一种基于风能储能的分布式能源系统

第55卷第5期2013年10月汽轮机技术TURBINETECHNOLOGYV0155NO50CT2013一种基于风能储能的分布式能源系统王凯，张远，孙燕平，杨科1华北电力科学研究院有限责任公司，北京100045；2中国科学院工程热物理研究所，北京100190；3中国科学院研究生院，北京100049；4中国科学院风能利用重点实验室，北京100190摘要为了验证和分析风电与先进绝热压缩空气储能ADVANCEDADIABATICCOMPRESSEDAIRENERGYSTORAGE，简称AACAES集成系统用于分布式供能的能量输出特性，建立了以风能储能技术为基础的分布式能源系统模型，从热力学角度推导了与能量输出相关的参数表达式，得到了分布式能源系统冷热电输出特性与储热器中热量利用的关联性，并以某写字楼为例，分析了分布式能源系统的优势。结果表明随系统供热量的增加，系统供电量减少，制冷量增加，且能量输出总量增加；在满足冷量和热量需求的前提下，相比供电模型，分布式供能模型有更多的供电量，而在能量输出相同的条件下，分布式能源系统模型更节能。关键词分布式供能；风能储能；AACAES系统；能量利用分类号TKO1文献标识码A文章编号10015884201305033504ADISTRIBUTEDENERGYSYSTEMBASEDONWINDENERGYSTORAGEWANGKAI，ZHANGYUAN，SUNYANPING，YANGKE1NOAHCHINAELECTRICPOWERRESEARCHINSTITUTECO，LTD，BEIJING100045，CHINA；2INSTITUTEOFENGINEERINGTHERMOPHYSIES，CHINESEACADEMYOFSCIENCES，BEIJING100190，CHINA；3UNIVERSITYOFCHINESEACADEMYOFSCIENCES，BEIJING100049，CHINA；4KEYLABORATORYOFWINDENERGYUTILIZATIONOFTHECHINESEACADEMYOFSCIENCES，BEIJING100190，CHINAABSTRACTINORDERTOVERIFYANDSTUDYTHEOUTPUTCHARACTERISTICSOFDISTRIBUTEDENERGYSYSTEMBASEDONTHEINTEGRATIONSYSTEMOFWINDPOWERGENERATIONANDADVANCEDADIABATICCOMPRESSEDAIRENERGYSTORAGEAACAES，ADISTRIBUTEDENERGYSYSTEMWITHWINDENERGYSTORAGETECHNOLOGYWASESTABLISHEDANDPARAMETRICEXPRESSIONSABOUTENERGYWEREDEDUCEDTHERMODYNAMICALLYTHERELATIONSHIPBETWEENTHEOUTPUTCHARACTERISTICSOFDISTRIBUTEDENERGYSYSTEMANDHEATENERGYUTILIZATIONWASDETERMINED，ANDADVANTAGESOFDISTRIBUTEDENERGYSYSTEMWEREANALYZEDWITHANEXAMPLEOFONEOFFICEBUILDINGRESULTSSHOWTHATPOWERISDECREASINGWITHHEATINGINCREASING，MEANWHILECOOLINGANDTHETOTALENERGYOUTPUTAREINCREASING；COMPAREDWITHTHEMODELOFPOWER，THETOTALENERGYOUTPUTOFDISTRIBUTEDENERGYMODELAREMOREONTHEPREMISEOFENSURINGTHEDEMANDOFCOOLINGANDHEAT，ANDDISTRIBUTEDENERGYMODELISMOREENERGYEFFICIENTWHENTHETOTALENERGYOUTPUTARETHESAMEKEYWORDSDISTRIBUTEDENERGY；WINDENERGYSTORAGE；AACAESSYSTEM；ENERGYUTILIZATION符号说明E为电动机耗电量，J；E为发电机发电量，J；为压气机耗功量，J；为透平机出功量，J；可为系统的电效率；口为系统储热量，J；Q为系统供热量，J；Q为系统供冷量，J；为系统供热量比例；0前言为电动机效率；叼为发电机效率；田为压气机的等熵效率；叼为透平机的等熵效率；为系统的热效率；为温度，K；P压力，PA；S为换热器能效；Y为空气用热量比例；随着风能资源的重要性日益突出，世界各国都在加紧对M为空气质量，KG；M为水的质量，KG；C为空气定压比热，JKGK；C为水的比热，JKGK；为系统的冷效率；7R为压气机压比；为透平机膨胀比；为空气的比热容比。风能资源的开发和利用。而为了避免风能转化为电能时所带来的电力不稳定性问题，风电技术与储能系统的结合应用是目前比较可靠的一种解决方案。以先进绝热压缩空气储能ADVANCEDADIABATICCOMPRESSEDAIRENERGYSTORAGE，简称收稿日期20130320基金项目本课题受国家科技支撑计划课题201LBAA07B04及国家自然科学基金项目51176191资助。作者简介王凯1981男，黑龙江大庆人，博士，高级工程师，主要从事发电设备节能优化及故障诊断技术研究工作。336汽轮机技术第55卷AACAES系统为例，该系统可以将富余风能得到的电力转化为热能和空气的内能进行存储，在需要时再转化为电力对外输出J。因此，通过将风电系统与储能系统结合使用，可以有效解决风力发电的不稳定带来的电力供应与用户需求不平衡性问题。目前已有不少学者开展了风能与AACAES系统结合应用的研究工作，其工作重点为集成系统电力输出的优化分析J。但在实际情况中，在风能资源丰富的某些地区，有时会出现用户对于电力的需求较少而对冷量和热量的需求较多的情况，此时将AACAES系统存储的能量以电能形式对外输出并不能有效地解决用户对于冷热电的需求问题，并且将电能转化为冷量和热量会造成能量品位的降低，造成能量的浪费。因此，风电与AACAES集成系统用于分布式供能的研究十分重要，而目前针对该领域的研究工作却很少。本文在15MWAACAES系统设计方法川的基础上，建立了一种基于风能储能的分布式能源系统，并从热力学角度对系统的供能特性和规律进行分析。这对于弥补风能与储能集成系统的供能缺陷，解决系统供能和用户端用能的能量平衡问题，实现风能资源的高效利用具有重要意义。1系统描述图1中为以风电和AACAES集成系统为基础的分布式能源系统。为实现分布式供能，集成系统利用储热器存储压缩空气的过程热，并根据需求进行热量分配，一部分供给热用户实现直接供热，一部分返还给压缩空气增加出功，而经膨胀后的空气温度较低，可用于制冷。本文的假设条件如下1空气为理想气体，满足理想气体状态方程；冷却介质为水；空气与水的比热为定值。2不考虑管道、储气室及换热器中的压力损失，忽略换热器、储热器换热时的热量损失。3一次循环包括一次储能过程和一次做功过程，假设每次循环均完全利用储热器中的热量，并假定供热占总热量的比例为XO1，压缩空气用热量所占比例为YOY1，则有Y1；储气室采用等温模型，仅考虑进出口气体温度，并认为储气室出口气体温度与环境温度相等。4风电机供给给AACAES系统的电能可以被完全利用。图1基于风能储能的冷热电联产系统示意图在上述假设条件下，将图1所示系统分解为电动机、压气机、换热器1、储热器、热用户、储气室、换热器2、透平机、冷用户、发电机10个部件，对系统基本参数进行推导。1电动机假设电动机将电转化为功的效率为，则当压气机耗功为时，需要的电量E为E1M2压气机根据压气机的耗功公式，当空气质量为M。、等熵效率为时，压气机的耗功量为2压气机出口空气温度为J二L113RC式中，7R为压比，为比热容比，17为空气的定压比热，R，为压气机的进气温度，且等于环境温度。3换热器1与换热器1相关的参数为能效与温度。根据换热器能效S的定义，可以得到4式中，M为水的质量，C为水的比热。本文中假设MCPMC，则根据式4可以得到空气的出口温度与水的出口温度。4储热器经过换热器1的热量交换，热量存储于储热器中，储热量为QMC一RO55热用户定义系统的供热量为热用户的用热量，则供热量可由比例确定QQ一XMC一7“066储气室根据假设条件，储气室的出口气体温度为R47“O77换热器2储热器返还给空气的热量为YQ。根据换热器2的能效定义，换热器2处空气的出口温度一S2YTW一7“4R488透平机透平机的输出功为L一M。C17叼9出口气体温度为1一叼17R】109发电机发电机将输出功转化为电力对外输出，假设发电机的电力转换效率为叼，则系统的供电量为E仉11第5期王凯等一种基于风能储能的分布式能源系统3371O冷用户出口温度等于环境温度，则系统供冷量为QMCP一7“612此外，考虑到系统的制冷能力与储热器中的热量分配有关，故首先确定系统可同时输出冷热电的和Y的变化范围。根据RO，当透平机出口温度RO时，系统恰好没有制冷量。故假设透平机的出口温度RO，根据式10，可以得到温度71131一叼1一仃_假设系统的最小供热量为Q，则返还给空气的最大热量为YM口。根据热量守恒得到YM14“S2Q可确定。由此便得到集成系统用于分布式供能时对外输出冷热电的和Y的变化范围。目前已有不少评价方法用于评价多功能能源系统的能量输出特性。为了确定该分布式供能系统的冷热电输出能力，本文将从热力学第一定律的角度对系统能量输出特性进行分析。2能量输出特性分析参照文献中参数的取值，参数值如表1所示。根据表I中的参数，利用式13和式14，得到RM1475，X一0475，即当储热器返还给空气的热量为其存储热量的1475倍时，透平出口气体温度恰好等于环境温度，系统无制冷量。但由于同时需要满足01，故系统可供冷时的的变化范围为01，且Y1。当参数确定，便可得的值，而根据XY1，X也表1系统主要参数及取值在上述约束条件下，根据参数公式可以得到随变化，冷热电输出的变化趋势，如图2所示。萎蛊受图2随的变化，冷热电的变化由于系统的耗电量与无关，故以系统耗电量为基准，可定义系统供电量与耗电量的比值为电效率田，同理定义系统的热效率，7和冷效率。由图2可见，当由0变化至1时，叩由523降至391，7H由0升至630，吼由140升至435。这是由于随着热用户用热量的增加，透平机的出功由于进口气体温度降低而减少，故供电量减少，同时由于透平出口气体温度下降，系统的供冷量增加，且当X0时系统已经有一定的制冷能力。从能量输出总量上看，X越大，系统的能量输出总量越多。图3所示为变化时冷热电的输出值占系统输出能量丑蛊钼镰趱上綦佥热用户的用热量所占比例图3随的变化，冷热电比例的变化总量的比重的变化情况。在X0时，系统的供热量为0，供电量占能量输出总量的789，供冷量为211。随着的增大，供电量所占比例逐渐减小，供热和供冷量所占比例增加。当X1时，供电量所占比例降至268，供热量升至433，供冷量升至299。可见系统在较低时以供电为主，而随着的增大，系统以供热为主；系统的供冷量所占比例的变化随X的变化不大。3模型比较目前，针对风电与AACAES集成系统的研究工作多以系统出功、发电量最大为衡量标准，本文称之为集成系统的338汽轮机技术第55卷“供电模型”。对于供电模型，为保证发电量最大，需尽可能多地返还储热器中的热量以提高透平的进气温度，故供电模型对应于图2中X0的状态点，同时，由于不考虑透平做功之后的空气状态，供电模型的输出仅有发电量。下面将分别从折合发电量和相对节能率的角度比较两种模型的区别。31折合发电量以某标准型写字楼为例，一天内的电量需求以LOOJ为基础，得到其在冬季某天内24H冷热电需求量的变化情况，如图4所示。其中，以电量需求为LOOJ为基准，热量需求为798J，冷量需求为89JO由L榷唧佥图4随时间的变化，某写字楼内冷热电需求的变化假设X0时系统的供电量为LOOJ，即供电模型的电力输出与写字楼的电力需求相等，则此时供电模型不能满足冷量和热量需求；当以满足写字楼需要的冷量和热量为首要目标时，供电模型需要借助其它方式满足冷量和热量的供应。而对于分布式供能模型，可以在满足写字楼需要的冷量和热量的基础上，利用电厂发电补充电力供应和需求的差值。考虑到冷热电的品位不同，将写字楼的冷热电需求量分别转化为燃料量。参考文献，常规子系统的能量转化效率如下假设电量从电网获得，且电厂的发电效率为347；热量可由热水锅炉提供，且热效率为90；冷量由电压缩制冷获得，且COP25。则在满足冷量和热量需求的前提下，供电模型的折合发电量为，一导一Q15计算得到供电模型的折合发电量为电力需求量的657。而对于分布式供能模型，当其能量消耗与供电模型相同时，根据图2可以确定，当X67时分布式供能模型的供热量可满足写字楼的热量需求；此时分布式供能模型的供冷量为冷量需求的72倍，供电量为电力需求的831。因此，当两模型的能量消耗相同时，在满足写字楼冷量和热量需求的前提下，供电模型的折合发电量为写字楼电力需求量的657，而分布式供能模型的供电量比供电模型高174，同时供冷量为冷量需求的72倍。32相对节能率在上述常规子系统的能量转化效率的基础上，当假设两模型的能量输出对应的燃料值相同时，可比较两模型的燃料消耗，定义相对节能率伽毕16其中为供电模型需要的燃料。为冷热电联供模型消耗的燃料。结果如图5所示。由图5可见，随的增大，相对节能率由10升至35，铸4M霞热用户的用热量所占比例图5随的变化，相对节能率的变化即当满足用户端的冷热电需求时，相比供电模型，分布式供能模型需要的燃料更少，且最大节能率为35。综上，相比供电模型，从能量输出角度来看，当消耗同样的能量时，分布式供能模型输出的能量更多且更有针对性；而从能量消耗角度，分布式供能模型节能效果更明显。4结论1提出了一种基于风能储能技术的分布式能源系统模型，从热力学角度对系统的供能特性进行了分析，得到了系统输出冷热电的变化规律。2通过对分布式能源系统储热器中的热量利用进行控制，得到了系统输出冷热电的比重与储热器中热量利用的关联性。3以某写字楼为例，比较了供电模型与分布式供能模型平衡负荷的差别，并以折合发电量和相对节能率进行衡量。结果显示，以满足冷和热需求为前提，分布式能源系统的效益更好，更节能。参考文献1CH