1．目的及意义

1.1 选题的目的及意义

常规能源日益枯竭和环境污染日趋严重使得可再生能源发电得到了极大的关注和发展。风能是目前最具大规模商业化开发能力的非水可再生资源，然而风能的不连续、不稳定、不可控的非稳态特性导致风电功率难以有效预测、调度和控制，严重制约了风能的利用和风电的大规模发展。储能技术能够对电能进行时空平移，为平抑风电功率波动、提高风电利用率提供了一种有效手段。压缩空气储能是近年来兴起的一种新型储能方式，因其具有寿命长、容量大、成本低、环境污染小等优点而备受关注，但是目前与蓄电池等其他储能技术相比，压缩空气储能的循环效率仍旧偏低，在整个储能市场的占有率仍不高。究其原因：一方面由于压缩空气储能本身结构和能量转换机理复杂，多种规律并存且相互作用，导致其分析和建模困难，难以对其精确控制和优化；另一方面，有别于蓄电池等传统储能方式，压缩空气储能效率受运行工况影响较大，现有的储能系统能量管理策略缺乏对储能系统自身特性的考虑，导致压缩空气储能长期运行在低效区，增加了压缩空气储能系统的使用成本。故对压缩空气储能系统自身效率优化和压缩空气储能与风电结合系统的能量优化的研究有重要意义。

1.2 国内外的研究现状分析

1.2.1国外研究现状分析

自1949由Stal Laval提出利用地下洞穴储存压缩空气进行储能的概念以来^[1]，压缩空气储能在全球范围内得到了政府、研究机构和电力、高科技公司的广泛关注，1971年德国Huntorf建成了全球第一个商业运行的压缩空气储能电站，压缩空气被存储在地下600米的废弃矿洞中，矿洞总容积达310000m³，压缩空气的压力最高可达10Mpa。系统的压缩机总功率为60MW，机组可连续充气８小时可充满矿洞，透平发电功率为290MW，透平发电时需要通过消耗天然气补燃，理论满功率连续发电时间为２小时。系统从冷态启动至满负荷约需６分钟，系统由于收集低谷电用于压缩空气，所以透平发电时其排放量仅是同容量燃气轮机机组的1/3。该电站在1979年至1991年期间共启动并网5000多次，平均启动可靠性97.6%，平均可用率86.3％^[2]。1991年投入运营的美国Alabama州McIntosh压缩空气储能电站是第二个商业运营的压缩空气储能电站。其同样采用地下洞穴作为储气介质，储气总容积为560000m³，储气压力为7.5MPa。McIntosh电站配备的压缩机储能和透平发电功率分别为50ＭＷ、110ＭＷ，机组从启动到满负荷约需９分钟，满负荷运行时可以实现连续41小时空气压缩和26小时发电。相比与Huntorf，该机组增加了回热器用以回收透平发电后的余热，因此系统效率提高了12％^[3,4]。

近年来，随着技术的进步以及电网对大规模储能需求的日益迫切，压缩空气储能的研究再次掀起热潮^[5]。其中比较典型的压缩空气储能电站包括日本上砂川盯压缩空气储能电站和瑞士ABB公司（现已并入阿尔斯通公司）正在开发联合循环压缩空气储能发电系统。其中上砂川盯压缩空气储能电站与于2001年投入运行，利用地下450ｍ处废弃的煤矿坑来储气，储气压力最高为8ＭPa，输出功率最大为２ＭＷ。ABB公司的联合循环压缩空气储能电站最大特点是发电机用同轴的燃气轮机和汽轮机驱动而且采用水封方式，理论上机组效率可达70.1％。此外，新型CAES技术也在蓬勃发展，如德国RWE Power公司与2010年启动的ADELE压缩空气储能项目，其采用了先进绝热压缩空气储能（Advanced Adiabatic Compressed Air Energy Storage，简称AA－CAES）技术，它将空气压缩过程中的压缩热存储在储热装置中，并在释能过程中回收这部分压缩热，该技术不需要使用燃料（零污染、零排放）即可实现能量的高效存储与利用。通过采用髙温压缩膨胀设备以及先进高温储能装置，减少压缩膨胀过程热损耗，该系统的期望储能效率可提高到70％^[6]。2010年美国SustainX公司提出了等温压缩空气储能技术（Isothermal compressed air energy,ICAES）其通过先进的气液热量交换技术，保证空气压缩膨胀过程接近周围温度，从而避免的储能过程的热损失，有效提高了储能效率，目前该公司已经在其总部New Hampshire州建立了全球首套1.5ＭＷ的等温压缩空气储能释放系统^[7]。英国Highview Power Storage公司提出的液化压缩空气储能技术是提高压缩空气储能密度的一项有效尝试，其基本原理是压缩过程中通过换热器对高压空气换热将空气液化，同时换出的热量存储备用。膨胀释能过程中，液态空气首先经过换热器吸收存储的热量气化，然后送入高压透平膨胀设备做功发电，由于将空气压缩成液态储存，因此存储空气的能量密度的到大幅提升。

1.2.2国内发展状况

我国对压缩空气储能的研发起步较晚，尚未建立商业运行的压缩空气储能电站。但近年来经过政府部门、电力企业以及中科院热物理所、清华大学、华北电力大学、山东大学等一批科研院所的不懈努力，我国在压缩空气储能理论研究和工程实践方面也取得了长足进展。其中华北电力大学刘文毅等较早的进行了压缩空气储能热力特征仿真计算，并分析了其在风电场中的经济性问题^[8,9]。中科院徐建中院士团队在先进绝热压缩空气储能系统设计计算以及结构优化等方面取得很多成果^[10-13]，中科院工程热物理所陈海生等研究了超临界压缩空气储能系统原理并进行了工程示范应用，此外其在压缩空气储能热力学分析建模，压缩空气储能热力耦合等方面进行了大量研究^[14-17]。清华大学卢强院士、梅生伟教授课题组开发了“500ｋＷ非补燃式压缩空气储能系统”，并对其进行了效率分析，提出了压缩空气储能“电－电”转换效率的计算方法^[18,19]。山东大学、西安交通大学在压缩空气储能研究领域取得一定进展，其中山东大学张承慧教授团队提出一种基于涡旋机的机械耦合式风力压缩空气储能系统^[20]，完全不同于传统的压缩空气储能－风电耦合系统，直接通过机械装置提取富余的动能作为压缩机的原动力，而在风力不足时利用膨胀机辅助风轮驱动（或单独驱动）发电机发电。能量的储存与利用通过机械装置一次完成，而不经电能转换，避免了中间转换环节的能量损失，从而大幅提高了效率。

在压缩空气储能工程建设方面，目前中科院工程热物理所研究的超临界压缩空气储能系统已经建成1.5ＭＷ试验系统，并于2014年12月在贵州毕节启动了1.5ＭＷ压缩空气储能－多能分布式微网示范项目。2014年11月由中科院理化所、清华大学及中国电力科学研究院共同研制的“500ｋＷ非补燃压缩空气储能发电示范系统”在安徽芜湖成功试运行首次成功发电。

总之，近年来国内对压缩空气储能的研究起步进展很快，呈现后来居上的态势，在超临界压缩空气储能、非补燃式压缩空气储能等部分领域已处于国际领先水平，国内巨大的新能源市场带来的广阔储能需求为压缩空气储能产业快速发展提供了良好的契机。
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2. 研究的基本内容与方案

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2.1 根据涡旋机的几何特性，结合质量守恒和能量守恒等定律，分析无油涡旋压缩机压缩腔的容积变化过程和热力工作过程，建立包含泄漏和传热的无油涡旋压缩机工作过程的热力学模型。