考慮海上風(fēng)能波動(dòng)的水下壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)化特性

摘要：為準(zhǔn)確揭示海上風(fēng)能波動(dòng)性對(duì)水下壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)性能的影響規(guī)律，以先進(jìn)絕熱水下壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)為研究對(duì)象，首先，建立考慮風(fēng)能波動(dòng)性的海上風(fēng)電-儲(chǔ)能系統(tǒng)熱力學(xué)模型；接著，提出關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)的設(shè)計(jì)流程；最后，分析了額定工況與變工況條件下儲(chǔ)能系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)化特性。研究結(jié)果表明：隨著導(dǎo)熱油與空氣質(zhì)量流量之比κo，a的增加，水下輸氣管道散熱損失與冷油罐散熱損失的變化趨勢(shì)相反，同時(shí)存在κo，a最優(yōu)值為1.41，使得系統(tǒng)熱損失最小，對(duì)應(yīng)的最大系統(tǒng)能量往返效率ηrt為60.3%；設(shè)計(jì)工況下，儲(chǔ)熱與換熱單元的損失最大，約占總損失的36.6%；穩(wěn)定風(fēng)速下，當(dāng)風(fēng)速偏離設(shè)計(jì)基礎(chǔ)風(fēng)速時(shí)，壓縮機(jī)與膨脹機(jī)的效率降低，導(dǎo)致ηrt降低；擾動(dòng)風(fēng)速下，隨著擾動(dòng)風(fēng)分量最大值vd，max增加，受風(fēng)機(jī)額定風(fēng)速與切出風(fēng)速的限制，vd，max對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)平均發(fā)電功率的影響區(qū)域可分為快速增長(zhǎng)區(qū)、增長(zhǎng)減緩區(qū)以及降低區(qū)，3個(gè)區(qū)域內(nèi)的ηrt均低于額定穩(wěn)定工況下的設(shè)計(jì)值。研究可為水下壓縮空氣儲(chǔ)能與海上風(fēng)電的集成應(yīng)用提供理論指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：水下壓縮空氣儲(chǔ)能；海上風(fēng)電；風(fēng)能波動(dòng)；能量轉(zhuǎn)化特性

中圖分類(lèi)號(hào)：TK123 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.7652/xjtuxb202502001 文章編號(hào)：0253-987X（2025）02-0001-12

Energy Conversion Characteristics of Underwater CompressedAir Energy Storage System Considering Offshore Wind Fluctuation

LI Mengjie1， LIU Zhanbin1， HE Yaling1， ZHU Shurong2

（1. National Innovation Platform （Center） for Industry-Education Integration of Energy Storage Technology，

Xi’an Jiaotong University， Xi’an 710049， China; 2. China Energy Engineering Group Equipment Co.， Ltd.， Beijing 100044， China）

Abstract：To accurately assess the impact of offshore wind （OW） fluctuations on the performance of the underwater compressed air energy storage （UWCAES） system， an advanced adiabatic UWCAES was employed as the subject of investigation， firstly， a thermodynamic model of OW-UWCAES was established， followed by the introduction of a design methodology for key operational parameters， and finally the energy conversion characteristics of the UWCAES system were analyzed under rated and variable working conditions in this paper. The results show that： As the ratio of thermal oil to air mass flow rate （κo，a） increased， the heat losses in the underwater gas pipeline and cold oil tank exhibited opposite trends. An optimal κo，a existed that minimized the system’s heat loss， corresponding to the highest round-trip efficiency （ηrt）. The optimal κo，a under the study’s design conditions is 1.41， resulting in an ηrt of 60.3%. Under the design condition， thermal storage and heat exchange units exhibited the highest exergy losses， accounting for 36.6% of the total exergy losses. For stable wind speeds， deviations from the design wind speed decreased the efficiency of the compressor and expander， leading to a reduction in ηrt. For disturbing wind speeds， as the maximum value of the disturbing wind component （vd，max） increased， its impact on average power generation transitioned through a rapidly increasing region， an increasing deceleration region， and a decreasing region due to limitations from the rate wind speed and cut-out speed . In all three regions， the ηrt is lower than the design value under rated stable conditions. This study can provide a theoretical guidance for the integrated application of underwater compressed air energy storage and offshore wind power.

Keywords：underwater compressed air energy storage; offshore wind power; wind fluctuation; energy conversion

近年來(lái)，我國(guó)新能源技術(shù)發(fā)展迅速，水電、風(fēng)電、光伏、在建核電的裝機(jī)規(guī)模等多項(xiàng)指標(biāo)位居世界前列。根據(jù)國(guó)家能源局2024年1月發(fā)布的數(shù)據(jù)顯示，2023年全國(guó)累計(jì)發(fā)電裝機(jī)容量約29.2億kW，其中風(fēng)電裝機(jī)容量約為4.4億kW，同比增長(zhǎng)20.7%［1］。海上風(fēng)電（OW）近年發(fā)展迅速，但與陸上風(fēng)電同樣面臨風(fēng)能隨機(jī)性與波動(dòng)性的問(wèn)題。為確保電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行并減少風(fēng)電棄置量，需為海上風(fēng)電配備穩(wěn)定可靠的儲(chǔ)能技術(shù)。按照能量的存儲(chǔ)形式，儲(chǔ)能技術(shù)主要分為熱能存儲(chǔ)、機(jī)械能存儲(chǔ)、化學(xué)能存儲(chǔ)、電化學(xué)能存儲(chǔ)和電能存儲(chǔ)等。在眾多儲(chǔ)能技術(shù)中，壓縮空氣儲(chǔ)能（CAES）是最具應(yīng)用前景的規(guī)模化儲(chǔ)能技術(shù)之一，具有壽命長(zhǎng)、規(guī)模大、成本低等優(yōu)勢(shì)［2］。CAES主要包括儲(chǔ)能與釋能兩個(gè)基本工作過(guò)程。儲(chǔ)能時(shí)，利用電力負(fù)荷低谷期的電能驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)產(chǎn)生高壓空氣并進(jìn)行存儲(chǔ)；釋能時(shí)，儲(chǔ)存的高壓空氣進(jìn)入透平機(jī)作功發(fā)電，以應(yīng)對(duì)電力負(fù)荷高峰期的需求。CAES技術(shù)不斷蓬勃發(fā)展，截至2024年5月，國(guó)內(nèi)已有9個(gè)項(xiàng)目投入運(yùn)營(yíng)，累計(jì)裝機(jī)容量約為782.5MW，如湖北應(yīng)城300MW/1500MW·h與山東肥城300MW/1800MW·h 2個(gè)壓縮空氣儲(chǔ)能電站均于2024年4月并網(wǎng)成功，且還有許多CAES項(xiàng)目正在建設(shè)中［3］。

不同于將高壓空氣存儲(chǔ)于巖洞、鹽穴、廢棄礦井、人工硐室、剛性?xún)?chǔ)氣罐等儲(chǔ)氣方式，水下壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)（UWCAES）利用水的靜壓特性，將高壓空氣存儲(chǔ)于水下的柔性?xún)?chǔ)氣包或剛性?xún)?chǔ)氣室中。UWCAES技術(shù)實(shí)現(xiàn)了儲(chǔ)能與釋能過(guò)程儲(chǔ)氣室的壓力恒定，使得儲(chǔ)能過(guò)程壓縮機(jī)始終工作在額定工況附近，部件效率高，且釋能過(guò)程無(wú)需使用減壓閥來(lái)節(jié)流減壓，從而降低了系統(tǒng)的能量損失［4］。此外，UWCAES系統(tǒng)中占據(jù)空間最大的儲(chǔ)氣室布置在海底，與海上風(fēng)能的地理位置相匹配。

與已經(jīng)投入商業(yè)應(yīng)用的陸上CAES技術(shù)相比，UWCAES技術(shù)目前仍處于探索階段，理論研究主要集中在UWCAES的熱力學(xué)特性分析與構(gòu)型優(yōu)化兩方面［5］。Cheung等［6］建立了帶儲(chǔ)熱的兩級(jí)壓縮/膨脹UWCAES熱力學(xué)模型，研究了不同系統(tǒng)參數(shù)變化對(duì)儲(chǔ)能性能的影響，結(jié)果表明：管路尺寸、壓縮機(jī)/膨脹機(jī)效率以及儲(chǔ)熱效率對(duì)儲(chǔ)能性能的影響最為顯著，當(dāng)壓縮機(jī)/膨脹機(jī)效率及換熱器效率較高時(shí)，系統(tǒng)能量往返效率可達(dá)71%。卜憲標(biāo)等［7］以三級(jí)壓縮/膨脹UWCAES為研究對(duì)象，分析了壓縮機(jī)/膨脹機(jī)性能以及儲(chǔ)能深度對(duì)能量往返效率和儲(chǔ)能密度的影響規(guī)律，并提出了利用電加熱提升膨脹機(jī)進(jìn)氣溫度的效能提升技術(shù)。Wang等［8］提出了多級(jí)水下壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)，可根據(jù)波動(dòng)的可再生能源輸入及用戶(hù)需求，改變水下儲(chǔ)氣裝置的深度，從而存儲(chǔ)不同壓力水平的壓縮空氣，研究結(jié)果表明：簡(jiǎn)單的兩級(jí)UWCAES的能量往返效率在62%～81%。Ebrahimi等［9］使用先進(jìn)分析方法對(duì)UWCAES進(jìn)行能量轉(zhuǎn)化特性分析，結(jié)果顯示：在實(shí)際工況下，系統(tǒng)的總損率為47.1%，而在理論不可避免工況下，損率可降至15.9%，表明該UWCAES系統(tǒng)有較大的改進(jìn)空間。此外，也有研究者提出將UWCAES系統(tǒng)與海水淡化［10］、冷熱電聯(lián)供［11］等功能相結(jié)合的應(yīng)用新途徑。

UWCAES技術(shù)的實(shí)驗(yàn)研究主要集中在儲(chǔ)氣結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)測(cè)試與小型示范系統(tǒng)的驗(yàn)證方面。文獻(xiàn)［12］設(shè)計(jì)加工了直徑為1.5 m和5 m的兩種柔性?xún)?chǔ)氣包，分別放置在淡水槽以及深度為25 m的海水中，經(jīng)過(guò)多次完整的充氣與放氣循環(huán)，驗(yàn)證了儲(chǔ)氣包的可靠性。此外，研究者還提出了多種新型的水下儲(chǔ)氣形式，如采用可伸縮管道的無(wú)底沉箱儲(chǔ)氣形式［13］、混凝土儲(chǔ)氣室［14］、管狀袋儲(chǔ)氣包［15］、組合式儲(chǔ)氣包［16］等。美國(guó)Brayton Energy公司于2014年在夏威夷建立了一個(gè)小型示范系統(tǒng)，采用的是模塊化的儲(chǔ)氣裝置［17］。2015年，加拿大Hydrostor公司在安大略湖建設(shè)了規(guī)模為0.7MW的示范項(xiàng)目［18］，而后又在Goderich建設(shè)了具有1.75MW輸出峰值功率、2.2MW額定儲(chǔ)能功率和10MW·h存儲(chǔ)容量的商業(yè)項(xiàng)目［19］。截止目前，國(guó)內(nèi)尚無(wú)相關(guān)UWCAES系統(tǒng)方面的實(shí)驗(yàn)工作。

水下壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)是一種能夠與海上風(fēng)電耦合的新型儲(chǔ)能技術(shù)，但不穩(wěn)定的海上風(fēng)能會(huì)導(dǎo)致UWCAES的輸入不斷變化，系統(tǒng)偏離設(shè)計(jì)工況運(yùn)行，進(jìn)而影響運(yùn)行特性。然而，現(xiàn)有研究對(duì)UWCAES的變工況分析相對(duì)較少［20-21］。因此，本文以先進(jìn)絕熱水下壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)為研究對(duì)象，建立了考慮海上風(fēng)能波動(dòng)性的海上風(fēng)電與水下壓縮空氣儲(chǔ)能（OW-UWCAES）耦合系統(tǒng)熱力學(xué)模型，提出了耦合系統(tǒng)中關(guān)鍵運(yùn)行參數(shù)的設(shè)計(jì)流程，分析了額定工況下的系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換特性與損情況，進(jìn)一步研究了不同穩(wěn)定風(fēng)速與擾動(dòng)風(fēng)速對(duì)系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換過(guò)程的影響規(guī)律，并以實(shí)際風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)為例，分析了UWCAES系統(tǒng)的變工況運(yùn)行特性。

1 OW-UWCAES耦合系統(tǒng)建模

1.1 OW-UWCAES系統(tǒng)構(gòu)型

OW-UWCAES耦合系統(tǒng)如圖1所示，其中數(shù)字表示不同位置的空氣狀態(tài)點(diǎn)，系統(tǒng)循環(huán)構(gòu)型為三級(jí)壓縮中間冷卻、三級(jí)膨脹中間加熱及導(dǎo)熱油顯熱儲(chǔ)熱的形式。該系統(tǒng)由海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組、空氣壓縮子系統(tǒng)、水下空氣存儲(chǔ)與輸運(yùn)子系統(tǒng)、空氣膨脹做功子系統(tǒng)、儲(chǔ)熱與換熱子系統(tǒng)以及發(fā)電機(jī)組組成。

系統(tǒng)的儲(chǔ)能過(guò)程如下：海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組產(chǎn)生清潔電能，驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)M1、M2、M3分別帶動(dòng)三級(jí)壓縮機(jī)C1、C2、C3，將常壓空氣壓縮為高壓狀態(tài)。為提高效率和降低能耗，采用三級(jí)壓縮中間冷卻方法。壓縮過(guò)程中，利用導(dǎo)熱油作為冷卻介質(zhì)，在中間冷卻器HE1、HE2、HE3中冷卻壓縮后的高溫空氣，并將被加熱的導(dǎo)熱油存儲(chǔ)到熱油罐HOT中。壓縮后的高壓空氣經(jīng)水下輸氣管道TRC輸送至水下儲(chǔ)氣包ACC，由于水的靜壓特性，壓縮過(guò)程儲(chǔ)氣包壓力保持不變，體積逐漸增大。

系統(tǒng)的釋能過(guò)程如下：電力需求高峰時(shí)，儲(chǔ)存的熱導(dǎo)熱油通過(guò)中間加熱器HE4、HE5、HE6加熱儲(chǔ)氣包釋放的高壓空氣，被加熱后的高溫高壓空氣推動(dòng)膨脹機(jī)E1、E2、E3做功，并帶動(dòng)發(fā)電機(jī)G1、G2、G3發(fā)電，此時(shí)被冷卻的導(dǎo)熱油返回冷油罐COT。不同于傳統(tǒng)的定容CAES技術(shù)在膨脹過(guò)程中需使用減壓閥來(lái)穩(wěn)定膨脹機(jī)進(jìn)口壓力，UWCAES在膨脹過(guò)程中儲(chǔ)氣包壓力保持不變，體積減小。

在滿(mǎn)足式（25）的壓縮儲(chǔ)能過(guò)程空氣壓力下，βC越小，進(jìn)入儲(chǔ)氣包的空氣壓力越接近pACC，其能量損失越小；在滿(mǎn)足式（26）的膨脹釋能過(guò)程空氣壓力下，βE越大，膨脹機(jī)作功量越大，系統(tǒng)往返效率越高。本系統(tǒng)中，βC、βE分別取4.03和3.35。

（3）工質(zhì)運(yùn)行流量的確定。為了使經(jīng)過(guò)一個(gè)完整壓縮儲(chǔ)電與膨脹發(fā)電過(guò)程后的儲(chǔ)氣包與儲(chǔ)油罐能夠回到初始狀態(tài)，空氣流量與導(dǎo)熱油流量應(yīng)該滿(mǎn)足如下關(guān)系

mair，chmair，dch=moil，chmoil，dch=τdchτch（27）

式中：下標(biāo)ch、dch分別表示儲(chǔ)能和釋能過(guò)程。

設(shè)mair，ch=1kg/s，定義κo，a為中間換熱器內(nèi)導(dǎo)熱油與空氣質(zhì)量流量之比moil，ch/mair，ch，以系統(tǒng)能量往返效率ηrt為目標(biāo)，通過(guò)改變?chǔ)蕂，a尋找最優(yōu)的運(yùn)行條件。圖2給出了κo，a對(duì)系統(tǒng)往返效率的影響。由圖可見(jiàn)，隨著κo，a的增大，ηrt先增大后減小，當(dāng)κo，a=1.41時(shí)，ηrt存在最大值60.3%。ηrt受κo，a顯著影響的原因主要在于系統(tǒng)熱損失受導(dǎo)熱油流量的影響較大。

圖3展示了κo，a對(duì)系統(tǒng)熱損失的影響規(guī)律。UWCAES系統(tǒng)的熱量損失主要包括水下輸氣管道的散熱損失Qloss1以及冷油罐散熱損失Qloss2兩部分。由圖3可見(jiàn)，隨著κo，a增大，Qloss1先減小，然后保持不變，這是由于導(dǎo)熱油流量達(dá)到一定值后，增大導(dǎo)熱油流量也無(wú)法再進(jìn)一步降低進(jìn)入海底輸氣管道的壓縮空氣溫度T8，即Qloss1的最低值由海底溫度與環(huán)境溫度共同決定。此外，隨著κo，a的增大，Qloss2不斷增加，這是由于導(dǎo)熱油流量增大，導(dǎo)致膨脹發(fā)電過(guò)程進(jìn)入低溫油罐的儲(chǔ)油溫度T38增加，進(jìn)而使得冷油罐的散熱損失增加。當(dāng)κo，a由0.60上升到2.40時(shí)，T38由316.7K上升到328.7K。可見(jiàn)，在Qloss1與Qloss2的相互制約下，總是存在最優(yōu)κo，a，使得Qloss1與Qloss2之和最小，此時(shí)，能量往返效率達(dá)到最大值。

當(dāng)κo，a較小時(shí)，導(dǎo)熱油流量較低，壓縮過(guò)程的空氣未得到充分降溫，導(dǎo)致進(jìn)入海底儲(chǔ)氣包的輸氣管道的空氣溫度較高，氣體通過(guò)管道向海水散熱熱量損失Qloss1增大。κo，a=0.60時(shí)，Qloss1占系統(tǒng)總散熱損失的89.6%。

當(dāng)κo，a較大時(shí)，導(dǎo)熱油流量過(guò)高，此時(shí)雖然可以有效地吸收壓縮過(guò)程存儲(chǔ)的熱量，但由于儲(chǔ)存的導(dǎo)熱油溫度較低，膨脹過(guò)程中的空氣升溫上限較低，因此膨脹發(fā)電量降低。此外，由于膨脹過(guò)程導(dǎo)熱油流量較大，導(dǎo)致中間加熱器導(dǎo)熱油出口溫度偏高，即低溫油罐的儲(chǔ)油溫度較高，通過(guò)低溫油罐對(duì)空氣的散熱損失Qloss2增大。κo，a=2.40時(shí)，Qloss2占系統(tǒng)總散熱損失的90.9%。

取κo，a=1.41，此時(shí)系統(tǒng)ηrt達(dá)到最大，為60.3%。根據(jù)30MW額定儲(chǔ)能功率設(shè)計(jì)要求，計(jì)算可得額定工況下工質(zhì)運(yùn)行流量分別為：mair，ch=55.12kg/s，moil，ch=77.72kg/s，mair，dch=110.24kg/s，moil，dch=155.44kg/s。

2.2 額定穩(wěn)定風(fēng)況下系統(tǒng)能效分析

圖4給出了額定運(yùn)行工況下空氣的壓-焓圖，圖中數(shù)字對(duì)應(yīng)圖1中各空氣的狀態(tài)點(diǎn)，反映了UWCAES系統(tǒng)的熱力學(xué)過(guò)程。

由圖4可見(jiàn)，系統(tǒng)內(nèi)空氣的最高壓力和最高溫度均在第3級(jí)壓縮機(jī)出口，其值分別為5.62MPa、481.55K。從系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程出發(fā)，針對(duì)壓縮儲(chǔ)能過(guò)程，由于海底輸氣管道的散熱與壓損影響，管道出口的壓縮空氣焓值h9比入口焓值h8少24.57kJ/kg，降低了8.16%；針對(duì)膨脹釋能過(guò)程，不同于傳統(tǒng)CAES的定容儲(chǔ)氣條件，由于水的靜壓特點(diǎn)與柔性?xún)?chǔ)氣包形式，膨脹釋能過(guò)程的空氣壓力不變，恒等于儲(chǔ)氣壓力；針對(duì)完整的循環(huán)過(guò)程，由于消音器的空氣出口溫度T18為324.10K大于環(huán)境溫度，因此系統(tǒng)出口的空氣焓值h18為324.57kJ/kg，高于進(jìn)入系統(tǒng)的空氣焓值h1（298.45kJ/kg）。此外，由于系統(tǒng)中的壓力損失、散熱損失及機(jī)械損失等因素，膨脹機(jī)內(nèi)空氣焓值的下降量小于壓縮機(jī)空氣內(nèi)焓值的增加量。

進(jìn)一步對(duì)額定工況下的UWCAES進(jìn)行分析，得到系統(tǒng)的流Sankey圖如圖5所示，圖中數(shù)值為各部件在儲(chǔ)能與釋能過(guò)程中的值。在壓縮儲(chǔ)能過(guò)程中，風(fēng)電機(jī)的流輸入值為480MW·h，壓縮空氣儲(chǔ)存和導(dǎo)熱油儲(chǔ)存的分別為295、82.1MW·h，伴隨著102.9MW·h的損失，儲(chǔ)能效率ηex，ch為78.6%。在膨脹釋能過(guò)程中，輸入來(lái)自于儲(chǔ)存的壓縮空氣與熱導(dǎo)熱油，輸出（即發(fā)電機(jī)發(fā)電量）為290MW·h，伴隨87.1MW·h的損失，釋能效率ηex，dch為76.9%。

系統(tǒng)各部件的損失情況如圖6所示。將系統(tǒng)中的設(shè)備按種類(lèi)分為透平機(jī)械、電動(dòng)機(jī)與發(fā)電機(jī)、儲(chǔ)熱與換熱單元、氣體輸運(yùn)存儲(chǔ)單元，可以看出，儲(chǔ)熱與換熱單元的損失最大，約為68.34MW·h，占總損失的36.6%；其次是膨脹機(jī)、壓縮機(jī)與油泵組成的透平機(jī)械類(lèi)，損失約為65.23MW·h，占總損失的35.0%。相比于空氣的壓縮、膨脹和換熱過(guò)程，導(dǎo)熱油混合、輸運(yùn)、油罐散熱等過(guò)程的損失很小，可忽略不計(jì)。

3 系統(tǒng)變工況下的能量轉(zhuǎn)化特性

不穩(wěn)定的風(fēng)能使得壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的輸入處于變工況狀態(tài)，系統(tǒng)偏離設(shè)計(jì)值運(yùn)行，影響部件的運(yùn)行效率，進(jìn)而改變整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行特性。為了準(zhǔn)確揭示海上風(fēng)能波動(dòng)對(duì)UWCAES系統(tǒng)運(yùn)行特性的影響規(guī)律，本節(jié)研究了不同穩(wěn)定風(fēng)速、不同類(lèi)型擾動(dòng)風(fēng)對(duì)系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)化特性影響規(guī)律，并以某風(fēng)電場(chǎng)的實(shí)際風(fēng)況為例，分析了UWCAES系統(tǒng)的運(yùn)行特性。

當(dāng)風(fēng)速改變時(shí)，根據(jù)式（7）確定風(fēng)機(jī)輸出電功率，壓縮儲(chǔ)能過(guò)程的空氣流量隨風(fēng)機(jī)功率成等比例變化，導(dǎo)熱油與空氣的流量比例保持不變；膨脹釋能過(guò)程則根據(jù)儲(chǔ)氣量與儲(chǔ)油量以及設(shè)計(jì)的釋能時(shí)間來(lái)確定導(dǎo)熱油與空氣的流量。

3.1 不同穩(wěn)定風(fēng)速的影響

本節(jié)分析中，儲(chǔ)能、釋能時(shí)間分別為60、30s，UWCAES系統(tǒng)的工質(zhì)流量與風(fēng)電輸入功率相關(guān)，其他運(yùn)行條件與表1保持一致。圖7展示了穩(wěn)定風(fēng)速為3.5～13.5m/s時(shí)，UWCAES各系統(tǒng)效率的變化情況。圖8給出了穩(wěn)定風(fēng)速對(duì)系統(tǒng)散熱損失的影響規(guī)律。

由圖7可見(jiàn)，系統(tǒng)中儲(chǔ)能效率ηch、釋能效率ηdch、能量往返效率ηrt以及熱能流量效率ηtes隨風(fēng)速的變化趨勢(shì)基本相同。隨著穩(wěn)定風(fēng)速的增加，各效率均先上升，當(dāng)風(fēng)速達(dá)到設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)風(fēng)速（8m/s）時(shí)，效率達(dá)到最高。進(jìn)一步增加風(fēng)速，由于壓縮機(jī)與膨脹機(jī)偏離設(shè)計(jì)流量，效率降低，導(dǎo)致系統(tǒng)各效率均逐漸下降。然而，當(dāng)風(fēng)速達(dá)到風(fēng)機(jī)額定風(fēng)速（12m/s）后，由于此時(shí)的風(fēng)機(jī)輸出功率為額定功率，故不再發(fā)生變化，因此UWCAES系統(tǒng)的ηex，ch、ηex，dch、ηrt和ηtes維持不變，分別為73.0%、65.3%、47.7%和71.5%。

從圖7還可以看出，穩(wěn)定風(fēng)速為3.5～13.5m/s時(shí)，ηex，ch的變化范圍為73.0%～78.5%，ηex，dch的變化范圍為66.6%～76.3%，且ηex，ch始終大于ηex，dch。這是由于儲(chǔ)能過(guò)程的水底輸氣管道熱量損失Qloss1小于釋能過(guò)程的冷油罐散熱損失Qloss2，且風(fēng)速變化對(duì)Qloss2的影響更大（見(jiàn)圖8），因此ηex，ch的變化幅值（5.5%）小于ηex，dch的變化幅值（9.7%）。

3.2 不同擾動(dòng)風(fēng)的影響

表2給出了擾動(dòng)風(fēng)的參數(shù)設(shè)置。在該參數(shù)條件下，基礎(chǔ)風(fēng)+陣風(fēng)、基礎(chǔ)分+漸變風(fēng)以及基礎(chǔ)風(fēng)+隨機(jī)風(fēng)隨時(shí)間的變化如圖9所示。由圖可見(jiàn)，由于隨機(jī)風(fēng)的規(guī)律性較差，且變化幅度比陣風(fēng)和漸變風(fēng)都要小，因此后續(xù)以陣風(fēng)和漸變風(fēng)為例，研究擾動(dòng)風(fēng)對(duì)水下壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的影響特性。

將陣風(fēng)和漸變風(fēng)分量的最大值，即vG，max和vR，max，統(tǒng)稱(chēng)為擾動(dòng)風(fēng)分量最大值vd，max。圖10展示了vd，max對(duì)ηrt以及一個(gè)風(fēng)速變化周期內(nèi)系統(tǒng)平均發(fā)電功率PG，ave的影響。由圖可見(jiàn)，vd，max對(duì)ηrt和PG，ave的影響可分為3個(gè)區(qū)域。

區(qū)域1：vd，max≤（vrated－vB）。在此區(qū)域內(nèi)，風(fēng)速增加，系統(tǒng)偏離設(shè)計(jì)工況運(yùn)行，壓縮機(jī)與膨脹機(jī)的效率降低，因此ηrt降低。然而，由于風(fēng)速小于風(fēng)機(jī)的額定風(fēng)速，由式（7）可知，風(fēng)機(jī)輸出功率增加，即UWCAES系統(tǒng)的輸入功率隨vd，max增加，壓縮儲(chǔ)能階段水下儲(chǔ)氣包累計(jì)儲(chǔ)存的高壓氣體質(zhì)量快速增加，因此系統(tǒng)PG，ave快速上升。

區(qū)域2：（vrated－vB） lt;vd，max≤（vcut-out－vB）。在此區(qū)域內(nèi)，最大風(fēng)速已達(dá)到風(fēng)機(jī)額定風(fēng)速，但未超過(guò)風(fēng)機(jī)切出風(fēng)速。由式（7）可知，風(fēng)機(jī)的最大輸出功率維持在額定功率，且隨著vd，max增加，風(fēng)速達(dá)到風(fēng)機(jī)額定風(fēng)速的時(shí)間增加。由于達(dá)到額定風(fēng)速后進(jìn)一步增加風(fēng)速，風(fēng)機(jī)輸出功率也不會(huì)再增加，即UWCAES系統(tǒng)性能不再發(fā)生變化，因此ηrt的降低速率和PG，ave的增長(zhǎng)速率均放緩。

區(qū)域3：vd，maxgt; （vcut-out－vB）。在此區(qū)域內(nèi)，最大風(fēng)速已達(dá)到風(fēng)機(jī)切出風(fēng)速，且隨著vd，max增加，超過(guò)切出風(fēng)速的時(shí)間增加，即風(fēng)機(jī)停機(jī)時(shí)間增加，因此累積儲(chǔ)氣體積降低，從而PG，ave減小。當(dāng)最大陣風(fēng)分量vG，max由25m/s增加到40m/s時(shí)，風(fēng)機(jī)停機(jī)時(shí)間占比由21.7%增加到48.3%，PG，ave由48.28MW降低至31.71MW。

以基礎(chǔ)風(fēng)+陣風(fēng)為例，在3個(gè)區(qū)域中分別選取vG，max為2、15、30m/s，對(duì)比分析這3種工況下，系統(tǒng)中壓縮儲(chǔ)能階段關(guān)鍵運(yùn)行參數(shù)的變化，如圖11所示。由圖可見(jiàn)，區(qū)域2中vG，max=15m/s時(shí)的儲(chǔ)氣速率明顯高于區(qū)域1中vG，max=2m/s時(shí)的；而對(duì)于區(qū)域3中vG，max=30m/s，由于在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)，風(fēng)速高于風(fēng)機(jī)切出風(fēng)速30m/s，系統(tǒng)處于停機(jī)狀態(tài)，因而此階段儲(chǔ)氣體積不變。當(dāng)60s壓縮儲(chǔ)能時(shí)間結(jié)束后，在vG，max分別為2、15、30m/s擾動(dòng)風(fēng)工況下，水下儲(chǔ)氣包體積分別為67.8、94.5、60.9m3。

3.3 實(shí)際風(fēng)況下的系統(tǒng)運(yùn)行特性

以某風(fēng)電場(chǎng)凌晨0：00到下午16：00的實(shí)際風(fēng)況為例，采用本文所提OW-UWCAES技術(shù)，得到系統(tǒng)壓縮儲(chǔ)能階段的實(shí)測(cè)風(fēng)速和儲(chǔ)氣體積如圖12所示。由圖可見(jiàn)，在儲(chǔ)能階段，平均風(fēng)速為7.81m/s，最大、最小風(fēng)速分別為12.91、1.81m/s，最終有效存儲(chǔ)氣體體積約為51 100m3。

基于實(shí)測(cè)風(fēng)速與建立的OW-UWCAES模型，得到0：00到16：00系統(tǒng)壓縮耗功功率PC與高溫混合器油溫T28的變化情況，如圖13所示。由圖可見(jiàn)，儲(chǔ)能階段的壓縮機(jī)耗功功率隨風(fēng)場(chǎng)波動(dòng)，平均功率為28.09MW，高溫混合器內(nèi)的導(dǎo)熱油溫度在464.0～486.9K范圍內(nèi)波動(dòng)，最終高溫儲(chǔ)油罐的溫度為469.2K。經(jīng)過(guò)16h壓縮儲(chǔ)能階段，風(fēng)機(jī)共輸出電能451.8MW·h，經(jīng)過(guò)8h膨脹釋能階段，UWCAES系統(tǒng)平均發(fā)電功率為29.88MW，共輸出穩(wěn)定電能239.0MW·h，系統(tǒng)能量往返效率為52.9%。

4 結(jié) 論

本文通過(guò)建立海上風(fēng)電-水下壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)熱力學(xué)模型，分析了考慮海上風(fēng)能波動(dòng)性的水下壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)化特性，得到主要結(jié)論如下。

（1）導(dǎo)熱油與空氣質(zhì)量流量之比κo，a顯著影響系統(tǒng)能量往返效率ηrt，其原因在于水下輸氣管道的散熱損失Qloss1和冷油罐散熱損失Qloss2隨κo，a的變化趨勢(shì)相反，于是存在最優(yōu)κo，a，使得Qloss1與Qloss2之和最小，此時(shí)ηrt達(dá)到最大值。本文設(shè)計(jì)工況條件下，κo，a最優(yōu)值為1.41，對(duì)應(yīng)的ηrt為60.3%。

（2）額定設(shè)計(jì)工況下，水下壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)中儲(chǔ)熱和換熱單元的損失最大，占總損失的36.6%；其次是透平機(jī)械類(lèi)和電動(dòng)機(jī)發(fā)電機(jī)類(lèi)，分別占總損失的35.0%、25.3%；導(dǎo)熱油的混合、管內(nèi)輸運(yùn)、油罐散熱等過(guò)程損失很小，可忽略不計(jì)。

（3）穩(wěn)定風(fēng)速對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)的影響結(jié)果表明：當(dāng)風(fēng)速偏離設(shè)計(jì)基礎(chǔ)風(fēng)速vB時(shí)，壓縮機(jī)與膨脹機(jī)偏離設(shè)計(jì)流量，造成設(shè)備效率降低，進(jìn)而導(dǎo)致ηrt小于額定設(shè)計(jì)值。與此同時(shí)，在小于切出風(fēng)速范圍內(nèi)，提高風(fēng)速有利于系統(tǒng)平均發(fā)電功率PG，ave的提升。

（4）擾動(dòng)風(fēng)速對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)的影響結(jié)果表明：受風(fēng)機(jī)額定風(fēng)速vrated與切出風(fēng)速vcut-out的影響，隨著擾動(dòng)風(fēng)分量最大值vd，max增加，vd，max對(duì)PG，ave的影響可分為快速增長(zhǎng)區(qū)（vd，max≤ vrated－vB）、增長(zhǎng)減緩區(qū)（vrated－vB lt; vd，max≤ vcut-out－vB）以及降低區(qū)（vd，maxgt;vcut-out－vB），3個(gè)區(qū)域內(nèi)的ηrt均低于額定穩(wěn)定工況下的設(shè)計(jì)值。以平均風(fēng)速為7.81m/s的某風(fēng)電場(chǎng)實(shí)際風(fēng)況為例，受風(fēng)速波動(dòng)性的影響，儲(chǔ)能系統(tǒng)ηrt為52.9%，比額定設(shè)計(jì)值低了7.4%。

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（編輯 李慧敏）