一种多级压缩空气储能装置及其效率分析

一种多级压缩空气储能装置及其效率分析摘要：当下，在储能技术不断推进的过程中，如何将不可消耗的能量保存起来已成为一个重大问题。针对此，本文提出了一种串联模式的压缩空气储能装置，并进行了多次严谨的实验室仿真实验，实验得出，本装置有效提高了压缩空气的效率并更大程度上对压缩空气进行了相应的利用，从而证明了该串联模式的压缩空气储能装置的可行性。关键词：压缩空气储能；效率；串联模型0引言如今电力行业的发电量和用电量不匹配的情况极为严重，当发电量大于用电量时，多余的电量不能被利用起来，造成了严重的浪费，比如风电行业的弃风限电问题，根据国家能源局2016年数据，我国风电弃风率为20.6%，弃风电量497亿千瓦时。电能质量在电网的安全和经济运行中起着十分重要的作用，电能质量的好坏直接影响用户侧用电设备，而储能技术可以为降低电网损耗和提高电能质量提供新技术措施，储能技术还在电网中起着削峰填谷、减少损耗的作用[1-2]，因此储能技术在电力行业中变得尤为重要的。目前主要有以下几种储能方式：电池储能、飞轮储能、抽水储能、超级电容储能、压缩空气储能。这几种储能方式中电池储能虽然技术已经成熟，但是会带来严重的环境污染；飞轮储能效率高，但不能长期储存。抽水储能对于地形和环境有着很高的要求,且其电站往往远离负荷中心，超级电容受技术的限制不容易发展,价格比较昂贵[3-5]。文献[1-2]论述了压缩空气储能可以长期储存，没有地形限制，出气装置从储气罐到废弃的矿洞，规模可大可小，有着广泛的应用。几种储能方式中，压缩空气储能有着很大的发展前景[8]。文献[9]提出了一种无热再生压缩空气干燥装置及其结构改造。文献[10]提出了一种液气循环压缩空气储能系统的建模和优化控制，采用了分段压缩，实现了效率的提高。文献[11]提出了一种风管互补的压缩空气储能装置，并分析了其系统特性。文献[12]通过分析风场功率和压缩机之间的调节关系，进行了相关的效益分析。本文提出一种多级压缩空气储能装置，通过多个压缩机逐级串联逐级增压达到提高效率的目的。针对发电量和用电量不匹配问题，我们提出了一种分级发电的方案，根据用户用电需求使用不同压强的储气罐进行发电，减小发电量过多造成能源的浪费。本阶段仅完成了提高效率的研究，将在下一阶段完成分级发电的研究。1装置结构及运行方式本储能装置结构包括储能部分和发电部分，在当前阶段主要完成储能方案的设计与验证，发电方案将在下一阶段进行设计与测试。储能部分的结构主要包括机械部分和电气部分结构。1.1机械结构机械部分包括压缩机组，储气罐组和导气管。机械整体结构图如下图1所示：

SV2SV3SV4SV5SV6SV7SV8压缩机1压缩机2压缩机3储气罐1储气罐2储气罐3电磁阀及其编号SV1SV1导气管图1机械结构图SV1其中压缩机组由3个不同功率的压缩机组成，其功率分别为P功1、P功2、P功3，是将空气进行压缩升压的主要部件；储气罐组由3个容积分别为L1、L2、L3的储气罐组成，其中L1、L2、L3依次增大，用来储存压缩空气；导气管是连接在储气罐和压缩机之间，由电磁阀控制气体的流通。根据压缩机所压空气压缩前后的压强差，及其所连接的前后储气罐的容积差，对所采用的压缩机的功率有如下要求：设储气罐1、2、3中空气的压强为p压1、p压2、p压3,容积为V1、V2、V3，则对于压缩机的功率有：P功1：P功2：P功3=(p压3V3-p压1V1):(p压3V3-p压2V2):(p压2V2-p压1V1)。1.2电气控制结构本装置在电气控制部分以单片机或PLC为核心，外设气压传感器和继电器。对压缩空气的状态进行检测和分析，从而对压缩机的运行及其与储气罐之间的气体流通进行控制。本装置采用电气隔离，以弱电信号控制强电部分的运行，保障了系统的安全可靠。1.2.1总体结构本装置的电气控制部分为弱电和强电两个部分，弱电部分包括中央控制器（CCU：centralcontrolunit），气压检测模块（PDU：pressuredetectorunit），继电器开关模块（RSVU：relayandsolenoidvalveunit），机械模块（MU：mechanicalunit）。电气控制结构如图2：CCU:CCU:中央控制器RSVU:继电器开关模块MU:机械模块PDU:气压检测模块图2：电气结构图弱电部分强电部分1.2.2模块功能(1)气压检测模块（PDU）此模块有三组检测装置，每组由气压传感器和信号处理电路构成。气压传感器检测每一个储气罐中的空气压强，经过处理电路处理之后，向中央控制器输入信号，其中信号参数为：p1、p2、p3，分别表示每一个储气罐中的气压值。(2)中央控制器（CCU）中央控制器为整个系统的控制中心，其核心为stm32单片机。中央控制器接收PDU传输的信号，经过分析对比之后，向下一个模块RSVU输出控制信号，控制继电器以及电磁阀的开关。(3)继电器开关模块（RSVU）继电器开关模块由两部分组成。第一部分为压缩机控制开关，控制压缩机的开启和关闭，此部分有三个继电器，分别为RC1，RC2,RC3。第二部分为压缩机和储气罐之间气体流通的控制开关，其由8组相同的开关组组成，每个开关组包括一个继电器和一个电磁阀，分别为RV1～RV8,SV1～SV8。继电器为高低电平触发继电器，其有三个端口：供电端，负载端，触发端，结构如图3S所示，继电器工作时，触发端接中央控制器，中央控制器输出高电平（H）或低电平（L）的触发信号。负载端的接线如图4所示，触发端未触发时，COM口和NC连结，继电器处于常闭状态，负载端开路；触发端触发时，COM口和NO端连结，继电器处于常开状态，负载端连通。再次触发时，继电器又返回常闭状态。负载端COM负载端COM继电器供电端触发端NONCHL图3继电器结构~220VNONCCOMHL触发端图4继电器工作原理简图负载~220V本装置中继电器的负载端接电磁阀。继电器打开时，电磁阀也被打开，连在电磁阀两端的导气管被接通，气体流通；反之，继电器关闭时，电磁阀也被关闭，气体停止流通。电磁阀结构如图5。进气管进气管电磁阀~220V出气管图5电磁阀结构简图(4)机械模块（MU）机械模块包括压缩机、储气罐以及压缩机和储气罐之间的导气管，为被控对象。由电磁阀控制压缩机的开启和关闭以及压缩空气的流通。机械模块与继电器开关模块的连接图如图6所示。RC1RC1RC2RC3PDU图6各模块连线简图RSVUMUSV1SV2SV3SV4SV5SV6SV7SV8RV1RV2RV3RV4RV5RV6RV7RV8导气管CCU空气压缩机组1.3运行方式及控制流程（1）运行方式系统开启时，中央控制器输出信号，触发继电器RC1、RV1和电磁阀SV1,开启压缩机1并向第一个储气罐压缩空气。同时，中央控制器接收来自PDU模块的信号：p1,p2,p3。中央控制器对信号进行分析处理。若p1满足条件，中央控制器控制继电器RC2、RV2、RV3和电磁阀SV2、SV3打开，开启压缩机2向第二个储气罐压缩空气；若p2满足条件，中央控制器控制继电器RC3、RV4、RV5和电磁阀SV4、SV5打开，开启压缩机3向第二个储气罐压缩空气；若p3满足条件，中央控制器控制RC1-RC3、RV1-RV5、SV1-SV5关闭，储能过程结束。（2）控制流程图系统开启系统开启打开RC1RV1SV1检测输入p1p1满足条件？否检测输入p2否是检测输入p3是否打开RC4RC5RV4SV5关闭RC1~RC5RV2~SV5是打开RC2RC3RV2SV3图7控制流程图p2满足条件？p3满足条件？2效率分析可行性分析2.1理论分析依据总体效率ŋ的计算如公式（1）[13]：………（1）其中，Q气表示气体总能量，Q压缩机为压缩机内剩余的能量，Q总表示电表读数，其中Q气的计算公式（2）为[14-15]：……（2）空气的等熵值n为1.40,在实验室环境下n取1.3。2.2实验仿真数据分析本仿真实验以实验1为例：先打开压缩机1，使储气罐1充气到1大气压，再打开压缩机2，使储气罐2充气到1个大气压，再打开压缩机3，使储气罐3充气到最大，经过多次反复实验并记录数据，计算效率。先打开压缩机1，使储气罐1充气到1大气压，再打在压缩机2，使储气罐2充气到1.5个大气压，再打开压缩机3，使储气罐3充气到最大，经过多次反复实验并记录数据，计算效率；以此类推。仿真实验的实验内容如表格1，实验效率如图1~图4.实验序号1号罐压强/个大气压2号罐压强/个大气压111~5.521.51~5.5321~5.542.51~5.5531~5.563.51~5.5741~5.584.51~5.5951~5.5105.51~5.51161~5.5126.51~5.5表格12.3效率分析经过实验室仿真实验及其数据分析，证明了本装置的可行性，仿真实验中，单个压缩机的工作效率稳定在69.2%~71.1%，本装置的工作效率波动在62.4%~74.6%，并测出最优压强比为4.5:2:4.2。在最优压强比下，本装置的工作效率稳定在72.4%~74.6%，由于装置为实验室仿真模型，故装置的效率高于工业上的效率。3装置优点创新点3.1储能部分采用多级串联的结构，逐级升高压强，从而减小了余隙容积对效率的影响；设计不同的压强比，并通过仿真实验找到了最优压强比，得到了压缩空气储能的最高效率；通过单片机控制继电器通断，进而控制电磁阀开关，使各级之间的压强比维持定制，确保了数据的精准。3.2发电部分采用多级发电的结构，根据用电端的用电需求，灵活选取适宜压强的储气罐进行二次发电，减少了电力浪费，缓解了电力供应紧张的压力。4结语通过大量的仿真实验和数据分析，本装置达到了提高效率的目的。通过多级压缩有效提高了压缩机的储能效率，节省了大量的电能，可以使得压缩空气储能有更大的发展前景，而分级发电为发电量和用电需求不匹配提供了一种新的解决方法，从而可以进一步达到节能的目的。接下来我们将研究分级发电方面的问题。参考文献[1]FerreiraAC，SouzaLM，WatanabeEH.ImprovingPowerQualitywithaVariableSpeedSynchronousCondenser[C]//Proc。PowerElectronics，MachinesandDrivesConf，2002:456-460。[2]程时杰，李刚，孙海顺，等。储能技术在电气工程领域中的应用与展望[J]。电网与清洁能源，2009,(02):1-8。CHENGshijie,LIgang,SUNhaishun,etc.ApplicationandprospectofenergystorageinElectricalEngineering[J].PowerSystemandCleanEnergy,2009,(02):1-8.[3]DonalekPJ.RoleandValueofHydroandPumpedStorageGenerationinaProposedRegionalElectricityMarketinSoutheastEurope[C]//2003IEEEPowerEngineeringSocietyGeneralMeeting，Jul13-172003，1:398.[4]骆妮，李建林。储能技术在电力系统中的研究进展[J]。电网与清洁能源，2012，(02):71-79。LUOni,LIjianlin.Researchprogressofenergystoragetechnologyinpowersystem[J].PowerSystemandCleanEnergy,2012,(02):71-79.[5]李小仨，钱则刚，杨启超，等。压缩空气储能技术现状分析[J]。流体机械，2013，(08):40-44。LIxiaosa,QIANzegang,YANGqichao,etc.TechniqueSummarizeandEfficiencyAnalysisofCompressedAirEnergyStorage[J].FluidMachinery,2013，(08):40-44.[6]郭欢。新型压缩空气储能系统性能研究[D]。中国科学院研究生院（工程热物理研究所），2013。GUOhuan.PerformanceStudyonNovelcompressedAirEnergystoragesystems[D].GraduateUniversityofChineseAcademyofSciences(Instituteof[7]张新敬，陈海生，刘金超，等。压缩空气储能技术研究进展[J]。储能科学与技术，2012，(01):26-40。ZHANGxinjing,CHENhaisheng,LIUjinchao,etc.Researchprogressincompressedairenergystoragesystem:Areview[J].EnergyStorageScienceandTechnology,2012,(01):26-40.[8]叶季蕾，薛金花，王伟，等。储能技术在电力系统中的应用现状与前景[J]。中国电力，2014，(03):1-5。YEjilei,XUEjinhua,WANGwei,etc.ApplicationofEnergyStorageTechnologyandItsprospectinpowersystem[J].ChinaPower,2014,(03):1-5.[9]周俊峰，穆传和。无热再生压缩空气干燥装置的结构改造[J]。流体机械，1994，(09):45-47。ZHOUjunfeng,MUchuanhe.Structureimprovementofnonthermalregenerationcompressedairdryingdevice[J].FluidMachinery,1994,(09):45-47.[10]黄先进，郝瑞祥，张立伟，等。液气循环压缩空气储能系统建模与压缩效率优化控制[J]。中国电机工程学报，2014，(13):2047-2054。HUANGxianjin，HAOruixiang,ZHANGliwei,etc.SystemModelingandCompressionEfficiencyOptimalControlofHydro-pneumaticCyclingCompressedAirEnergyStorageSystem[J].ProceedingsoftheCSEE,2014,(13):2047-2054.[11]徐玉杰，陈海生，刘佳，等。风光互补的压缩空气储能与发电一体化系统特性分析[J]。中国电机工程学报，2012，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