CN104500148B - 复合式涡旋机气路余热利用系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了复合式涡旋机气路余热利用系统及方法，包括复合式涡旋机，复合式涡旋机通过管路与阀门相连，阀门与储气罐相连，复合式涡旋机与阀门之间的管路上设置有气路缓冲器，气路缓冲装置的表面贴有温差发电片装置，所述温差发电片装置与变流器的一端相连，变流器的另一端与控制器相连，变流器的第三端与蓄电池相连，复合式涡旋机有压缩机模式及膨胀机模式,该余热利用系统既能够用于压缩机气路能量回收，也能够用于膨胀机气路气体加热。该系统不仅能够利用半导体温差发电装置对气路输出气体能量进行收集，还能减小气路内气体和室内空气的温差，提高系统整体工作效率，减小气路气体温度过高或者过低对设备的损坏。

Description

复合式涡旋机气路余热利用系统及方法

技术领域

本发明涉及一种余热利用系统，属于能源回收利用技术领域，尤其是一种复合式涡旋机气路余热利用系统。

背景技术

随着能源枯竭和环境污染问题日益严重，清洁环保的可再生能源如风电、太阳能等受到广泛关注。然而，新能源的波动性和间歇性限制了其发展。储能技术可以解决上述问题，压缩空气储能因其成本低、污染小的特点在世界范围内备受关注。其中，风力压缩空气储能是一类典型应用。

当前研究的风力发电压缩空气储能技术，主要是利用风能波峰时多余的能量，采用空气压缩机将压缩空气储存起来；在风能波谷时，利用压缩的空气，采用膨胀机将压缩空气储存的能量释放出来，实现对风能削峰填谷，平抑风能波动的效果。

风力发电压缩空气储能系统中，压缩空气储能过程中需要用到压缩机，压缩的空气膨胀释放能量时需要用到膨胀机。压缩机和膨胀机工作需要独立的气路，导致压缩空气储能气路比较复杂。另外，压缩机工作时，部分能量转换成气路内气体的内能，造成温度过高；膨胀机工作时，会造成气路中气体温度过低。气路内气体温度过高或者过低时，一方面会影响压缩机和膨胀机的寿命；另一方面会降低压缩机和膨胀机工作的效率。当气路温度和外接温度差过大时，会导致能量耗散严重，造成能源浪费，降低系统整体工作效率。

专利201110002249，名称为《用于压缩空气储能技术的涡旋式压缩－膨胀复合机》，公布了一种用于压缩空气储能的复合式涡旋机，将压缩空气储能系统中的压缩机和涡旋机做成了一个复合机。既能工作在压缩状态，也能工作在膨胀状态。该发明简化了系统的气路结构、减少了能量耗散环节，并实现了气路的复用，节约了成本。然而，该发明没有彻底解决系统工作在压缩或膨胀状态时，气路温度过高或者过低而引起的效率低、能量耗散以及设备寿命缩短的问题。

当涡旋式复合机工作于压缩机模式时，气路输出气体温度较高，一方面气路内气体温度远高于外界环境温度，会造成能量损耗，也会降低复合式涡旋机工作效率，能源浪费严重。同时，过高的气体温度会缩短涡旋式复合机的寿命。当涡旋式复合机工作于膨胀机状态时，涡旋机内气体温度会降低，一方面温度过低使涡旋式复合机无法工作在高效区域，效率低下。当涡旋式复合机功率较大时，会造成设备周围温度过低，水蒸气结冰影响设备正常工作，缩短涡旋式复合机的寿命。

发明内容

为解决现有技术存在的不足，本发明公开了复合式涡旋机气路余热利用系统及方法，该系统克服风力发电压缩空气储能涡旋式复合机输出气路能量浪费严重、整体效率低、设备寿命受气路影响大的现状，不仅能够利用半导体温差发电装置对气路输出气体能量进行收集，还能减小气路内气体和室内空气的温差，提高系统整体工作效率，减小气路气体温度过高或者过低对设备的损坏。

为实现上述目的，本发明的具体方案如下：

复合式涡旋机气路余热利用系统，包括复合式涡旋机，复合式涡旋机通过管路与阀门相连，阀门与储气罐相连，复合式涡旋机与阀门之间的管路上设置有气路缓冲器，气路缓冲装置的表面贴有温差发电片装置，所述温差发电片装置与变流器的一端相连，变流器的另一端与控制器相连，变流器的第三端与蓄电池相连，复合式涡旋机有压缩机模式及膨胀机模式,该余热利用系统既能够用于压缩机气路能量回收，也能够用于膨胀机气路气体加热。

当复合式涡旋机工作于压缩机模式时，气路内气体经过气路缓冲器时，贴在气路缓冲器表面的温差发电片装置会利用气路缓冲器内气体和外界空气的温差进行发电，温差发电片装置产生的电压经变流器处理后，对储能蓄电池充电，实现复合式涡旋机气路能量的回收；

当复合式涡旋机工作于膨胀机模式时，储气罐中的气体经阀门流向气路缓冲器，储能蓄电池经变流器后给温差发电片装置加热，提高气路缓冲器内气体温度，经气路送给复合式涡旋机。

所述温差发电片装置为多个半导体温差发电片，半导体温差发电片通过串并联的方式连接，半导体温差发电片既能够利用温差发电经变流器给蓄电池充电，也能够利用蓄电池的能量进行发热对气路缓冲器内气体加热。

所述变流器包括并联在温差发电片装置两端的电容，电容的一端与电感的一端相连，电感的另一端分两路，一路与第一开关管的一端相连，另一路与第二开关管的一端相连，第二开关管的另一端及电容的另一端均与蓄电池的负极端相连，第一开关管的另一端与蓄电池的正极端相连。

复合式涡旋机气路余热利用系统的控制方法，包括以下步骤：

步骤一：控制器接收上位机调度指令，根据复合式涡旋机工作状态确定余热利用系统的工作状态，复合式涡旋机工作在压缩模式时，进入步骤二，否则，进入步骤三，确定工作状态后，检测蓄电池电压；

步骤二：在压缩模式时，检测蓄电池电压是否超过第一设定电压，如果蓄电池电压超过第一设定电压，说明蓄电池已充满，此时控制器发出指令关闭双向DC-DC的两个开关管，使该系统工作于停机状态；

当检测蓄电池电压没超过第一设定电压，说明蓄电池尚未充满，可以继续向蓄电池内储能。此时，控制器发出指令关闭第一开关管，调节驱动第二开关管信号的占空比，利用PI闭环调节使双向DC-DC变流器的高压侧输出电压为12V，给蓄电池充电；

步骤三：在膨胀模式时，检测蓄电池电压是否低于第二设定电压。如果蓄电池电压低于第二设定电压，说明此时蓄电池过度放电，如果该系统继续工作，会对蓄电池造成损坏，此时控制器发出指令关闭双向DC-DC的两个开关管，使该系统工作于停机状态；

当蓄电池电压高于第二设定电压，说明蓄电池可以继续放电用于加热缓冲器内气体，此时控制器发出指令关闭第二开关管，调节驱动第一开关管信号的占空比，利用PI闭环调节使双向DC-DC变流器的低压侧电压为6V，加热缓冲器内气体。

所述第一设定电压为13.2V，第二设定电压为11.5V。

气路缓冲器连接在复合式涡旋机和气罐之间，多个半导体温差发电片贴于气路缓冲器表面，并通过串并联的方式连接，半导体温差发电片既可以利用温差发电经变流器给蓄电池充电，也可以利用蓄电池的能量进行发热对气路缓冲器内气体加热。系统既可以用于压缩机气路能量回收，也可以用于膨胀机气路气体加热，尤其适合用在涡旋式复合机气路的余热利用。该系统不仅能够减轻气路内气体和室内空气温差过大对设备造成的损坏，而且可以利用温差发电，实现气路内气体能量的回收。

气路缓冲器为一立方体，其导热性能比较好，外表比较平整，多个半导体温差发电片可以利用温差发电，也可以通电发热。变流器既可以将能量从半导体发电片利用温差产生的电压流向蓄电池，也可以将能量从蓄电池流向半导体温差发电片。储能蓄电池可以充放电。本发明尤其适合用在涡旋式复合机气路能量的回收。

本发明的有益效果：

该系统不仅能够利用半导体温差发电装置对气路输出气体能量进行收集，还能减小气路内气体和室内空气的温差，提高系统整体工作效率，减小气路气体温度过高或者过低对设备的损坏。系统工作在压缩模式时，利用半导体温差发电装置将气路高温气体的能量回收，经过变流器储存在蓄电池中，同时可以降低气路气体温度，提高复合机工作效率，避免高温气体影响设备寿命。系统工作在膨胀模式时，将蓄电池储存的能量通过半导体应变片对气体进行加热，提高复合机工作效率，同时将气路气体加热可以防止设备周围温度过低，水蒸气结冰影响设备正常工作，缩短涡旋式复合机的寿命，通过该系统工作，可以实现复合式涡旋机气路余热的利用。当复合式涡旋机工作于压缩机模式时，可以实现气路内高温气体能量收集；当涡旋式复合机工作于膨胀机模式时，可以对气路内气体加热，提高复合式涡旋机工作效率。

附图说明

图1是本发明复合式涡旋机气路余热利用系统整体结构；

图2是本发明变流器电路原理图；

图3是本发明系统控制流程图；

图中，1.复合涡旋机；2.气路；3.气路缓冲器；4.半导体温差发电片；5.变流器；6.储能蓄电池；7.阀门；8.储气罐；9.控制器。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明进行详细说明：

如图1-3所示，本发明的复合式涡旋机气路余热利用系统在传统的复合式涡旋机气路中间增加了能量回收系统。传统的复合式涡旋机主要由复合式涡旋机1、气路2、阀门7和储气罐8组成，当复合式涡旋机1工作于压缩机模式时，输出气体经气路2、阀门7后存储在储气罐8中；当复合式涡旋机1工作于膨胀机模式时，储气罐8内气体经阀门7流向复合式涡旋机1。复合式涡旋机1工作时，会造成气路内气体和外界空气温差较大，造成能量耗散。本发明在涡旋式复合机1气路2上增加能量回收系统，由气路缓冲器3、半导体温差发电片4、变流器5和储能蓄电池6组成。当复合式涡旋机1工作于压缩机模式时，气路内气体经过气路缓冲器3时，贴在气路缓冲器3表面的半导体温差发电片4会利用气路缓冲器3内气体和外界空气的温差进行发电，半导体温差发电片4产生的电压经变流器5处理后，对储能蓄电池6充电，实现复合式涡旋机1气路能量的回收。当复合式涡旋机1工作于膨胀机模式时，储气罐8中的气体经阀门7流向气路缓冲器3，储能蓄电池6经变流器5后给半导体温差发电片3加热，提高气路缓冲器3内气体温度，经气路2送给复合式涡旋机1.

本发明所述复合式涡旋机1与已公开的中国专利申请201120002249，名称为《用于压缩空气储能技术的涡旋式压缩－膨胀复合机》中的复合机完全相同，对涡旋式复合机的工作原理和工作过程有较为详细的介绍和说明。

本发明所述气路2与已公开的中国专利申请201110411111，名称为《机械耦合式压缩空气储能微型混合风力发电系统》中的复气路完全相同，对气路的工作原理和工作过程有较为详细的介绍和说明。

半导体温差发电是一种将温差能(热能)转化成电能的固体状态能量转化方式。发电装置无化学反应和机械运动，无噪声、无污染、无磨损、寿命长。它的核心部件是半导体温差电偶模块，当电偶模块两端有温差时，会通过电偶模块发电。另外，当向电偶模块外加电压时，电偶模块一端会发热，另一端会制冷，可用于需要制冷或加热的场合。考虑到复合式涡旋机1气路气体的情况，将半导体温差发电用于涡旋机气路余热回收利用将会非常有意义。

本发明所述的半导体温差发电片4共9个，三个一组串联，然后三组再并联。实验表明，对目前的半导体温差发电装置每提供摄氏1度的温差，可相应产生约0.03V的电压。对于涡旋式复合机1，当其工作于压缩模式时，出口气体温度可以达到摄氏75度到摄氏90度。假设室温为25度，气路内气体与外界气体温差可达摄氏50度到摄氏65度。以温差为50度计算，每个半导体温差发电装置可产生1.5V电压。三个半导体温差发电片4为一组串联可产生4.5V电压。三组并联可提高发电能力，将更多的能量储存起来。

本发明所述的蓄电池6为铅酸蓄电池，蓄电池电压为12V。

本发明所述的变流器5为双向DC-DC变换器，能量既可以从低压侧流向高压侧，也可以从高压侧流向低压侧，其拓扑结构采用了Buck/Boost结构。如图2所示，在该系统中，蓄电池6为高压侧，半导体发电片4为低压侧。当涡旋式复合机1工作在压缩模式时，半导体温差发电装置利用系统内外温差进行发电，此时，双向DC-DC使能量从低压侧流向高压侧。当涡旋式复合机1工作在膨胀模式时，蓄电池6通过双向DC-DC在半导体温差发电片4两端加电压，此时，半导体一端发热，另一端制冷。其中发热的一端紧贴气路缓冲器3，对气路缓冲器3内气体进行加热。经加热的气体再流向复合式涡旋机1，提高膨胀时的效率，也避免由于温度过低导致设备损坏。

本发明具体控制流程图如图3所示。本发明所述控制器9可以接收上位机调度指令，根据复合式涡旋机1工作状态确定本发明的工作状态。确定工作状态后，会检测蓄电池6电压。在压缩模式时，检测蓄电池6电压是否超过13.2V。如果蓄电池6电压超过13.2V，说明蓄电池6已充满，此时控制器9发出指令关闭双向DC-DC的两个开关管，使该系统工作于停机状态。如果检测蓄电池6电压没超过13.2V，说明蓄电池6尚未充满，可以继续向蓄电池6内储能。此时，控制器9发出指令关闭第一开关管，调节驱动第二开关管信号的占空比，利用PI闭环调节使双向DC-DC变流器的高压侧输出电压为12V，给蓄电池6充电。在膨胀模式时，检测蓄电池6电压是否低于11.5V。如果蓄电池6电压低于11.5V，说明此时蓄电池6过度放电，如果该系统继续工作，会对蓄电池6造成损坏。此时控制器9发出指令关闭双向DC-DC的两个开关管，使该系统工作于停机状态。如果蓄电池6电压高于11.5V，说明蓄电池6可以继续放电用于加热气路缓冲器3内气体。此时控制器9发出指令关闭第二开关管，调节驱动第一开关管信号的占空比，利用PI闭环调节使双向DC-DC变流器的低压侧电压为6V，加热气路缓冲器3内气体。

Claims (6)

1.复合式涡旋机气路余热利用系统，其特征是，包括复合式涡旋机，复合式涡旋机通过管路与阀门相连，阀门与储气罐相连，复合式涡旋机与阀门之间的管路上设置有气路缓冲器，气路缓冲装置的表面贴有温差发电片装置，所述温差发电片装置与变流器的一端相连，变流器的另一端与控制器相连，变流器的第三端与蓄电池相连，复合式涡旋机有压缩机模式及膨胀机模式,该余热利用系统既能够用于压缩机气路能量回收，也能够用于膨胀机气路气体加热；

所述变流器包括并联在温差发电片装置两端的电容，电容的一端与电感的一端相连，电感的另一端分两路，一路与第一开关管的一端相连，另一路与第二开关管的一端相连，第二开关管的另一端及电容的另一端均与蓄电池的负极端相连，第一开关管的另一端与蓄电池的正极端相连。

2.如权利要求1所述的复合式涡旋机气路余热利用系统，其特征是，当复合式涡旋机工作于压缩机模式时，气路内气体经过气路缓冲器时，贴在气路缓冲器表面的温差发电片装置会利用气路缓冲器内气体和外界空气的温差进行发电，温差发电片装置产生的电压经变流器处理后，对储能蓄电池充电，实现复合式涡旋机气路能量的回收。

3.如权利要求1所述的复合式涡旋机气路余热利用系统，其特征是，当复合式涡旋机工作于膨胀机模式时，储气罐中的气体经阀门流向气路缓冲器，储能蓄电池经变流器后给温差发电片装置加热，提高气路缓冲器内气体温度，经气路送给复合式涡旋机。

4.如权利要求1所述的复合式涡旋机气路余热利用系统，其特征是，所述温差发电片装置为多个半导体温差发电片，半导体温差发电片通过串并联的方式连接，半导体温差发电片既能够利用温差发电经变流器给蓄电池充电，也能够利用蓄电池的能量进行发热对气路缓冲器内气体加热。

5.如权利要求1所述的复合式涡旋机气路余热利用系统的控制方法，其特征是，包括以下步骤：

步骤一：控制器接收上位机调度指令，根据复合式涡旋机工作状态确定余热利用系统的工作状态，复合式涡旋机工作在压缩模式时，进入步骤二，否则，进入步骤三，确定工作状态后，检测蓄电池电压；

步骤二：在压缩模式时，检测蓄电池电压是否超过第一设定电压，如果蓄电池电压超过第一设定电压，控制器发出指令关闭双向DC-DC的两个开关管，使该系统工作于停机状态；

当检测蓄电池电压没超过第一设定电压，控制器发出指令关闭第一开关管，调节驱动第二开关管信号的占空比，利用PI闭环调节使双向DC-DC变流器的高压侧输出电压为12V，给蓄电池充电；

步骤三：在膨胀模式时，检测蓄电池电压是否低于第二设定电压，当蓄电池电压低于第二设定电压，控制器发出指令关闭双向DC-DC的两个开关管，使该系统工作于停机状态；

当蓄电池电压高于第二设定电压，控制器发出指令关闭第二开关管，调节驱动第一开关管信号的占空比，利用PI闭环调节使双向DC-DC变流器的低压侧电压为6V，加热缓冲器内气体。

6.如权利要求5所述的复合式涡旋机气路余热利用系统的控制方法，其特征是，所述第一设定电压为13.2V，第二设定电压为11.5V。