CN112566350B - 等离子体储能系统及储能方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种等离子体储能系统及储能方法，系统包括：离子加速器、离子约束装置和等离子体发生器；所述等离子体发生器出口与所述离子加速器入口连接，所述离子加速器离子出口与所述离子约束装置内部空间相连。本发明系统中，等离子体发生器将工质气体电离后通入离子加速器，离子加速器通过电磁场使等离子体内的电子发生偏移，抑制电子沿流动方向的运动并产生强电场加速离子，离子加速器产生的高速正电离子流通入离子约束装置后受到强磁场约束在离子约束装置的内部气相空间中做圆周运动进行储能。本发明利用强电场加速离子，在离子约束装置内部利用强磁场对高速离子流进行约束以达到储能的目的，不存在地理环境的局限性。
Description
技术领域
本发明属于储能技术领域，具体涉及一种等离子体储能系统及储能方法。
背景技术
能源问题制约着社会的发展和人类的进步，近年来，以煤、石油、天然气为代表的传统能源在资源与环境的压力下，发展趋势愈加受到限制，新型可再生能源迅速发展。然而，可再生能源发电通常具有随机性、周期性的特点，利用储能技术，不仅可以提高发电的安全性与经济性，同时，储能技术也是分布式能源系统、电动汽车等领域的关键支撑技术。大容量储能为未来重点创新方向。
目前储能技术主要分为物理储能(如压缩空气储能、飞轮储能等)、化学储能(如锂离子电池、铅酸电池、钠离子电池等)、电磁储能(如超导储能、超级电容器储能等)。目前最为成熟的储能技术为物理储能，其成本较低，使用规模最大，但是建设局限性较大、有特殊地理条件要求；化学储能应用范围最为广泛，使用较为方便，但是成本较高；电磁储能如超导储能具有能量损耗小的特点，但是维持超导成本高昂，超级电容器同样有着能量密度低、成本高等缺陷。
发明内容
本发明的目的是提供一种等离子体储能系统及储能方法，以解决目前储能技术存在的能量密度低、局限性大、储能容量小的技术问题。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种等离子体储能系统，包括：离子加速器、离子约束装置和等离子体发生器；
所述等离子体发生器出口与所述离子加速器入口连接，所述离子加速器离子出口与所述离子约束装置内部空间相连。
本发明进一步的改进在于：还包括：
储气罐；所述储气罐的出气口与所述等离子体发生器入口连接，所述储气罐进气口与所述离子约束装置内部空间相连。
本发明进一步的改进在于：还包括：
第一换热器；所述第一换热器覆盖在所述离子约束装置外表面，用于吸收离子约束装置散发的热量。
本发明进一步的改进在于：还包括：
热负载；所述热负载连接所述第一换热器，用于消耗并利用所述第一换热器吸收的热量。
本发明进一步的改进在于：还包括：
第二换热器；第二换热器的第一换热通道与第一换热器、热负载串联；第二换热器的第二换热通道一端连接离子约束装置排气口，另一端通过真空泵连接储气罐；所述第二换热器用于吸收并利用所述离子约束装置排气余热。
本发明进一步的改进在于：所述离子约束装置内部空间存在永磁体构建的强磁场与电子枪。
本发明进一步的改进在于：离子加速器、离子约束装置、等离子体发生器、储气罐依次串联沟通工质循环回路；所述工质循环回路中流动的工质为能够电离的气体。
本发明进一步的改进在于：所述工质为氙气。
本发明进一步的改进在于：所述热负载为供暖系统或者汽轮机。
一种等离子体储能方法，包括：
储能阶段：等离子体发生器将工质气体电离后通入离子加速器，离子加速器通过电磁场使等离子体内的电子发生偏移，抑制电子沿流动方向的运动并产生强电场加速离子，离子加速器产生的高速正电离子流通入离子约束装置后受到强磁场约束在离子约束装置的内部气相空间中做圆周运动进行储能；
释能阶段：离子约束装置内部电子枪发射电子流，获得电子变为电中性的离子不再受到洛伦兹力的约束，有序运动变为无序运动，高速电中性粒子不断互相撞击或与离子约束装置壁面发生碰撞，放出热量，热量通过换热传递给热负载进行利用。
相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：
本发明提供一种等离子体储能系统，包括依次连接的离子加速器、离子约束装置和等离子体发生器；等离子体发生器将工质气体电离后通入离子加速器，离子加速器通过电磁场使等离子体内的电子发生偏移，抑制电子沿流动方向的运动并产生强电场加速离子，离子加速器产生的高速正电离子流通入离子约束装置后受到强磁场约束在离子约束装置的内部气相空间中做圆周运动进行储能。本发明利用强电场加速离子，在离子约束装置内部利用强磁场对高速离子流进行约束以达到储能的目的，不存在地理环境的局限性。
进一步的，本发明系统内部真空环境可以减少能量的损失；由于整个系统相对封闭，无废气产生，因此本发明不会对环境造成污染。
进一步的，本发明可以通过改变磁场强度对离子约束装置的大小进行灵活的调整并且可以通过控制离子速度与磁场强度以达到更高的能量密度，经计算，若以氙气为电离气体，强度为0.1特斯拉的磁场便可将速度为7.2×104m/s的高速离子流约束在半径为1m的空间内，粒子密度达到0.15g/m3时，能量密度便可达到100Wh/m3，是传统压缩空气储能系统能量密度的20倍以上。
附图说明
图1为本发明一种等离子体储能系统的结构示意图。
附图标记：1、离子加速器；2、离子约束装置；3、第一换热器；4、第二换热器；5、真空泵；6、热负载；7、等离子体发生器；8、储气罐。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如图1所示，本发明公开了一种等离子体储能系统，包括：离子加速器1、离子约束装置2、第一换热器3、第二换热器4、真空泵5、热负载6、等离子体发生器7和储气罐8。其中，等离子体发生器7出口端与离子加速器1入口端相连接，离子加速器1的离子出口端与离子约束装置2内部气相空间相通，真空泵5排气端与储气罐8进气口相连接，储气罐8出气口与等离子体发生器7入口端相连接，第二换热器4串联在真空泵5抽气口与离子约束装置2排气口之间，第一换热器3覆盖在离子约束装置2外表面。
具体地，本实施例通过电离气体工质(如氙气)并加速与限制离子运动完成能量的储存，将离子动能转化为内能完成能量的释放。
本发明一种等离子体储能系统的储能方法，包括：
储能过程：等离子体发生器7将储气罐8中工质气体电离后通入离子加速器1，离子加速器1通过电磁场使等离子体内的电子发生偏移，抑制电子沿流动方向的运动并产生强电场加速离子，离子约束装置2内部空间为真空且存在强磁场，离子加速器1产生的高速正电离子流通入离子约束装置2后受到强磁场约束，在离子约束装置2的内部气相空间中做圆周运动，离子约束装置2发挥储能作用。
放热过程：离子约束装置2内部电子枪发射电子流，高速运动的离子获得电子变为电中性，不再受到洛伦兹力的约束，有序运动变为无序运动，高速电中性粒子互相撞击或与离子约束装置2壁面发生碰撞，粒子动能转化为内能，放出大量热，热量通过第一换热器3与第二换热器4传递到换热工质水中，并最终在热负载6中得以利用，热负载可以为供暖、汽轮机发电等。
进一步地，离子约束装置2的高温排气经过第二换热器4换热后由真空泵5重新输入到储气罐8中，实现工质的循环利用以降低成本，由于无废气产生，不会对环境造成污染。
更进一步地，本发明可以通过改变磁场强度对离子约束装置的大小进行灵活的调整并且可以通过控制离子速度与磁场强度以达到更高的能量密度。经计算，若以氙气为电离气体，强度为0.1特斯拉的磁场便可将速度为7.2×104m/s的高速离子流约束在半径为1m的空间内，粒子密度达到0.15g/m3时，能量密度便可达到100Wh/m3，是传统压缩空气储能系统能量密度的20倍以上。
以上所述仅为本发明的一种实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种等离子体储能系统，其特征在于，包括：离子加速器、离子约束装置和等离子体发生器；
所述等离子体发生器出口与所述离子加速器入口连接，所述离子加速器离子出口与所述离子约束装置内部空间相连；
还包括：
储气罐；所述储气罐的出气口与所述等离子体发生器入口连接，所述储气罐进气口与所述离子约束装置内部空间相连；
所述离子约束装置内部空间存在永磁体构建的强磁场与电子枪。
2.根据权利要求1所述的一种等离子体储能系统，其特征在于，还包括：
第一换热器；所述第一换热器覆盖在所述离子约束装置外表面，用于吸收离子约束装置散发的热量。
3.根据权利要求2所述的一种等离子体储能系统，其特征在于，还包括：
热负载；所述热负载连接所述第一换热器，用于消耗所述第一换热器吸收的热量。
4.根据权利要求3所述的一种等离子体储能系统，其特征在于，还包括：
第二换热器；第二换热器的第一换热通道与第一换热器、热负载串联；第二换热器的第二换热通道一端连接离子约束装置排气口，另一端通过真空泵连接储气罐。
5.根据权利要求1所述的一种等离子体储能系统，其特征在于，离子加速器、离子约束装置、等离子体发生器、储气罐依次串联构成工质循环回路；所述工质循环回路中流动的工质为能够电离的气体。
6.根据权利要求5所述的一种等离子体储能系统，其特征在于，所述工质为氙气。
7.根据权利要求3所述的一种等离子体储能系统，其特征在于，所述热负载为供暖系统或者汽轮机。
8.一种等离子体储能方法，其特征在于，基于权利要求1至7中任一项所述的一种等离子体储能系统，包括：
储能阶段：等离子体发生器将工质气体电离后通入离子加速器，离子加速器通过电磁场使等离子体内的电子发生偏移，抑制电子沿流动方向的运动并产生强电场加速离子，离子加速器产生的高速正电离子流通入离子约束装置后受到强磁场约束在离子约束装置的内部气相空间中做圆周运动进行储能；
释能阶段：离子约束装置内部电子枪发射电子流，获得电子变为电中性的离子不再受到洛伦兹力的约束，有序运动变为无序运动，高速电中性粒子不断互相撞击或与离子约束装置壁面发生碰撞，放出热量，热量通过换热传递给热负载进行利用。
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