CN104836458B - 一种用于气体等离子体反应器的能量回收装置及可能量回收的高压电源 - Google Patents

一种用于气体等离子体反应器的能量回收装置及可能量回收的高压电源 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于气体等离子体反应器的能量回收装置及可能量回收的高压电源，所述气体等离子体反应器通过桥式高压电源供电；所述能量回收装置包括：储能元件，用于存储回收得到的能量；能量回收线圈，所述能量回收线圈与所述桥式高压电源中变压器的次级线圈耦合，整流模块，用于利用能量回收线圈从次级线圈耦合得到的电压进行整流后对储能元件充电。可能量回收的高压电源包括桥式高压电源和所述的能量回收装置。本发明的用于气体等离子体反应器的能量回收装置及可能量回收的高压电源在为气体等离子体反应器供电进行气体等离子体反应时，能够对气体电离时产生的电能进行回收利用，大大提高了能量利用率。

Description

一种用于气体等离子体反应器的能量回收装置及可能量回收 的高压电源
技术领域
本发明涉及气体等离子体反应器技术领域，具体涉及一种用于气体等离子体反应器的能量回收装置及可能量回收的高压电源。
背景技术
介质阻挡气体等离子体反应器包括一个电极对与该电极对之间的介质部分和气体部分。当在电极对之间施加一定的电压时，(即外加电源将电能输入到气体等离子体反应器中)，气体等离子体反应器中的气体发生放电，使气体中的成分电离。介质阻挡气体等离子体反应器可以用于如汽车尾气、烟道气、大气、室内空气、各种工业排气的气体净化、也可以用于臭氧制备。所用的电源为交流电源、脉冲电源、或脉冲式交流电源。
现有的介质阻挡气体等离子体反应器多采用桥式高压脉冲电源进行供电。桥式高压脉冲电源包括变压器和与变压器的初级线圈串联的桥式开关模块(即开关部)，通过桥式开关模块和变压器将将直流电源提供的直流电压转化为脉冲高压电为介质阻挡气体等离子体反应器供电以对气体电离。
现有的桥式高压脉冲电源主要有半桥式高压脉冲电源和全桥式高压脉冲电源两种。
图1为采用半桥式高压脉冲电源供电的介质阻挡气体等离子体反应器的示意图，其桥式开关模块基于半桥回路实现。具体工作原理如下：
通过端口A-1和A-2将外部直流电源的电能充到蓄电部F-1中，然后同时导通开关B-1和B-2，这时变压器初级线圈产生电流。再通过变压器(即变压部)中的铁芯将初级线圈的电能转变为磁能。变压器的次级线圈通过电磁感应在次级线圈的两端D-1和D-2间产生高压电。高压电通过电极-1和电极-2施加到气体等离子体反应器的介质-1和介质-2上，使放电空间承受高压电场直到放电空间产生等离子体放电。开关B-1和B-2导通一定时间后被断开。当开关B-1和B-2断开后，等离子体放电过程中储存在介质-1和介质-2及放电空间中大部分电能通过次级线圈形成的回路被短路而消失。
图2为采用全桥式高压脉冲电源供电的介质阻挡气体等离子体反应器的示意图，其桥式开关模块基于全桥回路实现，具体工作原理如下：
通过A-1和A-2将外部直流电源的电能充到蓄电部F-1中，然后同时导通开关B1-1和B1-2或B2-1和B2-2，这时变压器的初级线圈产生电流，变压器的次级线圈通过电磁感应在次级线圈的两端D-1和D-2间产生高压电。高压电通过电极-1和电极-2施加到介质-1和介质-2上，使放电空间承受高压电场直到放电空间产生等离子体放电。开关B1-1和B1-2或B2-1和B2-2导通一定时间后被断开。当开关B1-1和B1-2或B2-1和B2-2断开后，等离子体放电过程中储存在介质-1和介质-2及放电空间中大部分电能通过次级线圈形成的回路被短路而消失。
现有的介质阻挡气体等离子体反应器通常没有能量回收装置，在对气体电离时电极对之间的脉冲高压被释放，从而造成能量浪费。因此，在能源日益紧张的环境下，如何对该脉冲高压的能量进行回收显得意义重大。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种用于气体等离子体反应器的能量回收装置及可能量回收的高压电源。
一种用于气体等离子体反应器的能量回收装置，所述气体等离子体反应器通过桥式高压电源供电；所述能量回收装置包括：
储能元件，用于存储回收得到的能量；
能量回收线圈，所述能量回收线圈与所述桥式高压电源中变压器的次级线圈耦合；
整流模块，用于利用能量回收线圈从次级线圈耦合得到的电压进行整流后对储能元件充电。
未作特殊说明，本发明的气体等离子体反应器特指介质阻挡气体等离子体反应器，能量特指电能。
本发明中能量回收线圈与变压器的次级线圈耦合可以直接利用变压器的铁芯实现。
本发明的能量回收装置适用于利用桥式高压电源(即桥式高压脉冲电源)供电的气体等离子体反应器，且桥式高压电源的电压波形为交流、脉冲、或交流和脉冲的混合，电压绝对值的峰值范围为1伏到100千伏，电压绝对值的增加速度范围为1千伏/纳秒到1千伏/秒，电压正负极性交变或电压再上升频率范围为1次/秒到30千次/秒。
本发明的能量回收装置进行能量回收时的工作原理如下：
当电极对之间的气体电离时，在电极对间的介质中产生电能，进而极板对间形成瞬间高压，此时为气体等离子体反应器供电的桥式电源中变压器的次级线圈两端为高压，通过能量回收线圈将次级线圈产生的高压耦合出来并存储至储能元件中，能够避免能量损失。
所述的储能元件为储能电容或可充电蓄电装置。蓄电装置只要是可充电和放电的电池即可，如铅蓄电池或锂电池等。
在实际应用时，桥式高压电源需要通过外接的直流电源为蓄电部充电再通过蓄电部直接为变压器的初级线圈供电。因此，本发明中可以直接以桥式高压电源中的蓄电部作为能量回收模块中的储能元件，直接实现了对回收至储能元件中的能量的利用，无需另外考虑如何转移储能元件中储能的能量。
作为优选，所述变压器的次级线圈与初级线圈的匝数比为(1～1000)：1。
进一步优选，所述能量回收线圈与变压器的初级线圈的匝数比为(1～50)：1。
能量回收时在能量回收线圈上产生的电压的绝对值要高于变压器的初级线圈上的电压绝对值，这样才可以通过电子回路直接将电能回收到蓄电部。能量回收线圈与变压器的初级线圈的匝数比太高会导致能量回收装置的电压升高，进而需要提高所有零部件的耐压值，导致成本升高，电路短路风险增加。另一方面，若太低，会导致能量回收部产生的电压过低，不利于电能回收到蓄电部导致能量回收效果降低。
所述的整流模块为桥式整流电路，其输入端口串联一开关后连接至能量回收线圈的两端。
通过桥式整流电路将能量回收线圈耦合得到的交流电转变为直流电，易于实现，且成本低廉。
桥式整流电路具有两个输入端口，本发明中输入端口串联一开关后连接至能量回收线圈的两端应该理解为：
两个输入端口分别与能量回收线圈的两端连接，其中一个输入端口和对应的能量回收线圈的对应端之间还串联有一个开关。
利用该能量回收装置进行能量回收时，所述开关的开关状态与桥式高压电源的输出电压的变化匹配：
当桥式高压电源输出电压的绝对值上升至最大(即桥式高压电源中所有开关全部闭合)后0.1ns～100μs的时间内开关导通，且导通1ns～1s后自行断开。
本发明还提供了一种用于气体等离子体反应器的可能量回收的高压电源，所述高压电源包括桥式高压电源，以及如上述的能量回收装置。
为能够在进行气体电离时实现能量回收，所述桥式高压电源输出电压的绝对值的峰值为1伏到100千伏，且输出电压的绝对值的增加速度为1千伏/纳秒到1千伏/秒，电压正负极性交变或电压再上升频率范围为1次/秒到30千次/秒。
进一步优选，所述桥式高压电源的输出电压的绝对值的峰值为50千伏，且输出电压的绝对值的增加速度为1千伏/秒，电压正负极性交变或电压再上升频率范围为30千次/秒。
与现有技术相比，本发明的用于气体等离子体反应器的能量回收装置及可能量回收的高压电源在为气体等离子体反应器供电进行气体等离子体反应时，能够对气体电离时在电极对间产生的电能进行回收利用，大大提高了能量利用率，符合环保节能的时代主题。
附图说明
图1为采用半桥式高压脉冲电源供电的介质阻挡气体等离子体反应器的示意图；
图2为采用全桥式高压脉冲电源供电的介质阻挡气体等离子体反应器的示意图；
图3为采用实施例1的可能量回收的高压电源为气体等离子反应器供电的原理示意图；
图4为采用实施例2的可能量回收的高压电源为气体等离子反应器供电的原理示意图。
具体实施方式
下面将结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。
实施例1
本实施例的用于气体等离子体反应器的能量回收装置如图3所示包括：
储能元件，用于存储回收得到的能量；
储能元件为储能电容或可充电的蓄电装置(可放电)。本实施例中储能元件的为储能电容，并利用该电容(储能电容)作为桥式高压电源中的蓄电部F1，这样直接利用回收至储能元件中的能量进行电离，实现了回收能量的直接利用，大大提高了能量的利用率。
能量回收线圈，与为气体等离子体反应器供电的桥式高压电源中变压器的次级线圈(两个端分别为D-1和D-2)通过铁芯来耦合；
能量回收线圈直接与高压电源中变压器(即变压部)的次级线圈耦合，二者的匝数比，决定了能量回收线圈两端的电压的大小。
本实施例中变压器的次级线圈(匝数为n2)与初级线圈(两个端分别为C-1和C-2，匝数为n1)的匝数比n2：n1＝100：1；能量回收线圈(匝数n3)与变压器的初级线圈的匝数比n3：n1＝2：1。
整流模块，用于利用能量回收线圈从次级线圈耦合得到的电压进行整流后对储能元件充电。
整流模块包括串联的开关E1和二极管组(包括6个二极管)。本实施例中的二极管组中的所有二极管连接构成桥式整流电路，该桥式整流电路的输入端口串联一开关E1后连接至能量回收线圈的两端。
本实施例的用于气体等离子体反应器的可能量回收的高压电源，如图3所示包括：
半桥式高压电源，包括蓄电部F-1、开关部和变压部。变压部即变压器，其中初级线圈的两端分别为C-1和C-2，次级线圈的两端分别为D-1和D-2；开关部包括开关B-1和开关B-2，其中开关B-1串联在蓄电部F1的一端和初级线圈的C-1端，开关B-1串联在蓄电部F1的另一端和初级线圈的C-2端，构成半桥式连接；
能量回收装置，其能量回收线圈与变压部中的次级线圈耦合，其整流模块的电压输出端与蓄电部F-1的两端连接，以为蓄电部F-1充电。
图3为采用本实施例的可能量回收的高压电源为气体等离子反应器供电的原理示意图，可能量回收的高压电源中变压部的次级线圈的两端分别与电极-1和电极-2连接。
该可能量回收的高压电源输出电压的波形为交流、脉冲、或交流和脉冲的混合，输出电压的绝对值的峰值范围为1伏到100千伏，输出电压的绝对值的增加速度范围为1千伏/纳秒到1千伏/秒，电压正负极性交变或电压再上升频率范围为1次/秒到30千次/秒。
本实施例的气体等离子反应器包括构成电极对的电极-1和电极-2、夹于电极对之间的介质-1和介质-2，介质-1和介质-2之间存在间隙形成放电空间。
本实施例的气体等离子反应器的介质(包括介质-1和介质-2)由金属氧化物、氧化硅、陶瓷、塑料、橡胶、纸、或金属氧化物、氧化硅、陶瓷、塑料、橡胶、纸的混合物制备，介质的形状为板状、筒状、或面状，介质的厚度范围为10纳米到50毫米。且气体等离子体反应器的介质和气体放电空间接触面上被覆盖金属、贵金属、稀土金属或含金属、贵金属和稀土金属化合物的混合物催化剂。
基于该可能量回收的高压电源为气体等离子反应器供电进行能量回收的原理如下：
当半桥式高压电源中的开关组全部闭合(电压绝对值上升到最大)后0.1纳秒到100微秒之间把开关E1，导通时间范围为1纳秒到1分钟，进而将气体等离子反应器的电极对在气体电离时产生的能量回收至蓄电部F1，继续为气体等离子体反应器供电。
实施例2
本实施例的能量回收装置与实施例1相同。
本实施例的可能量回收的高压电源与实施例1相同，所不同的是该高压电源中的桥式高压电源为全桥高压电源。
图4为采用本实施例的可能量回收的高压电源为气体等离子反应器供电的原理示意图，行能量回收的原理如下：
当全桥式高压电源中的开关组全部闭合(电压绝对值上升到最大)后0.1纳秒到100微秒之间把开关E1，导通时间范围为1纳秒到1分钟，进而将气体等离子反应器的电极对在气体电离时产生的能量回收至蓄电部F1。
以上所述的具体实施方式对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的最优选实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种用于气体等离子体反应器的能量回收装置，其特征在于，所述气体等离子体反应器通过桥式高压电源回收能量，其能量回收特征是先由高压电源给气体等离子体反应器提供能量，然后关闭高压电源的能量输出，开启高压电源的能量回收装置；关闭高压电源的能量输出和开启高压电源的能量回收装置的时间间隔为0.1ns～100μs；
所述能量回收装置包括：
储能元件，用于存储回收得到的能量；
能量回收线圈，所述能量回收线圈与所述桥式高压电源中变压器的次级线圈通过铁芯耦合；
整流模块，用于利用能量回收线圈从次级线圈耦合得到的电压进行整流后对储能元件充电，包括串联的开关和二极管组，所述二极管组包括六个二极管，所述六个二极管连接构成桥式整流电路；
所述的储能元件为储能电容，所述储能电容作为所述桥式高压电源中的蓄电部。
2.如权利要求1所述的用于气体等离子体反应器的能量回收装置，其特征在于，所述变压器的次级线圈与初级线圈的匝数比为1:1～1000:1。
3.如权利要求1所述的用于气体等离子体反应器的能量回收装置，其特征在于，所述能量回收线圈与变压器的初级线圈的匝数比为1:1～50:1。
4.如权利要求1～3中任意一项权利要求所述的用于气体等离子体反应器的能量回收装置，其特征在于，所述桥式整流电路的输入端口串联所述开关后连接至能量回收线圈的两端。
5.一种用于气体等离子体反应器的可能量回收的高压电源，其特征在于，所述高压电源包括桥式高压电源，以及如权利要求1～4中任意一项所述的能量回收装置。
6.如权利要求5所述的用于气体等离子体反应器的可能量回收的高压电源，其特征在于，所述桥式高压电源输出电压的绝对值的峰值为1伏到100千伏，且输出电压的绝对值的增加速度为1千伏/纳秒到1千伏/秒，电压正负极性交变或电压再上升频率范围为1次/秒到30千次/秒。
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