一種基于液化空氣熱功轉(zhuǎn)換的開(kāi)-閉耦合式熱力循環(huán)方法
【專利摘要】本發(fā)明是一種基于液化空氣熱功轉(zhuǎn)換的開(kāi)-閉耦合式熱力循環(huán)方法，屬于壓縮空氣能量存儲(chǔ)與利用領(lǐng)域。
【發(fā)明內(nèi)容】
主要面向液化空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)，提出了一種開(kāi)-閉耦合式熱力循環(huán)方法及其實(shí)施方式，可大幅提高液化空氣的熱功轉(zhuǎn)換效率，提高液態(tài)空氣的能量利用率，提高儲(chǔ)能系統(tǒng)整體效率。液化空氣氣化吸熱過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的“冷量”，而冷量是液化空氣儲(chǔ)存能量的重要組成部分，本專利采用冷量利用與熱功轉(zhuǎn)換耦合的直接利用方式，通過(guò)在傳統(tǒng)熱力循環(huán)的基礎(chǔ)上引入一個(gè)壓縮循環(huán)，直接將冷量轉(zhuǎn)化為機(jī)械功，以提高液化空氣能量-機(jī)械功轉(zhuǎn)換率。
【專利說(shuō)明】一種基于液化空氣熱功轉(zhuǎn)換的開(kāi)-閉耦合式熱力循環(huán)方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
:
[0001]本發(fā)明屬于壓縮空氣能量存儲(chǔ)與利用領(lǐng)域，涉及液化空氣熱功轉(zhuǎn)換技術(shù)。

【背景技術(shù)】
:
[0002]化石燃料的燃燒帶來(lái)的環(huán)境污染問(wèn)題日益嚴(yán)重。表現(xiàn)為PM2.5指數(shù)大范圍超標(biāo)，全年霧霾天數(shù)逐年上升，二氧化碳排放不斷增長(zhǎng)，這一切與化石燃料的燃燒密不可分。
[0003]因此，在化石燃料燃燒技術(shù)研究不斷開(kāi)展的同時(shí)，新能源技術(shù)的探索也在大幅推進(jìn)。目前各國(guó)積極發(fā)展風(fēng)能、核能、太陽(yáng)能等新能源。在我國(guó)新能源的使用在總能源中的占比僅7%，預(yù)計(jì)在2020年將達(dá)到15%
[0004]可再生能源作為新能源的重要組成部分，是技術(shù)上和成本上最具競(jìng)爭(zhēng)力的新能源形式，如風(fēng)能和太陽(yáng)能。目前可再生能源的使用在總能源中的占比僅1.5%，預(yù)計(jì)在2020年將達(dá)到6%。2011年，世界風(fēng)電和光伏發(fā)電總裝機(jī)容量分別達(dá)到2.38億千瓦和0.69億千瓦。然而，風(fēng)能和太陽(yáng)能等可再生能源具有間歇性和不穩(wěn)定性的特點(diǎn)，雖然裝機(jī)容量巨大，但目前并不能大規(guī)模接入電網(wǎng)應(yīng)用。
[0005]可再生能源的大規(guī)模儲(chǔ)存技術(shù)可以解決上述問(wèn)題，截至目前，世界上僅有美、德等國(guó)家完成少量壓縮空氣儲(chǔ)能電站的建立，其原因是壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)需要巨大的天然洞穴存儲(chǔ)壓縮空氣。因此，壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)并未廣泛應(yīng)用。
[0006]液化空氣儲(chǔ)能可以將儲(chǔ)能空間需求減小97%，相比傳統(tǒng)壓縮空氣儲(chǔ)能以其儲(chǔ)能密度高的優(yōu)點(diǎn)，適用于可再生能源的大規(guī)模儲(chǔ)存，具有廣闊的應(yīng)用前景。
[0007]液化空氣儲(chǔ)能原理:電能需求小于電網(wǎng)供給時(shí)，多余的電能驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)氣體液化系統(tǒng)，空氣進(jìn)入液化空氣系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)壓縮和冷卻變成低溫液化空氣，將電能以液化空氣的形式儲(chǔ)存；電能需求大于電網(wǎng)供給時(shí)，采用低溫泵將低溫儲(chǔ)液罐的液化空氣增壓后，與常溫的空氣換熱，液化空氣吸熱后氣化，壓力升高并膨脹推動(dòng)渦輪發(fā)電，實(shí)現(xiàn)液化空氣的熱功轉(zhuǎn)換。
[0008]液化空氣氣化吸熱過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的“冷量”，而冷量是液化空氣儲(chǔ)存能量的重要組成部分，冷量的充分利用是液化空氣儲(chǔ)能技術(shù)中的關(guān)鍵問(wèn)題。
[0009]目前存在兩種解決該問(wèn)題的技術(shù)路線。
[0010]一種基于傳統(tǒng)空氣分離系統(tǒng)的間接利用方式，利用“冷量”將常溫空氣冷卻，并含有“冷量”的空氣導(dǎo)入傳統(tǒng)空氣分離系統(tǒng)，制成工業(yè)產(chǎn)品液態(tài)氮和液態(tài)氧，以提高液化空氣能量利用率。
[0011]另一種是冷量利用與熱功轉(zhuǎn)換耦合的直接利用方式，通過(guò)在傳統(tǒng)熱力循環(huán)的基礎(chǔ)上引入一個(gè)壓縮循環(huán)，直接將冷量轉(zhuǎn)化為機(jī)械功，以提高液化空氣能量-機(jī)械功轉(zhuǎn)換率。
[0012]綜上所述，儲(chǔ)能系統(tǒng)的直接目標(biāo)是輸出機(jī)械功從而轉(zhuǎn)換為電能，而后者是一種冷量直接利用的方式，從而具有提高儲(chǔ)能系統(tǒng)效率的潛力。因此，液化空氣熱功轉(zhuǎn)換技術(shù)是液化空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)。
[0013]1996年Ordonez首次提出以液氮為動(dòng)力的發(fā)動(dòng)機(jī)，使液氮吸收熱量氣化，氣化后壓力增加，然后將液氮作為壓力源來(lái)驅(qū)動(dòng)渦輪或活塞輸出功，做功完畢的低壓氮?dú)馔ㄟ^(guò)排氣口排出，Ordonez采用開(kāi)式循環(huán)利用液氮受熱膨脹的特性實(shí)現(xiàn)熱功轉(zhuǎn)換，然后以開(kāi)式循環(huán)為基礎(chǔ)分析了液氮中所儲(chǔ)存的能量。
[0014]1998年Knowlen采用閉式朗肯循環(huán)，將液氮作為冷源在做功工質(zhì)壓縮過(guò)程中吸收壓縮熱，利用液氮與大氣環(huán)境的溫差來(lái)實(shí)現(xiàn)冷能與機(jī)械功的轉(zhuǎn)換，通過(guò)理論分析得出單位質(zhì)量的液氮可實(shí)現(xiàn)熱功轉(zhuǎn)換300-450kJ/kg，而液氮熱功轉(zhuǎn)換的潛力為760kJ/kg，理論效率為40% -60%。1998年P(guān)lummer利用上述原理加工了實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，并測(cè)得單位質(zhì)量實(shí)際熱功轉(zhuǎn)換量為190kJ/kg，即實(shí)際效率為25%。2000年Ordonez采用一種改進(jìn)的閉式布雷頓循環(huán)實(shí)現(xiàn)了理論效率的提高，得到單位質(zhì)量熱功轉(zhuǎn)換量482kJ/kg，即理論效率為63%。
[0015]冷能是液氮從外界吸熱而具有的將熱能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的能力，膨脹能是液氮?dú)饣髩毫ι仙哂械膶?duì)外界膨脹做功的能力。兩種能量的性質(zhì)截然不同，為此，2007年陳海生將開(kāi)式循環(huán)技術(shù)應(yīng)用于液化空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了膨脹能-機(jī)械功的轉(zhuǎn)換，并利用冷能制備液化空氣，作為下一個(gè)儲(chǔ)能循環(huán)熱功轉(zhuǎn)換的原料。但液化空氣的制備循環(huán)會(huì)帶來(lái)冷能的損失，從而導(dǎo)致熱功轉(zhuǎn)換效率的大幅下降。因此，尋找一種膨脹能與冷能耦合熱功轉(zhuǎn)換的熱力循環(huán)是亟待解決的問(wèn)題。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0016]本發(fā)明的目的:
[0017]提出一種基于液化空氣大規(guī)模儲(chǔ)能的高效熱力循環(huán)技術(shù)。
[0018]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn):該熱力循環(huán)方法能將膨脹能和冷能綜合利用轉(zhuǎn)化為機(jī)械能輸出，提高能量轉(zhuǎn)換效率。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0019]圖1是開(kāi)-閉耦合式熱力循環(huán)P-V圖。
[0020]1.氣化過(guò)程，2.膨脹過(guò)程，3.排氣過(guò)程，4.壓縮過(guò)程，5.膨脹過(guò)程
[0021]圖2是開(kāi)-閉耦合式熱力循環(huán)實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)
[0022]6.兩位閥，7.工作罐，8.風(fēng)扇，9.換熱管，10.活塞缸，11.換熱罐，12.換熱器，13.兩位閥，14.注入管，15.管路，16.管路
[0023]本發(fā)明的技術(shù)方案:
[0024]一種基于液化空氣熱功轉(zhuǎn)換的開(kāi)-閉耦合式熱力循環(huán)方法由氣化-壓縮過(guò)程(1、4)、膨脹過(guò)程(2、5)和排氣過(guò)程(3)組成，氣化-壓縮過(guò)程由氣化過(guò)程(I)與壓縮過(guò)程(4)耦合形成，氣化過(guò)程(I)與壓縮過(guò)程(4)同時(shí)進(jìn)行，壓縮過(guò)程產(chǎn)生的壓縮熱由氣化過(guò)程吸收，氣化產(chǎn)生的開(kāi)環(huán)氣體經(jīng)膨脹過(guò)程做功后，經(jīng)排氣過(guò)程排向外界，形成開(kāi)式循環(huán)，在壓縮過(guò)程(4)被壓縮的氣體稱為閉環(huán)氣體，經(jīng)膨脹過(guò)程(5)做功后，直接進(jìn)入壓縮過(guò)程(4)，形成閉式循環(huán)。
[0025]閉環(huán)氣體與開(kāi)環(huán)氣體的比值由液化空氣所儲(chǔ)存的冷能與膨脹能的比值來(lái)確定，冷能是液化空氣從外界吸熱而具有的將熱能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的能力，膨脹能是液化空氣氣化后壓力上升而具有的對(duì)外界膨脹做功的能力。
[0026]開(kāi)式循環(huán)實(shí)現(xiàn)了膨脹能-機(jī)械功的轉(zhuǎn)換，閉式循環(huán)實(shí)現(xiàn)了冷能-機(jī)械功的轉(zhuǎn)換。【具體實(shí)施方式】:
[0027]由工作罐(7)、換熱罐(11)和活塞缸(10)組成，與換熱罐(11)連接的管路(16)分成兩個(gè)支路，一路串聯(lián)兩位閥(6)后與工作罐(7)連接，另一路連接兩位閥(13)，與兩位閥(6)連接的注入管(14)插入工作罐(7)中液面一下，與兩位閥(6)連接的管路(15)插入工作罐(7)中液面以上，換熱罐(11)與活塞缸(15)之間串聯(lián)換熱管(9)，換熱管(9)外放置風(fēng)扇(8)，換熱罐(11)內(nèi)置換熱器(12)，完成氣化-壓縮過(guò)程、膨脹過(guò)程和排氣過(guò)程。
[0028]氣化-壓縮過(guò)程:兩位閥(6)處于下位，兩位閥(13)處于斷開(kāi)狀態(tài)，活塞缸(10)處于推程，換熱罐(11)中的氣體被壓縮，通過(guò)連接管路進(jìn)入工作罐(7)的底部，壓縮氣體與液化空氣直接接觸換熱，液化空氣受熱氣化，工作罐(7)上容腔壓力上升。
[0029]膨脹過(guò)程:兩位閥(6)處于上位，兩位閥(13)處于斷開(kāi)狀態(tài)，活塞缸(10)處于回程，氣化產(chǎn)生的空氣和壓縮氣體混合，通過(guò)管路進(jìn)入換熱罐(11)，混合氣體通過(guò)換熱器
(12)，與換熱罐(11)內(nèi)的換熱流體進(jìn)行充分換熱，溫度上升，氣體膨脹，推動(dòng)活塞缸(10)的活塞對(duì)外做功。
[0030]排氣過(guò)程:兩位閥(6)處于下位，兩位閥(13)處于連通狀態(tài)，活塞缸(10)處于推程，換熱罐(11)液面上升，氣體通過(guò)兩位閥(13)排出，氣體壓力保持不變，接近大氣壓。
[0031]風(fēng)扇:在活塞運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，風(fēng)扇(8)始終保持啟動(dòng)狀態(tài)，對(duì)換熱管(9)進(jìn)行加熱，使換熱流體溫度穩(wěn)定在室溫，為換熱罐(11)內(nèi)的換熱過(guò)程提供穩(wěn)定的熱量來(lái)源。
[0032]注入管:插入工作罐(7)端是圓形、方形、多邊形等多種幾何形狀的多孔結(jié)構(gòu)。
【權(quán)利要求】
1.一種基于液化空氣熱功轉(zhuǎn)換的開(kāi)-閉稱合式熱力循環(huán)方法，其特征在于:由氣化-壓縮過(guò)程(1、4)、膨脹過(guò)程(2、5)和排氣過(guò)程(3)組成，氣化-壓縮過(guò)程由氣化過(guò)程(I)與壓縮過(guò)程(4)耦合形成，氣化過(guò)程(I)與壓縮過(guò)程(4)同時(shí)進(jìn)行，壓縮過(guò)程產(chǎn)生的壓縮熱由氣化過(guò)程吸收，氣化產(chǎn)生的開(kāi)環(huán)氣體經(jīng)膨脹過(guò)程做功后，經(jīng)排氣過(guò)程排向外界，形成開(kāi)式循環(huán)，在壓縮過(guò)程(4)被壓縮的氣體稱為閉環(huán)氣體，經(jīng)膨脹過(guò)程(5)做功后，直接進(jìn)入壓縮過(guò)程(4)，形成閉式循環(huán)。
2.權(quán)利要求1所述的閉環(huán)氣體與開(kāi)環(huán)氣體，其特征在于:其比值由液化空氣所儲(chǔ)存的冷能與膨脹能的比值來(lái)確定，冷能是液化空氣從外界吸熱而具有的將熱能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的能力，膨脹能是液化空氣氣化后壓力上升而具有的對(duì)外界膨脹做功的能力。
【文檔編號(hào)】F01K25/00GK104165071SQ201410359423
【公開(kāi)日】2014年11月26日 申請(qǐng)日期:2014年7月25日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月25日
【發(fā)明者】許未晴, 王佳, 張勝利, 蔡茂林 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)