风电与aa-caes集成系统能量转化规律的对比研究

风电与aa-caes集成系统能量转化规律的对比研究

0风电与caes技术联合应用研究先进压缩压缩能力（ae-caes）是解决空气气候变化问题的有效方法，同时考虑风压失衡。该系统以压缩空气储能(CompressedAirEnergyStorage,简称CAES)和热能存储(ThermalEnergyStorage,简称TES)技术为基础,将富余电力转化为空气内能,同时存储压缩空气产生的过程热;当需要时将存储热返还给压缩空气,利用透平做功发电。目前已有不少学者开展了针对风电与CAES技术联合应用的研究工作。学者Madlener从经济性角度对比了在有无CAES系统下风场的收益情况;学者Arsie基于成本估算方法进行了风电与CAES集成系统的优化;学者Das利用仿真模拟方法讨论了风场与CAES集成系统的工作特性和经济性。总的来看,针对风电与CAES集成系统的研究多从经济性角度展开,对风电与CAES系统耦合特性的研究还不够深入。因此,本文建立了风电与AA-CAES集成系统模型,从热力学角度开展了集成系统内的能量转化特性研究,这对于理解风电与AA-CAES系统的耦合机制,验证风电与AA-CAES系统联合利用的可靠性具有重要意义。1发电机的基本模型风电与AA-CAES集成系统示意图如图1所示。储能阶段,风电机将风能转化为电能;电动机接收电能,带动压缩机组压缩空气并存储在储气室中;冷却介质收集空气在压缩过程中产生的过程热并存储。释能阶段,储气室释放高压空气,空气经存储热的预热升温后进入透平机组做功,完成电力输出。集成系统各部分的模型情况如下。1)风力机模型风力机的输出功率为:其中,p为空气密度,R为风轮半径,vw为来流风速,λ为叶尖速比,β为桨距角;Cp为功率系数。2)驱动链模型驱动链模型方程为:其中,Te为电磁转矩,Tm为机械转矩,Jr为转子的转动惯量,wr为转子的角速度,F为黏性摩擦系数。3)发电机模型本文采用异步发电机的五阶模型,电压、磁链等基本方程可参考文献。4)压缩链压缩链包括压气机和换热器。假设压气机进气温度为Tin,则出气温度Tout为:单位质量的空气通过时,压气机消耗功率为:其中,π为压气机压比,k为比热容比,cp为空气的定压比热容,ηcs为压气机效率。在换热器中,以水为冷却介质,换热器效能记为ε,则空气离开换热器的温度为:其中,Tw,in为水的进口温度。若两流体的比热容量(mc)相等,则水的出口温度为:空气质量流量为Gc,in,则需要水的质量流量为:空气经换热器时的压力损失参考经验公式:5)储热器储热器以水为储热介质,根据热量传递情况可得储热器的能量守恒方程:其中,ρTES,VTES,cp,TES分别为TES中水的密度,体积和比热。Φin,Φout分别为进入和离开TES的热流率,Φenv为TES与环境的热量交换,根据具体换热情况可将式(9)记为:Q＿/nrpqPTESVTESCp,TES=Gw,cCw(!Tw,。ut-TTES)＿广/rr^

T^＿^Gw’eCw(TTES—Tw,in)-(CM)。uter(rTES-renv)(10)其中,Uouter和Aouter分别为储热器与外部环境的传热系数和储热器外表面积。6)储气室以储气室为控制体积,根据能量守恒方程并结合理想气体状态方程可得:同时在储气室内根据质量守恒可得:其中下标in和out分别代表空气的流入和流出。7)膨胀链膨胀链包括透平机和换热器。由储气室释放的空气首先经换热器换热升温。假设换热器进气温度近似等于储气室温度,则出气温度为:释能阶段所需水的质量流量及空气经换热器的压力损失等参数可参考储能阶段的相关计算式。对于透平机,透平机等熵效率参考经验公式,则透平出口气体温度为:当单位质量的空气通过时,透平输出功为:2成系统仿真模型基于上述各部件基本方程,利用Matlab建立集成系统仿真模型。系统主要参数的取值见表1。以一次储能过程和一次释能过程为一个循环,分别对稳定和扰动工况下集成系统的供能特性进行分析和对比。2.1储能系统能效评估在1.5MW稳定工况下,以输入单位电能为基准,可得集成系统经历一次循环的能量转化情况,如图2所示。在储能阶段,70%的电能转化为空气的内能,9%的电能转化为TES中热能,储能阶段能量转化效率为79%;在释能阶段,储气室共释放0.69J的压力能,TES共释放0.07J的热能,两部分能量共转化为0.59J的电能,释能过程的能量转化效率约为77%。因此该系统的整体效率约为59%。当从过程的角度考虑时,在储能阶段,对于单位电能输入,系统内空气内能和储热器中热能的转化情况如图3和图4所示。根据图3,随着储能过程的进行,单位电能转化为空气压力能的比例减少,空气热能比例增加,但压力能始终为空气存储能量的主体,约占空气存储总能量的98%。根据图4,对于储热器,随着储能过程的进行,虽然热量在传递过程中存在能量损失,但单位电能转化为储热器中热能的比例呈单调增加趋势,由0升至0.18。总的来看,在储能阶段,电能最终转化为空气内能和储热器中的热能。随着过程的进行,单位电能转化为储热器中热能的比例逐渐增加,转化为空气内能的比例逐渐减少。因此随着过程进行,电能转化为空气内能和储热器中热能的变化趋势相反。释能阶段的能量转化情况如图5所示。以输出单位电能为基准,随过程进行,参与能量转化的空气压力能和热能的比例由初始的6:1升高至15:1,因此,空气压力能为输出电能主体,且空气压力能和储热器中热能进行能量转化的变化趋势相反。2.2不同工况下的能量转化本文以图6和图7所示的扰动风与渐变风为例探讨扰动工况对集成系统的运行特性造成的影响。以稳定工况的结果为基础,比较三种工况在储能阶段的能量转化情况,结果如表2中所示。根据表2,储能阶段风速变化导致的功率变化直接影响储能阶段的运行时间、总耗电量和储热器存储的热能,但对空气内能的影响不大。从过程角度出发,对储能阶段三种工况下的能量转化结果进行比较,如图8～10所示。图8给出了储能阶段单位电能转化为空气内能的变化情况。由于初始风速相同,三种工况下能量转化结果相同。10s时风速发生变化,三种工况的能量转化出现差异,在此以扰动风为例进行说明,其中图8和图9中所示A-E点为扰动工况下的关键节点。AB段:在2.5s内,风速降低,风电机出功由1.50MW降至1.14MW。在AB段内单位电量转化为空气压力能的比例由0.71升至0.73,转化为冷却水热能的比例减少0.002,这是由于在AB段内输入功率的减少造成压气机效率升高,提高了单位能量转化率。因此,在该阶段单位电量转化为空气内能的比例增加。BC段:风速下降,在12s内,风电机功率降低了0.5MW,同时压气机效率降低了4%。由于压气机效率降低,单位电能转化为空气能量的比例减少,冷却水得到的热能相应增加。CD段:风速单调上升,风电机输出功率对应增加,压气机效率由0.86升高至0.90。受压气机效率升高的影响,单位电量转化为空气能量的比例增加,冷却水得到的热能相应减少。DE段:在0.3s内,风电机输出功率由1.17MW升至1.46MW,压气机效率降低2%。压气机效率在短时间内大幅降低使电能转化为空气内能的比例急剧减小,转化为冷却水热能比例则大幅增加。E点之后:输入功率稳定在1.5MW,单位电能转化为空气内能的变化趋势与稳定工况曲线的末端变化趋势一致,冷却水的能量转化也有同样的结果。参照扰动风的分析结果可对渐变风进行类似分析。根据图10,与稳态工况相比,不稳定工况下储热器中能量转化的波动相对平缓;风速减小会造成单位电能转化为水的热能的比例减少,存储热量时间相应延长。此外,由于释能阶段部件特性相同,几种工况下释能阶段能量转化情况基本相同,这里不再讨论。3能量转化特性分析1)分别从整体和过程的角度对稳态工况下集成系统的储能和释能阶段进行分析,得