机性和低能量密度缺陷。合适的储能技术是解决以上问题的有效方法之一。受限于独特的海洋环境，现有储能技术难以满足大规模海洋可再生能源存储的需求。应运而生的水下压缩空气储能(UWCAES)技术尤其适合于沿海及海上能源的规模化存储，为未来海洋可再生能源的规模化存储提供了一种全新的思路和可行的技术方案。因此，本文针对水下压缩空气储能系统设计与能效分析展开了较为详细的探索性研究，旨在为开发和完善水下压缩空气储能技术奠定理论基础。
　　论文的研究工作主要包括以下几个方面:
　　完成了带储热水下压缩空气储能系统的整体设计，对与水下压缩空气储能相关的关键技术及系统主要装置:压缩机、膨胀机、换热器、储热单元和水下储气装置进行了分析。对水下压缩空气储能系统独特的气球状储气装置模型进行了小雷诺数(7×104)的流体动力学数值模拟与实验研究，通过对时均/瞬态流体力、时均/瞬态尾迹流场和尾迹涡脱分析，发现k-ω SST湍流模型仅能正确计算时均流场特性，而LES大涡模拟湍流模型既可以正确计算时均流场特性，也可以正确计算瞬态流场特性，为后续大雷诺数数值模拟提供了参考依据。然后以我国南海海岛能源系统为例，集成设计了一个以水下压缩空气储能为主、电池储能为辅的混合储能系统，分析表明，集成了水下压缩空气储能系统的海岛能源系统能够有效提高可再生能源利用率、降低燃油消耗和温室气体排放，极具经济价值与环保意义。
　　以设计的混合储能系统为基础，建立详细的考虑各装置动态特性的水下压缩空气储能系统动态热力学模型，对系统在设计工况和非设计工况的运行特性进行比较。针对前人研究中尚未完善的有关定压与定容压缩空气储能的比较，本研究从动态特性、系统效率和储能能量密度三个方面对定容和定压压缩空气储能进行了全面客观地比较，发现同等条件下，定压系统循环效率比定容系统循环效率高约6％，定压系统体积能量密度是定容系统体积能量密度的2.5倍，说明了水下定压存储较传统定容存储的优势。
　　最后对系统能效进行了深入分析，探究了系统过程中能量传递、耦合和损失的特性。首先通过对比分析压缩空气系统能效评估的三类方法，得出了基于热力学第二定律的(火用)分析是最合理有效的。基于R-K-S实际气体状态方程和热力学参数焓熵的一般表达式推导了实际气体的焓(火用)的一般表达式，通过与理想气体焓(火用)比较，得出了理想气体(火用)与实际气体(火用)的偏差，对于本文研究的系统压力(0～7MPa)和温度(300～500K)范围而言，理想气体假设产生的相对误差小于5％，证明了采用理想气体假设的合理性。然后对本文提出的水下压缩空气储能系统进行了(火用)分析和参数敏感度分析，得出实际工况下系统总(火用)效率可达58.91％，不可避免工况下系统总(火用)效率可达80.08％，高等(火用)分析进一步表明系统总(火用)效率提升潜力很大，且系统组件之间的交互影响作用并不十分显著但却非常复杂。基于敏感度分析确定了系统效率对压缩机和膨胀机的等熵效率最为敏感，换热器对系统效率的影响较为复杂，呈现显著的非线性和非单调性。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景与意义

1．2 海洋可再生能源开发

1．3 海洋可再生能源存储

1．4 水下压缩空气储能

1．4．1 水下压缩空气储能理论研究

1．4．2 水下压缩空气储能工业进展

1．5 本文主要研究内容

第2章 水下压缩空气储能系统设计

2．1 水下压缩空气储能系统整体设计

2．1．1 陆基水下压缩空气储能系统

2．1．2 水基水下压缩空气储能系统

2．1．3 带储热水下压缩空气储能系统工作原理

2．1．4 水下压缩空气储能关键技术

2．2 系统主要装置

2．2．1 压缩机与膨胀机

2．2．2 换热器

2．2．3 储热单元

2．2．4 水下储气装置流体动力学分析

2．3 系统应用案例设计分析

2．3．1 水下压缩空气储能在中国的应用

2．3．2 海岛储能系统案例设计分析

2．4 本章小结

第3章 水下压缩空气储能系统热力学建模与仿真

3．1 水下压缩空气储能系统结构与原理

3．2 压缩空气储能系统热力学模型

3．2．1 滤器与消音器

3．2．2 压缩机与膨胀机

3．2．3 换热器与储热单元

3．2．4 管路

3．2．5 储气装置

3．2．6 泵与电机

3．2．7 系统热力学模型求解

3．3 水下压缩空气储能系统不同工况运行特性

3．3．1 系统设计工况运行

3．3．2 系统变工况运行

3．3．3 系统设计与非设计工况运行比较

3．4 定压与定容CAES系统比较

3．4．1 系统动态特性比较

3．4．2 系统循环效率比较

3．4．3 储能能量密度比较

3．5 本章小结

第4章 水下压缩空气储能系统能效分析

4．1 压缩空气系统能效评估方法

4．2 实际气体与理想气体焓(炯)

4．2．1 实际气体压缩因子与比热容

4．2．2 实际气体与理想气体焓炯

4．3 水下压缩空气储能系统传统(炯)分析

4．4 水下压缩空气储能系统参数敏感度分析

4．4．1 局部敏感度分析

4．4．2 全局一阶敏感度分析

4．5 水下压缩空气储能系统高等炯分析

4．5．1 高等炯分析流程

4．5．2 不可避免循环(炯)分析

4．5．3 高等(炯)分析结果分析

4．5．4 UWCAES系统传统与高等(炯)分析比较

4．6 本章小结

第5章 结论与展望

5．1 全文结论

5．2 研究展望

参考文献

附录

攻读学位期间公开发表论文

致谢

作者简介