壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)放氣過(guò)程熱力學(xué)特性分析摘要Ⅰ摘要Ⅰ摘要隨著國(guó)家對(duì)能源結(jié)構(gòu)的改革和發(fā)展，可再生能源在未來(lái)的能源電力市場(chǎng)將會(huì)占據(jù)重要的地位。除此之外，我國(guó)的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、環(huán)境的發(fā)展也必然會(huì)促進(jìn)新能源市場(chǎng)的不斷發(fā)展與研究，這將為我們的國(guó)家?guī)?lái)巨大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。但是由于可再生能源不像火力發(fā)電那樣穩(wěn)定、持續(xù)，其發(fā)電的波動(dòng)性和間歇性將會(huì)對(duì)電網(wǎng)帶來(lái)不小的沖擊，在國(guó)家大力發(fā)展智慧電網(wǎng)的同時(shí)，儲(chǔ)能技術(shù)，尤其是壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)得到越來(lái)越多的青睞，壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)所具有的清潔環(huán)保和電網(wǎng)協(xié)調(diào)作用，逐漸被我們所利用。本課題先對(duì)壓縮空氣儲(chǔ)能的背景和意義進(jìn)行論述，又分別討論了儲(chǔ)能技術(shù)的原理和分類，尤其是對(duì)本課題所涉及到的等溫絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)和絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，然后列舉了現(xiàn)今國(guó)內(nèi)和國(guó)外壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)的研究現(xiàn)狀。本課題針對(duì)壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的儲(chǔ)氣裝置進(jìn)行了詳細(xì)的分析。以等溫和絕熱兩種儲(chǔ)氣裝置為研究對(duì)象，對(duì)儲(chǔ)氣裝置運(yùn)行時(shí)其中所涉及到的的熱力學(xué)原理，如熱力學(xué)第一定律、理想氣體狀態(tài)方程、等溫過(guò)程和絕熱過(guò)程等的概念和公式進(jìn)行了概述，然后利用熱力學(xué)原理對(duì)放氣過(guò)程涉及到的熱力學(xué)參數(shù)，即放氣過(guò)程儲(chǔ)氣室內(nèi)的壓力、溫度、空氣的密度、膨脹機(jī)做功進(jìn)行了詳細(xì)的分析和計(jì)算，并利用MATLAB進(jìn)行數(shù)學(xué)建模和過(guò)程的數(shù)據(jù)模擬，得出儲(chǔ)氣室內(nèi)的壓力、溫度、空氣的密度、膨脹機(jī)做功過(guò)程曲線，得出了放氣過(guò)程的放氣質(zhì)量、做功總量、釋能時(shí)間的對(duì)比結(jié)果，然后根據(jù)所得出的結(jié)果進(jìn)行拓展分析，對(duì)比了等溫、絕熱兩個(gè)過(guò)程的儲(chǔ)氣設(shè)備、能量效率、釋能方案、發(fā)展前景等方面的差異，最后提出一些改進(jìn)建議并進(jìn)行總結(jié)。關(guān)鍵詞：壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)；熱力學(xué)特性；等溫過(guò)程；絕熱過(guò)程AbstractⅡAbstractⅢTitle ThermodynamiccharacteristicsanalysisoftheairreleaseprocessofcompressedairenergystoragesystemAbstractWiththecountry'sreformanddevelopmentoftheenergystructure,renewableenergywilloccupyanimportantpositioninthefutureenergyandelectricitymarket.Inaddition,China'seconomic,socialandenvironmentaldevelopmentwillinevitablypromotethecontinuousdevelopmentandresearchofthenewenergymarket,whichwillbringhugeeconomicandsocialbenefitstoourcountry.However,becauserenewableenergyisnotasstableandcontinuousasthermalpowergeneration,thevolatilityandintermittenceofitspowergenerationwillhaveabigimpactonthepowergrid.Whilethecountryisvigorouslydevelopingsmartgrids,energystoragetechnologies,especiallycompressedairEnergystoragetechnologyisgettingmoreandmorepopular,andthecleanenvironmentalprotectionandgridcoordinationroleofcompressedairenergystoragetechnologyisgraduallybeingusedbyus.Thistopicfirstdiscussesthebackgroundandsignificanceofcompressedairenergystorage,andseparatelydiscussestheprinciplesandclassificationofenergystoragetechnology,especiallytheisothermaladiabaticcompressedairenergystoragetechnologyandadiabaticcompressedairenergystoragetechnologyinvolvedinthistopic.Afteradetailedintroduction,thecurrentresearchstatusofcompressedairenergystoragetechnologyinChinaandabroadislisted.Thistopicanalyzesthegasstoragedeviceofcompressedairenergystoragesystemindetail.Takingisothermalandadiabaticgasstoragedevicesasresearchobjects,theconceptsandformulasofthermodynamicprinciplesinvolvedintheoperationofgasstoragedevices,suchasthefirstlawofthermodynamics,theequationoftheidealgasstate,isothermalprocessandadiabaticprocessThispapergivesanoverview,andthenusesthermodynamicprinciplestoanalyzeandcalculatethethermodynamicparametersinvolvedinthegasdischargeprocess,thatis,thepressure,temperature,airdensity,andexpanderworkinthegasstoragechamberduringthegasdischargeprocess.Thedataofthemoldandtheprocessaresimulatedtoobtainthepressure,temperature,airdensity,andworkprocesscurveoftheexpanderinthegasstoragechamber.Basedontheresultsobtained,anextendedanalysiswascarriedout,comparingthedifferencesingasstorageequipment,energyefficiency,energyreleaseplan,developmentprospectsandotheraspectsofisothermalandadiabaticprocesses,andfinallyputforwardsomeimprovementsuggestionsandsummarized.Keywords:compressedairenergystoragetechnology;thermodynamicproperties;isothermalprocess;adiabaticprocess 目錄目錄 目錄 摘要 ⅠAbstract ⅡTOC第1章緒論 -第2章CAES系統(tǒng)儲(chǔ)氣室放氣過(guò)程熱力學(xué)理論2.1引言利用熱力學(xué)的方法可以對(duì)復(fù)雜的熱力過(guò)程按照一定規(guī)律進(jìn)行簡(jiǎn)化，形成幾個(gè)簡(jiǎn)單過(guò)程的組合，因此在計(jì)算儲(chǔ)氣室熱力學(xué)特性時(shí)，為了方便計(jì)算，可以將整個(gè)過(guò)程看作為一個(gè)理想氣體的熱力過(guò)程，由于在本文將對(duì)等溫壓縮空氣儲(chǔ)能和絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能這兩種基本型的儲(chǔ)氣室進(jìn)行熱力學(xué)特性分析，所以本章將介紹理想氣體熱力過(guò)程的兩種特殊過(guò)程—等溫過(guò)程和絕熱過(guò)程，分別對(duì)這兩種過(guò)程進(jìn)行介紹，方便后續(xù)章節(jié)的討論。2.2等溫過(guò)程在等溫過(guò)程中，工質(zhì)的溫度是恒定的，T=定值，即過(guò)程的初終態(tài)有，為初態(tài)溫度，為終態(tài)溫度。對(duì)于理想氣體，其過(guò)程方程式有：定值，（2-1）、為初終態(tài)壓力，、為初終態(tài)體積。式（2-1）說(shuō)明在等溫過(guò)程中氣體的壓力與體積成反比。等溫過(guò)程p-v圖及T-s圖如圖2-1所示，等溫過(guò)程曲線在p-v圖上為一條等軸雙曲線，在T-s圖上為一條平行于橫坐標(biāo)的直線。（a）等溫過(guò)程p-v曲線（b）等溫過(guò)程T-s曲線圖2-1等溫過(guò)程p-v圖及T-s圖2.3絕熱過(guò)程絕熱過(guò)程指的是系統(tǒng)與外界沒有熱量交換的熱力過(guò)程。即：（2-2）絕對(duì)的絕熱過(guò)程很難實(shí)現(xiàn)，所以當(dāng)實(shí)際的熱力過(guò)程進(jìn)行的很快，而且工質(zhì)與系統(tǒng)外界換熱量較少時(shí)，可以近似的將其看作為絕熱過(guò)程。絕熱過(guò)程的方程式為定值（2-3）所以絕熱過(guò)程方程式為指數(shù)方程。該方程式的使用范圍為比熱容取定值的理想氣體可逆絕熱過(guò)程。絕熱指數(shù)一般用k表示，k恒大于1。實(shí)際上，氣體的絕熱指數(shù)并不是一個(gè)定值，往往隨著工質(zhì)溫度的上升而變大。將過(guò)程的初、終態(tài)參數(shù)p、T、v和理想氣體狀態(tài)方程帶入到（3）式中，有：（2-4）（2-5）（2-6）可逆絕熱過(guò)程p-v圖及T-s圖如圖2-2所示。（a）絕熱過(guò)程p-v曲線（b）絕熱過(guò)程T-s曲線圖2-2絕熱過(guò)程p-v圖及T-s圖可逆絕熱過(guò)程在p-v圖上的斜率，所以為一條高次的曲線，與等溫曲線的斜率相比較，因?yàn)閗>1，絕熱過(guò)程的曲線斜率的絕對(duì)值要大于等溫曲線的斜率絕對(duì)值，故可逆絕熱過(guò)程的曲線更陡。在T-s圖上，可逆絕熱過(guò)程曲線為一條平行于豎坐標(biāo)的直線。由熱力學(xué)第一定律可知，絕熱過(guò)程無(wú)論是否有摩擦，系統(tǒng)對(duì)外界作的膨脹功和技術(shù)功分別等于絕熱過(guò)程前后熱力學(xué)能的減少和焓的減少，故對(duì)比熱容為定值的理想氣體有：膨脹功：（2-7）技術(shù)功：（2-8）對(duì)于后面章節(jié)膨脹機(jī)的計(jì)算而言，因?yàn)榕蛎洐C(jī)為開口系，所以在計(jì)算膨脹機(jī)做功時(shí)本文不考慮流體的推動(dòng)功，只考慮輸出功，所以膨脹機(jī)的做功的大小等于技術(shù)功。2.4本章小結(jié)本章針對(duì)在壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)放氣過(guò)程中，儲(chǔ)氣室內(nèi)空氣熱力學(xué)特性的分析提供熱力學(xué)理論基礎(chǔ)，綜上所述，由理想氣體狀態(tài)方程和等溫過(guò)程、絕熱過(guò)程的方程式，可以得出，在釋能過(guò)程中儲(chǔ)氣裝置內(nèi)空氣溫度、壓力的變化規(guī)律，在后續(xù)章節(jié)對(duì)等溫和絕熱兩種儲(chǔ)氣方式的儲(chǔ)氣室進(jìn)行數(shù)學(xué)模型建立時(shí)，將會(huì)變得更加清晰。第3章CAES系統(tǒng)放氣過(guò)程儲(chǔ)氣室模型研究第3章CAES系統(tǒng)放氣過(guò)程儲(chǔ)氣室模型研究3.1引言儲(chǔ)氣室的模型建立和計(jì)算比較復(fù)雜，因此本章僅進(jìn)行熱力學(xué)方面的相關(guān)分析。在壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)放氣時(shí)，整個(gè)儲(chǔ)氣室相當(dāng)于一個(gè)在一定壓力范圍和溫度范圍運(yùn)行的黑盒子，儲(chǔ)氣室內(nèi)空氣的壓力，溫度，質(zhì)量的變化規(guī)律都不能直觀的觀測(cè)到，釋能時(shí)間也很難直接測(cè)出?，F(xiàn)在世界上應(yīng)用較多的壓縮空氣儲(chǔ)氣形式較多為絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能，等溫壓縮空氣儲(chǔ)能作為新興的壓縮空氣儲(chǔ)能形式具有很大的發(fā)展前途，因此，本章將對(duì)等溫釋能和絕熱釋能兩個(gè)過(guò)程的熱力學(xué)參數(shù)變化進(jìn)行詳細(xì)的分析，以便下一章進(jìn)行數(shù)據(jù)的建模和結(jié)論的得出。3.2等溫壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)放氣過(guò)程儲(chǔ)氣室模型建立等溫儲(chǔ)能放氣過(guò)程的特點(diǎn)是在放氣過(guò)程使用換熱工質(zhì)水加熱空氣的膨脹過(guò)程，使得儲(chǔ)氣室內(nèi)的溫度不因氣體膨脹而降低。保持在一個(gè)恒溫的狀態(tài)。為了方便計(jì)算過(guò)程，本文在進(jìn)行儲(chǔ)氣室模型研究前，先建立以下假設(shè)：（1）將儲(chǔ)氣室內(nèi)的空氣視作理想氣體，滿足理想氣體狀態(tài)方程：（3-1）（2）儲(chǔ)氣室內(nèi)空氣的定容比熱容和定壓比熱容均為定值，且與絕熱指數(shù)k和氣體常數(shù)Rg有如下關(guān)系：（3-2）（3-3）（3-4）（3）儲(chǔ)氣室的總體積不變，且不會(huì)發(fā)生漏氣現(xiàn)象。（4）儲(chǔ)氣室內(nèi)各熱力學(xué)參數(shù)隨時(shí)間變化時(shí)都是瞬時(shí)變化，整個(gè)過(guò)程當(dāng)作可逆過(guò)程處理，且無(wú)任何化學(xué)變化和額外熱源加熱。（5）儲(chǔ)氣室儲(chǔ)能完成后進(jìn)行放氣，兩過(guò)程不同時(shí)進(jìn)行，且放氣過(guò)程中空氣流經(jīng)節(jié)流閥進(jìn)行定壓控制時(shí)忽略節(jié)流損失，儲(chǔ)氣室出口熱力學(xué)參數(shù)等于膨脹機(jī)入口熱力學(xué)參數(shù)。（6）儲(chǔ)氣室放氣過(guò)程中，放氣流量一定，膨脹機(jī)做功計(jì)算時(shí)按做功過(guò)程絕熱處理。（7）儲(chǔ)氣室壁面與外界環(huán)境無(wú)任何熱量的傳遞，壁面絕熱。3.2.1等溫儲(chǔ)能放氣過(guò)程儲(chǔ)氣室壓力、溫度模型建立由第二章等溫過(guò)程式（2-1）和理想氣體狀態(tài)方程（3-1）可以得出，等溫儲(chǔ)能系統(tǒng)放氣過(guò)程儲(chǔ)氣室內(nèi)壓力的方程：（3-5）即：（3-6）式中：—儲(chǔ)氣室放氣質(zhì)量流量，單位：kg/s；—儲(chǔ)氣室儲(chǔ)能結(jié)束時(shí)的壓力，單位：kPa；—等溫儲(chǔ)能系統(tǒng)放氣過(guò)程的壓力，單位：kPa；—等溫儲(chǔ)能系統(tǒng)放氣過(guò)程初始溫度，單位：K；t—時(shí)間，單位：h；V—儲(chǔ)氣室總?cè)莘e，單位：m3；此時(shí)，已經(jīng)得到了等溫儲(chǔ)能系統(tǒng)放氣過(guò)程壓力的變化公式，由于是等溫儲(chǔ)能，儲(chǔ)氣室內(nèi)溫度恒等于初始溫度，有。3.2.2等溫儲(chǔ)能放氣過(guò)程儲(chǔ)氣室密度、做功模型建立由式（3-1），可以得出儲(chǔ)氣室內(nèi)的最大質(zhì)量為：（3-7）在某時(shí)刻，儲(chǔ)氣室內(nèi)的空氣質(zhì)量大小如下：（3-8）此時(shí)，儲(chǔ)氣室內(nèi)空氣密度的大小為：（3-9）式中：—等溫壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)儲(chǔ)氣室內(nèi)最大質(zhì)量，單位：kg；—等溫儲(chǔ)能系統(tǒng)放氣過(guò)程儲(chǔ)氣室內(nèi)空氣質(zhì)量，單位：kg;—等溫儲(chǔ)能系統(tǒng)放氣過(guò)程儲(chǔ)氣室內(nèi)空氣密度，單位：kg/m3;由于節(jié)流閥節(jié)流過(guò)程為絕熱節(jié)流過(guò)程，該過(guò)程壓縮空氣的焓值不變，除此之外，節(jié)流損失也遠(yuǎn)小于等溫壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)放氣過(guò)程膨脹機(jī)做功，所以本文忽略節(jié)流過(guò)程。又因?yàn)榕蛎洐C(jī)做功為絕熱過(guò)程，所以由式（2-6），可以得到：（3-10）式中：—膨脹機(jī)進(jìn)口溫度，=，單位：K；—膨脹機(jī)出口溫度，單位：K；—膨脹機(jī)進(jìn)口壓力，單位：kPa；—膨脹機(jī)出口壓力，單位：kPa；將式（3-10）帶入到式（2-8）中，可以得出膨脹機(jī)所做的功率為：（3-11）對(duì)式（3-11）進(jìn)行積分，可以得到等溫壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)放氣過(guò)程膨脹機(jī)做的功為：（3-12）3.3絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)放氣過(guò)程儲(chǔ)氣室模型建立與等溫壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)模型建立過(guò)程相似，本文將建立絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能放氣過(guò)程儲(chǔ)氣室的數(shù)學(xué)模型，兩過(guò)程的區(qū)別在于在計(jì)算時(shí)儲(chǔ)氣室是否絕熱，這將使絕熱過(guò)程的計(jì)算數(shù)據(jù)與等溫過(guò)程的計(jì)算數(shù)據(jù)有明顯的差別。3.3.1絕熱儲(chǔ)能系統(tǒng)放氣過(guò)程儲(chǔ)氣室溫度、壓力模型建立由于儲(chǔ)氣室絕熱，可以得出在絕熱儲(chǔ)能系統(tǒng)放氣過(guò)程中儲(chǔ)氣室初始溫度是整個(gè)過(guò)程溫度的最大值，同樣壓力也為最大壓力，由此可以得到溫度的最大值A(chǔ)DDINCNKISM.Ref.{D3D8AC1CC3D84420ABAFFF3F91AF493C}[7]。在絕熱儲(chǔ)能系統(tǒng)儲(chǔ)能過(guò)程中，儲(chǔ)能時(shí)間為：（3-13）為儲(chǔ)氣室的初始?jí)毫?，在?chǔ)能結(jié)束時(shí)，儲(chǔ)氣室內(nèi)的空氣溫度為最大值：（3-14）為儲(chǔ)氣室內(nèi)初始質(zhì)量，將計(jì)算后的儲(chǔ)能時(shí)間帶入到式（3-14）中，由此就可以得到儲(chǔ)氣室溫度的最大值。此時(shí)，儲(chǔ)氣室內(nèi)空氣質(zhì)量也為最大值：（3-15）由式（3-5），可以得到：（3-16）式中：—絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)儲(chǔ)氣室內(nèi)最大質(zhì)量，單位：kg；—絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)儲(chǔ)氣室內(nèi)的壓力，單位：kPa；—絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)儲(chǔ)氣室內(nèi)的溫度，單位：K；—絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)儲(chǔ)氣室內(nèi)的最大溫度，單位：K；—絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)儲(chǔ)氣室內(nèi)的最大壓力，單位：kPa；—絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)儲(chǔ)氣室進(jìn)氣壓力，單位：kPa；同樣的，由式（2-6），可以得到在絕熱儲(chǔ)能系統(tǒng)放氣過(guò)程中儲(chǔ)氣室內(nèi)溫度與壓力關(guān)系的方程式：（3-17）由式（3-13）和式（3-15），可以分別得到絕熱儲(chǔ)能系統(tǒng)放氣過(guò)程中儲(chǔ)氣室內(nèi)壓力和溫度的方程式：(3-18)（3-19）3.3.2絕熱儲(chǔ)能系統(tǒng)放氣過(guò)程儲(chǔ)氣室密度、做功模型建立由式（3-7）和式（3-8）可以得出，在絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)放氣過(guò)程儲(chǔ)氣室內(nèi)的空氣質(zhì)量為：（3-20）由此可以得到絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)放氣過(guò)程儲(chǔ)氣室密度為：（3-21）式中：—絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)儲(chǔ)氣室內(nèi)的質(zhì)量，單位：kg；—絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)放氣過(guò)程儲(chǔ)氣室內(nèi)空氣密度，單位：kg/m3;與等溫壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)膨脹機(jī)做功類似，絕熱節(jié)流過(guò)程忽略，有=，由式（3-11），可以得到絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)膨脹機(jī)所做的功率為：（3-22）對(duì)式（3-21）積分，可以得到膨脹機(jī)所做的功為：（3-23）3.4小結(jié)本章利用第二章的熱力學(xué)基礎(chǔ)理論，對(duì)等溫壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)放氣過(guò)程和絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)放氣過(guò)程的儲(chǔ)氣室的壓力、溫度、空氣的密度和膨脹機(jī)做功進(jìn)行了數(shù)學(xué)模型的構(gòu)建，給出了比較詳細(xì)的分析過(guò)程，為下一章儲(chǔ)氣室放氣過(guò)程熱力學(xué)過(guò)程模擬和結(jié)論的得出提供依據(jù)。在下一章，本文將利用本章所推導(dǎo)出的數(shù)學(xué)模型，對(duì)放氣過(guò)程進(jìn)行模擬，對(duì)所得到的結(jié)果進(jìn)行分析。第4章CAES系統(tǒng)儲(chǔ)氣室放氣過(guò)程軟件模擬第4章CAES系統(tǒng)儲(chǔ)氣室放氣過(guò)程軟件模擬4.1引言本章將利用數(shù)學(xué)模擬軟件MATLAB對(duì)模型建立的結(jié)果進(jìn)行計(jì)算，對(duì)所得結(jié)果進(jìn)行拓展，分析討論。因此，本文以某地下洞穴壓縮空氣儲(chǔ)能電站參數(shù)為例，進(jìn)行儲(chǔ)氣室放氣過(guò)程的模擬計(jì)算。見表4-1。表4-1某地下洞穴原始熱力參數(shù)參數(shù)設(shè)定值參數(shù)設(shè)定值工質(zhì)空氣大氣壓力0.1MPa放氣質(zhì)量流量250kg/s絕熱指數(shù)k1.4最大壓力6.6MPa理想氣體常數(shù)0.287最小壓力4.3MPa定壓比熱容1.004初始溫度293K儲(chǔ)氣室總體積V在計(jì)算時(shí)本文將進(jìn)行以下設(shè)定：（1）儲(chǔ)氣室初始?jí)毫?；（2）儲(chǔ)氣室內(nèi)初始溫度=293K與外界環(huán)境溫度相同；（3）絕熱節(jié)流過(guò)程焓值不變，忽略節(jié)流過(guò)程，有壓縮空氣進(jìn)入膨脹機(jī)的壓力等于儲(chǔ)氣室的排氣壓力，排氣壓力本文設(shè)定與相等，同理，膨脹機(jī)入口溫度與儲(chǔ)氣室排氣溫度相等；（4）膨脹機(jī)的出口壓力本文設(shè)定為；4.2壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)放氣過(guò)程模型軟件模擬本文將第三章的壓縮空氣等溫儲(chǔ)能和壓縮空氣絕熱儲(chǔ)能的熱力學(xué)參數(shù)公式在MATLAB中編程，利用軟件的圖像功能，模擬出了以下四個(gè)壓縮空氣儲(chǔ)能儲(chǔ)氣室放氣過(guò)程熱力學(xué)參數(shù)的變化圖像，分別為放氣過(guò)程儲(chǔ)氣室的壓力、溫度、空氣的密度、和膨脹機(jī)做功的曲線，如圖（4-1）、（4-2）、（4-3）、（4-4）所示。圖4-1儲(chǔ)氣室壓力變化曲線從圖4-1可以看出，隨著釋能時(shí)間增加，儲(chǔ)氣室內(nèi)壓力也隨之下降，從6.6MPa降至4.3MPa。在此過(guò)程中，絕熱過(guò)程放氣速度較快，放氣時(shí)間較短，而等溫過(guò)程放氣速度較緩和，放氣時(shí)間也比較長(zhǎng)。在放氣過(guò)程的質(zhì)量流量一定的條件下，絕熱過(guò)程和等溫過(guò)程的釋能時(shí)間相差約2.6個(gè)小時(shí)。圖4-2儲(chǔ)氣室溫度變化圖由圖4-2可以看出，忽略儲(chǔ)氣室室壁與外界環(huán)境的傳熱，隨著時(shí)間的變化，絕熱過(guò)程儲(chǔ)氣罐內(nèi)的溫度逐漸下降，從331K下降到了290K。由而等溫過(guò)程儲(chǔ)氣室溫度隨時(shí)間變化不變。整個(gè)絕熱放氣過(guò)程儲(chǔ)氣室溫差約為40℃。由下圖4-3可以看出在相同的進(jìn)氣條件下，當(dāng)儲(chǔ)能結(jié)束時(shí)，等溫過(guò)程儲(chǔ)氣室內(nèi)的空氣的密度要大于絕熱過(guò)程儲(chǔ)氣室內(nèi)的空氣的密度，即等溫過(guò)程儲(chǔ)氣量要大于絕熱過(guò)程。隨著釋能時(shí)間的變化，等溫過(guò)程和絕熱過(guò)程儲(chǔ)氣室內(nèi)空氣的密度逐漸下降，因?yàn)榉艢膺^(guò)程的質(zhì)量流量相同，故兩過(guò)程儲(chǔ)氣室內(nèi)空氣密度下降的速率是相同的。等溫過(guò)程儲(chǔ)氣室的空氣密度從78kg/m3下降到51kg/m3圖4-3儲(chǔ)氣室密度變化圖左右,而絕熱過(guò)程儲(chǔ)氣室內(nèi)的密度從69kg/m3下降到了50kg/m3左右，因?yàn)榈葴剡^(guò)程的儲(chǔ)氣量要大于絕熱過(guò)程，故絕熱釋能時(shí)釋放的空氣質(zhì)量要少一些。圖4-4膨脹機(jī)做功變化圖膨脹機(jī)做功如圖4-4。圖像表明，等溫過(guò)程膨脹機(jī)做功要大于絕熱過(guò)程，而絕熱過(guò)程膨脹機(jī)做功的速率要大于等溫過(guò)程，即絕熱過(guò)程膨脹機(jī)做功變化劇烈，而且做功時(shí)間要短。具體計(jì)算結(jié)果見表4-1。表4-2等溫過(guò)程和絕熱過(guò)程計(jì)算結(jié)果等溫釋能絕熱釋能釋能時(shí)間t/h9.1176.512放氣質(zhì)量/kg8.2051065.86106膨脹機(jī)做功W/kJ2.301091.751094.3等溫、絕熱儲(chǔ)能系統(tǒng)放氣過(guò)程對(duì)比分析從計(jì)算結(jié)果來(lái)看，絕熱過(guò)程的釋能時(shí)間、放氣質(zhì)量和膨脹機(jī)做功均小于等溫過(guò)程。所以以下本文將從對(duì)儲(chǔ)能設(shè)備影響方面、能量效率方面、釋能方案方面、發(fā)展前景等方面對(duì)兩種壓縮空氣儲(chǔ)能形式進(jìn)行對(duì)比分析。4.3.1等溫、絕熱過(guò)程對(duì)儲(chǔ)氣裝置的影響在壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，儲(chǔ)氣室內(nèi)的溫度和壓力對(duì)儲(chǔ)氣室性能指標(biāo)有較大的影響，相比之下，儲(chǔ)氣室壓力對(duì)儲(chǔ)氣裝置的影響要更大一些。對(duì)于參數(shù)一定的等溫壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)和絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)而言，由上一節(jié)得出的數(shù)據(jù)結(jié)論，可以知道，等溫壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)在放氣過(guò)程中儲(chǔ)氣室內(nèi)的壓力變化和溫度變化均比絕熱過(guò)程緩和，這不僅能夠增大儲(chǔ)能密度，解決單位存儲(chǔ)能量低的問(wèn)題，還能夠解決因絕熱過(guò)程參數(shù)變化劇烈而引起的儲(chǔ)能裝置材料的低溫冷脆現(xiàn)象，提高系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中儲(chǔ)氣設(shè)備的安全性以及使用壽命ADDINCNKISM.Ref.{4B525A8259B045bdBF4E5E84552FB758}[8]。4.3.2等溫、絕熱過(guò)程能量效率分析雖然壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)形式的不同，但基于熱力學(xué)第一定律，運(yùn)行時(shí)都會(huì)有機(jī)械能、電能、熱能之間的轉(zhuǎn)換，絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換流程圖和等溫壓縮儲(chǔ)能系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換流程圖如圖4-5、4-6所示。圖4-5絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能能量轉(zhuǎn)換流程圖絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能沒有燃燒室，所以沒有補(bǔ)燃帶來(lái)的額外熱量損失，在實(shí)際的運(yùn)行過(guò)程中，不可能形成絕對(duì)絕熱的條件，所以不可能將熱量100%的儲(chǔ)存，原因是大量的壓縮熱在壓縮過(guò)程形成，一部分的熱量會(huì)散失到外部環(huán)境中，除此之外，儲(chǔ)熱的工質(zhì)還不會(huì)在短時(shí)間內(nèi)將所有的熱量?jī)?chǔ)存，有一小部分熱量會(huì)在儲(chǔ)能裝置中散失。圖4-6等溫壓縮空氣儲(chǔ)能能量轉(zhuǎn)換流程圖等溫壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)也沒有燃燒室，所以也沒有燃料燃燒的熱量損失。由于在壓縮過(guò)程中，空氣連續(xù)的被冷卻介質(zhì)所冷卻，所以熱力學(xué)能損失較少。而壓縮階段儲(chǔ)氣室內(nèi)的理想溫度為外界的環(huán)境溫度，此時(shí)由于在儲(chǔ)氣室內(nèi)溫度與外界環(huán)境一致，所以也沒有熱能損失。在放氣的膨脹節(jié)段，空氣的熱力學(xué)能將完全轉(zhuǎn)化為膨脹機(jī)的機(jī)械能對(duì)外做功?？紤]能量的循環(huán)效率，由熱力學(xué)第一定律，熱量消失時(shí)一定會(huì)有功的產(chǎn)生，消耗功的時(shí)候一定會(huì)有熱量的散失。壓縮空氣儲(chǔ)能就是將低品位電能通過(guò)壓氣機(jī)完成電能到機(jī)械能的轉(zhuǎn)化，再壓縮到儲(chǔ)氣裝置中完成機(jī)械能到工質(zhì)內(nèi)能的轉(zhuǎn)化，之后當(dāng)需要用電時(shí)，利用壓縮空氣帶動(dòng)膨脹機(jī)，驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)，完成機(jī)械能到高品質(zhì)電能的轉(zhuǎn)化，能量的循環(huán)效率可由下式表示：（4-1）其中為壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的輸入能量，為壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的輸出能量。兩種類型的壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)在能量的轉(zhuǎn)換過(guò)程中都會(huì)有不同的損失，在兩種類型的壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)輸入的能量總相同的情況下，由于等溫壓縮空氣儲(chǔ)能在壓縮過(guò)程回收熱量，相較于絕熱壓縮過(guò)程溫度上升較慢，壓縮熱損失較少，熱量可以最大化的儲(chǔ)存和利用。有上述可知如果要提高系統(tǒng)總效率，那么就需要提高各個(gè)設(shè)備的分效率或者減少部分設(shè)備的數(shù)量以減少熱損失和摩擦損失，相較于傳統(tǒng)的補(bǔ)燃式壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)，等溫壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)在某條件下能夠同時(shí)滿足這兩種條件，而絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)只能增大各個(gè)部件的效率。因此等溫壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的循環(huán)效率通常要高于絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的循環(huán)效率ADDINCNKISM.Ref.{5AE58FC999534c15BCDE46DE3361870A}[9]。由于熱力學(xué)第一定律不能說(shuō)明能量品質(zhì)的高低和熱力學(xué)過(guò)程的方向性，也不能從實(shí)際的角度描述系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程，所以從熱力學(xué)第二定律來(lái)看，空氣在整個(gè)過(guò)程中的熱力學(xué)?分為機(jī)械?和熱?，機(jī)械?主要為空氣的儲(chǔ)存過(guò)程中的能量，而熱?為壓縮空氣在放氣過(guò)程中能量轉(zhuǎn)換所產(chǎn)生的最大有用功，主要表現(xiàn)為儲(chǔ)能過(guò)程以及放氣過(guò)程熱量膨脹做功，而在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中損失的熱無(wú)法轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械功，就成為了?損。在絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，可利用的?能儲(chǔ)存在儲(chǔ)熱設(shè)備中，冷卻的高壓氣體儲(chǔ)存在儲(chǔ)氣裝置中，壓縮空氣的熱?幾乎與空氣的機(jī)械?相等，熱能在儲(chǔ)存過(guò)程中會(huì)有部分?損，在釋能時(shí)儲(chǔ)熱裝置的熱?和儲(chǔ)氣裝置內(nèi)的機(jī)械?膨脹做功。為了提高能量效率，可以在壓縮過(guò)程中使用分級(jí)壓的形式，增加空氣的機(jī)械?，減少空氣的熱?，從而減少?損。除此之外還可以采用冷熱電聯(lián)產(chǎn)的方式充分的利用空氣的熱擁，提高低品位能的利用率，減少系統(tǒng)的?損，還能提供額外的熱能需求。在等溫壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)中，由于空氣的溫差幾乎可以忽略，所以空氣的熱?為零，但在實(shí)際的情況下溫差不能忽略，所以導(dǎo)致儲(chǔ)氣裝置中的機(jī)械?減少，使?損增大。除去在空壓機(jī)中的機(jī)械能損失，剩余的電能就可以全部的轉(zhuǎn)化為空氣的機(jī)械?，所以為了提高等溫壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換效率，可以采取減少壓縮和膨脹過(guò)程中產(chǎn)生的摩擦損失，降低溫差的辦法。從壓縮系統(tǒng)的衡量指標(biāo)來(lái)說(shuō)，在放氣過(guò)程，儲(chǔ)能效率和儲(chǔ)能密度為主要關(guān)注的指標(biāo)，儲(chǔ)能效率為（4-2）其中為釋能階段產(chǎn)生的功，為儲(chǔ)能階段消耗的功，即儲(chǔ)能效率為放氣過(guò)程膨脹機(jī)做的功與儲(chǔ)能階段空壓機(jī)消耗的功的比值。儲(chǔ)能密度ED為儲(chǔ)氣罐內(nèi)單位體積空氣對(duì)外輸出的膨脹功，見式（4-3）：（4-3）一般來(lái)說(shuō)，絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的儲(chǔ)能效率要高于等溫壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)，而等溫壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的儲(chǔ)能密度要大于絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)ADDINCNKISM.Ref.{752FB60430374cd1B0EAA88BCBEC2B2C}[10]。從儲(chǔ)氣裝置來(lái)看，對(duì)比絕熱和等溫模型，等溫過(guò)程有最高的儲(chǔ)能密度，但是當(dāng)儲(chǔ)氣室處于外界環(huán)境時(shí)，儲(chǔ)氣室內(nèi)的高溫空氣會(huì)釋放熱量到外界環(huán)境，導(dǎo)致儲(chǔ)能效率較低，絕熱過(guò)程儲(chǔ)能效率是最高的，但由于儲(chǔ)氣室內(nèi)空氣溫度和壓力上升的比較快，由此導(dǎo)致放氣時(shí)間比較短，儲(chǔ)能密度較低。如果想要提高壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的儲(chǔ)能效率和儲(chǔ)能密度，可以對(duì)儲(chǔ)氣裝置做一下改進(jìn)。在儲(chǔ)能時(shí)，溫度較高的壓縮空氣進(jìn)入儲(chǔ)氣室，與蓄熱換熱的設(shè)備進(jìn)行對(duì)流換熱，將熱量傳遞給蓄熱工質(zhì)，通過(guò)調(diào)整蓄熱材料的用量，使充氣過(guò)程壓縮空氣進(jìn)入儲(chǔ)氣室時(shí)溫度變化很小，整個(gè)過(guò)程接近等溫過(guò)程。在放氣過(guò)程，儲(chǔ)氣室內(nèi)的壓縮氣體進(jìn)入膨脹機(jī)做功，隨著空氣從儲(chǔ)氣裝置的流出，儲(chǔ)氣裝置內(nèi)的溫度下降，此時(shí)蓄熱元件會(huì)將儲(chǔ)存下來(lái)的熱量再釋放出來(lái)加熱壓縮空氣，使得進(jìn)入膨脹機(jī)之前的壓縮空氣溫度提高，增加單位質(zhì)量空氣的做功能力。為了防止熱量散失過(guò)多，可以在儲(chǔ)氣室的外壁上加裝保溫材料，可以選擇經(jīng)濟(jì)性、保溫性較好的玻璃棉。一般來(lái)說(shuō)空氣與蓄熱元件之間的溫差不大，為了增強(qiáng)對(duì)流換熱的效果，可以改用環(huán)形的肋板，同時(shí)增加空氣進(jìn)口和出口，增加空氣的混合流動(dòng)程度。蓄熱材料可以選用水合鹽材料，這種材料的優(yōu)點(diǎn)是在相變式潛熱比較大，熱導(dǎo)率比較高，體積變化小等，采用橢圓形的蓄熱結(jié)構(gòu)，保證高換熱性和蓄熱元件的安全。4.3.3對(duì)壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)放氣過(guò)程方案分析由上節(jié)得知，等溫過(guò)程和壓縮過(guò)程有利有弊，為了提高壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)整體的效率，本文有必要分析能夠使整體效率最大化的運(yùn)行方案，并對(duì)該方案進(jìn)行評(píng)價(jià)。本文以某多級(jí)絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行方案對(duì)比為例ADDINCNKISM.Ref.{3A492A3EB3FC41449D33396AD64BF305}[11]，進(jìn)一步總結(jié)提高壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)整體效率的方法。下面為三種壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行方案：方案一：將釋能過(guò)程壓縮空氣進(jìn)入膨脹機(jī)的壓力節(jié)流至該級(jí)額定壓力，當(dāng)入口空氣低于該級(jí)的額定壓力時(shí)，就將其節(jié)流到下一級(jí)膨脹機(jī)的入口額定壓力做功。方案二：直接將儲(chǔ)氣室出口的高壓空氣作用于膨脹機(jī)第一級(jí)做功，直到本級(jí)的指示功小于摩擦功，然后再進(jìn)入膨脹機(jī)下一級(jí)做功。方案三：當(dāng)膨脹機(jī)的入口壓力大于額定壓力時(shí)，將其節(jié)流到該級(jí)的額定壓力，當(dāng)膨脹機(jī)入口壓力低于額定壓力，就直接送入本機(jī)做功，直到該級(jí)指示功小于摩擦功，送入膨脹機(jī)下一級(jí)做功。下面本節(jié)將從熱力學(xué)第一定律效率和熱力學(xué)第二定律效率以及其他儲(chǔ)能指標(biāo)的結(jié)果來(lái)討論三種方案那一種方案更合理，總體效率更高。具體參數(shù)見下表4-2。表4-2三種方案的性能參數(shù)方案一方案二方案三總輸出功W/MJ330.00376.32376.33放氣質(zhì)量/kg124512511251放氣時(shí)間t/min298.8332.4431.3熱力學(xué)第一定律效率/%50.0954.0554.06熱力學(xué)第二定律效率/%60.5868.4468.44儲(chǔ)能效率/%61.1169.6969.69由表4-2可以知道，在方案一中釋能時(shí)間最短，方案三釋能時(shí)間最長(zhǎng)，方案二由于高壓空氣在進(jìn)入膨脹機(jī)之前沒有節(jié)流定壓，因此釋能時(shí)間要少于有節(jié)流定壓的方案三。但由于釋能過(guò)程后半段放氣速度隨儲(chǔ)氣室內(nèi)的壓力下降而放緩，因此釋能時(shí)間要大于方案一。從放氣過(guò)程的穩(wěn)定性來(lái)看，方案一的儲(chǔ)氣室壓力變化比較均勻，即使是汽缸的連接方式變化也沒有很大的擾動(dòng)壓力下降的速率。方案二在汽缸連接方式改變后壓力迅速下降，隨后減緩至不變。方案三在連接方式改變初期壓力均勻的下降，隨后放緩，總體來(lái)看比較穩(wěn)定。從瞬時(shí)功率來(lái)看，方案一的瞬時(shí)輸出功率恒為額定值，方案二在汽缸連接方式發(fā)生變化時(shí)對(duì)瞬時(shí)輸出功率有劇烈的擾動(dòng)，方案三的放氣時(shí)間長(zhǎng)，效率高，而且各個(gè)參數(shù)的波動(dòng)都在額定的范圍內(nèi)，比較適用于長(zhǎng)時(shí)間、高效率的工況。從等熵效率來(lái)看，方案一的等熵效率基本為額定效率不變，方案二雖然避免了節(jié)流損失，但是由于膨脹機(jī)在進(jìn)氣壓力較高的情況下效率比較低，所以影響了放氣過(guò)程的整體效率。方案三結(jié)合了方案一和方案二的優(yōu)點(diǎn)，既避免了方案一的節(jié)流損失，又結(jié)合了方案二在高的效率下穩(wěn)定運(yùn)行，是三種方案里效率最高的釋能方案。從表4-2可以看出，方案二方案三的總的輸出功和熱力學(xué)第一定律效率，熱力學(xué)第二定律效率和儲(chǔ)能效率都明顯比方案一高，說(shuō)明方案一中的能量利用效率并不高。在方案二和方案三中，兩種方案的熱力學(xué)第一和第二效率以及總輸出功基本持平。但是方案三釋能過(guò)程更緩和，運(yùn)行時(shí)間和能量分布相比其他兩種方案更顯合理。因此，綜合分析，方案三是三種方案里最合理的運(yùn)行方案，它拋棄了方案一中的節(jié)流損失，還增加了放氣時(shí)間，而且還避免了方案二放氣過(guò)程參數(shù)變化劇烈的缺點(diǎn)，保護(hù)了電網(wǎng)的安全，延長(zhǎng)了膨脹機(jī)的壽命。因此無(wú)論是等溫過(guò)程還是絕熱過(guò)程，方案三都是最優(yōu)方案。4.3.4等溫、絕熱發(fā)展前景探討現(xiàn)在全球的經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展深受能源限制，尤其是化石能源的迅速減少和環(huán)境問(wèn)題的惡化，迫使能源行業(yè)開始轉(zhuǎn)型，當(dāng)前我國(guó)的火力發(fā)電占總發(fā)電量的70%以上，火力發(fā)電總體主要是煤電，這是因?yàn)槲覈?guó)的煤炭總量比較多，而且煤電的發(fā)電成本比較低，技術(shù)也相對(duì)成熟，但是這種能源結(jié)構(gòu)并不合理，隨時(shí)面臨能源枯竭的危險(xiǎn)，所以未來(lái)我國(guó)能源技術(shù)將大規(guī)模的開發(fā)可再生的能源的趨勢(shì)不可阻擋。雖然現(xiàn)今我國(guó)是世界上風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電發(fā)電量最大的國(guó)家，但是因?yàn)轱L(fēng)電、光電的不穩(wěn)定性和隨機(jī)性等其他原因，使得建設(shè)后又出現(xiàn)棄風(fēng)、棄光問(wèn)題，而且形式比較嚴(yán)峻。有數(shù)據(jù)顯示，我國(guó)在2011年至2015年的棄風(fēng)發(fā)電量累計(jì)損失達(dá)到了959億千瓦時(shí)，平均棄風(fēng)率達(dá)到了13.4%，電費(fèi)累計(jì)損失接近518億元ADDINCNKISM.Ref.{4145CEE4D489476890E29331B8935F1F}[12]。所以儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展迫在眉睫，大規(guī)模的電力儲(chǔ)能技術(shù)將會(huì)提高可再生能源的利用效率，還對(duì)電網(wǎng)起著削峰填谷的作用。由此科學(xué)家提出了多個(gè)新能源耦合等溫壓縮空氣儲(chǔ)能的技術(shù)，比如利用太陽(yáng)能加熱儲(chǔ)熱裝置，這樣利用儲(chǔ)熱裝置加熱膨脹的壓縮空氣，可以使壓縮空氣的溫度大大提高。如下圖4-7所示，利用電網(wǎng)中的低品位電能帶動(dòng)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)空壓機(jī)用等溫技術(shù)將空氣壓縮儲(chǔ)存在儲(chǔ)能裝置中，利用太陽(yáng)能收集熱量替代傳統(tǒng)壓縮空氣儲(chǔ)能中的補(bǔ)燃器，在冬天，儲(chǔ)熱裝置還可以為用戶供熱取暖，放氣階段，電網(wǎng)高峰期時(shí)釋能，利用太陽(yáng)能蓄熱加熱膨脹的壓縮空氣，這樣就可以合理的利用新能源的電能，儲(chǔ)能系統(tǒng)也得到了充分的利用ADDINCNKISM.Ref.{BE5996DA55B0422c89EB68E1FEAA7F29}[13]。圖4-7某可再生能源發(fā)電耦合等溫壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)示意圖對(duì)于壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)來(lái)說(shuō)，其未來(lái)的發(fā)展方向必然是節(jié)能環(huán)保，未來(lái)必然會(huì)擺脫補(bǔ)燃式壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)。從現(xiàn)今的壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)來(lái)看，壓縮空氣儲(chǔ)能耦合新能源發(fā)電雖然存在著技術(shù)的制約和成本的制約，但對(duì)于未來(lái)能源電力行業(yè)可持續(xù)發(fā)展來(lái)說(shuō)，不僅可以充分的利用新能源電力技術(shù)，提高能源利用率，還能夠滿足用戶的電力需求和供暖需求。我國(guó)只有提升壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)的自主創(chuàng)新能力，建設(shè)示范電站進(jìn)行研究并推動(dòng)壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，才能為國(guó)家?guī)?lái)經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益雙豐收的局面，才能提高我國(guó)能源電力產(chǎn)業(yè)的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力和國(guó)際影響力。對(duì)于絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)來(lái)說(shuō)，如今正在廣泛研究的類型是先進(jìn)絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)。先進(jìn)絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)一般采用的都是以蓄熱設(shè)備實(shí)現(xiàn)壓縮過(guò)程中壓縮熱的回收再利用，蓄熱設(shè)備中剩余的壓縮熱可以為下一級(jí)供熱或者運(yùn)用到冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)中去，這樣可以提升能量的利用效率。在未來(lái)，先進(jìn)絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)耦合熱電聯(lián)供和熱電聯(lián)儲(chǔ)技術(shù)擁有廣泛的前景和應(yīng)用，當(dāng)前，先進(jìn)絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)主要是研究?jī)煞N類型，一種是小型的分布式先進(jìn)絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能耦合多能聯(lián)供系統(tǒng)，第二種是大型的先進(jìn)絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能耦合熱電聯(lián)供系統(tǒng)ADDINCNKISM.Ref.{11EE874779B047e38951032C88963D8C}[14]。小型的分布式先進(jìn)絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能耦合多能聯(lián)供系統(tǒng)應(yīng)用的可行性為在壓縮過(guò)程蓄熱設(shè)備儲(chǔ)存的壓縮熱在釋能后還有部分剩余的壓縮熱可以利用，這些剩余的壓縮熱可以利用到供熱等一些對(duì)低品位熱能需要的地方。比如基于壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)的風(fēng)電、光電、儲(chǔ)能混合電力系統(tǒng)，該系統(tǒng)是由風(fēng)電驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)壓縮機(jī)進(jìn)行空氣的壓縮，采用光能發(fā)熱對(duì)蓄熱元件進(jìn)行加熱，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)穩(wěn)定的運(yùn)行，并結(jié)合郎肯循環(huán)可以對(duì)不同品味的熱能進(jìn)行分級(jí)利用。還有一種基于先進(jìn)絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)耦合冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用剩余的壓縮熱提供熱水供暖，利用膨脹機(jī)的乏汽進(jìn)行制冷。除了耦合多聯(lián)供系統(tǒng)以外，還有一種利用多余的風(fēng)電加熱蓄熱設(shè)備的先進(jìn)絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)，該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要是為了解決空壓機(jī)出口排氣溫度較低，沒有達(dá)到蓄熱介質(zhì)可以承載的最大熱容量，導(dǎo)致蓄熱材料不能充分利用的浪費(fèi)問(wèn)題ADDINCNKISM.Ref.{2E6ACDC986094bc9A92D5D4AAF39B50F}[15]。可以提升單位體積壓縮空氣的做工能力，增大先進(jìn)絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的儲(chǔ)能能力?？傮w來(lái)說(shuō)，現(xiàn)今對(duì)先進(jìn)絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)的研究?jī)H僅局限于額定工況的研究，對(duì)實(shí)際運(yùn)行狀況所出現(xiàn)的問(wèn)題和市場(chǎng)運(yùn)營(yíng)等方面的研究還不夠，未來(lái)，將會(huì)有更多的機(jī)會(huì)去深入研究。對(duì)于大型先進(jìn)絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能耦合熱電聯(lián)供系統(tǒng)，一種做法是將蓄熱設(shè)備儲(chǔ)存的剩余壓縮熱提供給供熱網(wǎng)以供用戶供暖，還有一種做法是直接將空壓機(jī)置于熱用戶附近滿足供熱需求，以先進(jìn)絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)作為電力樞紐耦合區(qū)域內(nèi)的電網(wǎng)和熱網(wǎng)，發(fā)揮協(xié)調(diào)作用。現(xiàn)今的壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)研究還沒有給出先進(jìn)絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)在耦合冷熱電聯(lián)供方面的電能協(xié)調(diào)關(guān)系，也沒有現(xiàn)行的多能流聯(lián)供運(yùn)行可行域可以運(yùn)行調(diào)試，以現(xiàn)在的科學(xué)技術(shù)難以分析實(shí)際運(yùn)行的特性以供改進(jìn)，除此之外，市場(chǎng)運(yùn)營(yíng)和規(guī)劃也沒有突破性的進(jìn)展ADDINCNKISM.Ref.{E44C33C2CE394c72A7B41488924E6899}[16]。4.4壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)的機(jī)遇與挑戰(zhàn)4.4.1提升技術(shù)性能壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)研發(fā)日新月異，發(fā)展的速度很快，但是新型壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)內(nèi)的各項(xiàng)設(shè)備技術(shù)性能卻不盡如人意，還不能滿足現(xiàn)在社會(huì)所需要的大規(guī)模發(fā)展的要求。目前世界上先進(jìn)的壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)最高效率僅為60%左右ADDINCNKISM.Ref.{C7A936287B4D4739A4E0A2054D5FC279}[17]，離高效電池儲(chǔ)能效率還有一些差距，距離傳統(tǒng)的壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)規(guī)模還有較大差距，成本也有下降的空間。4.4.2大型壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)技術(shù)研究在未來(lái)，壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)大型化將成為主流技術(shù)，不僅能夠增加儲(chǔ)能系統(tǒng)的儲(chǔ)能效率，而且也可以降低運(yùn)行成本，提高設(shè)備性能，現(xiàn)存的應(yīng)用小型化儲(chǔ)能機(jī)組不能滿足規(guī)?；徒?jīng)濟(jì)性的要求，因此迫切需要大型化的儲(chǔ)能系統(tǒng)的研發(fā)。4.4.3技術(shù)研發(fā)門檻高壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)在研發(fā)時(shí)涉及到多學(xué)科交叉，而且大型機(jī)械規(guī)模大，研發(fā)門檻比較高，需要大量的成本和研發(fā)人員的投入。所以目前世界上研究相關(guān)領(lǐng)域的科研團(tuán)隊(duì)較少，對(duì)于關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)，更需要大量的設(shè)備和高精尖的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，目前世界上高水平的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)比較少，沒有充足的研發(fā)平臺(tái)。4.4.4示范工程少、應(yīng)用需加強(qiáng)現(xiàn)存世界上的壓縮空氣儲(chǔ)能電站的數(shù)量對(duì)于壓縮空氣儲(chǔ)能研究來(lái)說(shuō)不滿足其技術(shù)發(fā)展所要求的數(shù)量，除此之外儲(chǔ)能電站規(guī)模小、類型少也進(jìn)一步限制了壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展。壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)迫切需要國(guó)內(nèi)外能源行業(yè)的投資、建設(shè)、開發(fā)，迫切需要國(guó)內(nèi)外有關(guān)政府部門的政策指導(dǎo)、行業(yè)規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)的制定。目前來(lái)說(shuō)全球大部分的國(guó)家都沒有出臺(tái)最為合理的電價(jià)補(bǔ)償方案和激勵(lì)政策，商業(yè)運(yùn)行的壓縮空氣儲(chǔ)能電站更是寥寥無(wú)幾ADDINCNKISM.Ref.{811E9170F0044791BD99582001FD540E}[18]。除技術(shù)因素外，很大程度上影響了壓縮空氣儲(chǔ)能行業(yè)的規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化和健康化的發(fā)展。在現(xiàn)在，隨著各國(guó)電價(jià)補(bǔ)償政策和激勵(lì)政策的逐漸完善，在未來(lái)，大型壓縮空氣儲(chǔ)能示范電站和商業(yè)運(yùn)行儲(chǔ)能電站將會(huì)陸續(xù)建成，壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)將會(huì)真正進(jìn)入研發(fā)技術(shù)的核心，取得重大突破。相信國(guó)家良好的政策的指引下，在整個(gè)能源電力行業(yè)的支持下，我國(guó)的科研機(jī)構(gòu)將會(huì)不斷進(jìn)行儲(chǔ)能技術(shù)的革新發(fā)展，壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)將會(huì)實(shí)現(xiàn)規(guī)?；?、大型化的應(yīng)用。4.5小結(jié)本章利用MATLAB對(duì)第四章的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行模擬，得出放氣過(guò)程的熱力參數(shù)和膨脹功的變化曲線以及整個(gè)過(guò)程的結(jié)果數(shù)據(jù)，然后在不同的方面對(duì)所得出的結(jié)論進(jìn)行拓展分析，最后探討了壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)的所面臨的機(jī)遇與挑戰(zhàn)，給出了一些建議。結(jié)論結(jié)論壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)是一種新型、環(huán)保節(jié)能的儲(chǔ)能技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)新能源的穩(wěn)定并網(wǎng)和電網(wǎng)調(diào)峰等任務(wù)，本文主要對(duì)儲(chǔ)氣室等溫和絕熱兩種狀態(tài)進(jìn)行熱力學(xué)特性分析，通過(guò)對(duì)公式的推導(dǎo)和建模，本文得出以下結(jié)論：(1)建立等溫和絕熱兩個(gè)過(guò)程的壓力、溫度、儲(chǔ)氣室內(nèi)壓縮空氣的密度、膨脹機(jī)做功的過(guò)程數(shù)學(xué)模型，隨兩過(guò)程既定的儲(chǔ)能時(shí)間變化，本文得出，儲(chǔ)氣室在初始?jí)毫?.6MPa、放氣終壓為4.3MPa下，等溫過(guò)程的釋能時(shí)間為9.117h，而絕熱過(guò)程的釋能時(shí)間為6.512h，這就決定了在壓縮空氣出口流量一定的條件下，絕熱過(guò)程儲(chǔ)氣室內(nèi)空氣做功總量要小于等溫過(guò)程，壓力的變化速率要大于等溫過(guò)程?？梢钥闯龅葴剡^(guò)程相較于絕熱過(guò)程要穩(wěn)定且做功能力強(qiáng)。（2）從等溫過(guò)程和絕熱過(guò)程對(duì)儲(chǔ)氣室性能的影響來(lái)看，儲(chǔ)氣室內(nèi)的溫度和壓力變化對(duì)儲(chǔ)氣室性能都有很大的影響，相比之下，壓力對(duì)儲(chǔ)氣室的性能影響會(huì)更大。對(duì)于參數(shù)一定的壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)，等溫過(guò)程相較于絕熱過(guò)程的緩和性不僅可以增大儲(chǔ)能密度，即單位體積壓縮空氣的對(duì)外做功能力要大于絕熱過(guò)程，增大了單位體積壓縮空氣存儲(chǔ)的能量，還改善了絕熱過(guò)程因溫度、壓力變化劇烈而引起的儲(chǔ)氣室材料低溫冷脆現(xiàn)象，提高了儲(chǔ)氣裝置的使用壽命和安全性。由于等溫壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的技術(shù)復(fù)雜性和可行性要低于絕熱儲(chǔ)能，所以現(xiàn)在世界上大都數(shù)示范工程都為絕熱式的壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)。（3）從熱力學(xué)第一定律分析，雖然等溫壓縮空氣儲(chǔ)能和絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能都在壓縮過(guò)程回收熱量，但相較于絕熱壓縮過(guò)程等溫過(guò)程溫度上升較慢，壓縮熱損失較少，熱量可以最大化的儲(chǔ)存和利用。所以溫壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的循環(huán)效率通常要高于絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的循環(huán)效率。從熱力學(xué)第二定律來(lái)看，在理想狀態(tài)下等溫過(guò)程儲(chǔ)氣室內(nèi)由于空氣的溫差幾乎可以忽略，所以空氣的熱?為零。在絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，可利用的?能儲(chǔ)存在儲(chǔ)熱設(shè)備中，冷卻的高壓氣體儲(chǔ)存在儲(chǔ)氣裝置中，壓縮空氣的熱?幾乎與空氣的機(jī)械?相等，熱能在儲(chǔ)存過(guò)程中會(huì)有部分?損。一般來(lái)說(shuō)，絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的儲(chǔ)能效率要高于等溫壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)，而等溫壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的儲(chǔ)能密度要大于絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)。（4）在放氣過(guò)程方案選取中，無(wú)論是等溫還是絕熱過(guò)程。方案三都是最合理的。即當(dāng)膨脹機(jī)的入口壓力大于額定壓力時(shí)，將其節(jié)流到該級(jí)的額定壓力，當(dāng)膨脹機(jī)入口壓力低于額定壓力，就直接送入本機(jī)做功，直到該級(jí)指示功小于摩擦功，送入膨脹機(jī)下一級(jí)做功。它不僅減小了節(jié)流損失，還增加了放氣時(shí)間，而且還避免了放氣過(guò)程參數(shù)變化劇烈，保護(hù)了電網(wǎng)的安全，延長(zhǎng)了膨脹機(jī)的壽命。（5）等溫和絕熱兩種壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)在未來(lái)都有廣闊的發(fā)展前景，兩者都可以耦合新能源系統(tǒng)或者冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)來(lái)提高能源利用率，從對(duì)能量的利用效率來(lái)看等溫壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)更有優(yōu)勢(shì)。在對(duì)未來(lái)壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展上，本文從研發(fā)技術(shù)、應(yīng)用水平、市場(chǎng)化和政府政策引導(dǎo)等多個(gè)方面提出一些建議，并對(duì)未來(lái)我國(guó)壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展抱有充足的信心。參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn)ADDINCNKISM.Bib[1]陳海生,劉金超,郭歡等.壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)原理[J].儲(chǔ)能科學(xué)與技術(shù),2013,2(2):146-151.[2]王志文,熊偉,王海濤等.水下壓縮空氣儲(chǔ)能研究進(jìn)展[J].儲(chǔ)能科學(xué)與技術(shù),2015,4(6):585-598.[3]梅生偉,李瑞,陳來(lái)軍等.先進(jìn)絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)研究進(jìn)展及展望[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2018,38(10):2893-2907,3140.[4]付興,袁光杰,金根泰,等.鹽穴壓縮空氣儲(chǔ)能庫(kù)建設(shè)現(xiàn)狀及工程難點(diǎn)分析[J].中國(guó)井礦鹽,2017,48(3):14-18.[5]何子偉,羅馬吉,涂正凱.等溫壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)綜述[J].熱能動(dòng)力工程,2018,33(2):1-6.[6]文賢馗,張世海,王鎖斌.壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)及示范工程綜述[J].應(yīng)用能源技術(shù),2018,卷缺失(3):43-48.[7]HoussainyS,JanbozorgiM,IpP,etal.ThermodynamicAnalysisofaHighTemperatureHybridCompressedAirEnergyStorage(hth-caes)System[J].RenewableEnergy,2018,115:1043-1054.[8]韓中合,龐永超.儲(chǔ)氣室熱力學(xué)特性對(duì)AA-CAES性能的影響[J].化工進(jìn)展,2017,36(1):47-52.[9]何子偉.等溫壓縮空氣儲(chǔ)能過(guò)程中的熱力學(xué)機(jī)制研究[D].武漢理工大學(xué),2018.[10]梅生偉,薛小代,陳來(lái)軍.壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)及其應(yīng)用探討[J].南方電網(wǎng)技術(shù),2016,10(3):3,11-15,31.[11]薛皓白,張新敬,陳海生等.微型壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)釋能過(guò)程分析[J].工程熱物理學(xué)報(bào),2014,35(10):1923-1929.[12]董舟,李凱,王永生等.壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)研究及應(yīng)用現(xiàn)狀[J].河北電力技術(shù),2019,38(5):18-20,33.[13]龐永超,韓中合.壓氣儲(chǔ)能系統(tǒng)中儲(chǔ)氣裝置的性能分析與改進(jìn)[J].化工進(jìn)展,2016,35(S2):75-79.[14]陸昆鵬.微型壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)釋能過(guò)程實(shí)驗(yàn)研究[D].山東科技大學(xué),2018.[15]劉明義,朱勇,曹傳釗,等.壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)性能分析研究[J].電工電能新技術(shù),2019,38(9):67-72.[16]傅昊,張毓穎,崔巖,等.壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)研究進(jìn)展[J].科技導(dǎo)報(bào),2016,34(23):81-87.[17]劉金超,徐玉杰,陳宗衍,等.壓縮空氣儲(chǔ)能儲(chǔ)氣裝置發(fā)展現(xiàn)狀與儲(chǔ)能特性分析[J].科學(xué)技術(shù)與工程,2014,14(35):148-156.[18]羅寧,何青,劉文毅.壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)儲(chǔ)氣裝置研究現(xiàn)狀與分析[J].儲(chǔ)能科學(xué)與技術(shù),2018,7(3):489-494.[19]GrazziniG,MilazzoA.AthermodynamicanalysisofmultistageadiabaticCAES[J].ProceedingsoftheIEEE,2012,100(2):461-472.[20]NiklasHartmann,O.V?hringer,C.SimulationandanalysisofdifferentadiabaticCompressedAirEnergyStorageplantconfigurations[J].AppliedEnergy,2012(14):93-96.[21]HamidrezaMozayeni,XiaolinWang