【摘 要】
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近年来,随着我国能源结构转型的不断推进,以风电和光伏为代表的可再生能源取得快速发展,同时也给电网稳定运行带来了巨大挑战。电能存储技术被认为是既可以保障电网安全稳定运行,又可以大量消纳可再生能源的有效途径,因此受到广泛关注。压缩空气储能（CAES）技术以其储能容量大、清洁无污染、安全性好等优点,被认为是未来储能行业的一个重要发展方向。目前限制CAES技术快速发展的一个重要因素是系统效率较低,该系统效
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近年来,随着我国能源结构转型的不断推进,以风电和光伏为代表的可再生能源取得快速发展,同时也给电网稳定运行带来了巨大挑战。电能存储技术被认为是既可以保障电网安全稳定运行,又可以大量消纳可再生能源的有效途径,因此受到广泛关注。压缩空气储能（CAES）技术以其储能容量大、清洁无污染、安全性好等优点,被认为是未来储能行业的一个重要发展方向。目前限制CAES技术快速发展的一个重要因素是系统效率较低,该系统效率低于常规电池储能技术和抽水蓄能技术。为提高CAES的性能,本文提出将先进绝热压缩空气储能（AA-CAES）系统与异质能源系统耦合,并探索其系统集成机制。论文首先构建了 AA-CAES系统的热力学模型,并基于热力学分析方法,采用热力学评价指标对AA-CAES系统的整体性能进行了分析,从而揭示了系统的能耗特性。基于物理能梯级利用原理,提出了基于异质能源互补和时空耦合的AA-CAES系统协同集成机理,为后续章节中AA-CAES系统与异质能源集成耦合提供理论支撑。为有效利用AA-CAES系统的余热,本文提出将燃煤电站回热系统与AA-CAES系统耦合集成。采用回热系统的凝结水和给水梯级回收和释放AA-CAES子系统中的压缩热,并采用凝结水回收AA-CAES子系统排空气的余热。通过系统耦合集成,不仅实现了能量梯级利用,提升了 AA-CAES子系统的效率;还减少了蓄热和蓄冷设备,从而降低了设备投资成本。对耦合系统进行了系统性能分析,结果显示:耦合系统中AA-CAES子系统的循环效率由63.81%提升至64.82%;?效率由63.76%提高至68.02%。此外,AA-CAES子系统的动态投资回收期为6.14年,净现值达4702.92万元,系统性能得到明显的改善。针对高温高压空气可用于生物质气化发电系统,本文提出将AA-CAES系统与生物质气化发电系统集成耦合,即:在储能过程中,采用生物质气化发电子系统中的低温水回收压缩空气的压缩热;在释能过程中,采用生物质气化发电子系统中的烟气加热释放的压缩空气,随后压缩空气在膨胀机中做功;膨胀机出口的压缩空气再次经过烟气加热后,直接通入至生物质气化发电子系统的燃烧器中,从而减少了该系统中压气机的耗功,提高了耦合系统的电能输出。分析结果表明,AA-CAES子系统的循环效率从63.81%提升至84.90%;?效率由63.76%提升至80.46%。该系统的动态投资回收期为4.20年,净现值达220.50万元。为梯级利用AA-CAES系统中的压缩热,同时有效利用该系统中的压缩空气,本文提出一种AA-CAES系统与垃圾发电系统和沼气发电系统集成的耦合系统,即:在储能过程中,采用垃圾发电子系统中不同温度的给水和凝结水梯级回收压缩空气的压缩热;在释能过程中,采用垃圾发电子系统中的烟气加热压缩空气,同时将在膨胀机中做功后的压缩空气用于沼气发电,从而提高耦合系统的电能输出。此外,将沼气发电系统中燃气轮机排出的烟气排入至垃圾发电子系统的锅炉烟道中,可以省去部分沼气发电子系统的设备。分析结果表明,AA-CAES子系统的循环效率从63.81%提升至75.32%;?效率由63.76%提升至74.31%。AA-CAES子系统的动态投资回收期为4.47年,净现值达407.85万元。鉴于氢能在未来能源结构中的重要地位,本文提出将AA-CAES系统与电解水制氢系统和氢能固体氧化物燃料电池联合循环发电系统进行集成耦合,即:在储能过程中,采用AA-CAES子系统和电解水制氢子系统存储电能,并将产生的高压空气、压缩热、氢气和氧气分别存储;在释能过程中,采用氢能固体氧化物燃料电池联合循环发电子系统中的低温水冷却压缩空气,并回收AA-CAES子系统中蓄冷罐的余热;AA-CAES子系统排出的压缩空气用于维持氢能固体氧化物燃料电池中未反应氢气的燃烧。通过系统集成,不仅提高整个系统的电能输出,还实现整个系统的碳零排放。分析结果表明,AA-CAES子系统的循环效率从63.81%提升至72.76%;?效率从63.76%提升至70.11%;系统的动态投资回收期为3.19年,净现值可达6160.01万元。总体而言,本文研究了 AA-CAES系统与异质能源系统互补集成,探索了AA-CAES系统性能优化方向,得出了基于异质能源互补和时空耦合的AA-CAES系统集成机理,为AA-CAES系统的发展提供了可靠的理论支撑和切实可行的技术选项。
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