风能—压缩空气—柴油联合发电循环理论研究

【摘要】：随着边际地区用电需求逐年增加,在传统柴油发电的基础上,人们普遍采用蓄电池储能的风能-柴油联合发电技术来提高风能利用效率并降低边际地区燃油消耗。由于蓄电池价格昂贵且存在二次污染,限制了其进一步推广。结合压缩空气储能技术,形成风能-压缩空气-柴油联合发电系统,将风能转化为压缩空气势能储存,可以避免上述蓄电池储能技术的缺陷。因此,对风能-压缩空气-柴油联合发电系统开展研究,提高其储能过程和发电过程能量转化效率,具有重大意义。本论文以风能-压缩空气-柴油联合发电系统为研究对象,从理想热力循环和实际工作过程2个角度,分别对联合发电系统的风能-压缩空气储能过程、压缩空气膨胀做功过程以及压缩空气-柴油混合做功过程进行分析。最后结合实际发电工况,评估该联合发电系统节油潜力。全文主要工作及结论如下：1)传统风能-柴油联合发电系统能量流分析。建立了传统蓄电池储能的风能-柴油联合发电系统数值仿真模型,分析了其工作过程能量流状态。以某村庄风速条件和用电负荷为例,计算结果表明：约27%的风能最终转化为负载电能；弱风速区间风能全部废弃,能量占比约3%；工作风速区间,部分风能未有效利用；柴油机排气带走的(?)量占燃料总(?)量约18%,其中自由排气(?)占排气总(?)量40%～60%,自由排气压力(?)占排气总(?)量8%-10%。2)风能-压缩空气储能系统能量转化理论研究。首先,建立了活塞式压缩机效率分析模型,分析了运行参数对能量转化效率的影响规律。结果表明：转速、排气压力以及进气压力等因素对压缩机性能的影响存在耦合关系；降低排气压力和转速,均会提高能量转化比。然后,建立了风能-压缩空气储能系统效率分析模型,分析了运行参数对系统能量转化效率的影响规律。结果表明：低风速、大压缩机排量、大储气罐容积以及低储气罐压力均有利于提高能量转化效率,但后两者会降低能量品位；高风速时应扩大储气罐容积来提高风能储存能力,并增大压缩机排量来降低压缩机转速；风速低于4 m/s时,采用压缩空气储能方式能量转化效率高于蓄电池储能方式,风速高于4 m/s时则相反；压缩空气储能方式年均成本仅为电池储能方式的10%16%。3)压缩空气膨胀做功循环研究。建立了压缩空气膨胀做功循环效率分析模型并进行试验验证,分析了其能量损失机理及变化规律。结果表明：因进气节流导致的进气损失和高压、低温排气导致的排气损失是压缩空气发动机能量损失的主要组成部分,两者总共占进气总(?)量的30%q0%；转速升高会增加进气损失、排气损失,降低(?)效率；进气压力升高会增加排气损失,减少进气损失,提高(?)效率；进气温度升高有利于减少进气损失和排气损失,提高(?)效率。最后,对压缩空气发动机进行了台架试验研究,验证了各参数对(?)效率的影响规律。4)压缩空气回收利用柴油机排气能量方法研究。首先,分析了压缩空气回收柴油机排气能量的热交换方案和直接混合方案排气(?)回收效率。结果表明：柴油机排气能量回收方案选择取决于排气压力水平；对于柴油机实际排气,应采用联合回收方案来回收排气能量。然后,建立了采用联合方案回收柴油机排气能量的压缩空气-燃油混合动力效率分析模型,分析了不同运行参数对混合动力总能转化效率的影响。结果表明：采用联合回收方案,混合动力柴油机(?)效率基本不变,部分柴油机排气(?)进入压缩空气发动机,压缩空气发动机(?)效率提高；混合动力总能转化效率受柴油机排气提前角、压缩空气发动机进气提前角、柴油机负荷以及压缩空气压力等参数影响；相比于仅采用热交换方案的混合动力,联合回收方案有效回收排气压力能,总能转化效率提升幅度为1%-2%。最后,对混合动力进行了原理性台架试验研究,验证了柴油机排气能量联合回收方案的可行性。5)风能-压缩空气-柴油联合发电系统仿真研究。基于某偏远村庄风速条件和用电需求,合理匹配风能-压缩空气-柴油联合发电系统子部件,建立联合发电系统性能分析模型,充分回收利用柴油机排气和冷却水余能,并降低风扇功耗。获得了联合发电系统能量高效利用控制策略,计算了其节油率。结果表明：相比于纯柴油发电,联合发电系统节油约32%,其中风能利用贡献值约22%；相比于无柴油机废弃能量回收方案,联合发电系统节油约10%,其中柴油机排气和冷却水能量回收利用贡献值分别约7%和2%,柴油机风扇功耗降低贡献值约1%：相比于蓄电池储能方案,联合发电系统燃油消耗量增加约8%,但年均储能成本降低约84%。 【关键词】：内燃机 风能-压缩空气-柴油联合发电系统 压缩空气储能 压缩空气发动机 压缩空气-燃油混合动力 废弃能量回收利用 能量梯级利用
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM61
【目录】：

• 致谢5-6
• 摘要6-8
• Abstract8-28
• 1 绪论28-48
• 1.1 课题研究背景和意义28-31
• 1.1.1 内燃机在分布式能量系统中的应用现状28-29
• 1.1.2 风能-柴油联合发电系统的应用现状29-30
• 1.1.3 压缩空气储能系统的应用现状30-31
• 1.1.4 风能-压缩空气-柴油联合发电系统研究的意义31
• 1.2 国内外研究现状31-45
• 1.2.1 压缩空气储能系统研究现状31-34
• 1.2.2 压缩空气膨胀做功系统研究现状34-38
• 1.2.3 压缩空气-燃油混合动力的研究现状38-44
• 1.2.4 存在的问题44-45
• 1.3 本文主要研究内容45-48
• 2 传统风能-柴油联合发电系统能量流分析48-76
• 2.1 风能-柴油联合发电系统工作原理48-49
• 2.2 风能发电系统工作过程能量流分析49-56
• 2.2.1 工作原理49-50
• 2.2.2 数值仿真模型建立50-52
• 2.2.3 模型验证52-54
• 2.2.4 能量流分析54-56
• 2.3 柴油发电系统工作过程能量流分析56-67
• 2.3.1 工作原理56-57
• 2.3.2 数值仿真模型建立57-61
• 2.3.3 模型验证61-64
• 2.3.4 能量流分析64-67
• 2.4 风能-柴油联合发电系统能量流分析67-73
• 2.4.1 蓄电池数学建模67-68
• 2.4.2 计算边界条件及设备选型68-70
• 2.4.3 能量流分析70-73
• 2.5 本章小结73-76
• 3 风能-压缩空气储能系统能量转化理论研究76-110
• 3.1 风能-压缩空气储能系统工作原理及数值建模76-82
• 3.1.1 工作原理76-77
• 3.1.2 数值仿真模型77-82
• 3.2 空气压缩过程数值仿真分析82-96
• 3.2.1 数值仿真模型验证82-84
• 3.2.2 实际工作过程分析84-85
• 3.2.3 性能影响因素分析85-96
• 3.3 风能-压缩空气储能系统能量流分析96-105
• 3.3.1 能量转化过程分析97-98
• 3.3.2 能量转化效率影响因素分析98-105
• 3.4 风能-压缩空气储能和蓄电池储能对比105-107
• 3.4.1 储能系统运行成本对比105-106
• 3.4.2 能量效率对比106-107
• 3.5 本章小结107-110
• 4 压缩空气膨胀做功循环研究110-130
• 4.1 压缩空气膨胀做功系统工作原理110-111
• 4.2 压缩空气膨胀做功循环热力学分析111-115
• 4.2.1 理想热力循环分析111-113
• 4.2.2 膨胀循环优化分析113-115
• 4.3 压缩空气膨胀做功过程数值分析115-121
• 4.3.1 数值仿真模型115-118
• 4.3.2 模型验证118-120
• 4.3.3 工作过程计算结果及分析120-121
• 4.4 压缩空气膨胀做功过程能量流分析121-125
• 4.4.1 压缩空气发动机(?)分析121-122
• 4.4.2 运行参数对压缩空气发动机能量流的影响122-125
• 4.5 试验研究125-129
• 4.5.1 试验系统介绍125-127
• 4.5.2 试验结果及分析127-129
• 4.6 本章小节129-130
• 5 压缩空气回收利用柴油机排气能量方法研究130-156
• 5.1 柴油机排气能量回收方式理论分析130-136
• 5.1.1 热交换回收方式理论分析130-132
• 5.1.2 直接混合方式理论分析132-135
• 5.1.3 联合回收方案理论分析135-136
• 5.2 混合动力原理及工作过程(?)分析136-141
• 5.2.1 混合动力原理136-139
• 5.2.2 工作过程(?)分析139-141
• 5.3 混合动力工作过程影响因素分析及优化141-149
• 5.3.1 边界条件及优化目标141-142
• 5.3.2 柴油机排气提前角的影响分析142-144
• 5.3.3 压缩空气发动机进气提前角的影响分析144-147
• 5.3.4 柴油机负荷的影响分析147-149
• 5.3.5 压缩空气压力的影响分析149
• 5.4 原理性试验研究149-154
• 5.4.1 试验系统介绍149-152
• 5.4.2 试验结果及分析152-154
• 5.5 本章小节154-156
• 6 风能-压缩空气-柴油联合发电系统仿真研究156-168
• 6.1 联合发电系统工作原理156-157
• 6.2 计算边界条件及设备选型157-161
• 6.2.1 计算边界条件157-158
• 6.2.2 设备选型158-161
• 6.3 联合发电系统能量控制策略161-163
• 6.3.1 约束条件161-163
• 6.3.2 能量控制策略163
• 6.4 计算结果及分析163-167
• 6.5 本章小结167-168
• 7 全文工作总结与展望168-174
• 7.1 全文工作总结168-171
• 7.2 主要创新点171-172
• 7.3 研究不足及展望172-174
• 参考文献174-186
• 作者简历186-187

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