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大型压缩空气储能系统的土木工程建筑结构设计优化

2024-10-26 77 上传者：管理员

摘要：大型压缩空气储能系统的土木工程建筑结构设计优化是确保系统安全、稳定、高效运行的关键环节。本文围绕该主题，从热力学储能作用分析、设计目标、子系统设备选型三方面着手，对大型压缩空气储能系统进行建模。通过对设计方法的梳理与分析，指出了其中存在的不足之处，如建筑结构储气量较少、储能量不达标、选址不够灵活。针对这些问题，提出了一系列优化设计措施，包括结构设计、材料选择、施工技术和环境适应性等。

关键词：
压缩空气储能
土木工程
建筑结构
施工工艺
热力学作用
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大型压缩空气储能系统的土木工程建筑结构设计优化，是当前工程领域中一项重要的研究议题。随着可再生能源和清洁能源的快速发展，压缩空气储能作为一种高效、环保的储能方式，受到了广泛关注和应用。然而，大型压缩空气储能系统的建设涉及复杂的土木工程建筑结构设计，其安全性和稳定性对于系统的正常运行至关重要。

土木工程建筑结构设计优化研究的兴起，正是为了应对大型压缩空气储能系统建设中的挑战和需求[1]。通过对设计方法的优化，工程师们可以在确保建筑结构强度和稳定性的前提下，实现材料使用量的减少、工程建设成本的降低以及工程施工效率的提高。这不仅能够提高设计的经济性和可持续性，还能为大型压缩空气储能系统的建设提供有力的技术支持。

1、大型压缩空气储能系统设计及建模

1.1热力学储能作用分析

为了提高系统的能量转换效率，大型压缩空气储能系统还采用了热能回收技术。在空气压缩过程中，压缩机会产生大量的热量，这些热量可以通过热交换器进行回收并存储。在释能过程中，回收的热量可用于加热膨胀前的空气，从而提高涡轮机的效率和系统的整体性能。

在电力需求较低或可再生能源发电过剩的时段，系统利用这些过剩的电力驱动空气压缩机工作，将大气中的空气压缩并存储于高压容器中。在这一过程中，电能被转化为空气的内能，实现了能量的转换。同时，由于压缩过程中会产生热量，这些热量可以通过热交换器进行回收并存储，进一步提高了能量的利用效率。

在电力需求高峰时段，系统释放高压容器中的压缩空气，推动涡轮机旋转并产生机械能。随后，机械能通过发电机转化为电能，从而满足电力系统的需求[2]。在此过程中，回收的热量可用于加热膨胀前的空气，提高涡轮机的效率和系统的整体性能。

1.2复合式压缩空气储能的设计目标

复合式储能是大型压缩空气储能系统的主要运行方式，其设计目标主要聚焦于以下几个方面：

(1）规模化发展：为满足更大规模的能量储存需求，设计目标之一是开发更大规模的压缩空气储能系统。

(2）提高能量转换效率：设计旨在优化压缩和膨胀过程的效率，以及热能的高效利用和管理，从而提高整个系统的能量转换效率。

(3）灵活性与兼容性：设计应考虑到不同应用场景和需求，使复合式压缩空气储能系统能够灵活地适应各种环境，并与其他能源系统或设备兼容。

1.3子系统设备选型

大型压缩空气储能系统的运行原理主要基于空气的可压缩性，通过电力驱动空气压缩机将大气中的空气压缩并存储在高压容器中。在电力需求较低时，如夜间或风力发电过剩时，系统利用这些过剩电力进行空气的压缩和储存，从而将电能转化为空气的势能。对于子系统设备的选型参考表1所示标准。

表1大型压缩空气储能系统的子系统设备选型

2、储能系统土木工程建筑的问题分析

大型压缩空气储能系统是一种可实现大容量、长时储能的电力系统。它通常利用低谷、风电、太阳能等富余或波动性电力，将空气压缩后存储于储气装置中，使电能转化为空气的内能存储起来。在用电高峰时，高压空气从储气装置释放，然后驱动透平发电。因此，对于储能系统土木工程建筑的问题分析应侧重于建筑结构、储能特性等方面。

储气装置是储存高压空气的关键设施。根据系统的规模和需求，储气装置可以是大型地下洞穴、硬岩层或专门设计的储气罐。这些储气设施的结构设计需要考虑到地质条件、压力承受能力和密封性等因素，以确保空气在储存过程中不会泄漏或受到损害[3]。

大型压缩空气储能系统的土木工程建筑结构需要储存大量的能量，其储能量级远超过其他电化学储能方式，如锂离子电池和燃料电池等。这种特性使得大型压缩空气储能系统特别适用于储存风能、太阳能等大规模的可再生能源，从而实现能源的有效利用和平衡电力供需。建筑结构单元需要实现日调度、周调度甚至季调度的长周期储能，满足电力系统在不同时间尺度上的储能需求。这种特性使得大型压缩空气储能系统能够在电力需求波动较大的情况下，提供稳定的电力供应，提高电力系统的稳定性和可靠性。

此外，大型压缩空气储能系统的土木工程建筑结构还应具有选址灵活的特点。其储气装置可以选择天然或人工盐穴、管线钢阵列等多种方式，随着建造成本降低，可以逐步摆脱地理条件的限制。这使得大型压缩空气储能系统能够在更广泛的地理范围内进行部署和应用。

3、土木工程建筑结构的优化设计

大型压缩空气储能系统的优点包括：可控性强、效率较高、环保等。同时，它还可以与可再生能源系统相结合，实现可再生能源的大规模利用和提供高峰电量。大型压缩空气储能系统还具有长时储能特性，可以平衡电力供需，提高电力系统的稳定性。对其土木工程建筑结构进行优化设计时，首先在结构设计上，要考虑承受高压和大型设备的重量，其建筑结构设计需要满足强度、稳定性和耐久性的要求，以确保系统的安全稳定运行。

其次，材料选择方面，大型压缩空气储能系统的建筑物和构筑物通常会采用高强度、耐腐蚀的材料，如钢筋混凝土、特种钢材等。这些材料能够满足系统对结构强度和耐久性的要求，同时抵御环境因素如腐蚀和侵蚀的影响。

此外，施工技术也是大型压缩空气储能系统建筑特性的重要方面。系统的建设需要采用先进的施工技术和方法，以确保施工质量和进度[4]。这包括高效的地基处理、精确的构件安装和严格的施工质量控制等。

最后，环境适应性是大型压缩空气储能系统建筑特性的另一个关键要素。由于系统通常建设在特定的地理环境中，因此其建筑物和构筑物需要具备良好的环境适应性，能够抵御自然灾害、极端气候条件等不利因素的影响。

4、结论与展望

大型压缩空气储能系统的土木工程建筑结构设计优化是一个持续且不断进步的过程，它涉及到技术创新、材料革新以及施工方法的改进等多个方面。随着可再生能源的快速发展，大型压缩空气储能系统将在未来能源领域扮演越来越重要的角色。因此，土木工程建筑结构设计优化的研究与应用将具有更加广阔的前景和深远的意义。

同时，优化设计是一个系统工程，需要综合考虑多种因素，包括安全性、稳定性、经济性、环保性等。在未来的研究中，须继续关注新技术、新材料和新方法的发展，不断完善和优化设计方案，以满足大型压缩空气储能系统日益增长的需求。

参考文献:

[1]方乐,刘成奎,陈晓弢,等.含光热复合压缩空气储能的分布式综合能源系统容量规划方法[J].电工技术学报, 2022, 37(23):5933-5943.

[2]冉鹏,张森,王亚瑟,等.耦合超临界二氧化碳循环的压缩空气储能冷热电联供系统特性研究[J].动力工程学报, 2022, 42(11):1077-1088.

[3]冯庭勇,钟晶亮,文贤馗,等.先进绝热压缩空气储能发电系统参与调频辅助服务控制优化方法[J].热力发电, 2022, 51(5):136-141

[4]韩中合,张策,高明非.基于EMD分解的孤岛型综合能源系统混合储能规划[J].热力发电, 2022, 51(9):72-78.

文章来源:孟祥程.大型压缩空气储能系统的土木工程建筑结构设计优化[J].储能科学与技术,2024,13(10):3579-3581.