风能-压缩空气蓄能互补发电系统集成机理研究

China is one of the world's top industrial sources of CO2. Enormous coal-fired power plants in China make up almost half of the total CO2 emissions. Thus, reduction of CO2 emissions in the electricity generating sector will make a significant contribution to the country and even to the whole world. Clean energy sources or renewable energy resource, such as wind energy and solar energy, need to be developed at a fast rate. China has 45GW of wind power installed by 2011, which ranks no.1 in the world. Wind power is variable and intermittent. Compressed air energy storage(CAES) systems have increasingly been expected as a means of load levelling of wind power. Based on engineering thermophysics, environment and techno-economics theory, the integration mechanism of wind energy and compressed air energy storage hybrid electricity-generating system will be studied. The energy transform law and mechanism of wind energy-electric power-mechanical energy-thermal energy-pressure potential energy will be investigated stressly.Using system integration theory,the optimization match of wind energy and multi-stages compressors, gas turbine and air turbine and air storage dome pressure will be carried out. China is a country with rich coal but with deficient natural gas. So some novel hybrid-fuel compressed air energy storage systems will be proposed and analysed. The underground caverns or porous media in rich wind areas will be analyzed, main parameters include capacity, storage dome type, pressure and techno-economics. The low temperature heat usage will be studied using thermodynamic theory and techno-economic theory. The different hybrid electricity-generating systems will be simulated using math model and simulation software programming. The novel heat-exchanger for CAES will be studied by experiment and simulation. All of above researches will bring about new thoughts and ideas and methods for wind energy enormous usage and low carbon economy sustainable development mode in China.

作为目前世界上最大的碳排放国，新能源替代是我国实现减碳战略目标的重要途径。其中，我国风电发展迅猛，2011年底，装机容量为45GW，居世界第一位，但风电因稳定性较差往往并网困难，现在出现了大量的风电弃电现象，必须采用大型蓄能系统才能解决这一问题。基于此，本项目从工程热物理，环境与技术经济学等学科的交叉层面研究风能与压缩空气蓄能互补发电系统，基于能量传递规律与耦合机理研究风能-电能-机械能-热能-压力能等的转化与传递规律，基于总能系统集成机理，进行风能与多级压气机，燃气透平与空气透平、压气室压力匹配研究，进行适合我国的新型压缩空气蓄能发电系统的设计，包括各种余热利用的全流程的热集成，不同燃料的选择，对关键流程进行模拟以及关键过程实验，对我国风资源丰富区域进行贮气矿井、岩穴的容量、压力等参数调研和存贮空气经济性的分析。为我国风能的更大规模利用以及低碳经济的可持续发展方式提供新思路和新途径。

我国风电发展迅猛，但风电因稳定性较差往往并网困难，现在出现了大量的风电弃电现象，必须采用大型蓄能系统才能解决这一问题。基于此，本项目从工程热物理，环境与技术经济学等学科的交叉层面研究风能与压缩空气蓄能互补发电系统，为我国风能的更大规模利用以及低碳经济的可持续发展方式提供新思路和新途径。.主要的研究内容和成果可总结为如下：.（1）基于能的“品位对口、梯级利用”原则，设计了复杂循环的压缩空气蓄能发电系统。通过运用Aspen Plus商业软件对其进行流程模拟，并对系统进行性能评价，与典型电站的比较，电耗减少了0.39KWh/KWh，热耗减少了0.51 KWh/KWh，系统的能量转化系数增加了24.54% 。.（2）结合新能源领域普遍关注的国际温室气体减排交易机制——清洁发展机制，对风电与压缩空气蓄能互补发电系统进行了温室气体减排的估算以及减排收益的分析，计算得到风电结合的优化设计系统运行1年所获得的减排量为1,029,658tCO2e。.（3）CAES与蒸汽轮机构成新型联合循环系统，与参比CAES系统相比，电耗下降0.13kWh/kWh、热耗下降0.34kWh/kWh，系统总效率提高了10个百分点。.（4）结合中国能源国情提出了两种新型CAES系统。对两种新型CAES系统热力性能分析与㶲分析发现，相比于Huntorf电站40.46%的㶲效率，混合燃料型CAES系统的㶲效率达到59.84%，而纯燃煤型CAES系统的㶲效率达到47.22%。.（5）在ACAES系统的基础上，提出了一种ACAES与太阳能互补发电系统，即ACAES-S系统。与ACAES系统对比。ACAES-S的㶲效率为66.54%，比ACAES的㶲效率低1.6%。.（六）将压缩空气储能系统与吸收式制冷系统集成起来，形成联合运行系统。计算表明，Huntorf电站CAES与吸收式制冷系统集成形成的联合运行系统的㶲效率为43.13 %，比原系统提高0.88 个百分点，。.（七）建立了一套换热管束流动与传热计算模型，自主设计并搭建管壳式换热管束传热和流动实验台，测试在不同工况下的换热管束的换热性能和流动特性，并与相同工况下的计算模型的计算结果进行对比，以完成对计算模型的实验验证。并进行了换热器的设计优化分析。.研究成果将为风能或太阳能与压缩空气蓄能互补发电工程实施提供重要的参考数据。