CN104165071B - 一种基于液化空气热功转换的开‑闭耦合式热力循环方法 - Google Patents

Abstract

本专利是一种基于液化空气热功转换的开‑闭耦合式热力循环方法，属于压缩空气能量存储与利用领域。发明内容主要面向液化空气储能系统，提出了一种开‑闭耦合式热力循环方法及其实施方式，可大幅提高液化空气的热功转换效率，提高液态空气的能量利用率，提高储能系统整体效率。液化空气气化吸热过程中会产生大量的“冷量”，而冷量是液化空气储存能量的重要组成部分，本专利采用冷量利用与热功转换耦合的直接利用方式，通过在传统热力循环的基础上引入一个压缩循环，直接将冷量转化为机械功，以提高液化空气能量‑机械功转换率。

Description

一种基于液化空气热功转换的开-闭耦合式热力循环方法

技术领域：

本发明属于压缩空气能量存储与利用领域，涉及液化空气热功转换技术。

背景技术：

化石燃料的燃烧带来的环境污染问题日益严重。表现为PM2.5指数大范围超标，全年雾霾天数逐年上升，二氧化碳排放不断增长，这一切与化石燃料的燃烧密不可分。

因此，在化石燃料燃烧技术研究不断开展的同时，新能源技术的探索也在大幅推进。目前各国积极发展风能、核能、太阳能等新能源。在我国新能源的使用在总能源中的占比仅7％，预计在2020年将达到15％

可再生能源作为新能源的重要组成部分，是技术上和成本上最具竞争力的新能源形式，如风能和太阳能。目前可再生能源的使用在总能源中的占比仅1.5％，预计在2020年将达到6％。2011年，世界风电和光伏发电总装机容量分别达到2.38亿千瓦和0.69亿千瓦。然而，风能和太阳能等可再生能源具有间歇性和不稳定性的特点，虽然装机容量巨大，但目前并不能大规模接入电网应用。

可再生能源的大规模储存技术可以解决上述问题，截至目前，世界上仅有美、德等国家完成少量压缩空气储能电站的建立，其原因是压缩空气储能系统需要巨大的天然洞穴存储压缩空气。因此，压缩空气储能技术并未广泛应用。

液化空气储能可以将储能空间需求减小97％，相比传统压缩空气储能以其储能密度高的优点，适用于可再生能源的大规模储存，具有广阔的应用前景。

液化空气储能原理：电能需求小于电网供给时，多余的电能驱动电机带动气体液化系统，空气进入液化空气系统，经过压缩和冷却变成低温液化空气，将电能以液化空气的形式储存；电能需求大于电网供给时，采用低温泵将低温储液罐的液化空气增压后，与常温的空气换热，液化空气吸热后气化，压力升高并膨胀推动涡轮发电，实现液化空气的热功转换。

液化空气气化吸热过程中会产生大量的“冷量”，而冷量是液化空气储存能量的重要组成部分，冷量的充分利用是液化空气储能技术中的关键问题。

目前存在两种解决该问题的技术路线。

一种基于传统空气分离系统的间接利用方式，利用“冷量”将常温空气冷却，并含有“冷量”的空气导入传统空气分离系统，制成工业产品液态氮和液态氧，以提高液化空气能量利用率。

另一种是冷量利用与热功转换耦合的直接利用方式，通过在传统热力循环的基础上引入一个压缩循环，直接将冷量转化为机械功，以提高液化空气能量-机械功转换率。

综上所述，储能系统的直接目标是输出机械功从而转换为电能，而后者是一种冷量直接利用的方式，从而具有提高储能系统效率的潜力。因此，液化空气热功转换技术是液化空气储能系统亟待解决的关键技术。

1996年Ordonez首次提出以液氮为动力的发动机，使液氮吸收热量气化，气化后压力增加，然后将液氮作为压力源来驱动涡轮或活塞输出功，做功完毕的低压氮气通过排气口排出，Ordonez采用开式循环利用液氮受热膨胀的特性实现热功转换，然后以开式循环为基础分析了液氮中所储存的能量。

1998年Knowlen采用闭式朗肯循环，将液氮作为冷源在做功工质压缩过程中吸收压缩热，利用液氮与大气环境的温差来实现冷能与机械功的转换，通过理论分析得出单位质量的液氮可实现热功转换300-450kJ/kg，而液氮热功转换的潜力为760kJ/kg，理论效率为40％-60％。1998年Plummer利用上述原理加工了实验样机，并测得单位质量实际热功转换量为190kJ/kg,即实际效率为25％。2000年Ordonez采用一种改进的闭式布雷顿循环实现了理论效率的提高，得到单位质量热功转换量482kJ/kg，即理论效率为63％。

冷能是液氮从外界吸热而具有的将热能转换为机械能的能力，膨胀能是液氮气化后压力上升而具有的对外界膨胀做功的能力。两种能量的性质截然不同，为此，2007年陈海生将开式循环技术应用于液化空气储能系统，实现了膨胀能-机械功的转换，并利用冷能制备液化空气，作为下一个储能循环热功转换的原料。但液化空气的制备循环会带来冷能的损失，从而导致热功转换效率的大幅下降。因此，寻找一种膨胀能与冷能耦合热功转换的热力循环是亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的：

提出一种基于液化空气大规模储能的高效热力循环技术。

本发明的优点：该热力循环方法能将膨胀能和冷能综合利用转化为机械能输出，提高能量转换效率。

附图说明

图1是开-闭耦合式热力循环P-V图。

1.气化过程，2.开环膨胀过程，3.排气过程，4.压缩过程，5.闭环膨胀过程

图2是开-闭耦合式热力循环实现机构

6.两位三通阀，7.工作罐，8.风扇，9.换热管，10.活塞缸，11.换热罐，12.换热器，13.两位两通阀，14.注入管，15.管路，16.管路

本发明的技术方案：

一种基于液化空气热功转换的开-闭耦合式热力循环方法由气化-压缩过程(1、4)、开环膨胀过程(2)、闭环膨胀过程(5)和排气过程(3)组成，气化-压缩过程由气化过程(1)与压缩过程(4)耦合形成，气化过程(1)与压缩过程(4)同时进行，压缩过程产生的压缩热由气化过程吸收，气化产生的开环气体经开环膨胀过程(2)做功后，经排气过程排向外界，形成开式循环，在压缩过程(4)被压缩的气体称为闭环气体，经闭环膨胀过程(5)做功后，直接进入压缩过程(4)，形成闭式循环。

闭环气体与开环气体的比值由液化空气所储存的冷能与膨胀能的比值来确定，冷能是液化空气从外界吸热而具有的将热能转换为机械能的能力，膨胀能是液化空气气化后压力上升而具有的对外界膨胀做功的能力。

开式循环实现了膨胀能-机械功的转换，闭式循环实现了冷能-机械功的转换。

具体实施方式：

由工作罐(7)、换热罐(11)和活塞缸(10)组成，与换热罐(11)连接的管路(16)分成两个支路，一路串联两位三通阀(6)后与工作罐(7)连接，另一路连接两位两通阀(13)，与两位三通阀(6)连接的注入管(14)插入工作罐(7)中液面一下，与两位三通阀(6)连接的管路(15)插入工作罐(7)中液面以上，换热罐(11)与活塞缸(15)之间串联换热管(9)，换热管(9)外放置风扇(8)，换热罐(11)内置换热器(12),完成气化-压缩过程、膨胀过程和排气过程。

气化-压缩过程：两位三通阀(6)处于下位，两位两通阀(13)处于断开状态，活塞缸(10)处于推程，换热罐(11)中的气体被压缩，通过连接管路进入工作罐(7)的底部，压缩气体与液化空气直接接触换热，液化空气受热气化，工作罐(7)上容腔压力上升。

膨胀过程：两位三通阀(6)处于上位，两位两通阀(13)处于断开状态，活塞缸(10)处于回程，气化产生的空气和压缩气体混合，通过管路进入换热罐(11)，混合气体通过换热器(12)，与换热罐(11)内的换热流体进行充分换热，温度上升，气体膨胀，推动活塞缸(10)的活塞对外做功。

排气过程：两位三通阀(6)处于下位，两位两通阀(13)处于连通状态，活塞缸(10)处于推程，换热罐(11)液面上升，气体通过两位两通阀(13)排出，气体压力保持不变，接近大气压。

风扇：在活塞运动过程中，风扇(8)始终保持启动状态，对换热管(9)进行加热，使换热流体温度稳定在室温，为换热罐(11)内的换热过程提供稳定的热量来源。

注入管：插入工作罐(7)端是圆形、方形、多边形等多种几何形状的多孔结构。

Claims (2)

1.一种基于液化空气热功转换的开-闭耦合式热力循环方法，其特征在于：由气化-压缩过程(1、4)、开环膨胀过程(2)、闭环膨胀过程(5)和排气过程(3)组成，气化-压缩过程由气化过程(1)与压缩过程(4)耦合形成，气化过程(1)与压缩过程(4)同时进行，压缩过程产生的压缩热由气化过程吸收，气化产生的开环气体经开环膨胀过程(2)做功后，经排气过程排向外界，形成开式循环，两位三通阀(6)处于上位，两位两通阀(13)处于断开状态，活塞缸(10)处于回程，气化产生的空气和压缩气体混合，通过管路进入换热罐(11)，混合气体通过换热器(12)，与换热罐(11)内的换热流体进行充分换热，温度上升，气体膨胀，推动活塞缸(10)的活塞对外做功，在压缩过程(4)被压缩的气体称为闭环气体，经闭环膨胀过程(5)做功后，直接进入压缩过程(4)，形成闭式循环。

2.权利要求1所述的一种基于液化空气热功转换的开-闭耦合式热力循环方法，其特征在于：闭环气体与开环气体的比值由液化空气所储存的冷能与膨胀能的比值来确定，冷能是液化空气从外界吸热而具有的将热能转换为机械能的能力，膨胀能是液化空气气化后压力上升而具有的对外界膨胀做功的能力。