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专业硕士学位论文压缩空气储能系统效率分析Efficiency Analysis of Compressed Air Energy Storage System 致谢本论文的工作是在我的导师张立伟副教授和黄先进老师的悉心指导下完成的,张立伟副教授和黄先进老师严谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助 和影响。在此衷心感谢两年来张立伟副教授和黄先进老师对我的关心和指导。黄先进老师悉心指导我完成了论文的科研工作。即使黄老师在出国留学的这 一年中也是定期的询问我的研究工作情况，给出具体的指导意见。并且黄老师在 国外发回了很多关于我研究方向最新的发展情况，这对我的研究工作有很大的帮 助。感谢黄老师在学习上和生活上都给予了我很大的关心和支持，在此向他表示 衷心的谢意。两年的研究生生活，我会终生难忘。张立伟副教授对于我的科研工作和论文给予了很大的帮助，并且提出了许多 的宝贵意见，在此表示衷心的感谢！在实验室工作及撰写论文期间，黄威博、紫星星、杨艳男等同学对我论文中 的研究工作给予了热情帮助。同样感谢常文彬师兄、曹威师兄在我读研一的时候 对我无私的帮助，在此向他们表达我的感激之情。在此同样感谢两年来与我并肩 作战的杨艳男、许辰、王晓同学，希望你们今后无论是在学业还是事业上能够取 得更大的成功。另外也特别感谢我的父母、伯父伯母及兄长，他们为我的成长和生活付出了 太多，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。他们的支持是我前 进的动力。今后，我一定会倍加努力工作，回报您们的付出。出中文摘要中文摘要摘要：可再生能源发电的大力发展，促进了大规模储能技术的发展。从使用经济 性、使用寿命、对环境有无污染及应用前景等综合方面考虑，压缩空气储能技术 相对于其他储能方式具有很大的优势。它能够解决可再生能源的间接性和随机性，将可再生能源有效地“拼接”起来，创造更大的经济价值，促进可再生能源的发 展。它还可以应用于其他场合，如电厂的削峰填谷、负载侧的需求管理及企业重 要用电设备的保障电源。本文的主要研究工作如下：（1）分析了目前主要储能技术的优缺点，特别是压缩空气储能技术。并且研 究了国内外压缩空气储能技术发展的研究现状，在参考国内外研究的基础上提出 了一种新型液气压缩空气储能系统。（2）对压缩空气储能技术储能的原理进行了理论分析，对主要涉及到的热力 学过程进行了详细地理论分析和计算。主要是针对四种热力学循环，包括焦耳循 环、奥托循环、等温循环、多变循环，分别对四种循环过程的压缩、释放效率进 行了理论计算。并且对现有的两种液气压缩空气储能的能量密度进行了详细地理 论分析。（3）对一种新型液气压缩空气储能系统的工作原理和特性进行了研究。分别 对循环压缩过程和循环释放过程中系统的做功情况进行了详细的公式推导，得出 了系统压缩过程和释放过程的效率计算公式。并且根据液气压缩空气储能系统的 特点，提出了一种提高系统能量利用率的释放方法，即变压力工作模式，它不同 于常规压缩空气储能技术的定压力工作模式。（4）对压缩空气储能系统中各子系统的损耗进行了分析、计算。根据各子系 统工作的特点，主要是液压泵/液压马达的工作特点，提出了一种提高系统效率的 方法，即最大效率点跟踪控制（MEPT）,并且通过计算得到了系统的总体转换效 率。（5）对液气压缩空气储能系统的循环压缩过程和循环释放过程的进行了仿真。对比仿真结果和理论分析结果验证了理论分析的正确性。最后，对本文的工作进行了总结，并对今后的研究工作进行了展望。关键词：储能技术，液气压缩空气，热力学分析，效率分析分类号：TK02ABSTRACTABSTRACTABSTRACT:Renewable energy generations rapidly development has promoted the development of large-scale energy storage technology.From the use economy,service life,environmental considerations,application prospects,compressed air energy storage technology has a great advantages compared to other energy storage technologies.Able to solve the indirect and randomness of renewable energy,“stitching“them together effectively,and create greater economic value.It can also be applied to other applications,for example plant load shifting,load side of demand management,uninterrupted power supply of enterprises,important electrical equipments.The main works of this paper are as follows:(1)Analysis of the advantages and disadvantages of the main energy storage technologies,in particular compressed air energy storage technology.And introduce domestic and overseas compressed air energy system technology development research.In reference to the basis of domestic and foreign research proposes a novel pneumatic-hydraulic energy storage system.(2)Principle theories of Compressed air energy storage technology are analyzed.Theoretical analysis and calculate the thermcxiynamic process of mainly involved.Primarily for the four thermodynamic cycles,including the Joule cycle,Otto cycle,isothermal cycle,polytropic cycle,calculated compression and expansion efficiency of the four cycles theoretically.And a comparative analysis of the characteristic parameters of the two liquid-gas compressed air energy storage.(3)Research on working principles and characteristics of a novel pneumatic-hydraulic energy storage system.Carried out a detailed formula derivation about the work of the compression process and expansion process,obtain the system compression process and the expansion process efficiency calculation formula.And according to the characteristics of pneumatic-hydraulic energy storage system,proposed a method for improving the energy utilization,namely variable pressure mode,it differs from conventional compressed air energy storage technologys fixed-pressure work mode.(4)Analysis and Calculate each subsystems losses of the compressed air energy storage system.According to the characteristics of each subsystem,main hydraulic pump/hydraulic motor work characteristics,proposed a method to improve systemV0北京交通大学专业硕士学位论文efficiency,i.e.,the maximum efficiency point tracking control(MEPT).And obtain the total efficiency of the system.(5)Simulation the operating characteristics of compress cycle and expand cycle of pneumatic-hydraulic energy storage system.Compared simulation results and theoretical analysis results verify the correctness of theoretical analysis.Finally,the paper summarizes the work,and the future research is also forecasted.KEYWORDS：storage technology,pneumatic-hydraulic energy storage system,thermodynamic analysis,efficiency analysisCLASSNO：TK02目录目录中文摘要.iiiABSTRACT.v1引言.11.1 课题研究的背景.11.2 课题研究的意义.21.3 国内外研究现状.61.3.1 传统压缩空气储能系统.613.2绝 热压缩空气储能系统.81.3.3 液气压缩空气储能系统.91.4 论文的主要工作.112压缩空气储能系统概述.132.1 气体压缩释放过程.132.2 压缩空气储能过程中能量变化规律.142.2.1 气体热力过程.142.2.2 等温循环过程.162.2.3 焦耳循环过程.172.3.4 奥托循环过程.202.3 压缩空气储能系统特性分析.232.3.1 封闭式系统能量密度.232.3.2 开放式循环系统能量密度.242.4 本章小结.263新型液气压缩空气储能系统研究.273.1 循环液气压缩空气储能系统概述(PHESS).273.2 PHESS循环压缩工作特性.293.3 PHESS循环释放工作特性.323.4 本章小结.364压缩空气储能系统损耗分析.374.1 损耗与系统效率的关系.374.2 压缩空气储能子系统损耗分析.384.2.1 机电转换部分能耗分析.384.2.2 机械能压缩部分损耗分析.42vii北京交通大学专业硕士学位论文4.3 系统能量转换效率分析.454.4 本章小结.465仿真验证.475.1 循环压缩过程仿真.475.2 循环释放过程仿真.525.3 本章小结.566工作总结和展望.596.1 全文总结.596.2 待完善的工作.59参考文献.61作者简历.63独创性声明.65学位论文数据集.67viii引言1引言1.1 课题研究的背景现代社会在工业、服务业、家庭和交通运输方面的能源用量越来越高。据国 际能源署(IEA)的预测，从现在到2035年全球能源需求将增长三分之一以上，其中60%的需求增长来自我国、印度和中东地区。目前，我国能源消费的主要构 成部分是化石燃料，2012年我国全年能源消费总量为36.2亿吨标准煤，是仅次于 美国的第二大能源消费大国。由于化石燃料并非用之不竭、取之不尽，并且化石 燃料的燃烧给环境带来巨大污染，因此开发低碳环保的可再生能源(风力、太阳 能等)显得非常重要。以风力发电为例，在过去的2003-2010年间，我国风电装机容量得到大规模发 展，如图1-1所示。到2020、2030和2050年，风电装机容量将分别达到2亿、4 亿和10亿千瓦时，成为我国的五大电源之一，到2050年满足17%的电力需求皿，图1-1中国风电装机容量(2003-2010)Fig.1-1 Chinas wind power installed capacity(2003-2010)以可再生能源为基础的发电受自然条件的限制，具有间歇性和随机性。如光 伏发电中光照条件具有不可预测性，输出不稳定，如图1-2所示，并且光伏发电的 输出与负载需求不重合，无法有效利用电网的差价创造最大的经济效益。因此，可再生能源发电的大规模发展需要储能技术的支撑。1北京交通大学专业硕士学位论文图1-2光伏发电量与负载、价格波动Fig.1-2 PV generation and load,price volatility同样对于电力系统而言，当电网中引入储能系统后，可以有效地实现需求侧 管理，消除昼夜间峰谷差，提高电力设备的利用率和系统运行的稳定性，降低用 电成本砌。1.2 课题研究的意义目前常见的储能技术主要包括：抽水蓄能、压缩空气储能、蓄电池(铅酸电 池、银镉电池、钠硫电池等)、飞轮储能、超级电容储能、超导储能等。上述几种 储能方式的特点如表1-1和图1-3所示【理可。表1-1储能技术的特点Tab.l Energy storage technologies9 characteristics储能技术初期投资响应 时间效率(%)使用 寿命$/kW$/kWh抽水蓄能6-20000-20s-min70-8530-50 年压缩空气储能425-4803-10s-min6430年微型压缩空气储能51750s-min5730年铅酸电池200-518175-250ms855-10 年银镉电池600-1500500-1500ms60-703500cycle钠硫电池259-810245ms75-865年飞轮储能350500-25000ms9320年超级电容储能30082000ms95105cycle2引言超导储能3002000ms9530年刖级秒 级1kW 1OkW 100kW 1MW 10MW 100MW 1GW系统额定功率图l-3a储能技术的额定功率与粹放时间Fig.1-3a Power rating and release time of energy storage technologies 100铅电酸池每个周期的资金成本馍镉电池钠硫电池-电化学电容-飞轮储能缩气能 压空储0.1容量/（循环次数 X效率）抽水蓄能图l-3b储能技术的使用经济性Fig.1-3b Use economic of energy storage technologies3北京交通大学专业硕士学位论文100%90%80%钠磁 电池电化学电容飞轮储能钳酸电池抽水蓄能|70%60%50%40%100压空储缩气能1000 10000 100000循环次数102O 11A图l-3c储能技术的使用寿命Fig.1-3c Use life of energy storage technologies 103IO-1KF?o 101 102 io3 io4 105 10fi io7功率密度(W/kg)图l-3d储能技术的功率密度和能量密度Fig.1-3d Power density and energy density of the energy storage technology抽水蓄能技术是利用电力负荷低谷时的剩余电量，由抽水蓄能机组工作将下 水库的水抽到上水库，将电能存储为水的势能，当用电高峰时，将上水库的水带 动水轮机用于发电。优点是使用寿命长，30到50年，效率高，在70-85%之间，但是它的建造需要特殊的地理位置，必须满足两个水库，且垂直距离也要满足要 求，因此它的选址非常困难。抽水蓄能电站初期投资巨大，甚至会大面积淹没植 被及周边城市，导致生态和移民问题。因此，它的建设受到很多限制。目前我国 已建成的抽水电站有广州抽水蓄能电站、十三陵抽水蓄能电站等。4引言蓄电池储能包括铅酸电池、银镉电池、钠硫电池等。铅酸电池的特点是能量 密度30-50Wh/kg,响应快，生产技术成熟，效率85%左右，初期投资较小；缺点 是它的使用寿命受工作环境温度的影响非常大，而且生产、废弃和回收会带来二 次污染。银镉电池的缺点是初期投资大，电池的原材料镉对环境危害大，它的“记 忆效应”会逐渐降低电池的容量。钠硫电池的特点是使用寿命长，缺点是钠硫电 池的启动工作温度高（300）,在电池工作前需要给电池加热，存在一定的安全 隐患。飞轮储能是一种机械蓄能的方式，利用电动机带动飞轮高速旋转，将电能转 化成机械能存储起来，在需要时飞轮带动发电机发电。缺点是能量密度比较低，保证系统安全性方面的费用很高。超导储能直接存储电磁能，无需能源形式转换，具有功率密度大，动态响应 速度快等特点，但是其能量密度低，目前成本高、容量有限，需要复杂制冷和真 空系统。超级电容的特点是功率密度大、效率高均在90%以上、使用寿命长，多用于 短时间、大功率的负载平滑和电能质量峰值功率场合，缺点是能量密度小，初期 投资大。压缩空气储能系统是一种物理储能方式，不存在化学反应，它的容量大，仅 次于抽水电站，可以持续工作数小时乃至数天；压缩空气储能系统的初期投资相 对比较低，低于铅酸电池和钠硫电池储能系统，并且不存在充放电过热和短路起 火等隐患；压缩空气储能系统的寿命很长，长达30年；其效率在57%,能量密度 与电池储能相当。对于微型压缩空气储能系统来说，它不受地理环境的限制，采 用高压储气罐对压缩空气进行存储，而且压缩空气储能系统的工作介质是空气，可以直接从大气环境中提取，也可以直接排放，没有特殊的有害性能，没有起火 危险，不存在环境污染的问题，存储能量时间长，与电池储能不同，它不存在自 放电的情况。因此，压缩空气储能技术在能量密度、使用寿命、初期投资、维护 成本、对环境是否产生污染等方面相对于其他储能方式具有一定优势。将压缩空气储能技术引入实际工程领域，具有很大的现实意义，具体包括以 下几点：（1）削峰填谷：电厂可以将用电低谷时的电能储存在压缩空气中，在用电高 峰时释放，实现削峰填谷的作用。（2）负载侧管理：现在全国大部分省市工业用电均实施峰谷分时电价制，高 峰时段电价是低谷时段电价的3倍左右，因此储存用电低谷时的电能，在用电峰 值时释放发电，这样可以使效益最大化，同时减少供电系统的运营成本。（3）后备电源：可以作为企业重要用电设备的供电保障或紧急情况的后备电 5北京交通大学专业硕士学位论文源。传统的后备电源一般采用柴油机和蓄电池，柴油机的启动需要一定时间，且 设备容易老化、可维护性差；电池的容量有限，无法实现长时间的供电。微型压 缩空气储能装置具有启动时间短、能量密度高、能够快速持续的供电，而且维修 方便、使用寿命长，只需定期检测压缩空气量是否能够满足要求。（4）应用于可再生能源：可以将风力发电、太阳能发电等可再生能源，形成 稳定的供电。1.3 国内外研究现状自1949年Stal Laval提出利用压缩空气储能以来，国内外学者进行了大量的 研究，关于压缩空气储能系统的形式也是多种多样，按照工作介质、存储介质与 热源可以分为：传统压缩空气储能系统（需要化石燃料燃烧）、带储热装置的压缩 空气储能系统、液气压缩储能系统，其中液气压缩空气储能系统又可以分为封闭 式液气压缩空气储能系统（C-HyPES）和开放式循环液气压缩空气储能系统（O-HyPES）,如图1-4所示。（先进绝热）厂压缩空气彳、I储能J广：绝热H J 非冷却.%压缩空气，i 工作介质：空气 壮 储能Jn 存储介质：空气 k 压缩空气1储靛、r一工作介质：空气、液体 储存介质：空气-隆热-*H T封闭式液 气压缩空 气储能传统压缩,空气储能开环缩循压储 式气气般 放液空解图iw压缩空气储能系统的分类Fig.1-4 Classification of compressed air energy storage system1.3.1 传统压缩空气储能系统传统压缩空气储能系统其结构图如图1-5所示，系统主要由电动机/发电机、6引言压缩机/涡轮机、燃烧室和冷却装置组成。其基本工作原理分为两个阶段：一是储 能阶段，二是释放能量发电阶段。储能阶段是用多余的电能驱动电动机，与电动机相连的压缩机工作并产生高 温高压空气，通过冷却器降温后进行存储，这样就可以将多余的电量存储在压缩 空气中。在该阶段过程中，空气在压缩机的出口处温度会很高，为了降低压缩过 程中空气的温度进而减小压缩功，通常采用两级压缩，在中间过程加入冷却器，如图1-6所示。释放能量发电阶段是释放高压的空气，在进入涡轮机之前与天然气混合燃烧,然后高温高压的空气推动涡轮机进而发电。图1-5传统压缩空气储能系统示意图图1-6带余热回收的压缩空气储能系统Fig.1-6 Compressed air energy storage system with waste heat recovery目前世界上已有两座大型传统的压缩空气储能电站投入运营，一座是位于德 国托夫市（Huntorf）的压缩空气储能电站；另一座是美国阿拉巴马州麦金托夫市7北京交通大学专业硕士学位论文(Mcintosh)的压缩空气储能电站。前者于1978年投入运营，输出功率是290MW,压缩空气存储在总容积为31万立方米的中，存储压力可达lOObar,能够连续压缩 12h,发电3h,启动时间8min；后者是在1991年5月投入运行，输出功率是U0WM,存储容积为56万立方米，存储压力74bar,能够连续发电26h,压缩时间41.6h,启动时间10-12mino两者的区别是麦金托夫市(Mcintosh)电站增加了余热回收装 置(如图1-5所示)，利用涡轮机排放的高温尾气对涡轮机入口处的空气进行加热，使系统热效率提高了 25%。但是这种压缩空气储能系统的主要缺点是对地质结构的依赖性太大，而且压 缩空气在膨胀做功前需要燃烧化石燃料对其加热。1.3.2 绝热压缩空气储能系统为了避免传统的压缩空气储能系统对燃料的依赖和减少温室气体CO2的排放,提出了带储热装置的压缩空气储能系统，称为先进绝热压缩空气储能系统(Advanced adiabatic-compressed air energy storage,AA-CAES),如图 1-7 所示。与 传统的压缩空气储能系统区别是：它将压缩过程中产生的热量储存起来，然后在 发电过程中用这部分热量来预加热压缩空气。然而，AA-CAES面临的最大挑战是 能够经济、有效地设计和制造出压力工作范围大的压缩机、涡轮机和储热装置同。图1-7先进绝热压缩空气储能系统Fig.1-7 Advanced adiabatic-compressed air energy storage system德国克劳斯塔尔(Clausthal-Germany)工业大学提出了将压缩空气和热能混合 在一起存储的系统，成为非冷却压缩空气储能系统(Uncooled compressed air storage system),其原理图如1-8所示。储气室中是高温高压的气体，如果储气室是绝热 的，那么系统的热力学效率将是100%。由于现实中不存在完全绝热的储气室，这 8样就不可避免的存在着热损失，因此这就限制系统储能的时间（即待机的时间）。图1-8非冷却压缩空气储能系统Fig.1-8 Uncooled compressed air storage system1.3.3 液气压缩空气储能系统液气压缩储能系统（Closed hydro-pneumatic energy storage.C-HyPES）是 近几年新型的压缩空气储能技术，其简化结构如图1-9所示。系统的工作介质是空 气和液体，储能介质是空气。系统由电动机/发电机（M/G）、液压泵/液压马达（P/M）、蓄液池和蓄能器组 成。图1-9中的储能装置是常见工业用蓄能器，在这类设备中液体和气体常通过物 理隔绝。储能阶段，电动机带动液压泵，蓄液池中的液体被抽到蓄能器中，此时 气体的体积减小，压力增大，将能量转化为空气势能存储起来。释放能量阶段，压缩气体开始膨胀，高压的液体驱动液压马达，带动发电机发电。蓄能器中气体 的质量在储能和释放能量环节始终没有发生变化，因此称之为封闭式压缩空气储 能系统。如果气体的压缩过程进行的足够缓慢，那么压缩过程中产生的热量能够 更加容易的散发到周围环境中，反之亦然。这就有可能实现准等温压缩和膨胀过 程。液体的热容相对于气体要大出很多，因此液体在循环过程中可以作为一个热 能缓冲单元，将气体的压缩（或膨胀）过程温度变化范围维持在一个相对低的水 平，用于提高系统的效率。然而，它的缺点是相对低的能量密度，在30MPa压力 时，比体积能量密度为3kWh/n?,比重量能量密度约为4Wh/kg。为了克服C-HyPES系统能量密度小的缺点，LCypheHy,A.Rufer等提出了图 1-10的结构“叫这种系统由高压储气瓶、电动机/发电机（M/G）、液压泵/液压马 达（P/M）、循环装置A与B、相关阀门和冷却装置等组成。储能过程的原理是电 动机带动液压泵抽取B中的液体到A中，随着A中液体体积增大，A中的气体被 液体压缩到储气瓶中，当A中的空气全部压缩到储气瓶中时，三位四通阀换向，北京交通大学专业硕士学位论文此时A中液体被抽取到B中，这样B中的气体被液体压缩到储气瓶中，重复上述 步骤直到储气瓶中的压力到达存储压力。其具体工作特性目前还处于研究阶段。图1-9封闭式压缩空气储能系统Fig.1-9 Simplified process scheme of closed hydro-pneumatic energy storage图1-10开放式循环液气压缩空气储能系统示意图Fig.1-10 Simplified process scheme of open cycle hydro-pneumatic energy storage(O-HyPES)在研究和参考国内外上述几种压缩空气储能系统的基础上，北京交通大学电 气工程学院电力电子实验室提出了一种新型液气压缩空气储能系统技术，关于它 的工作特性在本文后面有详细地介绍和研究。目前国外关于液气压缩空气储能技术的研究远远领先于国内，处于这一领域 先进的大学有美国的明尼苏达(Minnesota)大学1nM0、瑞士洛桑联邦工学院【日(EFFL)等。其中美国明尼苏达大学与美国瑟斯汀X公司(SustainX)合作研制10引言出了 40kW等温压缩空气储能系统的样机”支 国内对压缩空气储能的研究起步较 晚，随着电力储能技术的需求，如今国内的大学和科研院所也开始了这方面的研 究，如华北电力大学【、中科院物理研究所【应、清华大学【功、山东大学【间、江苏 大学“9】、北京交通大学等。1.4 论文的主要工作本论文对压缩空气储能技术的原理和一种新型液气压缩空气储能系统进行了 研究。由于这是一种新型的液气压缩空气储能系统，所以非常有必要先对它的工 作特性进行研究，另外需要对这种储能系统的效率进行研究，这样可以后续的研 究工作打下基础。而且对压缩空气储能系统中相关热损耗进行了研究。由于储能 系统涉及到空气势能、机械能、电能多种能量形式的转换，因此分析系统各部分 能量之间的转化效率与相关因素之间的关系非常重要，能够为提高系统的效率提 供理论依据。第一章为绪论，介绍了压缩空气储能技术相对于其他储能技术的优点和压缩 空气储能技术的应用价值，并且介绍了压缩空气储能技术发展的现状。第二章介绍了压缩空气储能技术的概况。分析气体压缩和释放的过程，并且 对其中的热力学循环过程做功W、内能U和热量Q进行了分析。从能量密度角度 对封闭式液气压缩空气储能系统和开放式循环液气压缩空气储能系统的特性进行 了对比分析。第三章是对一种新型液气压缩空气储能系统进行了研究。先介绍了这种新型 循环液气压缩空气储能系统(PHESS)的组成结构和工作原理，然后对循环压缩 过程和循环释放过程系统的压力变化规律和系统做功的大小进行了详细的公式推 导。根据它释放的特点，提出了一种变压力的工作模式，用以提高系统的效率。第四章是对压缩空气储能系统中各子系统的损耗进行了分析、计算，主要包 括电能到机械能转换的损耗分析和机械能到空气势能的损耗分析。根据各子系统 工作的特点，主要是液压泵/液压马达的工作特点，提出了一种提高系统效率的方 法，即最大效率点跟踪控制(MEPT),并且通过计算得到了系统的总体转换效率。第五章是对液气压缩空气储能系统循环压缩过程和释放过程效率的相关计算 以及工作特性的仿真。对比仿真结果和理论分析结果验证了理论分析的正确性。最后一章是对全文的总结，并对今后工作的展望。11此页不缺内容压缩空气储能系统概述2压缩空气储能系统概述压缩空气储能技术是以空气作为储能介质，利用了气体的可压缩性，对能量 进行存储。第一章中已经提到它的工作原理，当储存能量时，对空气进行压缩，将能量转换为空气的势能进行存储；释放能量时，压缩空气膨胀，将势能转化为 有用功。压缩和膨胀过程中涉及到的热力学过程有等温过程，定压过程，定容过 程，绝热过程。本章将详细地展开分析压缩空气储能系统涉及到的热力过程。2.1气体压缩释放过程由于气体具有可压缩性，通常被认为是“气弹簧”。事实上，空气的压缩和膨胀 过程中至少同时涉及到三种不同能量的转换：机械能、热能、空气势能31。以 C-HyPES（图1-9）的工作原理为例进行说明，图2-1是气体压缩和膨胀过程原理 示意图。假设空气的初始状态为1（Pi,Vi,T。，存储状态为4（P4,V4,T4）,初始温 度I和存储温度T4与环境的温度To相等，通常取25。分析过程中将空气当作 理想气体处理。空气空气P=1V=1T=25CP=3 V=0.45 T=135*CP=4.66V=0.33T=190r-AW绝热过程人：=空气P=3 V=0.33 T 二 25cAw 浦由a就4P=0.64V=1 T=-81*CP=1V=0.72 T=-55.3c*AW,绝热过程 类/骞氏polytropic exponent 外上，n80m60504030 索-、卷券Fig.2-8 Relationships between compression efficiency,expansion efficiency and compression ratio,0 一*.50|uo 150 200 250 300 3S0 400 450 500压缩比图2-9循环效率与压缩比、多变指数的关系图Fig.2-9 The relationships between cycle efficiency and compression ratio,polytropic exponent 图2-8、2-9是循环过程的效率7、ncewai与压缩比e、多变指数n的关系。22压缩空气储能系统概述从图中可以发现当压缩比e相同时，n=1.4时，压缩效率”、释放效率”、总效率 nce-total最低，当n=l时，压缩效率%、释放效率%、总效率Tlcewal最高；当n固定 时，随着压缩比e的增大，压缩效率和、释放效率%、总效率ncewal都逐渐减小。2.3 压缩空气储能系统特性分析前一章中已经介绍了压缩空气的能量密度在一定程度上与电池的能量密度(35-50Wh/kg)相匹配。本节对压缩空气储能系统的特性一能量密度分析，详细 地分析能量密度随存储压力的变化规律。能量密度的计算原理是压缩空气在膨胀 过程中对外做功的大小与存储容积的比值【24】。2.3.1 封闭式系统能量密度封闭式液气压缩空气储能系统给的结构如第一章中图1-9所示，在压缩和膨胀 过程中气体的质量m始终没有发生变化，因此成为封闭式系统。结合2.2节中计 算的结果，得出它的能量密度E.计算公式为：E=-(1-f)一兄(1)(2-31)Vx n-1 e c能量密度工与存储压力P4、压缩比e的关系如图2-10所示。可以看出当存储 压力P4一定时，能量密度。在一定范围内随压缩比e的增大而增大，当达到最大 值时又随压缩比e的增大而减小，这说明在存储压力P4和存储的能量这两个变量 固定的前提下，在最佳压缩比处，系统所占的体积最小；当压缩比e相同时，能量 密度均随存储压力P4的增大而增大。对公式(2-31)求导可得最佳压缩比ep,：4=真-贪争产端产 Q-32)将公式(2-32)带入(2-31)可得：n 1-21 n 工Er a-1-(),-(2-33)Z71-1 2/1-1公式(2-33)就是封闭式压缩空气储能系统的最大能量密度耳.max随存储压力P4 的变化关系，其关系图如2-11所示。从上图中可以看出当11=1时，纥一皿和P4的关系近似为：纥 a-含(2-34)其中，纭.1nM单位是kWh/n?,P4单位bar。23北京交通大学专业硕士学位论文10 101 10?压缩比图210能量密度与存储压力、压缩比的关系图Fig.2-10 Relationships between energy density and storage pressure,compression ratio54.5 43.5 32.5 21.5 10.50 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500存储压力I/bar图2-11最大能量密度Fig.2-11 Max energy density2.3.2 开放式循环系统能量密度开放式循环压缩空气储能系统的示意图如1-10所示，它工作原理是每次的压 缩过程都将外界的空气压缩到储气瓶中，其等效P-V图如2-12所示。其具体的压缩原理与上述焦耳循环过程的相似，区别在于图2-12所示的2-324压缩空气储能系统概述过程，这部分的能量不仅包括图2-2中的3-4过程消耗的能量而且还包括将空气压 缩到储气装置中的这部分能量，通常后者消耗的能量忽略不计。因此，开放式循 环压缩空气储能系统压缩过程可以看作是无数个焦耳循环过程累加。Fig.2-12 Single cycle process diagram假设每次循环是空气的初始体积为V”气体压强为Po,储气瓶的体积为V(V=mVb),初始压力为Po,经过k次循环压缩后储气瓶中的压力达到设定压力P3,则压缩过程消耗的总能量为：/I-1 fl-叱,e=乙匕(”一1)一兄匕G-1)一130252015105*/$(0=cr-(cr-l)(T-)%#=1,2,2(3-7)当达到存储压力Pf时，与（*）=弓时，理论循环压缩次数匕k=Round Up(oga其中anm-c r1+m-c r因此，增压比助 (，-1)c r且c r-1RoundUp表示向上舍入取整数。J分别为:=c一。-IX/*尸,i=L2,A 1+mc r(3-8)(3-9)(3-10)根据公式（2-15）、（3-9）、（3-10）得第i次焦耳循环压缩过程消耗的能量为:r-1%，)=三尺匕(/J-D-AKQ),1,2,3，水y 一】)(3-11)叱=号*+今（/（/T）一月+乂品一 3 n L2,3,%（3-12）根据公式（2-23）、（3-9）.（3-10）得第i次奥托循环压缩过程消耗的能量为：1 r-ii匕出(/-1)-AK(l-)