水下壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)設(shè)計(jì)與能效分析.pdf

1、可再生能源在可持續(xù)能源結(jié)構(gòu)中的比重和作用越來(lái)越大，海洋可再生能源具有潛能巨大、靠近能源消費(fèi)中心、不占寶貴土地資源、增強(qiáng)沿海國(guó)家能源安全等諸多優(yōu)勢(shì)，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(jí)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(jī)性和低能量密度缺陷。合適的儲(chǔ)能技術(shù)是解決以上問(wèn)題的有效方法之一。受限于獨(dú)特的海洋環(huán)境，現(xiàn)有儲(chǔ)能技術(shù)難以滿足大規(guī)模海洋可再生能源存儲(chǔ)的需求。應(yīng)運(yùn)而生的水下壓縮空氣儲(chǔ)

2、能(UWCAES)技術(shù)尤其適合于沿海及海上能源的規(guī)?；鎯?chǔ)，為未來(lái)海洋可再生能源的規(guī)?；鎯?chǔ)提供了一種全新的思路和可行的技術(shù)方案。因此，本文針對(duì)水下壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)設(shè)計(jì)與能效分析展開了較為詳細(xì)的探索性研究，旨在為開發(fā)和完善水下壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)奠定理論基礎(chǔ)。
　　論文的研究工作主要包括以下幾個(gè)方面:
　　完成了帶儲(chǔ)熱水下壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)，對(duì)與水下壓縮空氣儲(chǔ)能相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)及系統(tǒng)主要裝置:壓縮機(jī)、膨脹機(jī)、換熱器、儲(chǔ)熱單

3、元和水下儲(chǔ)氣裝置進(jìn)行了分析。對(duì)水下壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)獨(dú)特的氣球狀儲(chǔ)氣裝置模型進(jìn)行了小雷諾數(shù)(7×104)的流體動(dòng)力學(xué)數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)研究，通過(guò)對(duì)時(shí)均/瞬態(tài)流體力、時(shí)均/瞬態(tài)尾跡流場(chǎng)和尾跡渦脫分析，發(fā)現(xiàn)k-ω SST湍流模型僅能正確計(jì)算時(shí)均流場(chǎng)特性，而LES大渦模擬湍流模型既可以正確計(jì)算時(shí)均流場(chǎng)特性，也可以正確計(jì)算瞬態(tài)流場(chǎng)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(guó)南海海島能源系統(tǒng)為例，集成設(shè)計(jì)了一個(gè)以水下壓縮空氣儲(chǔ)能為主、電池儲(chǔ)能

4、為輔的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)，分析表明，集成了水下壓縮空氣儲(chǔ)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(jì)價(jià)值與環(huán)保意義。
　　以設(shè)計(jì)的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)為基礎(chǔ)，建立詳細(xì)的考慮各裝置動(dòng)態(tài)特性的水下壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)動(dòng)態(tài)熱力學(xué)模型，對(duì)系統(tǒng)在設(shè)計(jì)工況和非設(shè)計(jì)工況的運(yùn)行特性進(jìn)行比較。針對(duì)前人研究中尚未完善的有關(guān)定壓與定容壓縮空氣儲(chǔ)能的比較，本研究從動(dòng)態(tài)特性、系統(tǒng)效率和儲(chǔ)能能量密度三個(gè)方面對(duì)定容和定壓壓縮空氣儲(chǔ)能進(jìn)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(shuō)明了水下定壓存儲(chǔ)較傳統(tǒng)定容存儲(chǔ)的優(yōu)勢(shì)。
　　最后對(duì)系統(tǒng)能效進(jìn)行了深入分析，探究了系統(tǒng)過(guò)程中能量傳遞、耦合和損失的特性。首先通過(guò)對(duì)比分析壓縮空氣系統(tǒng)能效評(píng)估的三類方法，得出了基于熱力學(xué)第二定律的(火用)分析是最合理有效的?；赗-K-S實(shí)際氣體狀態(tài)方程和熱力學(xué)參數(shù)焓熵的一般表達(dá)式推導(dǎo)了實(shí)際氣體的焓(火

6、用)的一般表達(dá)式，通過(guò)與理想氣體焓(火用)比較，得出了理想氣體(火用)與實(shí)際氣體(火用)的偏差，對(duì)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(shè)產(chǎn)生的相對(duì)誤差小于5％，證明了采用理想氣體假設(shè)的合理性。然后對(duì)本文提出的水下壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行了(火用)分析和參數(shù)敏感度分析，得出實(shí)際工況下系統(tǒng)總(火用)效率可達(dá)58.91％，不可避免工況下系統(tǒng)總(火用)效率可達(dá)80.08％，高等(火用)分析進(jìn)一步表明系統(tǒng)