CN114810255B - 基于压缩二氧化碳储能的无人潜航器动力系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于压缩二氧化碳储能的无人潜航器动力系统，包含储能模块、涡流管模块、蓄热模块和涡流管模块。本发明根据潜航器间歇工作的特点，在潜航器停泊时储能，将二氧化碳压缩储存在高压罐中，航行时将二氧化碳释放，使用热泵和涡流管提高工质温度，并在透平中膨胀释能，当潜航位置较深时可利用外部水压推动活塞，保持高压储罐工质压力，提高能量利用率。本发明提出的动力系统无腐蚀性工质，安全性好，且能够在多种工况下进行切换。相比蓄电池成本更低，寿命更长。

Description

基于压缩二氧化碳储能的无人潜航器动力系统

技术领域

本发明涉及物理储能技术领域，尤其涉及一种基于压缩二氧化碳储能的无人潜航器动力系统。

背景技术

无人潜航器是一种通过遥控、或自动控制在水下航行的器具，可进行深海探测、救生、排除水雷等高危险性水下作业。无人潜航器一般采用蓄电池驱动，成本较高，且损害后可能会对环境造成污染。

随着经济和社会不断发展，能源消耗不断增加，太阳能、风能等可再生能源的规模也在不断提高，为了解决风能、太阳能具有的波动性和间歇性的缺点，储能技术作为一种储能和释能分时进行的技术，可以拓宽可再生能源的使用场景。压缩储能作为储能技术之一，具有投资成本低，储能密度高的特点。

压缩二氧化碳储能作为压缩储能的一种，相比于绝热压缩空气循环，其特点在于闭式循环，适用于密闭环境中，且二氧化碳具有合适的临界温度（约31℃）和适中的临界压力（约7.38MPa）,相比于空气更容易液化，同时具有做功能力大、设备紧凑的优点，是一种具有前景的储能系统工质。

无人潜航器具有间歇运行的特点，当剩余电量低于一定值时，需要进行回收充能，而蓄电池寿命较短，成本高，且废弃电池处理困难等问题影响了其应用前景，因此需要寻找更加经济，寿命更长的动力系统来替代蓄电池系统。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对背景技术中所涉及到的缺陷，提供一种基于压缩二氧化碳储能的无人潜航器动力系统。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

基于压缩二氧化碳储能的无人潜航器动力系统，包括低压二氧化碳储液罐、第一换热器、电动机、主压缩机、第二换热器、高压二氧化碳储液罐、冷凝器、第一节流阀、第一透平、第三换热器、第二透平、第一发电机、二氧化碳热泵压缩机、第二发电机、涡流管、第二阀门、副压缩机、第四换热器、低温储水罐、高温储水罐、蒸发器、第二节流阀、第一阀门、第三阀门；

所述低压二氧化碳储液罐设有第一入口、第二入口和一个出口；

所述高压二氧化碳储液罐包含罐体和活塞，其中，所述罐体中空，活塞和所述罐体密闭活动相连，罐体开口处的内壁上设有用于限制活塞脱离罐体的凸环；所述罐体底部设有一个入口和一个出口；

所述低温储水罐、高温储水罐均设有一个入口和一个出口；

所述低压二氧化碳储液罐的出口、第一换热器的冷侧通道、主压缩机、第二换热器的热侧通道、高压二氧化碳储液罐的入口依次通过管道相连；

所述第一换热器的热侧通道两端接外界，用于将流入的低压液态二氧化碳蒸发成低压气态二氧化碳；所述电动机用于驱动主压缩机工作，将流入的低压气态二氧化碳压缩成高压气态二氧化碳；所述第二换热器用于将流入的高压气态二氧化碳冷凝至液态；

所述高压二氧化碳储液罐的出口分别和所述冷凝器冷侧通道的入口、第一节流阀的入口通过管道相连；

所述冷凝器冷侧通道的出口、第一透平、第三换热器的冷侧通道、第二透平、低压二氧化碳储液罐的第一入口依次通过管道相连；

所述第一透平分别和第一发电机、二氧化碳热泵压缩机电气相连，用于给第一发电机、二氧化碳热泵压缩机供电；所述第二透平和所述第二发电机电气相连，用于给第二发动机供电；

所述涡流管的入口和所述第一节流阀的出口管道相连；涡流管的高温气体出口分别和所述第三换热器热侧通道的入口、第二阀门的一端通过管道相连；

所述副压缩机的入口分别和所述第三换热器热侧通道的出口、第四换热器冷侧通道的一端通过管道相连，副压缩机的出口和所述低压二氧化碳储液罐的第二入口通过管道相连；

所述第四换热器冷侧通道的另一端和所述涡流管的低温气体出口通过管道相连；所述第四换热器热侧通道两端接外界；

所述高温储水罐的出口、蒸发器的热侧通道、低温储水罐的入口通过管道依次相连；所述低温储水罐的出口、第二换热器的冷测通道、高温储水罐的入口通过管道依次相连；

所述二氧化碳热泵压缩机的出口分别和所述冷凝器热侧通道的入口、第二阀门的另一端通过管道相连；

所述冷凝器热侧通道的出口、第二节流阀、蒸发器冷侧通道的入口通过管道依次相连；

所述蒸发器冷侧通道的出口分别和所述第一阀门的一端、第三阀门的一端通过管道相连；所述第三阀门的另一端和所述低压二氧化碳储液罐的第一入口通过管道相连；所述第一阀门的另一端和所述二氧化碳热泵压缩机的入口通过管道相连。

所述高压二氧化碳储液罐上还设有用于测量其内部压强的压力传感器。

本发明还公开了一种该基于二氧化碳储能的水下无人潜航器动力系统的工作方法，在停泊时进行储能，在潜航工作时释能为潜航器提供动力，具体如下：

储能时，液态的低压二氧化碳由低压二氧化碳储液罐经第一换热器蒸发，进入主压缩机压缩至高压，主压缩机由电动机带动，压缩至高压后的气态二氧化碳经第二换热器冷凝至液态后进入高压二氧化碳储液罐，同时，低温储水罐中的冷水经过第二换热器吸收压缩过程中的热量后进入高温储水罐储存；

释能时：

第一阀门开启，第二阀门和第三阀门关闭，吸收了压缩热的高温水从高温储水罐流出，在蒸发器中向二氧化碳输出热量后回到低温储水罐；二氧化碳在蒸发器中吸收热量后，进入二氧化碳热泵压缩机被压缩，之后进入冷凝器中向储能循环中的二氧化碳释放热量，之后通过第二节流阀节流降压；液态二氧化碳从高压二氧化碳储液罐流出后，先进入冷凝器中加热后进入第一透平膨胀做功，带动二氧化碳热泵压缩机工作同时给第一发电机输出轴功发电，之后从第一透平流入第三换热器与从涡流管高温出口流出的高温气体进行换热，被加热后进入第二透平做功，之后流入低压二氧化碳储液罐，涡流管低温气体通过第四换热器对潜航器中需要散热的设备进行冷却，换热后通过副压缩机压缩后进入低压二氧化碳储液罐；

当高温储水罐中的热量不足时，关闭第一阀门，打开第二阀门和第三阀门，此时从涡流管高温气体出口流出的高温二氧化碳一部分流入冷凝器中，加热储能循环中的二氧化碳后经过第二节流阀和蒸发器通过第三阀门流入低压二氧化碳储液罐中；

当潜航器下潜过程中，压力感应器感应到外部海水压力大于高压二氧化碳储液罐内部压力时，外界海水压力推动活塞，使剩余二氧化碳在接近外界压力的条件下流出，直到高压二氧化碳储液罐无法再继续输出二氧化碳，完成释能过程。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1. 本发明采用电能作为能量输入，采用液态二氧化碳作为储能工质。将电能通过压缩机转化为二氧化碳工质的压力势能以及内能进行存储，通过透平将所储存的能量进行释放。系统不需要额外的热源，通过热泵循环提升压缩热量的品位，以及涡流管提供的高温气体即可实现释能过程中工质的加热和蒸发。该系统具有储能密度高，能量利用率高，应用灵活等特点，可以有效提高潜航器的续航能力。

2. 当外界水压较高时，利用水压推动活塞做功，保持高压储罐中输出的工质压力，有效利用了环境特点，提高能量利用率，进一步提高了能量的利用率和储能密度。

3. 本发明所涉及的工质（包括水和二氧化碳）成本较低，安全性好，工质对环境友好，对于减少碳排放，加快我国能源结构转型等方面具有重要意义。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图中，1-低压二氧化碳储液罐，2-第一换热器，3-电动机，4-主压缩机，5-第二换热器，6-高压二氧化碳储液罐，7-压力感应器，8-活塞装置，9-冷凝器，10-第一透平，11-第一发电机，12-二氧化碳热泵压缩机，13-第三换热器，14-第二透平，15-第二发电机，16-第一节流阀，17-涡流管的入口，18-涡流管高温气体出口，19-副压缩机，20-涡流管低温气体出口，21-第四换热器，22-低温储水罐，23-高温储水罐，24-蒸发器，25-第二节流阀，26-第一阀门，27-第二阀门，28-第三阀门。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

本发明可以以许多不同的形式实现，而不应当认为限于这里所述的实施例。相反，提供这些实施例以便使本公开透彻且完整，并且将向本领域技术人员充分表达本发明的范围。在附图中，为了清楚起见放大了组件。

应当理解，尽管这里可以使用术语第一、第二、第三等描述各个元件、组件和/或部分，但这些元件、组件和/或部分不受这些术语限制。这些术语仅仅用于将元件、组件和/或部分相互区分开来。因此，下面讨论的第一元件、组件和/或部分在不背离本发明教学的前提下可以成为第二元件、组件或部分。

本发明公开了一种基于压缩二氧化碳储能的无人潜航器动力系统，具体包括低压二氧化碳储液罐、第一换热器、电动机、主压缩机、第二换热器、高压二氧化碳储液罐、冷凝器、第一节流阀、第一透平、第三换热器、第二透平、第一发电机、二氧化碳热泵压缩机、第二发电机、涡流管、第二阀门、副压缩机、第四换热器、低温储水罐、高温储水罐、蒸发器、第二节流阀、第一阀门、第三阀门；如图1所示，这些部件划分为储能模块、涡流管模块、蓄热模块和涡流管模块四个模块。

所述低压二氧化碳储液罐设有第一入口、第二入口和一个出口；

所述高压二氧化碳储液罐包含罐体和活塞，其中，所述罐体中空，活塞和所述罐体密闭活动相连，罐体开口处的内壁上设有用于限制活塞脱离罐体的凸环；所述罐体底部设有一个入口和一个出口；

所述低温储水罐、高温储水罐均设有一个入口和一个出口；

所述低压二氧化碳储液罐的出口、第一换热器的冷侧通道、主压缩机、第二换热器的热侧通道、高压二氧化碳储液罐的入口依次通过管道相连；

所述第一换热器的热侧通道两端接外界，用于将流入的低压液态二氧化碳蒸发成低压气态二氧化碳；所述电动机用于驱动主压缩机工作，将流入的低压气态二氧化碳压缩成高压气态二氧化碳；所述第二换热器用于将流入的高压气态二氧化碳冷凝至液态；

所述高压二氧化碳储液罐的出口分别和所述冷凝器冷侧通道的入口、第一节流阀的入口通过管道相连；

所述冷凝器冷侧通道的出口、第一透平、第三换热器的冷侧通道、第二透平、低压二氧化碳储液罐的第一入口依次通过管道相连；

所述第一透平分别和第一发电机、二氧化碳热泵压缩机电气相连，用于给第一发电机、二氧化碳热泵压缩机供电；所述第二透平和所述第二发电机电气相连，用于给第二发动机供电；

所述涡流管的入口和所述第一节流阀的出口管道相连；涡流管的高温气体出口分别和所述第三换热器热侧通道的入口、第二阀门的一端通过管道相连；

所述副压缩机的入口分别和所述第三换热器热侧通道的出口、第四换热器冷侧通道的一端通过管道相连，副压缩机的出口和所述低压二氧化碳储液罐的第二入口通过管道相连；

所述第四换热器冷侧通道的另一端和所述涡流管的低温气体出口通过管道相连；所述第四换热器热侧通道两端接外界；

所述高温储水罐的出口、蒸发器的热侧通道、低温储水罐的入口通过管道依次相连；所述低温储水罐的出口、第二换热器的冷测通道、高温储水罐的入口通过管道依次相连；

所述二氧化碳热泵压缩机的出口分别和所述冷凝器热侧通道的入口、第二阀门的另一端通过管道相连；

所述冷凝器热侧通道的出口、第二节流阀、蒸发器冷侧通道的入口通过管道依次相连；

所述蒸发器冷侧通道的出口分别和所述第一阀门的一端、第三阀门的一端通过管道相连；所述第三阀门的另一端和所述低压二氧化碳储液罐的第一入口通过管道相连；所述第一阀门的另一端和所述二氧化碳热泵压缩机的入口通过管道相连。

所述高压二氧化碳储液罐上还设有用于测量其内部压强的压力传感器。

本发明还公开了一种该基于二氧化碳储能的水下无人潜航器动力系统的工作方法，在停泊时进行储能，在潜航工作时释能为潜航器提供动力，具体如下：

储能时，液态的低压二氧化碳由低压二氧化碳储液罐经第一换热器蒸发，进入主压缩机压缩至高压，主压缩机由电动机带动，压缩至高压后的气态二氧化碳经第二换热器冷凝至液态后进入高压二氧化碳储液罐，同时，低温储水罐中的冷水经过第二换热器吸收压缩过程中的热量后进入高温储水罐储存；

释能时：

第一阀门开启，第二阀门和第三阀门关闭，吸收了压缩热的高温水从高温储水罐流出，在蒸发器中向二氧化碳输出热量后回到低温储水罐；二氧化碳在蒸发器中吸收热量后，进入二氧化碳热泵压缩机被压缩，之后进入冷凝器中向储能循环中的二氧化碳释放热量，之后通过第二节流阀节流降压；液态二氧化碳从高压二氧化碳储液罐流出后，先进入冷凝器中加热后进入第一透平膨胀做功，带动二氧化碳热泵压缩机工作同时给第一发电机输出轴功发电，之后从第一透平流入第三换热器与从涡流管高温出口流出的高温气体进行换热，被加热后进入第二透平做功，之后流入低压二氧化碳储液罐，涡流管低温气体通过第四换热器对潜航器中需要散热的设备进行冷却，换热后通过副压缩机压缩后进入低压二氧化碳储液罐；

当高温储水罐中的热量不足时，关闭第一阀门，打开第二阀门和第三阀门，此时从涡流管高温气体出口流出的高温二氧化碳一部分流入冷凝器中，加热储能循环中的二氧化碳后经过第二节流阀和蒸发器通过第三阀门流入低压二氧化碳储液罐中；

当潜航器下潜过程中，压力感应器感应到外部海水压力大于高压二氧化碳储液罐内部压力时，外界海水压力推动活塞，使剩余二氧化碳在接近外界压力的条件下流出，直到高压二氧化碳储液罐无法再继续输出二氧化碳，完成释能过程。

本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.基于压缩二氧化碳储能的无人潜航器动力系统，其特征在于，包括低压二氧化碳储液罐、第一换热器、电动机、主压缩机、第二换热器、高压二氧化碳储液罐、冷凝器、第一节流阀、第一透平、第三换热器、第二透平、第一发电机、二氧化碳热泵压缩机、第二发电机、涡流管、第二阀门、副压缩机、第四换热器、低温储水罐、高温储水罐、蒸发器、第二节流阀、第一阀门、第三阀门；

所述低压二氧化碳储液罐设有第一入口、第二入口和一个出口；

所述高压二氧化碳储液罐包含罐体和活塞，其中，所述罐体中空，活塞和所述罐体密闭活动相连，罐体开口处的内壁上设有用于限制活塞脱离罐体的凸环；所述罐体底部设有一个入口和一个出口；

所述低温储水罐、高温储水罐均设有一个入口和一个出口；

所述低压二氧化碳储液罐的出口、第一换热器的冷侧通道、主压缩机、第二换热器的热侧通道、高压二氧化碳储液罐的入口依次通过管道相连；

所述第一换热器的热侧通道两端接外界，用于将流入的低压液态二氧化碳蒸发成低压气态二氧化碳；所述电动机用于驱动主压缩机工作，将流入的低压气态二氧化碳压缩成高压气态二氧化碳；所述第二换热器用于将流入的高压气态二氧化碳冷凝至液态；

所述高压二氧化碳储液罐的出口分别和所述冷凝器冷侧通道的入口、第一节流阀的入口通过管道相连；

所述冷凝器冷侧通道的出口、第一透平、第三换热器的冷侧通道、第二透平、低压二氧化碳储液罐的第一入口依次通过管道相连；

所述第一透平分别和第一发电机、二氧化碳热泵压缩机电气相连，用于给第一发电机、二氧化碳热泵压缩机供电；所述第二透平和所述第二发电机电气相连，用于给第二发电机供电；

所述涡流管的入口和所述第一节流阀的出口管道相连；涡流管的高温气体出口分别和所述第三换热器热侧通道的入口、第二阀门的一端通过管道相连；

所述副压缩机的入口分别和所述第三换热器热侧通道的出口、第四换热器冷侧通道的一端通过管道相连，副压缩机的出口和所述低压二氧化碳储液罐的第二入口通过管道相连；

所述第四换热器冷侧通道的另一端和所述涡流管的低温气体出口通过管道相连；所述第四换热器热侧通道两端接外界；

所述高温储水罐的出口、蒸发器的热侧通道、低温储水罐的入口通过管道依次相连；所述低温储水罐的出口、第二换热器的冷测通道、高温储水罐的入口通过管道依次相连；

所述二氧化碳热泵压缩机的出口分别和所述冷凝器热侧通道的入口、第二阀门的另一端通过管道相连；

所述冷凝器热侧通道的出口、第二节流阀、蒸发器冷侧通道的入口通过管道依次相连；

所述蒸发器冷侧通道的出口分别和所述第一阀门的一端、第三阀门的一端通过管道相连；所述第三阀门的另一端和所述低压二氧化碳储液罐的第一入口通过管道相连；所述第一阀门的另一端和所述二氧化碳热泵压缩机的入口通过管道相连。

2.根据权利要求1所述的基于压缩二氧化碳储能的无人潜航器动力系统，其特征在于，所述高压二氧化碳储液罐上还设有用于测量其内部压强的压力传感器。

3.基于权利要求1所述的基于压缩二氧化碳储能的无人潜航器动力系统的工作方法，其特征在于，在停泊时进行储能，在潜航工作时释能为潜航器提供动力，具体如下：

储能时，液态的低压二氧化碳由低压二氧化碳储液罐经第一换热器蒸发，进入主压缩机压缩至高压，主压缩机由电动机带动，压缩至高压后的气态二氧化碳经第二换热器冷凝至液态后进入高压二氧化碳储液罐，同时，低温储水罐中的冷水经过第二换热器吸收压缩过程中的热量后进入高温储水罐储存；

释能时：

第一阀门开启，第二阀门和第三阀门关闭，吸收了压缩热的高温水从高温储水罐流出，在蒸发器中向二氧化碳输出热量后回到低温储水罐；二氧化碳在蒸发器中吸收热量后，进入二氧化碳热泵压缩机被压缩，之后进入冷凝器中向储能循环中的二氧化碳释放热量，之后通过第二节流阀节流降压；液态二氧化碳从高压二氧化碳储液罐流出后，先进入冷凝器中加热后进入第一透平膨胀做功，带动二氧化碳热泵压缩机工作同时给第一发电机输出轴功发电，之后从第一透平流入第三换热器与从涡流管高温出口流出的高温气体进行换热，被加热后进入第二透平做功，之后流入低压二氧化碳储液罐，涡流管低温气体通过第四换热器对潜航器中需要散热的设备进行冷却，换热后通过副压缩机压缩后进入低压二氧化碳储液罐；

当高温储水罐中的热量不足时，关闭第一阀门，打开第二阀门和第三阀门，此时从涡流管高温气体出口流出的高温二氧化碳一部分流入冷凝器中，加热储能循环中的二氧化碳后经过第二节流阀和蒸发器通过第三阀门流入低压二氧化碳储液罐中；

当潜航器下潜过程中，压力感应器感应到外部海水压力大于高压二氧化碳储液罐内部压力时，外界海水压力推动活塞，使剩余二氧化碳在接近外界压力的条件下流出，直到高压二氧化碳储液罐无法再继续输出二氧化碳，完成释能过程。

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