CN104500264B - 一种开-闭式斯特林热功转换机构 - Google Patents
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Abstract
本专利是一种开-闭式斯特林热功转换机构，属于液态空气能量存储与利用领域，主要面向液态空气储能系统。该机构可以实现液态空气冷能及膨胀能与机械能的转换，大幅提高液态空气的能量利用率，提高储能系统整体效率。液态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，本专利以传统斯特林发动机为基础,在冷端添加容腔储存液态空气，液态空气气化后进入热端膨胀，并在热端设置排气口，将气化并膨胀后的空气排出。该机构克服了传统转换机构只利用膨胀能的缺点，提高了液态空气热功转换效率。此外，工质与冷源直接接触换热，避免了采用蒸发器换热导致的结霜问题，改善了换热效率。
Description
技术领域：
本发明属于压缩空气能量存储与利用领域，涉及液态空气储能系统的热功转换系统。
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，如图1，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：
提出一种提高液化空气热功转换效率的技术。
本发明的优点：
将液化空气的冷能直接转换为机械能，提高了热功转换效率。
附图说明
图1是开-闭式斯特林热功转换机构原理图
1.飞轮，2.配重孔，3.动力缸，4.排气孔，5.动力活塞，6.缸体，7.法兰，8.液态空气绝热储罐，9.回热器，10.配气活塞，11.配气缸，12.配流孔，13.配流层，14.配气连杆，15.动力连杆
本发明的技术方案：
由飞轮(1)、缸体(6)和液态空气绝热储罐(8)组成，缸体(6)连接有与动力活塞(5)配合的动力缸(3)，及与配气活塞(10)配合的配气缸(11)，动力缸(3)与配气缸(11)通过配流层(13)连通，动力缸(3)的缸壁开有排气孔(4)，动力活塞(5)与配气活塞(10)存在一定的相位差，分别通过动力连杆(15)及配气连杆(14)与飞轮(1)连接，飞轮(1)上有配重孔(2)，配气缸(11)与液态空气绝热储罐(8)之间由配流孔(12)连通，缸体(6)与液态空气绝热储罐(8)通过法兰(7)连接，完成气化-膨胀过程、排气过程和压缩过程。
气化-膨胀过程：液态空气绝热储罐(8)内储存的液态空气气化，配气活塞(10)向上运动，配气缸(11)上腔的气体通过配流层(13)进入动力缸(3)下腔，动力活塞(5)向上运动。
排气过程：当动力活塞(5)向上运动至排气孔(4)位置时，进入排气过程，动力活塞(5)运动至最上端后向下运动至排气孔(4)位置时，排气过程结束。
压缩过程：动力活塞(5)向下运动，动力缸(3)下腔压力上升，气体通过配流层(13)进入配气缸(11)上腔，配气活塞(10)向下运动。
回热器(9)：连通配气缸(11)的上下腔，内部填充蓄冷介质，配气活塞(10)向下运动，液态空气绝热储罐(8)内低温气体进入回热器(9)换热，回热器(9)对冷量进行回收。
排气孔(4)：当动力活塞(5)位于排气孔(4)下端时，不排气；当动力活塞(5)位于排气孔(4)上端时，动力缸(3)下腔与大气连通，排气。
Claims (6)
1.一种开-闭式斯特林热功转换机构，其特征在于：由飞轮(1)、缸体(6)和液态空气绝热储罐(8)组成，缸体(6)连接有与动力活塞(5)配合的动力缸(3)，及与配气活塞(10)配合的配气缸(11)，动力缸(3)与配气缸(11)通过配流层(13)连通，动力缸(3)的缸壁开有排气孔(4)，动力活塞(5)与配气活塞(10)存在一定的相位差，分别通过动力连杆(15)及配气连杆(14)与飞轮(1)连接，飞轮(1)上有配重孔(2)，配气缸(11)与液态空气绝热储罐(8)之间由配流孔(12)连通，缸体(6)与液态空气绝热储罐(8)通过法兰(7)连接，完成气化-膨胀过程、排气过程和压缩过程。
2.根据权利要求1所述的开-闭式斯特林热功转换机构，其特征在于：液态空气绝热储罐(8)内储存的液态空气气化，配气活塞(10)向上运动，配气缸(11)上腔的气体通过配流层(13)进入动力缸(3)下腔，动力活塞(5)向上运动。
3.根据权利要求1所述的开-闭式斯特林热功转换机构，其特征在于：当动力活塞(5)向上运动至排气孔(4)位置时，进入排气过程，动力活塞(5)运动至最上端后向下运动至排气孔(4)位置时，排气过程结束。
4.根据权利要求1所述的开-闭式斯特林热功转换机构，其特征在于：动力活塞(5)向下运动，动力缸(3)下腔压力上升，气体通过配流层(13)进入配气缸(11)上腔，配气活塞(10)向下运动。
5.根据权利要求1所述的开-闭式斯特林热功转换机构，其特征在于：连通配气缸(11)的上下腔，内部填充蓄冷介质，配气活塞(10)向下运动，液态空气绝热储罐(8)内低温气体进入回热器(9)换热，回热器(9)对冷量进行回收。
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