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第 5 5卷 第 5期 2 0 1 3年 1 0月 汽轮机技术 TURBI NE TECHNOLOGY V0 1 5 5 No 5 0ct 2 0 1 3 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 1 0 0 0 4 5 ； 2中国科 学院工程热物理研 究所， 北京 1 0 0 1 9 0 ； 3中国科 学院研究生院 ， 北京 1 0 0 0 4 9； 4中国科学院风能利 用重点 实验室， 北京 1 0 0 1 9 0 ) 摘要： 为了验证和分析风电与先进绝热压缩空气储能( A d v a n ce d A d ia b a t ic C o m p r e s s e d A ir E n e r g y S t o r a g e ， 简称 A A C A E S ) 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； A AC A E S系统 ； 能量利用 分类号： T K O 1 文献标识码 ： A 文章编号： 1 0 0 1 - 5 8 8 4 ( 2 0 1 3 ) 0 5 - 0 3 3 5 - 0 4 A D is t r ib u t e d En e r g y S y s t e m B a s e d o n Win d E n e r gy S t o r a g e WANG Ka i ， Z HANG Yu a n ， S UN Ya n p in g ， YANG K e ( 1 N o a h C h i n a E l e ct r ic P o w e r R e s e a r ch I n s t i t u t e C o ， L t d ， B e i j in g 1 0 0 0 4 5 ， C h i n a ； 2 I n s t i t u t e o f E n g in e e r in g T h e r m o p h y s i e s ， C h i n e s e A ca d e m y o f S ci e n ce s ， B e i j in g 1 0 0 1 9 0 ， C h i n a ； 3 U n i v e r s it y o f C h i n e s e A ca d e m y o f S cie n ce s ， B e i j i n g 1 0 0 0 4 9 ， C h i n a ； 4 K e y L a b o r a t o r y o f Wi n d E n e r g y U t il iz a t io n o f t h e C h i n e s e A ca d e m y o f S cie n ce s ， B e i j i n g 1 0 0 1 9 0 ， C h in a ) Ab s t r a ct ： I n o r d e r t o v e ri f y a n d s t u d y t h e o u t p u t ch a r a ct e ri s t i cs o f d is t ri b u t e d e n e r g y s y s t e m b a s e d o n t h e i n t e g r a t i o n s y s t e m o f w i n d p o w e r g e n e r a t i o n a n d A d v a n ce d A d i a b a t i c C o mp r e s s e d A i r E n e r g y S t o r a g e( A A C A E S ) ， a d is t rib u t e d e n e r gy s y s t e m w it h wi n d e n e r g y s t o r a g e t e ch n o l o gy wa s e s t a b l is h e d a n d p a r a me t ri c e x p r e s s io n s a b o u t e n e r gy w e r e d edu ce d t h e r mo d y n a mi ca l ly T h e r e la t io n s h ip b e t we e n t h e o u t p u t ch a r a ct e ri s t ics o f d is t ri b u t e d e n e r gy s y s t e m a n d h e a t e n e r gy u t iliz a t io n wa s d e t e r min e d， a n d a d v a n t a g e s o f d is t ri b u t e d e n e r gy s y s t e m w e r e an a ly z e d wit h an e x a mp le o f o n e o f f ice b u ild in g Re s u lt s s h o w t h a t p o w e r is d e cr e a s in g wit h h e a t in g in cr e a s in g ， me a n w h ile co o lin g a n d t h e t o t al e n e r g y o u t p u t are in cr e a s in g ；co mp a r e d wit h t h e mo d e l o f p o we r ， t h e t o t a l e n e r gy o u t p u t o f d is t r ib u t e d e n e r gy mo d e l are mo r e o n t h e p r e mis e o f e n s u ri n g t h e d e ma n d o f co o l in g a n d h e a t ， a n d d i s t ri b u t e d e n e r gy mo d e l i s mo r e e n e r g y e ff i cie n t wh e n t h e t o t al e n e r gy o u t p u t a r e t h e s a me Ke y wo r d s ： d is t r ib u t e d e n e r g y； win d e n e r gy s t o r a g e ； AA- CAES s y s t e m ； e n e r g y u t iliz a t io n 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 ， P a ； 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， k g ； m 为水的质量， k g ； c 为空气定压比热， J ( k g K) ； C 为水的 比热 ， J ( k g K) ； 为系统的冷效率； 7 r 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 ( A d v a n ce d A d i a b a t i c C o mp r e s s e d A ir E n e r gy S t o r a g e ， 简 称 收稿 日期 ： 2 0 1 3 - 0 3 - 2 0 基金项 目： 本课题受 国家科技支撑计划课题 ( 2 0 1 lB AA 0 7 B 0 4 ) 及 国家 自然科学基金项 目( 5 1 1 7 6 1 9 1 ) 资助 。 作者简介 ： 王凯 ( 1 9 8 1 - ) 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。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 3 3 6 汽轮机技术 第 5 5卷 A A C A E S ) 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 A A C A E S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 A A C A E S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 A A - C A E S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 1 5 MW A A C A E S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 A A C A E S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 x( o 1 ) ， 压缩空气用热量所 占比例为 Y ( o Y 1 ) ， 则有 +Y=1 ； 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 A A C A E S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 1 0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： E ： ( 1 ) m ( 2 ) 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L ： + 1 1 ( 3 ) -r c 式中， 7 r 为压比， 为比热容比， 1 7 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 m C p= m C ， 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 ： Q =m c ( 一r o ) ( 5 ) ( 5 ) 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： Q = Q 一 =X m c ( 一7 0 ) ( 6 ) ( 6 ) 储气室 根据假设条件， 储气室的出口气体温度为 r 4= 7 o ( 7) ( 7 ) 换热器 2 储热器返还给空气的热量为 y Q 。根据换热器 2的能 效 ： 定义， 换热器 2处空气的出口温度： 一 s 2 Y ( T w一7 4 )+r 4 ( 8 ) ( 8 ) 透平机 透平机的输出功 为： l一 =m。 c ( 17 ) 叼 ( 9 ) 出口气体温度为 ： = 1一叼 ( 17 r ) 】 ( 1 0 ) ( 9 ) 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 ( 1 1 ) 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 5 期 王凯等： 一种基于风能储能的分布式能源系统 3 3 7 ( 1 O ) 冷用户 出口温度 等于环境温度， 则系统供冷量为： q =m C p ( 一7 6 ) ( 1 2 ) 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 =r o ， 当透平机出口温度 ：r o 时， 系统恰好没 有制冷量。故假设 透平机 的出 口温度 =r o ， 根据式 ( 1 0 ) ， 可以得到温度 ： 7 1 = ( 1 3 ) 1一叼 ( 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 y m 口 。根据热量守恒得到： y m ： ( 1 4 ) “ s 2 Q 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( 1 3 ) 和式( 1 4 ) ， 得到 r m = 1 4 7 5 ， X ：一 0 4 7 5， 即当储热器返还给空气的热量为其存 储热量的1 4 7 5 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： 0 1 ， 故系统可 供冷时的 的变化范围为 ： 0 1 ， 且 +Y=1 。 当参数确定 ， 便可得 的值， 而根据 X+Y=1 ， 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5 2 3 降至3 9 1 ， 7 H由 0升至6 3 0 ， 吼 由 1 4 0 升至4 3 5 。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 X： 0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 X= 0时， 系统的供热量为0 ， 供 电量占能量输出总量的7 8 9 ， 供冷量为2 1 1 。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 X=1时， 供电量所 占比例降至2 6 8 ， 供热量升至 4 3 3 ， 供冷量升至2 9 9 。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 A A C A E S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 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 3 3 8 汽轮机技术 第 5 5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X= 0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。 3 1 折合发 电量 以某标准型写字楼为例 ， 一天内的电量需求以 l O O J为 基础， 得到其 在冬季 某天内 2 4 h冷热 电需求量 的变化情 况 ， 如图4所示。其中， 以电量需求为 l O O J 为基准， 热量 需求为7 9 8 J ， 冷量需求为8 9 J o 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 X： 0时系统的供 电量为 l O O J ， 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3 4 7 ； 热量可由热水锅炉提供 ， 且热效率为9 0 ； 冷量由电压缩制 冷获得， 且 C O P=2 5 。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 Q ( 1 5 ) 计算得到供电模型的折合发电量为电力需求量 的6 5 7 。 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X=6 7 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7 2 倍 ， 供电量为电力需求的8 3 1 。 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6 5 7 ， 而分布式供能模型的供电量比供 电模型高 1 7 4 ， 同时供冷量为冷量需求的7 2 倍。 3 2 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 ( 1 6 ) 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1 0 升至3 5 ， 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3 5 。 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 1 C H E N H， C O N G T N， YA N G W， e t a 1 P r o g r e s s i n E l e c t r ic a l E n e r g Y S t o r a g e S y s t e m： A C rit i c a l R e v i e w J P r o gre s s i n Na t u r al S c i e n e e ， 2 0 0 9， 1 9 ( 3 ) ： 2 9 13 1 2 2 S U C C A R S ， WI L L I AM S R HC o mp r e s s e d A i r E n e r g y S t o r a g e ： T h e o r y ， R e s o u r c e s