1. 研究目的与意义（文献综述）
| 近年来，对于储能的研究越来越受到各国科研人员的关注。储能系统能够与分布式能源系统 相耦合以补偿其小容量和不稳定负载，因此大规模储能技术急需得到研究和应用。 压缩空气储能系统是一种相对成熟的技术，具有成本低、容量大、寿命长的优点，是最具潜力的储能技术之一。近年来国内外研究人员对于压缩空气储能技术进行了广泛深入的研究，提出了许多新型系统，包括水下压缩空气储能系统、液化空气储能系统、超临界压缩空气储能系统等。通过优化建模方法和数据分析方法，提高了压缩空气储能系统的理论效率。 1.1目的及意义 近年来，风力发电发展迅速。在当前的风力发电研究领域中，风力发电是由风机叶片捕获风能，将风能转换为机械能，再驱动发电机进行发电。但由于风能能量密度较低且不稳定，转化为电能能量也不稳定，必须通过复杂的装置才能得到稳定可靠的电源，而且自然风存在随机性、间歇性以及季节性的显著缺点使得风能变得不可控，从而导致风力发电发展过程中遇到一些突出问题。例如风力发电的规模应用及间歇性风力发电的大规模入网、电力峰谷差值的增长。储能技术为解决这类问题提供了有效的途径。目前压缩空气储能都是利用多余的电能去驱动空气压缩机来达到储能的目的。与其他几种大型储能技术相比，压缩空气储能系统具有成本低、投资少、容量大、负荷范围大的优点，具体包括以下几个方面：（1）建设成本低，初期投资少。与抽水蓄能电站相比，压缩空气储能系统不需要大规模土建工程，因此成本大大降低。（2）容量大，负荷范围大。大型压缩空气储能系统的容量仅次于抽水蓄能电站，约为100MW，可以持续工作数小时乃至数天，工作时间长。（3）响应速度快。压缩空气储能系统可以在几分钟内从启动达到满负荷运行，远低于普通的燃煤或燃电站的启动时间。（4）寿命长。压缩空气储能系统可以储能、释能数万次，寿命可达40至50年。 从20世纪40年代压缩空气的概念首次被提出至今，压缩空气系统的理论研究已经日益完善。理论上，压缩空气储能系统的效率最高可以达到70％。然而，商业运行的压缩空气储能电站至今仍旧只有McIntosh电站和Huntorf电站两座。 其原因有两个方面：(1)压缩空气储能系统关键部位的材料和技术还不够成熟。如带有储热环节的系统需要性能良好的储热材料，AA-CAES系统需要耐高温高压的机械设备，带有地下储气室的系统需要对地质条件进行考察评估等。(2)压缩空气储能系统的作用主要在于将可再生能源拼接起来，形成稳定的电力供应。然而可再生能源如风能、太阳能除初始投资外发电成本几乎为零，因此出现了大量“弃风弃光”现象。若采用压缩空气储能的成本大于“弃风弃光”的成本，则压缩空气储能技术很难大规模商业应用。 1.2国内外研究现状 国内研究现状：我国对压缩空气储能系统的研究开发开始比较晚，但随着电力储能需求的快速增加，相关研究逐渐被一些大学和科研机构所重视。中国科学院工程热物理研究所、华北电力大学、西安交通大学、华中科技大学等单位对压缩空气储能电站的热力性能、经济性能、商业应用等进行了研究，但大多集中在理论和小型实验层面，目前还没有投入商业运行的压缩空气储能电站。中国科学院工程热物理研究所正在开展1.5MW先进压缩空气储能示范工作。为解决传统压缩空气储能系统面临的主要问题，特别是对燃气轮机的依赖问题，最近几年国内外学者分别开展了地面压缩空气储能系统（SVCAES）、带回热的压缩空气储能系统（AACAES）和空气蒸汽联合循环压缩空气储能系统（CASH）等，使压缩空气储能系统基本可以脱离化石燃料热源。2009年，中科院工程热物理研究所原创性地提出了先进超临界压缩空气储能系统，该项系统发明专利已覆盖中国、美国、日本、欧盟等多个国家。 2012年7月，国家电网公司设立重大科技专项，由清华大学牵头，联合中国电力科学研究院、中国科学院理化技术研究所首期建设500kW非补燃式压缩空气储能示范系统。该系统基于多温区高效回热技术储存压缩热并用其加热透平进口高压空气，实现储能发电全过程的高效转换和零排放。该系统的关键设备均为常规成熟的工业产品，具有技术可靠、成本较低、使用寿命长等优点。 2016 年国家电网公司研究了压缩空气储能示范工程实施方案，明确了建设规模、组织形式等。工程将依托张北风光储输二期工程建设，通过能量型规模化储能技术，提高新能源消纳水平，发挥风光储输工程的示范作用。 国外研究状况：2010 年，德国莱茵集团、德国宇航中心和德国旭普林公司等共同启动了名为 ADELE的非补燃式先进绝热CAES系统研究。根据其设计方案，系统采用绝热压缩技术，通过高温蓄热装置回收压缩热用于加热透平进口空气，提高气体的做功能力。但由于高温压缩机、高温蓄热装置具有一定的技术难度，目前该项目进展缓慢。美国公司SustainX于2013年完成了全球首个兆瓦级等温压缩空气储能系统并开始启用。该技术采用喷水雾的办法吸收压缩过程中产生的热量，以热水的形式被储存，在膨胀过程中回喷进入气缸。该专利技术通过改变气缸内的温度、压力等条件，使得空气在整个过程中几乎保持恒温。系统的使用期限为20年，几乎全部由钢、水和空气组成。日本于2001年投入运行的上砂川盯压缩空气储能示范项目，位于北海道空知郡，输出功率为4MW，是日本开发400MW机组的工业试验用中间机组。它利用废弃的煤矿坑（约在地下 450m处）作为储气洞穴，最大压力为8MPa。瑞士ABB公司（现已并入阿尔斯通公司）正在开发联合循环压缩空气储能发电系统。目前除德国、美国、日本、瑞士外，俄罗斯、法国、意大利、卢森堡、南非、以色列和韩国等也在积极开发压缩空气储能电站。 |
2. 研究的基本内容与方案
1.基本内容及目标
压缩空气储能能量转化包括两个过程:将风能转化成为机械能以及将机械能转化成为空气内能，前者由风力机实现，后者由空气压缩机实现。风能作为一种能量密度比较低、稳定性比较差的新能源，在流经风力机后速度不可能直接下降为零，因此不可能完全利用风能，只有部分风能能够被风力机的桨叶转化为机械能。本课题拟采用对压缩空气储能装置的各个部件进行仿真建模，同时建立储气罐的模型，根据系统的联合仿真得出气体压缩过程中气缸内压力的变化曲线。
2.拟采用的技术方案及措施
3. 研究计划与安排
| 第1周—第3周 | 查阅相关文献资料，明确研究内容，了解研究所需技术方案及措施。确定方案，完成英文翻译、文献阅读报告及开题报告。 |
| 第4周—第6周 | 搜集并研究压缩空气储能的相关文献，完成对压缩空气储能装置原理的学习。 |
| 第7周—第8周 | 完成风力机、活塞连杆一体型压缩机、储气容器的数学模型与仿真模型 |
| 第9周—第10周 | 学习MATLAB软件，并以此软件仿真定桨距式风力机模拟系统以及活塞连杆一体型压缩机系统，得出储气容器中气体压力的变化曲线，并对此曲线进行分析。 |
| 第11周—第13周 | 撰写论文初稿，并完成阶段性报告。 |
| 第14周—第15周 | 修改毕业论文，准备论文答辩。 |
4. 参考文献（12篇以上）
| 4、参考文献 [1]张新敬，陈海生，刘金超，李文，谭春青．压缩空气储能技术研究进展［J］．储能科学与技术,2012. [2]周友行，邓胜达．基于压缩空气储能的小规模风力发电新技术［J］．装备制造技术，2008. [3]杨科，张远，李雪梅，等.先进绝热压缩空气储能系统的设计计算[J].工程热物理学报，2012. [4]梅生伟，薛小代，陈来军.压缩空气储能技术及其应用探讨[J].南方电网技术, 2016. [5]梅生伟，李瑞，陈来军，等．先进绝热压缩空气储能技术研究进展及展望［J］．中国电机工程学报，2018. [6]Budt M，Wolf D，Span R， et al． A review on compressed air energy storage: Basic principles，past milestones and recent developments ［J］．Applied Energy，2016． [7]张新敬，陈海生，刘金超，等．压缩空气储能技术研究进展［J］．储能科学与技术，2012. [8]李小仨，钱则刚，杨启超，等．压缩空气储能技术现状分析［J］．流体机械，2013. [9]陈海生，刘金超，郭欢, 等.压缩空气储能技术原理[J].储能科学与技术, 2013. [10]刘金超，徐玉杰，陈宗衍，等.压缩空气储能储气装置发展现状与储能特性分析[J].科学技术与工程, 2014. [11] HAN Zhonghe, LIU shiquan, ZHOU Quan, et al. Analysis of theperformance of advanced adiabatic compressive air energy storage system underthe constant wall temperature gas storage model[J]. Journal of ChinaElectrical Engineering, 2016. [12] LIU Liyuan, JIANG zhongming, WANG jiangying, et al. Analysis of thethermodynamics process of compressed air in the underground gas storagereservoir of pressurized gas storage plants [J]. Energy Storage Science andTechnology, 2018. [13] MENG H, WANG M, ANEKE M, et al. Technical performance analysis andeconomic evaluation of a compressed air energy storage system integrated withan organic Rankine cycle[J]. Fuel, 2018. [14] SAMMY B, KHALID L, IZEDDINE Z, et al. Thermodynamic analysis of ahigh temperature hybrid compressed air energy (HTH-CAES) system [J].Renewable Energy, 2018. [15] CHEN longxiang, HU Peng, SHENG Chunchen, et al. A novel compressedair energy storage (CAES)system combined with pre-cooler and using low gradewaste heat as heat source[J]. Energy, 2017. [16]刘文毅，杨勇平，宋之平.压缩空气蓄能（CAES）系统集成及性能计算 [J].工程热物理学报，2005. [17]张新敬. 压缩空气储能系统若干问题的研究[D].北京: 中国科学院研究生院,2011. [18] 张远, 杨科, 李雪梅,等.基于先进绝热压缩空气储能的冷热电联产系统[J].工程热物理学报,2013.
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