压缩空气储能是一种经济有效的储能技术,尤其适用于开发具有间歇性和随机性特征的风能。针对传统压缩空气储能技术应用于风电系统时存在的机组体积庞大、设备多、效率低等问题,本文提出并设计了一种集压缩与膨胀功能于一体的涡旋式压缩／膨胀复合机,通过机械耦合装置将涡旋复合机与风机叶轮和发电机连接,形成基于涡旋复合机的微型压缩空气储能—风电耦合系统。风力强时,利用涡旋复合机的压缩功能将多余的风能以压缩空气的形式储存；微风或无风时,释放压缩空气,利用压缩气体在涡旋复合机内膨胀做功直接为发电机提供辅助驱动力,从而有效平抑风能的波动性。作为压缩储能和膨胀释能的核心设备,涡旋复合机的结构和性能很大程度上影响着整个系统的能量转换效率。因此,本文主要完成了涡旋复合机及机械耦合装置的设计,并重点对涡旋复合机的性能进行了详细的理论模拟和实验研究,主要研究内容如下：根据系统对压缩储能和膨胀释能的功能要求,设计了一种结构紧凑的涡旋式压缩/膨胀复合机,其内部仅包含一对动、静涡盘,通过工作模式切换机构,使静涡盘底部的舌型排气阀旋转一定角度而封堵或脱离排气孔,从而分别实现压缩或膨胀功能。为了实现系统中压缩与膨胀工况的切换,设计了一种基于行星差动轮系和带传动结构的机械耦合装置,将涡旋复合机与风机叶轮和发电机连接形成微型压缩空气储能—风电耦合系统,分别实现压缩工况下的动力分解和膨胀工况下的动力合成。建立了反映涡旋复合机工作过程特性的热力学和动力学数学模型,并利用Matlab软件进行模拟求解。模拟研究表明：各工作腔的容积随时间呈周期性变化,其数值大小取决于涡盘的结构参数及主轴转角,其中膨胀腔的容积随时间呈现线性变化；由于存在吸、排气损失和泄漏,压缩气体的膨胀过程是多变过程；涡旋复合机主轴的输出能量与进气压力、流量密切相关,输出转矩和转速的大小取决于各工作腔内气体压差的变化。采用牛顿流体的非定常可压缩流动描述工作腔内部的气体流动,利用动网格技术研究了涡旋复合机工作腔内部的流场特性；提出了两段圆弧修正法,并以此为依据对型线起始段进行了修正,最后分析对比了修正前后流场特性的变化。研究结果表明：在膨胀工况下,膨胀腔内的气体压力随主轴转角的增大而逐渐降低,气体密度相应减小；型腔内侧靠近动涡盘外壁的速度数值较大,外侧靠近静涡盘内壁的速度值较小；型线起始段修正后,进气口处的气体流量增加,气流平稳性得到改善。提出以压缩空气的气动功率表征气体的有效能,定义了能量转换效率作为评价指标来评价涡旋复合机在工作过程中能量转化和利用的综合效率。加工制造了涡旋复合机样机并搭建了1kW涡旋复合机实验平台。实验研究表明：样机在压缩和膨胀工况下的最高能量转换效率分别达36.89%和41.56%。结合模拟结果和实验研究,证实了采用型线起始段修正和改进进、排气孔尺寸两种方法提高涡旋复合机能量转换效率的可行性。实验研究表明,型线修正后同样的进气压力和负载条件下,样机的效率最高达46.61%；实验条件下,样机的排气孔与进气孔最佳尺寸比例为0.6-0.8。本文从结构设计、热力学及动力学建模、流场模拟和能量转换效率等方面对涡旋式压缩／膨胀复合机及其性能进行了深入分析,其研究结果将为涡旋复合机在压缩空气储能技术中的推广应用提供重要的理论依据,对进一步研究压缩空气储能—风电耦合技术具有重要的参考价值。