海上风电-水下压缩空气储能系统建模及经济性分析

doi:10.3969/j.issn.2097-0706.2022.10.010

摘要/Abstract

摘要：

为实现“双碳”目标，加快发展风电和太阳能等新能源是我国能源绿色低碳转型的必然选择。风能的波动性和随机性会对电网的安全稳定运行造成威胁，实际应用中往往将风力发电与储能技术相结合，相比于传统的风力发电，可在一定程度上减小系统输出电能对电网的冲击。建立了海上风电-水下压缩空气储能系统模型并以此作为研究对象进行系统模型的仿真与分析，采用随机概率和真实数据拟合相结合的方法对系统的能效、经济性进行分析。结果显示：在风速随机波动的条件下，系统发电效率可达65%，理论平均收益为11 675 元/d，在有效寿命期20 a内总利润可达1 346万元。

关键词: 碳中和, 新能源, 海上风电, 水下压缩空气储能, 能效, 经济效益

Abstract:

On the path of dual carbon target， developing new energy， such as solar power and wind power， is the inevitable approach to realize the green and low-carbon transformation of the energy industry in China. But the volatility and randomness of wind energy will threat the stability and security of power grids. Thus， energy storage technology is applied in combination with wind power in practical applications， to smooth the power output from wind farms and alleviate the impact on power grids. The model of an offshore wind power-underwater compressed air energy storage system is established and simulated. The energy efficiency and economic benefit of the system are analyzed by combining random probability calculation and real data fitting. The results show that under volatile wind speeds， power generation rate and theoretical average return of the system can reach 65% and 11 675 yuan/d， respectively， and the total profit of the system can be 13.46 million yuan in its 20-year service life.

Key words: carbon neutrality, new energy, offshore wind power, underwater compressed air energy storage, energy efficiency, economic benefit analysis

中图分类号:

TK89：TM744

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图/表 22

图1

表1

图2

图3

图4

表2

系统基本参数

参数	单位	数值
大气压力	Pa	101 325
大气温度	K	298.15
额定空气流速	kg/s	8.5
风电站额定输出功率	MW	2.45
电动机1,2,3额定输入效率	%	90
电动机1额定输入功率	MW	0.79
电动机2额定输入功率	MW	0.81
电动机3额定输入功率	MW	0.84
压缩机1,2,3额定等熵效率	%	90
压缩机1,2,3额定等压缩比		2.154 4
压缩储能总时间	h	9
额定水下储存深度	m	100
储存压强	Pa	1 013 201
储存空气总质量	kg	275 400
储存空气密度	kg/m³	10.99
储存空气总体积	$m 3$	25 036.4
储气包规格	$m 3$	30 000
存储时间	h	3
额定膨胀空气流速	kg/s	25.5
热液罐额定温度	K	388
冷液罐额定温度	K	290
膨胀释能总时间	h	3
膨胀机1,2,3额定等熵效率	%	90
膨胀机1额定膨胀比		2.154 4
膨胀机1膨胀功率	MW	1.76
膨胀机2膨胀功率	MW	1.77
膨胀机3膨胀功率	MW	1.77
发电机1,2,3额定发电效率	%	95
发电机1额定输出功率	MW	1.67
发电机2额定输出功率	MW	1.68
发电机3额定输出功率	MW	1.68
换热器额定有效度		0.9
换热器1额定换热功率	MW	0.64
换热器2额定换热功率	MW	0.68
换热器3额定换热功率	MW	0.68
换热器4额定换热功率	MW	2.27
换热器5额定换热功率	MW	1.81
换热器6额定换热功率	MW	1.77
压缩过程导热油流速	kg/s	1.7
膨胀过程导热油流速	kg/s	1.7
系统循环效率	%	68.46

表2

图5

图6

图7

图8

图9

表3

图10

表4

图11

表5

图12

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图14

图15

图16

图17

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风电功率等级	概率	风电功率等级	概率
R1	0.06	R6	0.15
R2	0.11	R7	0.15
R3	0.13	R8	0.06
R4	0.11	R9	0.11
R5	0.07	R10	0.05

运行时段	时段	发电机组总发电量/(MW·h)	储气总质量/kg	G1输出功率/MW	G2输出功率/MW	G3输出功率/MW	输出总电能/（MW·h）
压缩储能	00:00 —15:00	19.348	229 500	0	0	0	0
储存空气	15:00 —18:00	0	229 500	0	0	0	0
膨胀释能	18:00 —20:30	0		1.67	1.68	1.68	12.575

项目	所需容量	数量	购买成本/万元	安装成本/万元
风力发电机	5 MW	1	500	50.00
电动机	1 MW	3	20	2.00
空气压缩机	1 MW	3	60	6.00
空气膨胀机	2 MW	3	120	12.00
发电机	2 MW	3	100	10.00
换热器		6	10	1.00
柔性储气包	30 000 m³	1	900	90.00
管路、线路		若干	176	2.36
热液罐		1	10	1.00
冷液罐		1	10	1.00
合计			2 556	240.36

项目	参数
发电总功率/kW	5 040
日发电时长/h	2.5
日发电量/(kW·h)	12 600
工业用电收入/(元·d^-1)	7 567.56
居民用电收入/(元·d^-1)	1 164.24
总收入/(元·d^-1)	8 731.80