TW200813320A - Electrical energy storage and generation - Google Patents

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200813320 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 【先前技術】 ' 用所儲存：ί::期::言能量，在峰值期間使 習知發電系統中，蓄能系統可提 必備系統。在 峰值電能及翻鮮等。藉自提·i含貞載跟隨、 能儲存系統稍雜動力源之轉^及_度之負載’電 電能儲存系統對於間斷可：43==害^放。 力渴輪機供電系統）至關重要。此是场光電與風 質，該種能源在一較長時段以=再=之間歇式本 綠色電力工業之障礙。）^ ^ 用此缺點已經成為 電能儲射馳認為是具有分佈式發電機之佑 用於補償任何功率波動ί 電壓降雜間提供不崎電源。 壓縮空氣蓄能系統（CAES)、蓄 、3/尺畜此糸統、 飛輪與電容ϋ。 ；畜⑨池h磁性畜能糸統（SMES)、 抽蓄水力是m统之最廣泛應胸彡式。 儲存水力勢能。所儲存。量與兩X個蓄^ 恭+她Γ差，丁水置成正比。在用電高峰期間，水經由一渦於 舍私機自該較兩蓄水池下降至雜低¥ 習: ”發電設施。抽水蓄能是—種成功技術，纽口 時ίί 稀少是抽水#能系統之主要缺點。建造 守曰1車乂長（通爷約為10年）以及環境問題（例如，在蓄水池蓄水 200813320 ίΐϊ要清除池底之樹木及植被）是抽水蓄能系統㈣外兩個主 用氣蓄能（CAES)以習知燃氣渦輪機技術為基礎。盆利 地下儲存槽）中來儲存能量。為了 #|=存(例如 谷益中釋放出受壓縮空氣’將其加_後:7^儲f 2，該高壓渦輪機獲得受壓縮空氣中之部 ，，一發電機以產生電能。壓縮空氣蓄=以機 尚、，儲存周期長、資金成本低、效率高。與抽水 目別可用之蓄能系統相比，壓縮空氣蓄能系統非為二種= ^其需要在職渦輪機巾燃燒。其不可驗其他類 糸 歹電廠、核、風賴輪電廠或太陽光電電廠。^夕Γ 2 ί燒會導致釋放污染物，例如氮氧化物及碳氧化物， 此缺點削弱了壓縮空氣蓄能系統之吸引力。另外，盥抽水 二i僅Λ附近有 鹽坑、蓄水層或廢棄天然氣田的發 :廠’壓縮空氣蓄能系統在經濟上才是可行的。此外，壓縮 畜能3統的了個主要障礙為可獲得之壓力較低，通常為4_^、。 蓄電池系統在某些方面极適合於電能儲⑽統。 ，燃料靈活性及環境益處，還可為供電廠提供許多重要的操^ ί。f可極丨ί速地回應負載變化，可接收協同發電及/或第三方ί 电，從而提高了系統穩定性。由於其建猶置時間短、不存在^ ，位置限制，並且在技術上具有模組特性，所以我池系統之建 化極為方便。但是，由於此等系統倾具有能量密度低、維護費 用咼、壽命短、放電能力有限而且有毒等缺點，所以直至最近，、 電池儲^之應用仍然有限。現在已經有幾種新電池技術被認為可 與抽水蓄能系統及壓縮空氣蓄能系統進行競爭，其包含鉛酸電 池、鈉硫電池、碳酸鋅電池及氧化還原液流（redoxflow)電池。 200813320 量能 $導磁性蓄能祕（SMES)是惟-可錢以電能方式儲存大 ”置的已知方法。超導磁性蓄能系、统將能量儲存為通過一電感 口口之龟//丨L。。亥龟感态由超導材料製成環形，所以電池可在 益 °與其他蓄能系_比’超導磁性蓄能系' ijC 效率（通常約為90%)及快速回應（短於1秒）。 主刪是谢爾用強磁 之缺使用了數千年之蓄能系統形式。此等系統 你、ΐί'、持、續呀間短、摩擦損失（風阻）較高以及能量穷产 ΐ考iiftt!轉，之習知飛輪系統缺乏大規模蓄能應用: 料？學之近期發展已開始改變之此狀況。 了用;用ί，能系統。已經開發 較大電容容f領域之近期發展已經帶動 相1:ΐ二=自，員耗而具嫌量耗散。 效率、長持續時 ^巧能量密度餘在輸出功率、高能量 電能儲存系統:j二低資金成本且具有良好經濟潛能之 之輸入及輸出之^二與目前發電薇配合使用，除電流 能夠完全獨立於發輯行較大修m统較佳還 可靠，且該系統較大起動及暫停較佳應簡單、 用，該等發電廠包含火^H讀之大多數現有媒體-起使 電廠及太陽光電帝麻，=二、·二軋渦輪電廠、核電廠、風力渦輪 統較佳不對環境造成破热須考慮該等發電廠之地理位置。該系 ° 展’特別是在結合非污染發電廠（零排放 200813320 系統^用時，甚至可逆轉石油燃料燃燒所造成之環境影響。 存系統㈣之發财已嘗試提供—雜夠滿足該等要求之電能儲 接徂2丄還Ϊ要—種經改良之環保船用動力系統，用於為船隻 面的。海事部門始終需要考慮有麻污染與空氣污染兩方 面的核境問題。 鍾力系統包括：主推進發賴、螺旋槳、輔助發 ϊί ί 傳稍控梅鱗。主雜魏機是最重要 气事^\開發了數種主推進發域，包含蒸氣農機、 動歧核能發動機。在此_型中，柴油發 右Μΰ 3前總功率容量之大約9〇%。但是，所 存在環境問題。柴油發動機、蒸氣满輪機及燃氣 γ枓和亚存在輪射危險，而且比其他動力系統貴至少一個量 及女排放㈣廢物之無職動力系統將深受到海運行業 ，大承之氰迎。若此等船用動力系統可用於產生在船内 : 以及根據需要加熱及/或冷卻船隻，其亦將是可行的。电 【發明内容】

本發明考慮使用冷卻工作越來進行魏、能量產 根據本發明之一具體實施例的冷卻能量儲存（CES ΐϊ=ίΓ電能所產生之冷卻劑，從而儲存能量，在峰ΐΐ 被加反、加熱，然後在一渦輪機中膨脹。 丨了 相應地，本發明提供一種儲存能量之方 i 提供一氣態輸入； ，、匕栝· 由該氣態輸入產生一冷卻劑； 儲存該冷卻劑； 200813320 使該冷卻劑膨脹； 使用該經膨脹之冷卻劑驅動一滿輪 由該冷卻敗雜抓冷轉。 本發明還提供一種冷卻能量儲存系統，其包括： 一冷卻劑源； 一冷卻劑儲存設備； 用於使該冷卻劑膨脹之構件； 夠由该膨脹冷卻劑驅動之漏輪機；以及 用於回收在該冷卻劑膨脹期間所釋放之冷能量的構件。 ，機可用於驅動一發電機，從而產生電能。 作為官代或補充，該渦輪機可用於驅動一螺旋槳用於 機中。因此，該冷卻能量儲存系統可用作二冷卻推動系 可使用多種合適之冷卻劑。較佳地，該冷卻劑包括液離空氣。 或者’該冷卻劑可包括濕空氣（slush air)、液態氮、液^氮、液 態天然氣（LNG)或任何其他冷卻劑。 “ 該蓄能祕可在最大程度上目前可用、成孰之冷卻劍形 成技術（例如空氣液化設備），對該等技術之修改降至最低。 部劑包括液恶空氣，液態空氣可由一空氣液化設備產 生二並，離峰時間提供給冷卻蓄能系統。同時，若需要，可將諸 如氧、氣、纽二氧化鮮其他氣態及液態產品作為商品生產。 藉由使用來自其他源（例如來自液態天錢之再氣 可改良冷卻劑之生產效率。 Λ ^代大谷1〜卩魏設備生產設備的運行成本較低，約為〇 4 千瓦％/千克（1.44百萬焦/千克）。預期此成本到2〇1〇年至搬〇 年可進一步降低至約0.3千瓦時/千克（1.〇8百萬焦/千克）（“Air separation and liquefaction: recent developments and prospects for the 10 200813320 beginning of the new millennium,!,5 Castle W.F., International Journal of Refrig^ation, 25y 158-172, 2002; ^Energy analysis of cryogenic air separation , Comelissen R.L. and Hirs G.G., Energy Conservation and 尬加职騰成双/幻/-/似5,川财）。該冷卻蓄能系統可使用來自一 冷卻劑設備之液態空氣進料，但亦可完全獨立於該冷卻劑設備工 作；此進料可能很少，具體取決於“冷能，，再循環及運轉策略。在 目前生產方法中，生產液態空氣所耗費之能量可佔生產液態氧所 需能量之80%。 該冷卻劑可藉由加熱而膨脹。例如，該冷卻劑可由來自包含 環境、地熱、發電廠及/或其他廢熱源之廢熱加熱，以加熱該冷卻 工作流體’從而在峰值時間發電。該等熱源先前可能未用於發電， 因為工作流體與熱源之間的溫度差可能被認為不足。廢熱可能使 工作流體過熱。廢熱可能來自發電廠或來自輸入氣體之壓縮過 程，甚至來自由周圍空氣加熱至周圍溫度之後的廢氣流。為了提 南工作流體之能量密度，氣態輸入在膨脹之前可為一高壓狀態， 因為對於一理想氣體之等溫膨脹，每單位質量氣態輸入之理想功

Wt為％ ，其中R、T、Pin及P〇ut分別為普適常數、氣體 溫度及注入壓力與排氣壓力。此外，可將該冷卻劑作為液體施加 咼工作壓力’因為在為液體增壓時僅耗用很少的功。另一方面， 在膨脹之前，氣體溫度可儘可能高。可使用來自發電廠廢氣中之 廢熱加熱冷卻劑。更有效的方法是，可使用周圍空氣將冷卻劑加 熱至約專於環境溫度，然後可使用該廢熱進一步加熱工作流體， 以提咼整個系統之能量效率。因為冷卻劑與周圍溫度之間的溫差 200813320 很大▲所以先磁$為是較差崎源的廢熱可闕能量源來加熱 冷卻劑。 藉由使用廢熱’該冷卻能量儲存系統可用哭。 5為ίΐΞϊ=ίΐ'ΪΓΐί/獨蓄能設備運轉’其使用 量if可減i錢餘該冷卻能 曰作為工作流體之冷卻劑中所包含的‘‘冷”能量域高級之冷卻 能量，至少-部分再循環。在—較佳具體實施财，包含在該工 作机體中之~月匕里透過熱乂換器被拮員取，以冷卻該氣態輸入（在 壓顧、風駐鼓風機之前及/或之後）。該冷能量可從來自該系統 之廢氣中擷取。假定該冷卻劑在膨脹之前被等壓加熱至周圍溫 度’該冷卻劑自大氣中所吸收之熱為：㈣十其中〜及私分別 為在周圍溫纽在雜溫度時找。考慮在的娜之低溫儲存 箱及周圍溫度為㈣)〇κ之高溫儲存箱之間進行的卡諾循環，所 做功的總量為：。因此，功的總量與溫度差成正比例。 自上式运可看出’為獲得冷能量所f要之功Q等於該冷能量之數 倍，因此，應有效利用冷能量。

士 ^據具體應用，輸人空氣可在通過加交換器之前、之後或同 日代堡縮。因此，該壓賴可放置於該熱交換器之前、執H ίί，ΐ至放置於熱交換器之内。若冷空氣用於空氣調節或冷卻 他ii，較ί由位於熱交換器之前的鼓風機(低 較，放置於熱交換器之後。若液化設備距離該冷卻能量儲存1統 軏遠，則壓縮機可附接至冷卻能量儲存系統之一單獨壓縮機'。、或 12 200813320 ，若冷aPfe星儲存系統鄰近液化設備，則可設之 壓縮機。 你也右冷冷部則用於冷卻該液態輸入，系呈冷卻之氣態輸入隨後可 為冷=饋送至冷卻劑設備’或者在冷卻能量儲存系統中被液化 田从或者作為替代，該冷能量可^提供被冷卻之空氣， 用或空氣調節目的。舉例而言，在—船用動力系統中，該 畜if可祕驅動—渦輪機以驅動—猶槳，也祕提供經冷 郃之工虱，以進行空氣調節及/或用於製冷目的。 =替代或者補充，來自系統之廢熱可用於向周遭環境提供 於，1列如，在船隻中提俣加熱及/或熱水。 膨眼月^同，^利用“冷”能量及“廢”熱。藉由自所儲存冷卻劑之 能量’且在系統工作於發電模式之同時，使用冷 ㈣’系統整體之效率得以提高。在此系統中， 责二二3樣有用。此外，冷卻能量儲存系統使用周圍空 ^來自、能量，^冷卻劑加熱至接近於關溫度，然後 熱。此夕卜，環境中所排放廢氣流中的廢熱進一步加 丨；^ ;堅縮氣態輸入所釋放之熱亦可被回收且用於加熱 “ 。應用於該冷卻劑之熱導致其膨脹，此將驅動該冷卻劑。 於a;务生熱損耗及水壓下降，所以可在（例如）一進口 使用（例如）-鼓風機或—壓縮機，於—或多個熱交換器之前或 之後提高職態輸人之壓力。壓縮過程可輕熱鱗溫的。假定 工乳為理想狀態，等溫過程所需要之功為灯Μ(兒） 絕熱過程’ ％為％十/^ 1，針…分別為比 熱比（對於空氣為1.4)、壓縮機或鼓風機内之出σ壓力與入口壓 力。因此，所需要之功隨著出口壓力Λ之提高而增加。因此义 而對於 13 200813320 應保持儘可能低，以節約壓縮功。 來自壓縮機之廢熱可用於向周遭環境供敎 如一船隻中提供加熱及/或熱水。 兄仏熱例如，用於在例 在一較佳具體實施例中，該冷卻劑設借 能系統。或者，冷卻劑生產廒可能與蓄 :;^配備該蓄 個設備之間傳輪冷卻劑。 系、、、充相足巨錢，可在兩 環之後’可能需要少量冷卻劑以注滿該系统。 有可dli能源用於為系統提供動力時，系統為環保型的， =喊由自氣態輸人中分離環境破壞氣體（例如^ Γί物（通常由燃燒石油燃料產生），從而逆轉環境污ϊ。 ;=氣體成分(例雜===; 能量冷卻能量儲存⑽可用於齡由大多數現有發電廠所產生之 -推ΐίΐ能量儲存系統經組態為冷卻推進系統，該系統可用於 会fit置，而錢用於靜態能量儲存或產生系統中。冷卻推進 驅動二船隻發動機中。冷卻能量儲存系統可經組態以 2;ίί 發電機，以便動力系統可用於為-船隻提供推 此外’冷雜H統可進—步經組態以提供熱，帛於加埶一 =又及/或其内部物品。冷卻推進系統還可進—步經組態以提供 I用於在船上提供製冷，或用於船隻上之空氣調節。 【實施方式】 ，圖1中7F出本發明之一蓄能系統的概念設計。整個系統示 2亚線框100中。系統100由兩個主要部分組成：空氣液化部分 200、冷卻能量儲存單元（CES) 3⑻。 在離峰時間，多餘電能被饋送至空氣液化設備200，以產生液 14 200813320 ，空氣，然後其在峰值時間由冷卻能量儲存單元3㈤用於產生電 能。 發電廠400與整個蓄能系統1〇〇只是必 需對發，進行修改，從而確保最大靈活性。二=自^; 乳的任何可用廢熱410可被冷卻能量儲存單元3〇〇用於加 熱工作流體。 产在蓄能系統100中，存在兩個主要空氣流。一空氣流u 空i饋液化設備200，進行液化，且作為液態空氣儲存在 :冷评渐射。辨值時間，職態空氣被加壓、加孰，秋後 單元300中膨服，以產生電能。另一空氣流120 =^^之=\空氣u輸入空氣i20被饋送至該冷卻能量儲存 早70 300 ’為:L作越线之職提供熱，自該 取“冷”能量。該經冷卻之輸入空氣130可作為饋料引 備2(\或者在該冷卻能量儲存單幻⑻中被節流，以產生 =空氣二降低需要自該空氣液化設備提供之冷卻紐量。 ^ ’ ^要4，該空氣液化設備可產生其他產品2ι

氧、二氧化碳、氬等。 u A 該冷卻空氣液化系統200是一成熟技 ==用，2示出-典型空氣液化設=圖， ίί ^ ^3主要單元組成：空氣壓縮單元220、空氣預處 理早7L 230、玉虱冷卻單元（未示出）、冷卻單元 f流單元（未示出）（僅當需要將空氣分離林·品時才需要^ f Iff預處理單元23G位於該空氣壓縮機挪及ΣΪΪ =後去除諸如水、二氧化敍烴等污雜。後使用孰 ΪΪ 2士4〇 Ξίΐ純化之空氣進—步冷卻至冷卻溫度，且進行i顧: 如）氧、氮錢。必Ϊ日^f體或液體產品形式生成（例 、、/礼―乳A鼠义要日守（例如，為生產空氣產品） ft空氣„等產品進行加熱’以保持製冷，藉由膨脹少部八』 加壓之空氣來彌補任何不足。 口ί5刀被 200813320 根據本發明之一冷卻能量儲存單元300示於圖3中。詨;人〆 能量儲存單元300包括八個主要組件··壓縮機31〇、渴輪機 發電機330、第一熱交換器340、第二熱交換器35〇、節^ 冷卻劑貯槽370及泵380。 來自一冷卻設備之液態空氣250被引入該冷卻劑貯槽37〇( 3中之狀態5)，由泵380加壓至一特定壓力（狀態7)。細加壓之 ^態空氣在第二熱交換器350中被加熱（狀態8)，然後在第一熱 父換為340中升溫至過熱（狀態9)。作為一工作流體之液態空氣 隨後膨脹，以驅動渦輪機320及發電機330。渦輪機32〇可有 連續熱源之多級燃氣渦輪機，以獲得近似等溫膨脹。在膨脹&由 發電機330提供動力之後，對於工作流體有三種選項（狀態1〇) ·· 1) 直接通風至大氣及/或用於冷卻或製冷， 一 2) 作為饋料饋送至空氣液化設備200， 3) 被引入發電廠400。 採用選項3有三種可能益處：若可用，自渦輪機之廢氣中回 收較低級熱；向渦輪機之燃燒室内注入，以減少氮氧化物；由於 補充注入空氣可用作稀釋劑，從而可使燃料更好地燃燒，而不會 超出渦輪機之入口溫度限制。此等益處可能极微小，但若有效利 用，可提高整體效率。 ，輸入空氣流120中，來自環境的空氣（狀態〇)受壓縮機 310壓縮（狀態1)’且引入第一熱交換器340 (狀態2)，用於加 熱該工作流體。該壓縮機可為一多級壓縮機，以接近一絕熱壓縮。 在此過程期間，亦可清除輸入空氣中之一些有害成分，例如水（其 由於孔飿而對渦輪機不利）、二氧化碳、氮氧化物及烴。 經淨化之輸入空氣隨後透過該第二熱交換器350 (狀態3)， 以自該工作流體中擷取更多“冷能量”。 經冷卻之輸入空氣於是作為饋料饋送至該空氣液化設備 2〇〇 ’或者饋送至該節流閥36〇，以轉換為液態空氣（狀態4)，注 滿該冷卻劑貯槽370。經節流之後的少量空氣為氣態，但仍然處於 16 200813320 低溫狀態（狀態6)。藉由將該氣體引_ 收此部分冷能量。此部分空氣可能富"，:"，、父換器350，回 (例燃，輪機或燃煤氣化涡輪機二氧斤^'被進一步用作 第熱又換為340可為-積體熱交換器 交換過程，即輸入空氣與工作流體之間，以 仃兩平行熱 (較)、高溫氣體流之間的熱交換。第—熱交乍 經以成兩分軸錢H，每―熱交姑 ，、可 圖4示出根據本發明之一冷卻推進系統（cpm; 統有動力之螺旋槳類型’可同時提供冷、敎心 力及乾。根據本發明之冷卻推進线衫個 ^ 屬機训一發電機5i5、一壓縮機^成四= 5555。、530、535、540、一節流閥 545、—冷卻劑貯槽 550 冷卻推進系統500之工作過程包括： 1) 來自一冷卻劑設備或儲存倉庫之液態空氣被饋送至 貯槽550。 2) 在被加屢、加熱及過熱之後，該工作流體膨脹，以驅動螺 旋槳505及/或發電機515，以提供推進力及/或電。 μ 3) 同時，來自大氣之空氣流（輸入空氣1)受壓縮且引入該等 熱交換器525、530、535、540。輸入空氣1中所包含之壓縮熱可 藉由該熱交換器525擷取，以便為船隻提供熱水/熱空氣。於是， 該輸入空氣1流過該等熱交換器530、535、540時自該工作流體 擷取冷。最後，輸入空氣1被節流，以產生液態空氣且儲存在該 冷卻劑貯槽550中。 4) 處於周圍溫度之輸入空氣2及水被引入該熱交換器525，以 操取輸入空氣1中所包含之壓縮熱’以產生熱空氣/熱水，如上所 述。 引入周圍條件下之輸入空氣3/4，以藉由熱交換器530及535 擷取冷能量，來提供冷空氣用於空氣調節（12〜18叱，來自熱交換 17 200813320 奈530)及製冷（_24〜_18〇c，來自熱交換器。 熱力循環分析—《冷卻能量儲存系統 循产根氣壓力考慮® 3巾冷卻能量齡线之四個旅型 ，、·，為周圍條件，—個為低壓，—個為高壓 1韋液ί空，被視為單相液體，氣體空氣被視為理想氣ϋ用 320' ^ 380 360 κ由於在管道、關及彎管内流 ;ΐ。周圍溫度及壓力分料及尸。表示;液態空氣3 ;、: ;j 及彿騰溫度分 &及&麵。 ^ 力情況二二理想執力插-公杆 及力循齡棚5巾。該料節轉触之功、熱 1)過程5_7，工作流體之加壓過程：來自該冷卻劑貯槽之工 作流體（液態空氣）在絕熱情況下自周圍壓力心被加壓至。。自 流體力學之角度，比功（每單位液態空氣之功）可表示 w”:vl^L·^!。根據熱力第一定律，該功亦可由狀態7與 狀態5之間的焓差表示：γ_7=/ζ7—~。 2) 過程7-8 ,等壓加熱該工作流體：該工作流體被輸入空氣 ^ Ts加熱到周圍溫度Τ〇。在此過程中所做之比功為零：％8=〇。 ^工作流體自輸入空氣中吸收的比熱為：/因此7,8該過 程的可用能損失為：心7_8=Γ〇(\- A)-Μ。 3) 過程8-0 ’工作流體的等溫膨脹：高壓工作流體在渦輪機 中在周圍溫度Τ〇下膨脹，其驅動發電機發電。此一過程中渦輪機 所做的理想比功（specific ideal work)為：。 在該工作流體膨脹期間自大氣中吸收的比熱為：^)。 4) 過程0_6，輸入空氣自工作流體中擷取冷能量··該輸入空 18 200813320 氣用於在等壓狀#4下自該《X作流體擷取冷能量。在理論上，此— 過程無需功·· ％_6=0。該輸入空氣自該工作流體中吸收的比冷為·· a—6 ” °該輸入空氣在此過程中所獲得的可用能為：

ExQ_6 =TQ(SQ-S6)-(hQ-h6)。 5)過程6_5，輸入空氣之凝結：該輸入空氣被該工作流體所 釋放之冷可用能凝結，其所需要之功為零u。該輸入空氣自 工作流體中吸收的比冷能量為：匕―—〜“，其中λ為蒸發之潛 熱。輸入空氣所獲得的相應可用能為：香Μ。假 定該工作流體的質量流量為卜該輸人空㈣質量流量為X，因此， 熱均衡、、口出如下·仏⑹，其中&今;^ι十a。及 匕54十將此等表達式代入上式，得：μ冰，。若既定。 則可確定，X可表示為“㈣。根據熱力學第二 U% - h5) 在未輸入能量時，系統的可用能只能降低，即：w收6+〜）、 Εχί_% (£χ〇_6+£χ6_5) 口此，單一循環所消耗之液態空氣為(1 —χ)，該循 環的比淨輸出功應為π = J 丨 \ υ ri%J Vl7 rLs) ^ 卻能量儲存i ^ 早儿的能量密度可表示為 一'一Ί。假定在空氣液化設備内生產液 似〜。一町7=r〇S。--Λ5)，該冷 欠Π 絡 番蚀七 Ε〇 l-x 態空氣之能量消耗為Ec，整個儲存系統之能量效率（空氣液化+ 冷卻能量儲存單元）Ee可由下輔：^|。考劇泵之效率 价及屑輪機之效率⑺，該淨功u變為： 19 200813320 ητΚ ηΡ 。該冷卻能量儲存單 l-x 元之能量密度ed變為：& ητ [T(S0 - 58) - (h0 -h,)]~ itlAl ^____Up (1-X) Εε

變為：A

Ec 。但是，該工作流體與該輸入空氣之間的溫度差不 可避免。其將會降低溫度R且提高溫度Γ〆因此，該等理想熱力 循環過度預測（overpredict)該系統之整體效率。下文參考圖6對 些進行考慮。 情況一熱力循環分拚 =6巾’由於與觸溫度存在溫度差，該卫作流體僅能被 而該輸，氣僅能被冷卻到。由於&高於心（沸 5、=、、,’該輸入空氣需要在該空氣液化設備被液化，然後在狀綠 齡纽，6穌频目社功 一 1)過程5-7 ’工作流體之加壓過程：圖6中之此過程與圖5 ^斤不之韻程相同。來自該冷卻請槽之液態空氣被該泵由周圍 0加壓到户2。對該液體空氣所做之比功為： L =⑽’其等於狀態7與狀態5之給差。 ts/上=7:二’ r等壓作流體：-作流體*輸入空氣由 做之比不是關溫度W，）。在此過程中所 力為d…卫作流體自輸人空氣中吸收的比广 。因此，該過程的可用能損失為厂、^ 中等^過^8’-0’ 流體的等溫膨脹：高壓“流體在渴輪機 中寺4观’其驅動發電機發電。此—過程帽輪機所做的= 20 200813320 比功（specific ideal work)為：％,_Q,=rQ,(5；。在工作流 體膨脹期間自大氣中吸收的比熱為：^_Q.二r。,(心-¾)。 4) 過程〇_6’，輸入空氣自工作流體中擷取冷能量：輸入空氣 用於在等壓狀態下自工作流體擷取冷能量。在此過程中所做之比 功為零，即：％_6,=〇。輸入空氣自工作流體中吸收的比冷為： 。因此，輸入空氣在此過程中所獲得的可用能為： 5) 過程6’-6_5，輸入空氣的冷卻與凝結：該輸入空氣在空氣 液化設備内被冷卻和凝結。假定該工作流體的質量流量為1，該輸 入空氣的質量流量為X，因此，該循環的熱均衡給出如下：

Qu 么 xQq—。，其中 Q’-k - 〜h、Q〇_6’ 二 h6’- hQ，變爲 hs, - h7 2 x(J2q — h6，）。 如果給出A以及Tg與TV、丁6與TV之間的溫度差，則可以確定 ，因此，χ可表示為：（/2〇-/26，）。根據熱力第二定律， x<^2zL· x= (V-^) 該可用能的關係是：A-8. <X£V6、 仏-6’。如果（化―，則以 X〈 Ex7_《 上關係式心^6’總是成立。這意味著1單元的工作流體汽化可以

χ —(〜.-M 預冷卻久—心）單元的輸入空氣。如果熱交換器之效率足夠高， 則X可以大於1。此實際循環中再循環的比冷為： ρ7—8’=χα—δ=χ㈨^6’）。如上所述，假定該空氣為—種理想氣體，液 態空氣中的冷能量是一種非常高級的能量，以上冷能量等價於由 下式給出的理想功： 〜.=χ隔-〜)”。因此，該循環的比 淨功 輸出給 出如下 . 21 200813320 能 ^8·-0' '^5-7 +^7-8-4 ）㈨-/V) - Α ) + x[rQ (s。-〜）—(/2 A )] • 。6)』，该冷部蓄能系統之 量 密 度 為 w F — net L D----- T0,(50, - 58.) - {K -Κ)- (h7 - /ζ5) + χ[Τ0 (S0 - 56!) - (hQ ^ h6,)]。因此，整 個蓄志糸統（空氣液化糸統+冷卻蓄能單元）之可用能效率Ε Ε = 由下式计异·心。考慮到泵之效率办及渦輪機之效率竹及空 氣分離之效率 ηΑ ，該淨功 net 應為 net ~~ 7r^8-0 ^5-7 ^0-6' VP [^〇· (SQ, - 58,) - (hQ> - \)] ~~~^— + χ[Γ0(50 -56,)-(/z〇 -/z6.)] Vp 密 。CES ED之能量 度 變 為 Ε〇^~^ητ[TQ，(50, -58,)-(/2〇. -\)]- ^7--^5) + χ[Γ。(\ -\，) — (K·)] 整個 Λ 蓄月b糸統之能量效率^:為· 仏。考慮進一步利用廢熱，如果 使用來自發電廠之廢熱將％過熱至6，如圖7所示，則該循環 比 m 出 將 為 w 邮卜％—1〇-％一7+%一8, ^(510 -59)-(/210 -h9)-(h7 -h5)-{-x[T0(S0 -S6，)-(h0 -h6,)] ，C£S 之能量穷产 £〇2=Ε^ = Γ9〇^-\) —(〜一/^―㈧-/g + xKO^—\)—㈧一心)] ^ 1 o 可得 ^D2 。 到整個蓄能系統（空氣液化系統+CES )之能量效率^ : A 如果⑽尤且忽略由於渦輪機、泵及熱交換器產生之能量損 22 200813320 耗，根據以上分析可以估+ m * 彳出單位質量之液態空氣的理想輪出功 :-沙r5_7 邊 =Γ0. (50, - 5g,) - (/ζ0, - /ζ8,) ^ 為：=743以/% E〇 ’CES的理想 :r〇，(S〇, 能量密度為：=180.8HF7z/ nr 'K)- (h7 ^h5)^ x[TQ (S0 - 56,) - (h0 - h6,)] 果五c=1440千焦/千克（〇斗 如 率為：玄= Μ·6% 〇如奉、 克）’則CES之理想能量致 電廠之廢熱將Γ9加 千瓦時/千克），則CES之理想能量效 4080千焦/千克（0.3千瓦時/千 Ε巳：一—=68.8% : Ec 。如果使用來自發 u/ Tjr %到400K，則比理想功為·· T9(S[〇 ^s9)-(hl0 ~h9)-(h7 -h5)^ 881AJ / kg ^0 (SQ -S6,)- (hQ - \)] TT, 。CES之理想能量 net! 17 — net! [D2 — —~：~ = r9(Sl0 -59)~(/2i〇 密度為：=214.3册Tz/W ㈠、(〜-〜）+职3(5。-〜）-(〜-<)]] 五cH 440千焦/千克（〇 4干 如果 為，十.2% 瓦時/千克），則CES之理想能量效率 如果芒 °^1080千焦/千克（0.3千瓦時/千克) 則CES之理想能量效率為： 注意，上文所使用之 月消耗（0.3及0.4千瓦/千克）係用於從空氣中分離氧。液態空 氣生產之實際能量需求約為本圖式之8〇%，因此，該理想能量效 23 200813320 率之估計是保㈣ϋ面，可能實際效率大約騎際工作循 %所能獲得大80%，所以以上估計效率應當接近於實際效率 由以上分析可得出結果，在消_定數量之冷 料 t回收此冷能量，所以冷卻能量儲存單元之 ^接^’ 自冷循環獲得之額外功等於薇: 及組件的能量損耗決定。該冷卻能量儲存單 =度差 桃機的效率…以及空氣液化 液悲工氣所消耗的能量Ec。泵的效率也是一個 貝里的 =功較小，所以不像π及&那樣重要。熱交換哭： 空氣的消耗，或者降低循環的效率= 犯糸f之能量效率及能量密度εε可與其他目前可用妒1 其他優點：自空驗― 於圖8中。此處，術纽 矣別工孔£力6況下之熱力循環示 壓力之下，域蒸^=3百糾之勤，在此 之過程組成： 、似為4度邊循裱由以下類似於上述過程 白周圍3 ^ ^空^的等溫加應··該輸入空氣被等溫麼縮， / /7。壓縮機對空氣所做之功為： 遺撼的是，很難。實現程之熱為my。 似於w的錢^對♦溫的加_程，實際過絲是-個類 2)過程 2-3’-3 , 縮後之輸入空氣用氣自工作流體中操取冷能量··該受壓 此過程中所做之昼狀態下自該工作流體擷取冷能量。在 之熱為·· 14、^令/心3=〇。該輸入空氣在過程2-3中所釋放 垓輸入空氣在過程3·3,中所釋放之熱為： £^3=7^仏-&)二。。因此，該過程中所獲得之可用能是： 24 200813320 办气(-6) ’經麼縮輸入空氣之節流：經壓縮之輸入 Γ=ρ自用於凝結。在此過程中所做之功為零： 作二許於H工氧中所釋*之熱為零：a-4=o。考慮一單位工 被、i離旦，之總量為x ’其中液化_為y，處於狀態5之 fxy，處於錢6之錢空《為X (㈠）。過程 3+5 (-6)之熱均衡為：卜為+(1_爲。 4) 過程5-7 ’工作空氣之加壓過程：圖8中之過程5-7與圖5 中之過权相同#中來自冷卻劑貯槽之液態空氣由周圍壓力心加 壓至A。液態空氣所做之比功為：。以上功

Pi 亦可由狀悲7與狀態5之間的焓差表示：I，。 5) 過程7-7 ,對工作流體進行等壓加熱，以凝結輸入空氣： 工作，體被加熱，以在乃凝結該輸入空氣。在此過程中所做之比 功為零：％_7，=0。自該輸入空氣中吸收的比熱為：仏7 =/z7 —^。 6j)過程7’-8，該工作流體用以冷卻輸入空氣之等溫熱：由輸 入空氣將工作流體自2y加熱至L。在此過程中所做之比功為零·· Η 疋 7-8 %，_8=〇。自輸入空氣中吸收的比熱為：。該過程7-8中 釋放的可用能— 7) 過程8-9，工作流體的等壓過熱：該工作流體自&過熱至 6，其中未做功，即％_9=〇，而輸入空氣在此過程中所吸收的比熱 為：I = "9 Ά。 8) 過程9_10，工作流體的等溫膨脹：高壓工作流體在渦輪機 中等溫膨脹’其提供用於發電之功。在此過程中所做之理想比功 為· =以5\。- &9) — (/ziQ - /ζ9)。工作流體自周圍吸收的比熱為： 1。=^(心)-乂）。請注意，L高於周圍溫度，其需要來自發電廠之 廢熱的可用能，以確保一等溫膨脹。若空氣之膨脹為一絕熱過程， 25 200813320 則該理想比功ι為：心丁-^，此意味著未吸收熱， 即·· 。但是，預期實際功介於％⑼與之間。一個稱為 等溫性之因素γ經常用作一指數，其定義為實際功與等溫功之比： 。因此，實際功灰ae可表示為··匕(导）。

^9-10 A 9) 過程6-6,，自廢氣中擷取冷，以凝結輸入空氣：廢氣（經 節流之後輸入空氣的一部分）用於等壓凝結該輸入空氣。在此過 程中所做之比功為零：。自該輸入空氣中吸收的比熱為： 么-6, —/¾ Λ 3’-3、7-7’與6-6,之熱均衡於是給出如下： = 07-7’ + χ(ι - >〇ι26_6.、χ(% - %’）= (/ζ7, — /ζ7) + χ(1 -少)(/ζ6，- /ζ6)。 10) 過程6’_0，從廢氣擷取冷能量以冷卻該輸入空氣··該廢 氣被用於等壓冷卻該輸入空氣。在此過程中所做之比功為零： 。該輸入空氣從該廢氣中吸收的比冷為：。2_3,、 '8和6’-〇之熱均衡表示為：um(i_呢。、 办2-+ ->〇(〜-〜）。過程6-0中獲得之可用能是· 。根據該循環的熱和可用能均衡，可以使用 以下公式根據圖8中之T_s圖計算X和乂 ： h3 ^yh5 ^-(l-y)h6 &) = (/2τ-/27) + Χ(1->〇(Α，·Λ)。 啦-°由以上公式可知，輸入空氣之液 ，仏2-3 幺 £χ7_8 + χ(1 —少)£jc〇_6 化比y為：户么二Μ。因為仏7 λ (f\-h5) ·'、、（ 6—化）〉％〜M>o總是成立，因此 1>少>〇。類似的，X可表示為：χ = 一 因為 26 200813320 〜）>〇’[(/z3-/z3, _&)]>〇 總是成立，所以χ>〇。這意味著— 早位之工作純的紐可產生xy私之液態线，频環之消耗 為（1巧）。結果，該循環之淨比功輸出為：

Hi〇-fr5_7-x^2 ^ -[⑽⑴-&)-(/^n’该冷卻蓄能單元之能量密 度 可 以 表 示 為 。因此，整個蓄 月匕糸統（空乳液化系統+冷卻蓄能單元）之可用能效率e[可由下 JU_L ^ . E n 工σ π · A 。考慮泵的效率办、渦輪機的效率竹和壓縮機的 該 淨功 W滅 效 率 f I ν^ι β i\/M j -? /# - W Ti r — f_ 可以為 ηΡ ^cou ^ = 77r[T；(S1()-\) —(、^9)卜化，該冷部蓄能單元之能量 ηρ —W — $ 度 ϋ ED 變為：

E' P - --- Ec 發動機相比，對二:=:結:::與冷卻劑(液氣)提供動力之 Xy，但壓縮所3之工作流體，冷卻細料之消耗降低了 因為降低工作===pm)。如果❹出之功小於 由於以功則、⑽輪機之功輸出，所韻冷卻蓄能單元之比功 27 200813320 輸出及能量岔度主要取決於渦輪機之效率吖和空氣液化 能量。這類似於使用周圍壓力之情景。泵與壓縮機之效不曰 高冷卻蓄能單元之功輸出一能量密度的關鍵因素。預期這产 ^效率低於圖6之效率，這是因為料溫凝結過程之能量效率^ -冷部能量儲存單^高輸入空氣壓力情況 巧9，。此广術語“輸入空氣壓力，，是指該壓力高於3:8 /二不 回於此壓力％不存在等溫蒸發過程。此情況之過程如下·· 卜1入空^氣的等溫加壓··該輸入空氣被等溫壓縮， 沔因！刀J旨加至户7。壓縮機對空氣所做之功為： 亡—Μ—V2)。此等溫過程之熱&為：: 逍·》、疋，很難貫現絕對等溫加壓過程，實際過程將是〜7。 於A 過程2·3，輸入空氣自工作空氣中擷取冷能量：受壓缩之 等壓狀態下自該工作流體娜冷能量。在Si 中舰之功為零：t=G。輸人空氣在過程2·3中所釋放之熱為： %3)—二= 呈獲、得之可用能是: 空氣被：經壓縮之輸入 妒^ 用於减結。在此過程中所做之功為零： 壓力产、、兄中所釋放之熱為零：a-4=G。與低輸入空氣 X，被/假定輸入空氣總量為 熱均衡可表示為：…於是’3·4·5⑹的 。）過程5_7 ’ ji作流體之加壓過程：此過程與圖6所示之該 户2。對單位質量之液態空氣所做之功為:1,-p。) 如相同。將來自該冷卻劑貯槽之液態空氣由周圍壓力&加壓到 户，。娘1* Sθ …^

Pi 28 200813320 該功亦可由狀態7與狀態5之間的焓差表示：。 程7-8，工作流體中用於冷卻輸入空氣之等壓加熱··加 熱工作流體，以在A凝結輸入空氣，在此過程中所涉及之功為·· %_8=〇。自輪入空氣中吸收的比熱為··込-8巧-〜。因此，過程7_8 中釋放的可用能為·· \)。 ^ 6)過程8_9，工作流體之等壓過加熱：該工作流體被該輸入 空氣由L過加熱至K，其中所做功為零，即=〇。自該輸入空 氣中吸收的比熱為·· 08_9^9-%。 工 7) 過程9-10 ··工作流體的等熱膨脹：高壓工作流體在渦輪機 中等温膨脹，且提供功。此過程所做之理想比功為： ^9-l〇 ~ T9 (S[Q ~~S9)- (h{Q - h9 )，而在此過程中吸收的比熱為： 知。=巧(心-&)。與低壓情景類似，A高於一周圍環境；需要來自 該發電廠之廢熱使此過程保持等溫。如果該工作流體之膨脹為絕 熱的，則理想比功L為：。在此過程中吸收 的比熱為：α厂〇。根據以上分析之結果，實際功應介於]^^和 之間的範圍内。上文曾經提及，等溫性γ被用於描述非理想性： w °因此，實際功 I可被表示為： I 二 ^9-1。= ($10 — \ —(办1〇 ~ /29 )]。 8) 過程6-0，自廢氣擷取冷能量以冷卻該輸入空氣：廢氣用 於專壓冷部輸入空氣。在此過程中所做之比功為零：％_。=〇。自該 輸入空氣中吸收的比熱為··込_q=/2q—%。2_3、7-8及6-0之熱均衡 表示為· X22_3=L8+X(1—观Η、W \卜(〜―〜卜邓―y)(/z。—〜）。過程 29 200813320 6-0中獲得之可用能是··及。_6=7^_^6)—㈧―％)。根據過程&、 3-4-5-6、7-8、6-0之熱及可用能均衡，可根據空氣之T_s圖由以下 公式計算X及y : h, =yh5 +{\-y)h6 χ(/ζ2 -/ζ3) = (/ζ8 -；ζ7) + χ(1->〇(/?Q -；z6)。由以上公式可知 xEx2_3 < Ex7_s + χ(1 — y)ExQ_6 輸入空氣之液化比y為：。與低壓情況中之方法_似， 總成立，X可表示為：^。因為 (h 一 單位工作流體之蒸發可產生xy單位之液態空氣，而循環之淨比功 =[T9(Sl0 -S9)^(h{0 -h9)]^(h7 -λ5)-x(T0(SQ -s2))口f7月儲存 單元之能量密度為：m 此，整個蓄能系統（空氣液化系統+冷卻能量儲存單元）之可用能 效率Ee可由下式計算：心=&。考慮泵的效率;7?、渦輪機的效率

Ec π及壓縮機的效率；7C〇M，可得到以下淨功灰_ : 9-10

”COM 0-2

π[⑽l〇 D，。-Μ]- V ρ 1COM 以上可知，該冷卻能 量儲存單元之能量密度 Ed變為 ed=-^~ l- xy ___ ηρ ucom l-xy ，Ee變為： 30 200813320 i〇_ Εε 由以上分析可看出，與液態氮提供動力之發動機設計相 比，此循環之冷卻劑燃料之消耗為砂，但多消耗之功為·· 化）。但是，由於降低了液態燃料之消耗，所以 該比功輸出得以改進。__顺得之柯與輪機所產生 之功相比。因此，壓縮機的效率；成為確定該冷卻能量儲存單 元整體效率的_參數。此循環更適於透職魏系統之冷卻能 量儲存單元部分來產生液態空氣。 對於四種典型循環之上述熱力分析表明： 1) 與液態氮提供動力之發動機相比，該冷卻能量儲存單元之 能量效率及能量密度由於冷能量之再循環而得以改進。 2) 蓄能系統之整體性能由該渦輪機之效率、該空氣液化設備 之比功輸出及比能量消耗決定。 3) 熱父換為内之溫度差別將提高液態空氣消耗，從而降低了 該循環之效率。 4) 若使用來自該發電廠之廢熱，該冷卻能量儲 效率及密度將得以提高。 f ^ s 忒等結果還表明該冷卻能量儲存單元之效率可與其他能 統相比。此外，_統在必要日村廢減產生錢產品。’、 熱力循環分析-冷卻推進系統 圖10a示出根據本發明之一冷卻推進系統之熱力循環。丘 ，個空氣流，其由下列線指示：工作流體一、線580;輸入^ ~一—線585，輸入空氣2——線590 ;及輸入空氣3一線595。 在該等分析中，液態空氣被視為單相液體，氣相 〇 η 52： ίί；； =360中之能_耗。雜轉熱力分析，忽略由於在管道 門及考管内流_造成之摩擦及局部祕，亦不考慮由於儲存^ 200813320 造成之冷卻劑散逸。周圍溫度及壓力分別表示為巧及;液態空 氣的〉弗騰溫度表不為心。 1) 1-2 :工作流程之加壓過程：來自該冷卻劑貯槽之工作流 體（液態空氣）由周圍壓力户ο被加壓至A。對該液態空氣所做之 比功為：卜。以上功亦可由狀態2與狀態1之 間的给差表示：Α。 2) 2-2’ ：對該工作流體進行等壓加熱，以凝結輸入空氣t ·· 該工作流體被加熱，以在乃凝結該輸入空氣。在此過程中所做之 比功為零：％_2，=〇自該輸入空氣i中吸收的比熱為：込—。 3) 2 -3 ·等壓加熱該工作流體··工作流體由輸入空氣自& 加熱到乃。在此過程中所做之比功為零：心_3=()。自該輸入空氣 中吸收的比熱為· 。該過程2—3中釋放的可用能是： £χ2_3 = Γ〇 (S3 - &) - (/z3 — /ϊ2)。 4) 3_0 :工作流體的等溫膨脹··高壓工作流體在渦輪機中等 溫膨脹，其提供用於產生推力及發電之功。在此過程巾所做之理 想比功為· r3_Q=7；〇sQ-&) —a—w。在此過程中自周圍吸收的比熱 為· s3)。若工作流體之膨脹為一絕熱過程，則該理想比 功L為·· ^古柯聲)亨叫，此意味著未吸收熱，即u。 但是，預期實際功介於〜與^^之間。一個稱為等溫性之因素γ 經常用作-指數，其定義為實際功與等溫功之比：pi。因此， ^3-0 實際功可表示為：π 7 ac ^3-0=/(7^0-53) — (A—h)]。 5) 〇_4 ·輸入空氣！的多變加壓··該輸入空氣丨被多變壓縮， 32 200813320 自周圍壓力A增加至Λ。壓縮機對空氣所做之功為. P 0^0 灯。[(ί广—1] ’其中η為多變係數。此多變過程之熱2^ 為：〇3_4%(7；-7；)，其中C；為多變熱比：。^可由下式 n-\

6) 4-5 ··自輸入空氣1向輸入空氣2等壓釋放熱：該允 氣1之熱被釋放到該輸入空氣2或水，產生熱空氣或熱^二在= 過程中所做之功為零· = 〇。該輸入空氣1在過程斗_5中所釋放 之熱為· β4_5=ϋ。 7) 5_6_7 ·由工作流體冷卻輸入空氣1 ··由工作流體等壓冷 經壓縮之輸入空氣1，同時擷取工作流體中之冷能量。在此過 所做之功為令·）^_7 =〇。輸入空氣1在過程5-6中所釋放之^為· 〜化。該輸入空氣在過程6_7中所釋放之熱、為'、、：· ^7ϋ=7；(\-》)=λ。因此，該過程中所獲得之可用能'為： Ε、一6一ί - Tq{S5 -S7) - (Jh5 - h7) ° 、 8) 7-8-9 (-1):經壓縮輸入空氣i之節流：經壓縮之輸入六 氣1被節流至周圍壓力以便凝結。在此過程中所做之功為究二 r7_s=〇 °自，輸入空氣中所釋放之熱為零：匕8=〇。 … 、*夕絲)二廢氣中擷取冷能’以凝結輸人空氣：廢氣（經節 輸乳1的—部分）驗等壓凝結輸人空氣。在此過程 之比功為零：％9,=0。自輸入空氣中吸收的比埶 。 … < :自廢氣中擷取冷，以凝結輸入空氣：廢氣（輸入空 ί么兩·邛刀）用於等壓冷卻該輸入空氣1。在此過程中所做之比 «.9-0 ： ° ιι)(Μ^ Γ用旎為·〜二7^。—59)^)。 π齑锢銘:·由輸入空氣3等壓擷取工作流體中之冷能量，用於 ^ ^ •工作流體之冷能量由該輸入空氣3擷取，用於產生供 33 200813320 過 用之冷空氣。在此過程中 細〇中來自工作流體之冷力為♦ u 12) 0.1Π J 仏丨〇。 於製冷··於Λ J:輸人空氣4自該工作流體等壓娜冷能量，用 所之功^工I 4自卫作流體娜冷，用於製冷。在此過程中 0 & /、、令· ％-ιι=0。過程〇_π中來自工作流體之冷能量為·· 兮輪·輸a空氣2/水自該輸人空氣1等壓擷取熱能量：

^過裎之熱被輸人空氣^水擷取，用於氣/水。在 1km之功為零：％-12=0。輸入空氣I在過程(M2中所釋

Mfif，—單位之玉作流體’輸人空氣1之總量為々，輸入 =二枚之名ΐ為心，，輸入空氣3/4之總量為A+x厂々單位用於空 A單位用於製冷。在一單位之工作流體中，屮單位用於 輸入工氣1，A+aj用於冷卻輸入空氣3/4，其中❼用於A，屮用 於々。根據熱力學第一、第二定律，可得到以下熱及可用能均衡： 1)過程7-8-9 (_1)中之熱均衡：假定，對於〜單位之工作 流體，輸入空氣1之y部分被液化，處於狀態1之液態空氣量為 心少，處於狀態9之氣態空氣量將為：々〇寸）。過程7_8-9 (_υ 之熱均衡為：為+(1->^9。由以上公式可知，輸入空氣之液化比 y為：。因為⑻一化)〉^〜）〉0總是成立，因此。 2)過程6-7、2_2,及9-9,中之熱均衡：6-7、2-2,及9_9,之熱均 衡了表示如下·=祕_21+力(1->〇q9_9.、 M== WW + Mi->〇(/ν-Λ)。々可表示為： ^ιί^ιιζΑΐ____ 34 200813320 3) 過程5_6、2\3及9，_〇中之熱均衡：5·6、2，-3及9，-〇之熱 均衡可表示為：礼^⑻舞。、 X! (/25 - /2 W/Z3 — \ + '(1、攻κ ” 4) 過程4-5及〇、12中之熱均衡：過程及〇42中之熱均 衡可表不為· Χ2(/ΖηΉ(/25-/〇 %可表示為： 5)過程0-10及2、3中之熱均衡··過程〇]〇及>3中之熱均 7ι〇) = α2(/ζ3-/ζ2) 可表示為：χ3 = 衡可表示為： (Κ 6 )過程❶-11及Μ中之熱均衡：過程〇] i及2_3中之熱均衡 可表示為：⑺可表示為、 7) 過程5-7、13及9_〇中之可用能均衡：5 7、2-3及9-0之 可用能均衡可主—& t ΛΡχ (To (义5 -《7 ) - (六5 -办7 )] ㈣。仏-52)令咖卿。,，。，】。 8) 過程2-3<質量守怪： al-ha2+a3 = \ 魅及能量錢处^ 以下刀析使用功（電）之效率，其定義為：，其中 input ‘及‘分別為由輪入及輸出能量轉換之總功。為了計算熱 能量及冷能量之等價功，在熱至功之守恒中使用了兩個性能係數 (COP) ’製冷性能係數（ε)及熱泵性能係數（ 成 ^ 、、、口果，該德 a3(h3 -hi) (h0 - 環 淨 功 輸 出 為 35 200813320 output ^3-0 -xxW0_4 ^jx2Qq_u +-x3〇〇.1〇 +i.X4 53)ϋ)]-(/22 —/2 ) — X __ZL·灯在# , t 丨” —1 、]另—方面，輸入 ^~ΖΧΐ(^\2 ~Κ) + ~Χ2>(Κ ~^ι〇)Η--Χ4 (^〇 ~ -) ^ ει ε2 空氣1所產生之液態空氣為χ沙。因此，工作流體 〆月耗為（1_Χ/少）。 冷卻推進系統之能量密度可表示為：。五 °人已知，液態 空氣之最大比功％為：q A η _ 。(° 1)-( °—M。該冷卻推進系統之

能量效率EE於是可由下式計算：匕 ‘I (l-xj)% ’也果的效率办、 應為 渦輪機的效率衍及壓縮機的效率阶⑽,，該淨功

Ml η) + ^χ2(Λ12 —/ζ0) + +Χ3(/ζ。-〜)+丄 ，冷卻推進系

x4(/z〇 U

W ：___ouput ^-xxy)WR 統之能量密度ed變為：£〇=^，Ee變為：£ 根，以上分析，可得出結論： 1) 取大比功wR給出冷卻推進系統之能 周圍溫度TV=300K，該值約為743千焦/千克。⑷又、限。若使用 2) 若不存在冷能量再循環，該理相 牝。實際值妒—&仏比功輸出將為 限。若使用周圍溫度二允=冷部推進系統之下 巴，假定渦輪機效率及;^_工氣之工作壓力為200 焦/千克。 率均為〇·78，該比功輸出約為326千 若輸入空氣1之壓力超出約38巴，將不存在圖恤中之等溫 36 200813320 凝結過程。此情況之T_s圖 l〇a t之情況。 '、；圖伽中。該熱力分析類似於圖 參數分析-冷卻能量儲存單 已經在F〇rtran90環境下編官兀一 對冷卻能量齡系紐能之影♦。了程式碼，以顺各種參數 ㈣大於周圍動、低於3.8 y ^程〒是為熱力循環之丄作 種情況是最複雜的情況。程式 日:（芩見圖8)而編寫的，此 圖9)及周圍條件（見圖5至 伋谷易地用於高壓情況（參見 •工作流體的壓力（P2)，。已經考慮的六個參數包括·· •輸入空氣的壓力（Pl)， •渦輪機的效率（π)， •壓縮機的效率， •泵的效率（办）， •工虱;夜化设備的效率（〜）。 已經分析了該等六個參數對 有關之效率的影響。已經考慮了該等;；^里齡以之效能 •無過加熱之理想循環的效率（4)， 有過加熱之理想循環的效率)， 無過加熱時實際循環的效率（£^)， 有過加熱時實際循環的效率= f作流趙的愿六f τρτ彡， Ρ 至量蹄單元她1之熱賴_四觀转於圖u 壓，下同輸人空氣壓力⑹及九種不同工作流體 ΪΪΙ 萬帕、〇.4百萬帕、U百萬帕、2.〇百萬帕、40 帖萬，2G百萬帕、3G百萬帕、4G百萬帕及5〇百萬 。周圍溫又假定為7^3〇〇κ，過熱溫度取為，渴輪 f縮?1及f之效率假定為G·88 (竹⑽^巧·88)。在此階段不考 慮熱父換為之溫度差。下文對此進行討論。 在P尸0·1百萬帕（圖u)，其表示在周圍壓力之熱力循環（圖 37 200813320 二i圖有:個效率均隨著工佩體之壓力(…井、 高於該屋力後，該等_變萬力=此-升高才明顯， 效率幾乎為常數。所發現之最大效20百^之勤下，該等 ^=0.640、£>〇.459 及心广〇 5的。刀別為：¥0.507、 在低=力 (請參見圖11) j/S3/ °果類似於在周圍壓力下之情況 直百個效率都隨著^之增大而急速增大’ 對比圖11與圖uiy，、15。”率之進—步增大幅度將极小。 在_ “帕=在㈣2-2.0百萬帕之效率低於 環（圖9;)，16至圖18)’其表示高壓時之熱力循 Uf) 4: 壓縮之消耗’未過熱之實際循環的效率 9；< ；百萬帕之效率。過熱之實際循環的效率 氣可:熱之熱被視為廢熱’大部分液態空 擇為ϋ!可得出結論，^應高於1〇百萬帕。但是，巧之選 °目前’在空氣分離及液化設備中，將空 萬Λ很常見，不存在任何工程難度。根據該分析， ，二二二此，儲存單70採用尸尸20百萬帕，因為高於20百萬帕之 $。胃口之效率极有限。因此，以下分析均以戶尸20百萬帕為基 、在圖19及圖20中分別示出冷卻能量儲存單元在未過熱及已 過熱日t之^實際效率，其為在既定工作流體壓力（户尸20百萬帕）下 輸入空軋壓力（Λ)之函數。渦輪機、壓縮機及泵之效率 ^产办^；⑽二〇·8〇、〇·84、〇·88)已經被考慮在内。自此等圖中 可看出’在有過熱與無過熱情況下，實際效率隨著此三個組件（渦 輪機壓縮機與泵）之效率的提高而提高。無過熱時，最大效率 38 200813320 毛生於周圍壓力⑺=()·1百萬帕）時，該效率（£，）p =力ίίΤ急.低。蝴時，财^=== 間的另-次增大幾乎未改變該效率。但是，^再 於產生大部分液態空氣，導致效率有較^高、:’ L在^效率曲線中有兩個雜，其取值取決於三舰件（: iu?機及f)之效率。當該等組件之效率為_時，冷卻 存早70之取佳效率發生於Λ=4百萬帕。當該等組件之效率 ，0.80及〇·84時，最佳冷卻能量儲存單元效率發生於戶尸〇1百萬 、因此，若該冷卻能量儲存系統未使用廢熱，則户尸〇1百 y被選擇為輸入空氣之工作壓力，由於該效率為最高，且無需壓 縮機，從而降低了資本投入及維護成本。作為此一分析之， 可在尸尸0.1百萬帕及P尸4.0百萬帕兩個壓力條件下執行=下分 析0 涡輪機的效率（ι/ΐ) 如上所述，考慮兩組條件，即（尸尸0·1百萬帕，户尸2〇百萬帕） 及（/ν=4·0百萬帕，Ρ尸20百萬帕）。壓縮機與泵之效率取為〇·88 ()。周圍溫度假定為Γ0=3Ο〇Κ，過熱溫度為 7>400Κ。熱交換器中之溫度差未予以考慮。對於七種渦輪機效^ 〇·68、0.72、0.76、0.80、0.88、0.92、0.96 及 1·〇〇 執行模擬，其分 別不於圖21及圖22中’分別疋然熱再循壤及有熱再循環之情況。 在兩種情況下，冷卻能量儲存單元之效率均隨著渦輪機之效率的 提高而單調提高。但是，冷卻能量儲存單元之效率的相關性為巧、 渴輪機效率及廢熱利用之函數。在户尸〇·1百萬帕及無熱再循環條 件下，渦輪機效率增大1%導致冷卻能量儲存單元效率增又 0.318%，在Ρ尸〇·1百萬帕及有熱再循環條件下，導致其增大 0.690%，在百萬帕及無熱再循環條件下，導致其增大 39 200813320 在化4.Q百萬帕及有熱再循環條件下，導致其增大 環效率對协m在厂百萬帕下之速度，其表明，循 ^4·0 Λ=〇. 1 ί 5 Λ=αΐ =無廢__時，應输能嶋單嫩 效率機效率—_時’冷卻能量儲存單元 但當渴輪機效率低於約'〇.8^：=旱=；^|帕，件下之效率， 最佳化。 曰仵幻相反、、、。果。因此，需要進行 24 4^^機效率對冷卻能量儲存單元效率之影響示出圖M ;sfsi ♦〇·68 冷卻能考慮。 帕條件下恆定，對於户=〇 土在_ / 0.1百萬帕與户2=20百萬 百萬帕及户尸％百、丄文百萬帕’然需壓縮輪入空氣。在户尸4.0 縮機效率之升高而單巧二"^冷^7能量儲存單元之效率隨著屢 帕侧機效率提高冷對於^4.0百萬 而在有熱再循環時，對於p 子早^效率提兩ojim， 冷卻能量儲存單元效率提古7 Ω萬帕，麼縮機效率提高1%導致 _機效率胁冷卻能量二存對於Λ=4·〇百萬帕’ 自㈣中物，输單元之 40 200813320 效率在户尸〇. 1百萬帕條件下、土含 率。若有廢熱可用，則圖24户尸4·0百萬帕條件下之效 量儲存單元之效率在壓縮機效率高於0.1冷卻能 件下之效率，若堡縮機效率^帕f件下低於在户尸4.0百萬帕條 紐歧核於G.78，_壓縮機效率高於0.78。 及㈣⑽0.^8條件^萬種2^=白、Γ_κ、 〇- - 0,2 - 0,6 Α ,〇〇 慮。該等結果示於圖25及圖26中度未予以考 循環，自巾可看*，冷卻能針無熱顧環及有熱再 之提高而單雛高。蚁，接Ϊ存蚊效率均隨著泵效率 Λ=0·1百萬帕产7下，安回!故敬小’在無熱再循環時，在 效率提高0.025:/:，在有冷卻能量儲存單元循環 揚ΐ二二再循環時，在斤4.0百萬帕情況下，鮮 广在有熱再循環時’在λ=4·。百萬帕情況下，使其提 供一ίίΓ，由於由泵消耗之剌比渦輪機及壓縮機所消耗之功 ，-们，所以冷城量儲存單元效率對泵效率之依賴程度較 低0 皇氣分離設備的效率 圖f及圖28 *出冷卻能量儲存單元之效率，其為每生成一 千克液恶空氣所消耗能置之函數。考慮了六種位準之能量消 0.400、0.375、0.350、0.325、〇·300 及 〇 275 千瓦小時/千克，其分 別對應於空氣分離没備之以下效率：〜=〇 516、〇 559、〇 6〇2、〇 645、 ο·6!8^0·73卜此等能量消耗位準之合理性在於液態空氣生產之 目箣犯里消耗為約0.4千瓦小時/千克，到2〇1〇年至2020年，其 有望降低到約0.28-0.3千瓦小時/千克。其他條件為ρ7=〇1或屯〇 百萬帕、/尸20 百萬帕、3>30〇Κ、7>400Κ 及;二;^=0.88。 該等結果表明，冷卻能量儲存單元之效率隨著冷卻劑生產所 41 200813320 ^耗能f之降低而單調提高。在無熱再魏時，. 空氣分配設備之效率每提高1%，料致量單 裱之效率提高約0.972%，在有埶循璟蚌，ρ A，储存早兀循 致冷卻能_單元題’===，導 於Γ4.0百萬帕’導致冷卻能量儲存單捕‘效 =90/。’在有熱再循環時，對於Λ=4 ^ ς 存單元循環之效率提高h3⑽。 —致—P此里儲 - 、f缩器及泵之效率相比，空氣液化設備之效率是 装對於冷卻能量儲存單元之整體效率有顯著影響。 克，列ί恶所消耗之能_降低至約〇.28千瓦小時/千 ^㈣再魏情況下，冷卻能量 Ρ 至約0.67G ’而在有廢熱再循環時，提_= ρ Λ相應地，上述參數分析結果表明，對於盔廢埶再循你杜 於;尸帕給嫩性能該=果=; 於〇百萬帕及卜2〇.〇百萬帕可給出優 儲存單元之2gpg百萬帕之性能’其取決贿冷卻能量 之上經表明，職之效率⑹、壓縮機 存罩氣分離設備之效率（〜）是決定冷卻能量儲 參數，而泵效〜對於冷卻幽 • 量已經被合躲來自液態空氣的總可能能量令：a) iSim膨ϋ周圍壓力，及b)藉由預冷㈣氣輸入來 (ν〇Γ百某=刀/〇系統。對於—種簡單的理想化情況 功為約隹/千Γι百Λ帕、Τ=3〇〇Κ)’來自液態空氣的理想 /千克。千…、千克，其中包括a ) 450千焦/千克及b ) 290千焦 的。Sift服功、（450〒焦/千克），非等溫膨脹是不可避免 能量效率保持高等熱性。—習知渴輪機可獲得之 "達联佺釭件下之85%。可看出，對於所推薦之渦 42 200813320 輪機應用可實現類似之效率。但是，由於需要約2⑻巴之極高壓 力，所以可能需要考慮多級膨脹。由於渦輪機近似周圍操作溫度， 所以還需要考慮密封與潤滑問題。 、’ 亚又 旦對於冷能量之再循環（290千焦/千克），可再循環之冷能量總 量取決於a)工作壓力模型，b)充電及放電模式，c)附加A能屬; 儲存系統之存在。 〆、對於工作壓力模型，已經確定了兩種最佳化情況：丨）輸入空 氣為0.1百萬帕，工作流體為20.0百萬帕，工作溫度為約3〇〇k( = /’j、、力π笔熱）’ 2 )輸入空氣為〇·ι百萬帕或4·〇百萬帕，工作流體為 20.0百萬帕，工作溫度為約4〇〇κ (有廢熱再循環）。以最:化情 況丄）為例（Pi二0·1百萬帕，Ρ2二20巨萬帕及τ=300Κ)，對於理 想壓縮（dS二0)，該液體在受壓縮至2〇百萬帕之後的溫度約為 84K，此是輸入空氣可達到的最低溫度。該液化過程需要去除約 230 ^焦/千克（可感知的熱）及在飽和溫度（例如，對於1巴下 的為78K)之另外約2〇〇千焦/千克（潛熱）。透過一熱交換器 可節省之惟一功是將溫度自周圍溫度下降至約84K所需要之部^ 功通常涉及液化設備之多級壓縮及節流）Q空氣液化之約50% 的，，（潛熱+-些可見熱〕不可自熱交換器中由冷能量擷取。若 假定行業速㈣〇·4千瓦小g奸克，财獅^綱所需要 電能為約0·2千瓦小時/千克空氣。 、 對於利，了廢熱之最佳化情況2)，當輸入空氣為〇1百萬帕 (Ρ卜〇·1百萬帕，、Ρ2,百萬帕及τ二400Κ)時，其分析與以上 相同，但當輸入空氣壓力為4百萬帕（Ρ卜4百萬巾白、Ρ2,百萬 巾=及Τ 400Κ)日$ ’其分析有所不同。由於該飽和溫度在4百萬帕 :了為約131Κ/所以輸人空氣可透過—熱交換器被直接冷卻至液 恶，，，味著在峰值期間製造液態空氣無需額外電能。但是 ，空^壓力變為4百萬叫需要額外之壓縮功。對於 需百萬焦/千克、約0.1千瓦小時電。溫度升 ”Ί 機效率為〇·9之絕熱壓縮，該溫度約升高62〇κ。 43 200813320 對於1.2及1.1之poly常數，該溫度分別升高283〖與u2K。壓 縮機需要額外之冷卻設備以實現近等溫壓縮。 再循環之冷能量總量也取決於在充電及放電期間之流動速 度。戎冷可用能應用（在能量釋放過程中）取決 入空氣之_卻（在可_存過程中）。自原=== f事同時發i °對於—典型可用能儲存系統，能量釋放過 運行時間，該典型液化較可在離峰時間滿載③^^:; 溫忿於2小時放電、16小時充電之模型，該穩 s=、’’ i:二值日销以5G%之負載率運行，則流量 -:？態空氣’僅約23〇千焦/千克空氣之可 但此3面臨i在i值時間提高液化負載， 先冷；該輸:;={量該= 收及熱釋放之速度直及動力學特性等來選擇。熱吸 該蓄能系統可採取固1妾床二=:對於相變材料。 效率可受儲存材料之特性、及其他形式。該儲存 間的熱傳遞係數等影響。 子μ度力、氣體與儲存材料之 對冷卻“7:二了，式碼，簡擬各種參數 力、低於38百萬祕程，是為工倾力高於周顯 ㈣力俩（茶見圖i0)而編寫的，其亦可用 44 200813320 於高壓情況（參見圖i〇b)。已經考慮的七個參數包括： •輸入空氣的壓力1 (Pi)， •周圍溫度（Γ0)， •渦輪機的效率（π)， •壓縮機的效率， •泵的效率（心）， •壓縮之多變係數（η)， •渦輪機中膨脹之非等溫性。 在该等模擬中，工作流體之壓力取為2〇〇巴，由冷卻推進系 統所提供熱空氣/水之溫度為328Κ (W)，由冷卻推進系統所提 供之用於空氣調節的冷空氣溫度為2跳（12。〇,由冷卻推進系 統，提供之用於食物製冷的冷空氣溫度為249κ (_24。〇，熱泵之 ^能絲ζ為3.G，用於空氣調節之冷卻空氣的性能係、數5 〇， 製冷之性能係數£2為3.0。 输入空氣的壓力1 在輸入空氣1之14種不同壓力下（P尸10巴、2 〇巴、3 〇巴、 4·〇 巴、6.0 巴、8.0 巴、1〇 巴、12 巴、14 巴、16 巴、18 巴、2〇 ^ 3〇巴、4G巴）’於圖291會出冷卻推進系統之理想及實際效率。 Ζίΐΐ為·Κ，壓縮機之多變係數取為u，考慮渴輪機、 4 山為 ί之二種效率（ητ=ηρ=η<:ΟΜ=0.88,0.84,0.80)。自圖 29 可 ^，推進系統之效率隨著其三個組件（渦輪機、壓縮機及 的提高而提高。該效率首先隨著輸人空氣之壓力的升 c 達—峰值後降低。當η_=1 (理想）、0.88、 時’發現其最大效率分縣：G.793、_、0.646、 的14。對於一理想情況’該冷卻推進系統之峰值效率發生於Ρ产 1之最健力（纽壓力下城輕）隨著經 降低’即對於〇.88為Ρι=8巴，對於0.84及_ 輪入空氣1之紐可產生大部分液態空氣，從而進-步提高 45 200813320 C之效率。但是，輸人空氣1之高壓也會消耗更多之 ’應選擇輸人空氣1之—最佳壓力，以獲得最佳冷 性能。由於對於三種實際效率0·88、_及0.80之最 ^力f翁不同，所以輸人空氣1之壓力可被選擇為8巴，以 下一5十异即以此壓力為基礎。在P尸8巴、p尸200巴、 =L=tM=〇.88時，冷卻推進系統之最大能量效率為67.7%，該 7〇"進糸統之比功輸出、比熱、比冷分別為：401.9千焦/千克、 342.8千辨克。可看出，由冷卻推⑽、統產生 因此，該冷卻推進系統极適用於製冷船隻。 月Jtont度C仏) 统之^^^在㈣巴及p2=2()〇巴時’周圍溫度對冷卻推進系 气#響’周圍溫度^ 2服、28GK、29GK、3狐及 290K 二H ΠηΡ=ηα：)Μ=：〇.88。當周圍溫度為 270K、280K 或 進系二，J二ί ?需考慮為空氣調節而冷卻空氣。顯然，冷卻推 270Κ升圍溫度之升高而單調升高。當周圍溫度由 ΐΓοΪΓί 科能量來進行空_節，所以在自贏 右ϋ率有一較大提高。因此可得出結論，該冷卻推進系 iiSST置(例如熱帶區域)可更好地運行。 響，f中取1^固m之效f對於該冷卻推進系統之整體效率的影 〇 92 ：0 〇! R^ ητίέ ? ' 0-72.0.76 ^ 0.80 > 0.88 > ㈣巴。冷卻推進^之1；:8:1^2 ’ T。:3· ’ Prf00巴及 高。渴輪機效率提高、升高近似線性升 此統效率；減一。因 46 200813320 在以下條件下執行模擬？/=8巴、户2=2〇〇巴介· 及η-1.2。冷卻推進系統之效率隨著麼缩機 古 堡，機之效率對於冷卻推進系統效率之影響不大。此是 空氣1之工作壓力低於工作流體之工作壓力，輸入空氣1 = 作流體之流速’工作流體相當大之—部分冷能量用於提^ 了二虱，以進行空氣調節與製冷，所以壓縮機所消耗功之數量& 系的效率 η效率對冷卻推進系統效率之影響示於圖33中。在P尸1巴、 广2 巴、ΓΘΟΟΚ及/7尸/7·二0.88及ηΗ·2條件下，對於七種 ^效率 0·68、〇·72、〇·76、0·80、0·88、〇 92、〇 % 及丨 〇〇 執 擬:冷卻推進系統之效率隨著泵效率之升高而單調升高。但是，、 U。速度极小；泵效率提高1% ’僅能使冷卻推進系統效率提高 0j)62y〇。耻’該冷卻推進系統之效率僅姐低程度上取決於該 果之效率0 人 變係數（/0 在p/=1巴、斤200巴' Γ〇=300κ及㈣⑽尸〇 88條件下， 巧七種多變係數1.05、L10、U5、U()、i 25、i 3〇及i 35執 行模擬。該等結果示於圖34中，自該圖可看出，多變传數接古士 ^卻推進系統之效率變化很少。此是因為壓縮 1很少，該壓縮熱被輸入空氣2再循環。 膨嚴之等溫性（y ) 對於 Ρβ 巴、P2=2G()巴、Tg=3G()k、ητ=ηα)Μ=ηρ=() 88 條件， 模擬了渴輪機中膨脹過程的五個不同等熱性值〇·8〇、〇 85、〇 9〇、 〇·95」·〇，其結果示於圖35中。冷卻推進系統之效率隨著等溫性 之升呵幾乎線性升高。等溫性升高1%使冷卻推進系 古 0.72%。因此，膨脹之等溫性是冷卻推進系統效率之關鍵參數广 47 200813320 系統 =冷却劑及空氣液化=系=，:。熱交換器廣泛應 來況，在⑦計-熱交換器時考慮以下 w技術之基礎。一般 (1)熱傳遞需求 言· (2) 交換器之效率或溫度差 (3) 可用空間之尺寸 (4) 對低熱容量之需求 (5 )成本 (6) 麼降的重要性 (7) 工作壓力 在以下77析中，主要評估熱傳遞需求、六口 以及各種因素對熱交換器性 能之影響。心，，之_與尺寸， (1) 液相之間的熱力均衡 出乂下假定·· (2) 熱交換器内之流量分配平均 (3) 全展紊流 ~ (4) 絕熱殼壁 (5) 零軸向導電 (6) 冷、熱流體之間無輻射 (7) 整個熱傳遞係數恆定。 考慮在一熱、冷液體之間交換減Q之敏換H，該等熱交 ’其中V表示該熱交換器 之容積’ S為熱交換面積’ 4為熱交換器之緊湊比（㈣。〇f the compactness) ’定義為：θ =多，q為熱通量、σ為整體平均熱交換 係數’ Af為熱、冷流體之間的平均溫度差。考慮一種管殼式組態， 整體熱傳遞係數V可由下式得到：士 = + + + +，其中％為管壁 48 200813320 f側流體之__遞魏，u管壁與⑽鍾之間的数傳 遞係數明管壁⑽熱傳遞，其可表示為：心」…分別 為壁熱傳導性触厚度。有大量__遞係紅机之計算的 文獻。對於—平滑柱形管中的技，管舰體與管壁之間的敎傳 遞係數近似為—3W，其中為納瑟數 (NUSSeltnUmber) ’ 其定義為if，^ 是 Reynolds 數，I定義 為：，為Ρ,_數，其定義為：^，心綠密度， D為管的直徑為流體動黏度，々㈣熱擴散度“為添體動 力黏度。對=平滑姉管巾的牛頓越之壓降，雜壓降可由下 弋十P D ，其中/為摩擦因數’ w為流動速度，L為管的 長度。對於官内之奮流’伯列修斯(胸㈣公式通常用於計算大範 圍納瑟數中之/:/ =誤。本發明之冷卻能量儲存單元中熱交換 态的流動可處於兩相區域，要對此區域進行壓降的全面分析需要 對流動的二維描述以及涉及相變的熱傳遞。首先採用同一模型以 工程方法計异該壓力，然後在設計該等熱交換器時使用一 3至5 之安全因數。 熱傳遞需求 該冷卻能量儲存系統可擁有多至四個熱交換器： (1) 熱父換杰1 (350):供輸入空氣自工作流體掏取*心旦 (且自周圍空氣中獲得熱） 里 (2) 熱父換為2 (340) ·供廢熱使工作流體過熱 (3) 熱交換器3 :供渦輪機自大氣中吸收熱 (4) 熱交換器4 ;供壓縮器確保等溫操作。 49 200813320 交換器 ^個Ϊ交換器所需要的比熱傳遞分別為： f奐器2 亡換f 3 父換器4 24=呢-52) 上四個公式，可獲得在不同條件下之比熱傳遞带Φ 在^中說明，其巾周圍溫度為3狐，過熱溫度為4Q^永’ 以04 S中可看出，當尸尸0.1百萬帕時，由於無需壓缩機\ ^為r若未過熱，Q2為零。因此，當p尸01百為所 _循環之比熱傳遞要求總量為858.6千焦/千#， ——务丄^Εϋ^χ；^比熱傳遞需求 77析。 Ρ2 二~ (百萬帕）

熱交換器之初級 ^上所述，對於熱交換器存在_些實質生的技術基礎，對於 θ卻釗及空氣與液化行業，有許多類型之埶交換 用。管殼纽板斌齡鋪均是肤顧之麵。管殼式熱交 換讀常在較南溫度使用。當殼中與管中的流體均為液體時，管 设式熱父換器之傳^係數較高，介於約3〇〇至3〇〇〇w/m2K之間。 用於改進管殼式熱=換器之性能的常見技術為在贼管子螺旋加 裝翅，從而形成一官她交換H，以提高緊湊比及熱交換係數。 當熱交換ϋΊ側或兩_流體錢糾，這—點尤其有效。此 .，、、日1循裱。在以下部分，將基於以上兩組熱傳遞需求進义過 50 200813320 外，熱流體與冷流體之間的溫度差較高（約UK)，這導致較低之 效率。 板翅熱式父換器具有南緊者度之優點，而且熱流體與冷流體 之間的溫度差較低。此種熱交換器可由鋁合金製成，所以其資金 成^較低。板翅式熱交換器適合用於冷卻劑領域，因為此種熱交 換為固有的靈活性允許在同一單位中使用多種流體。板翅式熱交 換器包括由波紋翅分隔之鋁合金平板。該等翅被銅焊在該;^板 上」Ϊ方法是向薄箔（其材料是與該平板相同之合金）中添加矽， ，該薄箔可在低溫下鎔化，將該等翅焊在該平板上。鋁因為成本 ，低而通常最受歡迎，但銅亦可接受。由於緊湊比很大，約為 250 -5000平方米/立方采，板翅式熱交換器是空氣分離與液化設備 内使用最廣泛之典型熱交換器，其典型熱交換係數約為 3〇〜500W/m2K，熱流體與冷流體之間的溫度差高達約2〜6K。 其他類型可供使用的熱交換器包括再生器、螺旋管敎交換 器、多管熱交換器及同軸管熱交換器。 ..... 以下根據該板翅類型之性能估計熱交換器之大小。整體平均 熱傳遞係數7取為100W/m2K;熱流體與冷流體之間的平均溫产差 假定為2K ;緊湊比β取為1〇〇〇平方米/立方米。緊凑】還^ ，，所以估計是比較保守的。根據以上計算，可得出在有過埶及 恶過熱時的最大熱傳遞要求凡分別為858 6及13〇8 2千隹/千克。 在估計中考慮了冷卻能量儲存單元之兩種情況：其電儲存容量 、=)士為1百萬瓦小時及5GG百萬瓦小時。冷卻能量儲存單元之 運仃恰間（Or)假定為8小時。此假定是依據峰值時間運轉。可 使用不同制雌（duty eyde)，應當不會顯示影響效率。 對於冷卻能量儲存單元之贿容量為丨百萬瓦小時的情況 卜未過熱時的熱傳遞要求給出如下：卜給·.，其中Ε〇 疋液恶空氣之能量密度（千焦/千克）。該等熱交換器之總大小可由 51 200813320

3UAT 0.745m: 對於有過熱之情況1，熱傳遞要求將為：Evhl 等熱交換器之總大小將為： = 0·929仍3。 對於該冷卻能量儲存單元之儲存容量為5〇〇百萬瓦小時之产 況2，未過熱時之熱傳遞需求為：7月 ^：，74.5W。該等熱交換器 之總尺寸將為：Γ = — = 372 5m3。戈妒a 古辦—“ ^ (该熱交換11切狀為立 …立，母一邊之〜又將為7-19米。若給出安全因數為*，崎一 邊之長度將為11.41米。 …7 對於該冷卻能量儲存單元之儲存容量為5〇〇百萬瓦小時之情 況2 ’過鱗之熱傳遞絲為：心設=93_。鱗熱交換器二 、’，《尺寸將為.= 464.5^3。若假定為立方體形狀，則熱交換 器每-邊之長度將為7.74米。若給出安全因數為4，則每—邊之 長度將為12.29米。 、據報道，液氮黏滯壓降約為0.05百萬帕，輸入空氣之壓降約 為4〇(H白。若使用-等於4之安全因數，則該液態空氣壓降約為 〇·2百萬帕，其約為總加壓之1〇q/❶，輸入空氣之壓降將為16〇〇帕， 其與壓縮比相比极小。 &交換器内溫度差之聚g 圖36及37示出一冷卻能量儲存單元之效率作為熱交換器中 熱流體與冷流體之間溫度差的函數，其分別表示有過熱及無過熱 之情況。模擬了六種溫度值：〇K、2K、4K、6K、8K、10K。該冷 卻能量儲存單元之效率隨著溫度差之升高而單調降低。當溫度差 52 200813320 ，大ικ，在無熱再循環、作αι百萬帕時，該冷卻能量 ，7G之效轉低約0.37%，在有熱再魏時、ρ/=αι =率^^ 〇·25%，在無熱再循環、㈣.Q百萬帕時，降低約 有熱再循環、户/=4.0百萬帕時’降低約1.33%。因此! 二2二冷流體之間的溫度差對於冷卻能量儲存單元 之正體性月b有者相當重要之影響。 在Λ=〇·1百萬帕及/>尸4.0百萬帕時，用於進行 的溫度對於雜瓣㈣鍋熱= 取決同於不同類型之發電廠之可用廢孰 擇 廠之廢氣溫度躺_κ，紐機發電電 至篇，來自核發電廠之廢熱溫度約為55〇κ1 皿自 熱溫度為約700Κ，地熱溫度約為35〇κ至5〇〇κ。 /t0‘、，、廢 冷卻能量儲存單元之效率隨著包含雜 單高升高:賴溫度自幫 時’該冷部能量儲存單元之效率自Ο.5%升高 ^，·萬 百萬帕時，自0.654升高到1.714。 .，在户尸4.0 因此’最佳利用廢熱是提高冷卻能量健存 效方式。注意’廢熱並非作為輸人能/早^^^ 腦。此外，廢熱可來自地熱m鎮他工可大於 圖39示出在P尸〇·1百萬帕及户4 〇百苗M二、 於冷卻能量儲存單元之效率的影響。模擬了 :、二圍= 對 :萬帕之實際魏、斤4.0百糾之理想 =0^1 實際循環，其效率均隨著周圍溫度之升高而之 圍溫度自270K升高到310K時，±述循環之3二C二周 9.1%、10.2%及5.5%。因此可得出結論，該 ^^.7/。、 具有較高周圍溫度之位置（例如熱帶區域） =存糸統在 53 200813320 槽之熱散逸 漏）約^巧。下’ 了絶熱真空瓶中’該冷卻劑貯槽之熱散逸（泄 逸（¾¾) 11若採取更多措施或利用冷能量散逸，由於該散 要，例如_持續時間時，這-點极重 使用。為了確疋正體效率，該液態空氣必須在-特定時間内 過程表2㈣驗計料乡熱賴叙冷魏量齡單元效率之 表2 渴輪機效率 壓縮機之效率 液態空壓力（百萬帕） 輸入空氣之壓力（百萬帕） 渦輪機中工作流體之溫度 JK)___ 輸入空氣（X)與工作流體 (千克/千克） 由輸入空氣所產生之液態 空氣（xy)與工作流體之 iLi千克/千克） 熱交換器溫度差（K) 由於非等溫性造成渦輪機 之降低 泵之效率 由於非等溫性造成壓縮機 效率之降低

54 200813320 膨脹功（千焦/千克） 615.2 541.4 607.5 534.6 455.6 335.3 335.3 壓縮功（僅壓縮X千克之 輸入空氣）（千焦） 247.2 280.9 256.7 291.7 0 0 0 壓縮功（千焦/千克） 22.4 25.5 22.4 25.5 25.5 25.5 25.5 冷能量再循環（千焦/千克） 0 0 0 0 267.2 267.2 267.2 淨功（在單一循環中僅使 用（l-x>〇千克之工作流體） (千焦） 345.6 235.0 328.4 217.4 697.3 577.0 577.0 液態空氣之淨流速（基於 一千克之工作流體）（千 克） 0.270 0.270 0.276 0.276 1.0 1.0 1.0 能量密度（千焦/千克） 1280.0 870.3 1189.9 787.7 697.3 577.0 577.0 空氣液化消耗之能量（五C) (千焦/千克） 1440 1440 1440 1440 1440 1440 1080 冷卻能量儲存單元之效率 (E〇/Ec) 88.9% 60.9% 82.7% 54.7% 48.4% 40.1% 53.4% 總可用能數量（五/)(千焦/ 千克） 743 743 743 743 743 743 743 循環效率（公/£/)(廢熱未 作為輸入能量包含在内） 172.3% 117.1% 160.1% 106.0% 93.8% 77.7% 77.7% 熱傳遞分析——冷卻推進系統 熱交換器在冷卻推進系統中發揮著重要作用。冷卻推進系統 中熱交換器中的流動與熱傳遞涉及三維、黏滯、紊流及兩相現象。 在此分析中，做出以下假定： (1) 液相之間的熱力均衡 (2) 熱交換器内之流量分配均勻 (3) 全展紊流 (4) 絕熱殼壁 (5) 零軸向導電 55 200813320 (6) 冷、熱流體之間無輻射熱傳遞 (7) 整個熱傳遞係數恆定。 熱傳遞需束 該主酷能推進系統具有四個熱交換H，制輪機使用-附加 熱父換為進行專溫膨脹（見圖4): (1) 熱父換為1 (540):用於輸入空氣1自工作流體擷取冷 能量以凝結該輸入空氣1。 (2) 熱父換杰2 (535):供輸入空氣1與4自工作流體中擷 取冷能量 〇)熱父換為3 (530):供輸入空氣1、3與4自工作流體中 擷取冷能量 (4) 熱交換器4 (525):供輸入空氣1及2吸收壓縮熱 (5) 熱父換為5 :供涡輪機自大氣中吸引熱 五個熱交換器所需要的比熱傳遞分別為： 交換器1 交換器2 交換器3 交換器4 交換器5 Q\ = X1 (K ~ ) Q2 = Xx(h5, -he) + xA(hlQ -hu) Q3 =xx(h5 -Η5,)^χ3(Η0 -/210) + χ4(Λ〇 -hlQ) Qi ~ x\(hA -h5) Qs - ^〇(SQ -S3) /士利用以上公式，至&之比熱傳遞需求分別為：47.9千隹/ 千克、165·9千焦/千克、225.4千焦/千克、57.8千焦/千克及597、、7 ΐ中該關溫度為3·。因此，整個冷卻推進系統之 ϊ遞需^^為_千焦/千克。在以下部分，將基於此熱 器之初級設計 以下根據該板翅類型之性能估計該等熱交換器之大小。整體 平均熱傳遞舰σ取為1G_m2K;熱越與冷流體之間的平均溫 度差△『假定為2K ;緊湊比球為誦平方米/立方米。該緊凑性 56 200813320 遊可更兩，所_估計是比較保㈣。根據以上計算，給出 熱傳遞需求/74 _千焦/千克。對於輸出功率為丨千瓦:冷 卻推進系統，該熱傳遞需求給出如下士黑=2贈’射 β及A分別驗態空氣之最大比相及該冷卻推進系統之能重 效率二對於丨千瓦之輸出功率，該熱交換器之大何計算如下：

F =藏f = G施3。若給出-等於4之安全因數，對於_單位輸出 功率，該熱交換器之大小將為〇 〇44立方未。 別 帕。；;===r.5巴，輸入空氣之壓降約為· 甘雜4 *王因數，則該液態空氣壓降約為2 p， P、、f 壓巴）之輸人线之壓降將為_帕（_6 巴），、與壓縮比相比极小（8巴之約〇·2%)。 熱交換器內温唐 ^ 冷卻推縣狀財，料熱賴μ埶、# 體之間溫度差之函數。模擬了六種溫度值：GK、2Κ、伙、^ ίϋ該冷卻推進系統之效率隨著溫度差之升高而單調降低。 二：f ☆增加1Κ時，該冷卻推進系統之效率降低約0.4%。因此， 二父換$巾熱流體與冷流體之間的溫度於 體性能有著相當重要的影響。 I催mi之整 查趣劑貯槽之執散浼 在周圍壓力下，-絕熱真空瓶中，該冷卻劑貯槽之錄逸（泄 漏）速度約為每天1%。若採取更多措施或利用冷能量散逸，例如， 用於空氣調|抽於該散逸（泄漏）而產生之冷卻推進系統效 率損失可低於每天1%。對於四種散逸速度（每天1%、〇 75%、 0.50%、0.25%) ’圖41示出該熱散逸之效率，其為時間之函數。 57 200813320 熱散逸之效率^定義為，其中Μ細指無散逸時液態空 氣之總質量數’ I騎散逸時，祕空氣之實際總質量數。可看 出’熱散逸之效麵著時間及散逸速度之增加叫低。這表明該 冷卻推進純應在-特定時_工作，以確定—良好之整體效 率。降低錄逸极重要，尤其是對於細旅行。對於每天約〇.5% 之散逸速率，在30天之持續時間内，總損耗為約7 5%。 室規模冷卻能量儲存系統實例 ^画t 丫小思’丨生地展示一實驗室小規模冷 舍 例，其容量為100千瓦小日丰。本各从1 逆示、、此I貝 元之可料η 細代表线之規模遠小於商用單 r。職玉作參數及最佳傾系統之性 ^含之二λ =雜進系統可包含-些在此實驗室規模系統中未 12·5千瓦’具有μ、時之 額疋功率亦可適用於多個處於微代（miCrog_ti〇n) 功率需求。選擇8小時放電時間（儲存励千瓦小 食:雍接爷於由一些團體（如sandia實驗室）所建議之蓄 月匕應用所需要的最大放電時間。 該實驗系統由8個主要組件組成：—冷卻辦槽_、一泵 熱父換器620、一渦輪機630、一傳動箱64〇、一鼓風機 、一乾燥機660及一三向閥門67〇。該系統工作如下·· :^蚀1,)來自一冷卻劑設備或儲存倉庫之液態空氣（工作流體） 板饋送至該冷卻劑貯槽6〇〇。 IM#2) &工作流體被加壓、加熱，然後流入渦輪機63〇，在此渦 :幾I膨脹，以產生驅動鼓風機650之動力。該鼓風機65()有兩 ，一個功能用於提供輸入空氣，以透過熱交換器620回收 量’另-功紋向膽機63〇提供—個負載⑽一個發電 58 200813320 3 )來自該鼓風機650之小部分空氣（輸入空氣） 向閥門670及乾燥閥門66〇引入熱交換器62〇。 ”）被透i一 4)在該實驗室規模系統中未產生液態空氣，以便降低資本 會影響對冷卻能量儲縣紐能之評估，因 此所里測之貧料對於此目的已經足夠了。 叛力分析 ，實驗室規模冷卻能量儲存系統之熱力循環示於圖43中。由 絲示賴溫度、烚及熵，該過程及其熱、功及可用 1) 1-2 ·工作流體之加壓：來自該冷卻劑貯槽之工作流體（液 態空氣）自周圍壓力ρ〇被加壓至^。對該液態空氣所做之比功 為.。以上功亦可由狀態2與狀態i之間的 差表不·ά十祕絲1之工作流體的總冷能量（最大 了用功）為··五XlKH(/z〇—/¾)。

A ·等壓加熱該玉作流趙··該卫作流體被輸人空氣自L 在此過程中所做之比功為零：l=g。自該輸入空氣中 、匕…、為· Ιϋ。該過程2-3中釋放的可用能為： bxw 二 τ私 u — dw 曰3) 3-4 :工作流體的膨脹··該高壓工作流體在渦輪機中膨服， 、提ί、功。若考慮該理想等溫過程，在該過程所做之比功為·· 。在此理想等溫過程中自周圍吸收的比熱為·· 0 0 ^)。若该工作流體之膨脹為一絕熱過程，則該理想比功 W A · Tjrr k Ρ ί^ζϋ ad 一 灯3[式广-1]，在此過程中未吸收熱，即：L=〇。 仁疋’預期實際功介於F从與之間。一個稱為等溫性之因素γ 59 200813320 Ί系用作一指數，其定義為實際功與等溫功之比：γ = ^·。因此， W3-0 實際功〜可表示為^3_4哺鮮。—幻—(/2。—⑽。 H+斧恥- 4)心7 :輸入空氣等壓擷取該工作流體之冷能量：該輸入空 氣透過該料·等壓爾d作聽之冷能量。在此過程中所 做之比功為零：％7=。。過程μ中來自卫作流體之冷能量為： 該輸人空氣在此過程中所獲得的可用能為： 斗㈣。由以下分析可知，#環之理想比淨功輸出 應為·

：yT〇(sQ F2分別是該工作流體及輸入空氣之流速。 因此

Ec ，該實驗_之冷魏量鱗_統之效率可表 不 Εχχ 為：=—~—F' !1 ’其中Exi為該

Exx )(气、/^7)] 一 γΓ0〇5。—幻―+香·[ 工作流體帽包含之冷可雜。在實際實料 之功以透過該熱交換器加壓輸入空 、而要特定量 淨 功 輪 &——· ”，Q此過程6-7之功不為- 出 200813320 iWrW-(/¾ - 化)-(/^，+ |·[7；(5^7) —火―〜)] —么 ％。因此，該實 驗室規模冷卻能量儲存车綠夕 畔廿示既之效率變為：

Ec Εχλ f2 Λ·F, ^6-7 Εχλ yW&)--d~) + |~.[r6〇s6—&) —(/26—%]—么 量測技術及資料處理 一適合之量測系統示意性地展示於圖42中。一丘 測通道，7個用於熱偶，7個用於壓力轉換器，2用； 細於電壓，-細於電流，-細於轉矩/速度。_資= 統被連接至-電腦，用於資料獲取、儲存及處理。該通道 包括： (1) T1 :泵610之入口處工作流體的溫度。 (2) T2 :在泵610之出口/熱交換器62〇之入口處工作流體 的溫度。 (3) T3 ·在熱父換為620之出口/滿輪機630之入口處工作 流體之溫度。 (4) T4 :渦輪機630之出口處工作流體的溫度。 (5) T5 ··在鼓風機650之入口處空氣的温度（周圍溫度）。 (6) T6 ··在熱交換器620之入口處輸入空氣的溫度。 (7) T7 ··在熱交換器620之出口處輸入空氣的溫度。 (8) P1 ··泵610之入口處工作流體的靜態壓力。 (9) P2:在泵610之出口/熱交換器620之入口處工作流體的 靜態壓力。 61 200813320 (10) P3:在熱交換器620之出口/渦輪機630之入口處工作流 體之總壓力。 (11) P4:渦輪機63G之出口處工作流體的總壓力。 (12) P5 在鼓風機650之入口處空氣的总压力（周圍壓力）。 (13) P6:在熱父換器620之入口處輸入空氣的静态壓力。 (14) P7j在熱交換器62〇之出口處輸入空氣的静态壓力。 (15) F1 :由泵610所提供工作流體之流速。 (16) F2 :透過熱交換器62〇之輸入空氣的流速。 (17) VI :泵610之電壓。 (18) C1 :泵610之電流。 (19) ωΐ :渦輪機630之轉速。 (20) Ml ·渴輪機630之輸出轉矩。 以iiif析可看出’為獲得該實驗室規模實驗系統之實 際效率，需要七個變數，包括：〜 巧及巧。獲得此等參數之方法如下：”如‘冒你 接至渴f機的實際輸出功率：—轉矩/速度計被直接連 tilt /么鼓風機650用作一負載。將所測得之轉矩 又 相乘’可獲得渦輪機㈣之輸出功率： 動機il動)。此栗二驗系統中’泵610由-電 獲取該^動機之電壓㈤及電流⑹ n " 斤〆為耗之貝除功· 1·ς。7之么士果規明了 f 及電動機010之效率。 1心-2之、、、口呆況月（汞 之冷氣再卿之冷可贱：由輸人錄回收 计异如下：m 空氣之熵及焓，即S6、S7、h6&h，^為了獲付忒輸入 交換哭\ 7在該實驗系統中，分別於熱 用處使用兩個熱偶及兩個壓力轉換器。利 出該輸入空氣之熵及焓。 自奶氣的熱力資料表中求 62 200813320 ^ (4)【匕-7:對該輸入空氣進行加壓所需要之功：對該輸入空 氣加壓所消耗之比功可由熱交換器620入口及出口之間的壓力差 來言十鼻· ％-7 =巧—巧。 (5) Fl:工作流體的流速：該工作流體的流速由安裝在泵610 之入口處的流速計量測。 (6) F2 :輸入空氣的流速：該輸入空氣的流速由安裝在熱交 換器620之出口處的流速計量測。 … (7) 私：工作流體中包含的總冷可用能：可自該工作流體 中回收之總冷可用能計算如下：私：抓，，，。為了獲得該 工作，體之，及，，即So、S!、11()及hi，分別於熱交換器620之 入口及出口爽安裝兩個熱偶及兩個壓力轉換器。使用資料丁5、丁1、 Pj Pi ’透過個該空氣之熱力資料表，可獲得虹作流體之熵 及大各〇 可自·驗冷舰量贿线喊取之各組件蝴參數包 括· ^ (1)冷卻劑貯槽 ;可由一已知時 a·由一位準指示器可獲得該液態空氣之體積 間内之體積差計算該熱散逸。 b·冷卻劑貯槽600出口處之溫度（乃） c·冷卻劑貯槽600出口處之壓力（Ρι) d·工作流體之流速（Fi) ⑴泵 a·泵610之流速（fj b. 泵610入口處之溫度（Τι)及出口處的溫度 c. 泵610入口處之壓力（Ρι)及出口處的壓力（ d·泵 610 之效率：ηρ ^Fr(P2-p{) ⑶熱交換器 Kl#C：1 Fl#Cl a·在熱交換器620之入口 工作流體之溫度（T3) 處工作流體的溫度（Τ2)及出口處 63 200813320 及出口處 及出口處 及出口處 b·在熱交換器620之入口處工作流體的壓力（p2) 工作流體之壓力（P3) c·在熱交換器620之入口處輸入空氣的溫度（丁6) 輸入空氣之溫度（T7) d·在熱交換器620之入口處輸入空氣的壓力（ρ6) 輸入空氣之壓力（Ρ7) e·工作流體之流速（F!) f·輸入空氣之流速（F2) 處之工作流體與輸入空氣之間的溫度 處之工作流體與輸八空氣之間的壓力 g·交換器入口處及出口 差：（τ7-τ2)及（Τ6·τ3) h·交換器入口處及岀α 差··（Ρ7-Ρ2)及（Ρ6-Ρ3) ⑷渦輪機 a·在渦輪機630之入口處工作流體的溫度（τ3)及 作流體之溫度（Τ4) b·在渦輪機630之入口處工作流體的壓力（ρ3)及 作流體之壓力（Ρ4) M、 巧·(尺一及） c·渦輪機630之輸出轉矩（Μι)及轉速（叫） d·渦輪機630之效率計算如下：〜 e·在渦輪機630膨脹之等溫性計算如下：':一

To(s〇 -S3)-(h0-h3) (5)鼓風機 a·，風機650入口處之溫度（Ts)及出口處之溫度（T6) b·贫支風機650入口處之壓力（Ρ5)及出口處之壓力（丁6) c·鼓風機650 (由渦輪機630驅動）之輸入轉矩（Μ!)與轉 速（〇丨） 存系統之組#的詳細•六 (1)冷卻劑貯槽：該燃料（液態空氣）之流速可由下式計算： 64 200813320 FI=~—，其中K、心、"、氏)及P/分則去、 η# D#P/ 丨為液態空氣之流速、 系統之功率、渦輪機630之效率、液熊处鸟 〜、二虱之能量密度及液態空 氣之密度。該燃料槽600之容積給出如下：& ·0 1 一1，其中今、 F/、Ο,、4分別是安全因數、液態空氣之 暇積、该槽之工作時間 及熱散逸效率。若假定該槽為立方體，則每一 瓊之長度d為^^。 若該工作流體之工作壓力為20百萬帕，兮田w ^ 違周圍溫度為300K， 該液態空氣之理想比能量密度約為4SS +隹 —，…、7干克，在周圍壓力 下，液態空氣之密度約為：876千夯/立方半" 、 门 丁兄/豆万木，渦輪機630之效率 為〇·8，該實驗室規模實驗系統之總功率為12·5千瓦，液離介氣之 L速為 F/ η·Α·Ρ/ — ^i^?T^ = 141.0///z。若考慮一等於 ι·3 之安 全因數，熱散逸之效率取為〇.95，因此，對於—總容量為⑽千 瓦小時之冷卻劑貯槽_ ，其體積為： 13x0 141x8

Ejis 之長度1·14米。 由^熱傳遞，冷卻劑貯槽_中之液態空氣蒸發， j 口處（泵610之人口）的液態空氣壓力高於周圍壓力“ 叮210所消耗之功下降。假定該冷卻劑貯槽600之自加壓二不 ▲包括—安全閥，以在壓力超出—特定位 Mi力有可忐透過替代系統安全闊來控制該槽壓力。 (2)泵：與泵有關之關鍵參數包括工作流體流速、入口壓力、 出口壓力、：31作溫度及功率雜。該泵之流速與該冷卻劑貯槽之 0.95 = ι·55ν。若假定該槽為立方體，則每一邊 65 200813320 U同/^肩遞。5亥液恶空氣之入口壓力由該冷卻劑貯槽之 出口勤決定。由於在該實驗室規模系财使用了安全閥，所以 不可預先確定該槽之麗力。但是，在一既定出口動下，該冷卻 劑泵可在-特絲狀人_打工作。耻，該紅入口動 取為：P'=〇1〜30鳩。該冷卻劑泵之出口壓力等於該工作流體之工 作[力八取為20百萬帕。因此’户2 =2咖。該冷卻劑泵應當在 正常的實驗室溫度下功。因此，該工作溫度被選為 0oC〜40°c 〇 在該泵之入口處’該r作流體之温度約為該液態空氣^騰點 (_196。〇。在絕熱加壓過程之後，估計該泵之出口處的工作流體 溫度為約·192Τ。在既定出σ壓力與流速時，該泵所雜之功率 由其效率決定。若該泵之效率假定為0.8，該泵之神要求為： % = 1.0千瓦。若對於該冷卻劑泵之電動機使用一等於 1.5之安全因數，則該電動機之功率將為15千瓦。 ,換器：與熱交換器相關之關鍵參數包括工作壓力、 。作流體與輸人空氣之流速與壓降，以及該熱交換狀σ及出口 處之工作流體與輸人空氣的溫度。該卫作流體的工作壓力約等於 =的出口壓力：WPa。該輸入空氣的工作 周 圍壓力，以使鼓風機所雜之雜至最低： 入口麗力近似等於熱交換器兩端的壓降：H+P7」面已= ，該工作^體的流速.。該輸入空氣的流速受 5亥熱父換為之性能的景》響。由該熱力計算所獲得之近似值為： 6 =2〇6.〇枚A。熱交換器内工作流體之壓降取決於該熱交換器之工 程設計。但是，估計其約為1000帕量級。該熱交換器内輸入空氣 之壓降還取決於設計。料其也_麵帕。若管道/連接器/閱 66 200813320 門^之熱祕被忽略，則该熱交換器 約等於該泵出口處之溫度，即 度 作户騁^ 2~i92c。该父換态之出口處的工 體之1度取決於該熱讀器之性能， π J，，具有-溫度差(即5。0，即㈣。c。該敎交換哭= 處的輸入空氣溫度近似為該周圍溫度 ^ 一 處之工作6il體的溫度（約_i92°c)。 …、、 之夕:在分析麵輪機樣糾，考慮具有内部加熱 =、、=巴,、、、>、。上文已經給出該渦輪機入口處之工作流體的^ 請 =在由雜交換器加熱之後，制輪獻口處之工 度應#接近於該周圍溫度。若考慮該溫度差為沉（低 作，^ίίΓίί之一^要产數；、級數越多意味著越接近等溫操 機竹—越多（参見圖44)。但是，級數越多也意味著 =ίίϊ越ί'壓力損耗越高以及成本越高。需要在此兩者之 間達到平衡。基於以下假定構造圖44 ·· μΪΪΪΪΪ。渦^機入口處工作流體之壓力為20百萬帕，渦 时機=效率為100/。，母一級入口處工作流體之溫度為27〇c。 該渦輪機入口處工作流體之壓力為2〇百萬帕，渦 輪機之效率為89%，每一級入口處工作流體之溫度為22〇c。 ^渦輪機之理想輸出功率及實際輸出功率都隨著級數之增大而 立曰大在4至8級之間變得穩定。總級數也受渦輪機之最大膨脹 =限制，其通常小於3·α。圖45示出每-級之膨脹比，其為渦 輪機級數之函數。可看出，若級數小於4,則膨脹比大於3。因此， 渦輪機之級數應當大於4。相應的，該級數應當介於4與8之間。 在出口處之工作流體的壓力通常稍南於周圍壓力，以確保該 f作流體平穩流動。出口處之工作流體的壓力經常選為約〇13百 萬帕。若級數為6，則入口處之工作流體的溫度為22〇c，出口處 67 200813320 工作流體的溫度約為-44°C。在大型冷卻能量儲存系統中，處於此 溫度之空氣可被再循環，用於生產液態空氣。其還可用於在夏天 進行工業冷凍及空氣調節。該工作流體之流速等於該泵之流速： 123千克/小時（141升/小時）。由於工作流體之低流速及高壓力， 該渦輪機之第一級的大小將為數毫米，其被劃分為微渦輪機。 (5)鼓風機·與鼓風機相關之關鍵參數為壓力、流速、功率 及效率。該額定功率應當約等於該渦輪機之輸出功率（約12.5千 瓦）’咸麼力應當南於該熱父換器内輸入空氣的壓降。 合適組件的選摆 基於以上詳細分析進行以下組件選擇。 (1) 冷卻劑貯槽：四川空分設備（集團）有限責任公司的第 C404C1號產品（型號ZCF-2000/16)是一種合適的垂直冷卻劑貯 槽’其具有雙壁及真空微粒絕熱結構，其示意圖請參見圖46。此 冷卻劑貯槽具有以下參數： •容量=2000升 •最大工作壓力二1.6百萬帕 •空槽重量=2282千克 •尺寸（直徑x兩度）=1712毫米χ3450毫米 •曰$斤化（在20°C及0.1百萬帕條件上，每天所蒸發液態 空氣之百分比）=<〇·96%。 (2) 泵·對於該實驗室規模之冷卻能量儲存實驗系統，推薦 一種往復式活塞冷卻液體泵，冷卻機器公司（四川空分設備（集 團）f限公司的一家分公司）的第Β228號產品比較適合。此泵具 有一咼真空絕熱泵壓頭，其可降低泵之蒸發損耗及吸入壓力。該 泵的活塞環及墊圈使用非金屬冷卻材料，擁有良好之塑性及潤滑 能力二使用特殊潤滑油確保該泵可用於易燃、甚至易爆液體（例 如液氮）。該泵之内部結果示於圖47中。此冷卻泵具有以下參數： •工作流體=液態空氣/氧/氮/氬 •入口壓力=0.05〜1.5百萬帕 68 200813320 •出口壓力二20〜35百萬帕 •流速=50〜150升/小時 •功率=3.0千瓦 •工作溫度；1〇〜40°C •重量=〜15〇千克。 (3)熱交換器：該熱交換器在一約20百萬帕之高壓及极大 之溫度差（-196°C〜27°C)範圍内工作。該工作流體之流速為123 千克/小日t。未發現有適用於此目的之現有產品。因此，需要特殊 設計、製造之熱交換器。此種熱交換器可為一種封裝在殼中的管 翅結構，其參數如下： g •工作流體=液態空氣 •加熱流體=周圍空氣 •(冷）工作流體之壓力=20百萬帕 •加熱流體之壓力=0.1百萬帕 •工作流體之流速=123千克/小時 •加熱流體之流速=約206千克/小時 •工作流體之壓力損失二<500帕 •加熱流體之壓力損失二<1000帕

•工作溫度二-10〜40°C •管材料=304不鏽鋼 •翅及殼之材料=不鐵鋼/铭合金 •尺寸（長度/寬度/高度）=2.5米/2·2米/〇·8米 •重量=約1，200千克。 (4)渦輪機：渦輪機之性能在整個實驗室規模系統之性能中 扮演著主導㈣色。機之輸出功率通相於驅動一電動 ，、-壓縮機、-風絲-發電機。由於所推薦之渦輪機的入口 塵力很面（約20百萬帕），工作流體的流速很低（約123千克/小 時），所以制輪機必須為直徑為數毫米之制輪機。圖48示出 -合適渦輪機之不意圖。但是’尚未發現與所建立實驗規模系統 69 200813320 相容之現有渦輪機。因此’需要特殊設計、製造之渦輪機。 (5) 鼓風機：該鼓風機應當能夠提供克服該輸入空氣壓降之 總壓力。由於該鼓風機還用作一渦輪機的負載，所以其總額定功 率必須大致等於該滿輪機之輸出功率（約12.5千瓦）。例如北京當 代風扇公司的混流GXF-C(產品號Νο·6·5-〇鼓風機就比較適合。 此鼓風機具有以下參數： •工作流體=空氣 •工作壓力=1162帕 •流速=24105立方米/小時 •轉速=2900轉/分 •雜訊=83dB (A) •功率=15千瓦 •尺寸（長度/寬度/高度）=0.845米/0.751米/0.800米 •重量=234千克。 (6) 其他組件：由於渦輪機之轉速通常极高（每分鐘數萬 轉），而所推薦之鼓風機的轉速很低（2900轉/分），所以該小規模 冷卻能量儲存實驗系統需要一傳動系統。此外，為了避免在該熱 父換器的壁上結冰（來自輸入空氣），在輸入空氣進入熱交換器之 前’需要一乾燥器對其進行除濕。 組件集成：來自冷卻劑設備的液態空氣被一冷卻車運送至實 驗室，並饋送至冷卻槽C404C1。該往復活塞式冷卻液體泵B228 ，液態空氣進行加壓，並為工作流體提供動能，使其流過熱交換 器。該工作流體在該熱交換器中由鼓風機GXF-C-6.5C所提供之輸 入空氣加熱’該鼓風機還用作一微滿輪機之負載，該工作流體在 此微渦輪機中膨脹，以提供鼓風機之動力。來自鼓風機之空氣中， 僅有一部分用作輸入空氣。 冷卻能量儲存系統與其他儲存系統之技術及經濟對比 、/現在將評估目前現在蓄能系統，且將其與冷卻能量儲存系統 進行對比。冷卻能量儲存系統之資料是基於500百萬瓦小時儲存 200813320 r/ri時放電時間進行計算。其他蓄能系統之資料主要取自 irj , Γ用於電網路之電能儲存系統”⑽〇，能量轉換 =生曰’i8^1874) ’RDenholm等人的“大規模蓄能系 =^生〒周麻罝需求與溫室排放，，（2000，能量轉換與管理 卷 ’ 2153-2172) ’ 及 F.R.Mclamon 等人的“蓄能，，（、1989，妒旦 評論年刊，第14卷，241-271)。 』百月匕U989月匕里 ⑽t出功率率與輸出持續時間：儲存系統之輸出功率率蜂屮 Ϊ 間，系示於圖49中。每一儲存系統都擁X適Ϊ 抽型i曰負載平衡型及電力品質改進型。 平衡日常2畜能、電池及冷卻能量儲存系統適用於 卞何《书貝戰改軔。超導磁能及帶有習知, 應，於即時壓降、減少閃爍及短^續時^ 電容;=用巧浮轴承、雙層電容器及氧化還原超級 能及短輸出持續時間（短於1小時）。 U，存^的輸出功率及持續時間優於電池，可*壓 水畜能需要特殊之地理位置。 =广、二^過，抽 能需要极高之資金成本。 下文碰私論，抽水蓄 蓄能系統ίί，二量儲存系統的效率低於其他 以對工作流體進行過ί 再循環， 提高，如上·。知、麵解縣线祕之改進而 •不:以f密度如圖51所示。該資料基於以下内容： 為水的質量，^重力之根據_進行計算，其中m 大氣壓。所儲存之空定為54，_立方米，約為⑼ /、夺該叹備連接26小時發電1〇〇百萬瓦。 200813320 該壓縮线蓄能之能量贿的計算林含 、 機、獅似擴充HH τ胃棘機/發電 •該冷卻能量贿祕之能懿度的計算基於 处呈 交=容量;電動機/發電機、_二; ;ίίί為其至少比冷卻劑貯槽小—個量級。 容積餘射融雜㈣轉除存裝置之 Τίΐ:ί:ΐ系統中，冷卻能量儲存系統及高級次

級 Na/S 有最絲量密度。冷統之能② 氣儲當„效率約高—個量級，邮水蓄能里“=縮工 劣特性會隨C時間 J 了的許多組件

資 壓 似。μ ’翻冷錢量儲存系統之壽命與壓縮空氣蓄能系統類 鱼命 72 200813320 縮 金成本最低。高級電池 Ϊ二:漸縮小。超導磁性蓄能系統及飛 其輯㈣轉而言比 ^冷部能量儲存系統而言’冷卻 資因為無需貯槽而低於壓縮空;ί能：;= 密度比壓縮空氣蓄能的能量密度至少高一個量級；1存糸、月匕里 因此’該冷卻蓄能祕_金成 u為逖了生產堵如虱、氮及氬等產品。 蓄水才Γϊΐϊ能i統不可避免地需要破壞樹木及綠地，以建造 i:燃料的燃燒’最終會釋放污染物，而蓄 但是’冷卻能量儲存系統對為環 除了二氧化碳及硫氧化物，其有助於降低由 在的空氣傳觸粒。*紅工碰產_，亦去除不希望存 ，此’可仵出結果，冷卻能量 費用成本及環境影響等各方面之性能皆優於、 他系統相比，其在輸出功率盥持錶士 此…、、。/、其 ，率及效转要高料，岐因為使訂“熱，，與的气出 田未尾…再循衣日守，發現該輸入空氣之最佳壓力為約〇ι百萬 73 200813320 帕。但是，當使用廢埶時， 百萬帕。根據效率為04千=:^壓力可為αΐ百萬帕或4.0 廢熱再循環之情況，工作之空氣液化，掛於未使用 體效率估計為⑽，對於利用=二 情況，其整體效率估料之廢熱的 冷卻能量儲存系統的整“以工作於理想循環之 m〇c之廢氣之雜的g，m6f ’對於使用來自溫度為 兮AM 其整體效輪為〇.816。 輪機之效率二空功f及能量密度主要取決於渦 縮機之效率亦可能极重要。^等.若!^空氣被壓力，則該壓 體效率有著重要作用。:熱循狀整 率越高。 喝问哝彡兄的/皿度越南，則效 體之先前系統的整體工&ί尤其改進了以冷卻液體作為工作流 與持續時間及能量效率=^==:錢㈣率 該冷郃能虿儲存系統有可能利用低級 :冓=設備、渦輪機、熱跡 广系統中的主要功為藉由利用屬於該冷卻劑 (約77!^與關（約職）之間溫度差的能量，而標準的= 或廢熱能篁糸統僅能利用高於周圍溫度（約·κ)之溫度。*、、、 冷卻推進系統發動機之實例模型 已經準，了五種使用冷卻推進系統之船用發動機模型。缺 後，將此等模5與f種已知柴油發動機進行對比。五種已知工Z 柴油發動機之詳細資訊示於表4中。 74 200813320 CAT_3516是一種78.1升60°V型16缸柴油發_。__冑 是為中速_輸船所設計的。CAT彻為—種=、型= 7.2升渦輪增壓後冷直列6缸發動機。ST3發動機為一種由 L1SterPetter公司為窄船設計的氣冷柴油發動機。 柴油發動機由泰晤土河班輪用作公共運輸應用及巡航旅行。 表4 CAT-3516 CAT-3126 福 特 ST3 Cummins6 (Caterpillar (Caterpillar Porbeangle6 氣冷 缸 T/C 海上動力有 海上動力有 缸 (ListerPetter) Riverliner 限責任公 限責任公 司） 司） 總功率 2525bkW 261bkW 77.6bkW 25bkW 522千瓦 速度 1800轉/分 2800轉/分 工作時間 24天 24小時 10小時 42小時 24天 敎 〇千瓦 〇千瓦 〇千瓦 〇千瓦 〇千瓦 製冷 〇千瓦 〇千瓦 〇千瓦 〇千瓦 〇千瓦 空氣調節 〇千瓦 〇千瓦 〇千瓦 〇千瓦 〇千瓦 輸出功率 2525千瓦 261千瓦 77.6千瓦 25千瓦 ----- 522千瓦 燃料消耗 617升/小時 68升/小時 21升/小時 6.9升/小時 •---— 128升/小時 燃料槽容積 355·4 立方 1.5立方米 0.21立方米 0.29立方米 —--- 14立方米 米 槽邊長度1 7.1米 1.2米 0.6米 0.7米 ——. 2.4米 船速 8.5米/秒 14米/秒 6米/秒 3米/秒 6米/秒 (約17節） (約28節） (約12節） (約6節） (約12節） 巡航範圍 17,626千米 1，210千米 約210千米 約483千米 約3，1〇〇千 1 米 --—^ 1假定一立方體槽。 冷卻推進系統型號1對應於CAT-3516，適合於中等大小的船 隻。由於冷卻推進系統可提供大量冷，所以型號1是特別為運輪 75 200813320 條件，材料（例如，練肉、滚魚或其他產品） 設計的。 $^通為船中的裝載物利用了來自冷卻推進系統之冷卻空氣及 型號2至型號4對應於CAT-3126、福特Porbeagle及Lister 機，適用於小型遊艇或船，其無需大規模製冷，或 °冷卻推進系統用於提供推進力及熱，供船 之衣載物用於（例如）加熱。 μ Ξίΐΐίί 。冷卻推進系統系統用於為

船上衣載物如（、推力、冷卻空氣及熱，以及冷能量，用於A 品。^定冷卻推進系統之冷容量#僅有一小部*(約10% 用‘ 兮沭，此是因為冷凍食品之需求遠低於用於在次 (sub-ambient)條件下運輸材料之型號！的需求。但是，由於

Cummins Riverliner設計用於為每天提供12趟$海里 、 所以僅需60英里（1〇〇公里）之巡航範圍。 飢遊柱， 所有五種型號之典型工作條件為：p尸2〇〇巴、户尸8巴、 Γ〇=300Κ、"尸"COM、=0.88、η=ι·2、γ=0·90 及 Γ 〇κ; 典型條件下，型號1至型號5之整體性能示於表5中。隹此寺 表5 型號 Ml M2 M3 \ΛΛ 總功率（千瓦） 2525 261 112 lViH- -—— 25 M5 CQQ r 工作時間 24天 24小時 10小時 42小時 jyy,j 熱（千瓦） 169.6 22.0 6.5 2.1 3小呀 yl C 〇 用於製冷的冷能量（千瓦） 962.01 0 0 0 ^rJ.Z ci λ2 用於空氣調節的冷能量（千瓦） 962.01 0 0 0 J1.4 〇c/r 〇2 輸出功率（千瓦） 1955.4 253.7 71.7 22.9 能量效率 59.4% 47.3% 47.3% J7.3% 、n S? 速度（米/秒） 7.8 13.9 5.9 3.0 ^w·〇 /〇 /Γ π 巡航範圍（千米） 16180 1198 〜207 ~477 O.U 燃料消耗（升/小時） 23264.4 3016.7 892.3 T* / / ' 1~------ 7QQ Π 110 .\j ——----- 6210.5 76 200813320 散逸效率 —-—一_ 燃料容積米） 邊長（米）_ 熱傳遞需求(jf瓦） 88.1% 134003 23.7 5514.6 燃料容積米） 27.8 保守容積（立jr米） 邊長（米） 111.1 4.8 —^5% 98.2% 99.8% 1 12.1 31.0 zi_ 2.3 3.1 2173 70.4 1309.3 _09 0.3 6.6 3.4 1.1 26.4 1.0 3.0 假定^— 對於一既定船及一既定功率，巡般速度V,可計算如下： P〇 Λ2/3ν| c〇 中0 々刀別為發動機之功率（功）、船之 排水量、船之巡航速度及與船之幾何形狀細之絲。假定由型 號1冷卻推進系統提供動力之船只的船體、排水私及係數^與 CAT-3516發動機之資料相同，該巡航速度〜可用下式計算： 厂ψ VP»_35.6其巾疋型號1之輸出功率。因此，型號1 之巡航範_下式給^，其切〃是最長工作時間。 錢8。/ 低約6%，而巡航速度及範圍僅降 號1 f!7推樣闕時提供約169.6千瓦熱， 旦。· 之冷能1，及962.0千瓦用於空氣調節之冷能 類似地’由冷卻推進系統型號2至型號4提供動力之船隻的 巡航速度及範财根據CAT_遍麟。自冷卻鏡线型號2提 供動力之船躺魏速度為：wf Mu W3126 77 200813320 部推進祕麵3提供動力之船t的巡航速度為： k3 ^_3126 #3/—- V ^_3126 及。由冷卻推進系統型號4提供動力之船隻的巡航速度 為· v“〜6.3iS及c，v“<。對於相同總功率，用於提供推 力之型號2至4之輸出功率比相應柴油發動機之輸出功率低約 2.8%。但是’型號2至型號4可分別同時提供22 ()千瓦、μ千瓦 及2.1千瓦。可看出，該冷卻推進系統之型號2至型號4之巡航速 度及範圍約為相應柴油發動機的99.0%。 類似地，由冷卻推進系統型號5提供動力之船隻的巡航速度 及範圍可根據Rivedi⑽獲得。由冷卻推進系統魏$提供動力之 船隻的巡航速度為： ^kS ~ ^k_Riverliner 及C，5=h·%。對於相同 的推進輸出功率，冷卻推進系統型號5提供約45 2千瓦熱、况$ 千瓦用於製冷之冷能量，以及似千瓦用於找之冷能量.， 其總功率比相應柴油發動機高14.8%。 燃料（液態空氣）之流速可由下式計算 F;=^；，其中 π、 La分別為液態空氣的流速、發動機的功率、冷卻推進系 統之能量密度及液態空氣之密度。該燃料槽之容積表示’··、

Vl f ’其中[、4分別為液態空氣之體積、該槽之工作 日守間及熱散逸效率。若假定該槽為立方體，名__^ 只』母一透之長度j為 78 200813320 單位輸出功之熱傳遞交換 為κ黯。對於 :安全因數’對於—單“=^^ 器、之=====f中5之冷卻推進系統的熱交換 冷卻推進系統與柴油發動機之對比。 能量密度與價格··對比表4及表5 耗ΐ別是相應柴油發動機之37.7Λ.3== S 1至型號5之能量密度分別是相應柴油發 職之 1/37.70、1/44.36、1/42.08、1/42.5 及 1/42 3。 八之比功率的價格，電能之價格為驗㈣ 刀/千瓦小日守，木油的價格為pn.ce一#9〇便士/ : ίίίί °*4 (w·F·Castie·2002} ° 就之比力羊的仏格（/vzce』）計算如下： 二=??=、時键3126=23.4分/千瓦小時、二 f日Γ τ ' Γ eagle=24.7分/千瓦小時、M3=3L3分/千瓦 “·i刀/丁凡小日守及Μ5=28·8*/千瓦小時。 JHF二===;:價 才σ與相應木油機型號相比，极具有競爭力。 、 】生1千克液態空氣之能量消耗取為〇.3千瓦小時，則型號 ,ί ί之冷卻推進系統的比功率價格㈤分別為：18.8、 23.4、23.4、23.4 及 21 ·6 分/千瓦小時。 能量^:五種魏之“油轻車輪”（well_to_wheei)效率之 表6中。該冷部推進系統資料是根據生產1千克液態空 錢要G.4千瓦小時計算所得。可看出，型號丨冷卻推進系統之效 广、LlSterPetterST3，.8分/千瓦小時、副视3分,千瓦J寺瓦 Cummms=22.1分/千瓦小時及M5=28 8分/千瓦小時。 若型 79 200813320 率類似於CAT-3516，以液態空氣為燃料之型號2至型號4冷卻推 ^系統^效率低於相應柴油發動機之效率。當用於運輸冷凍材料 日年丄中等大小之冷卻推進系統艦隻的效率高於小型遊艇，因為小 型遊艇不可完全回收冷。括號巾所示^之冷卻推翻號工至 ^號4,效率是當生產i千克液態空氣之消耗被取作〇 3千瓦小時 曰守所獲得。 表6 型號 CAT-3 516 型號1 冷卻推進 系統 CAT-312 6 Ford Porbeagle Lister Petter ST3 型號 2至4 冷卻推進 系統 CumminsR iverliner 型號5 冷卻推 進系統 燃料 柴油 液態空氣 柴油 液態空氣 柴油 液 氣 燃料生產效 率 94% 51.6% (68.8%) 94% "---- 51.6% (68.8%) ------ 94% 51.6% (68.8 %). 峰值制動發 動機效率或 鋼爐效率 38% 59.4% 38% ^' 47.3% 38% 52.8% 部分負載效 率因數 70% 70% 70% ~~~ 70% 70% 70% 傳遞效率 85% 80% 85% —' 90% 85% 重量因數X 空閒因數 100% 100% 100% 80% 100% 100% 100% 總循環效率 21% 18% (24%) 21% 15% (20%) 21% 16% — 於冷卻能量儲存系統，所以估計冷卻推進系統^命^^= 40年。柴油發動機之壽命認為是約17年。但是，吾片、=至 推進系統之壽命稍高於柴油發動機，因為在^ ^中= 及高溫燃燒過程，在活塞與缸體之間也無麵的轉中不涉 吾人咸信，冷卻推進系統在資金成本方面具 對組件之特殊要求很少。此外，在製冷運輸船隻上不g要g 200813320 系統。 系統對環境H柴油發動機涉及石油 巧^亏染物。冷卻推進系統是—種完 放燒，因此 巴之動力糸統。此外，在液化過程中可 々#重兀全綠 油燃料所產生的負面環境問題。在=助於減 亦可去除轉望存在的錢馳。I、項生產期間， 燃料相=毕空itt卻推進系統_可用於提絲 本及對環境的面在===、壽命與⑽ 進行競爭雜能。若推進♦，具材與柴油發動機 調節崎㈣無以冷及空氣 隨附申請i利二已^採，實例之方式進行描述’可在 【圖“ iii】所疋義之本發明範圍内對細節進行修改。 中：下文將残隨_式對本發明進行更職之描述，該等圖式 本發明之蓄能系統之-示意圖。 圖3示出♦ ^卩空氣分離及液化設備之示意圖。 圖4示ΪίΪΐ發明之一冷卻能量儲存系統之-示意圖。 Μ /+^本發明之—冷卻騎系敗-示意圖。 存系統之理想對^周圍壓力情況，根據本發明之一冷卻能量儲 存系&之實周圍壓力情況，根據本發明之-冷卻能量儲 存系A之實對一周圍壓力情況’根據本發明之-冷卻能量儲 、圖。 存系低壓力tb情況，根 據本發明之一冷卻能量儲 81 200813320 存系I之t_s"^力邮況，根據本發明之-冷卻能量儲 Ξ 艮據本發明之一冷卻推進系統之埶力循， 圖勘不出當輸入空氣1之麗力超屮m、士力•展。 之， -冷卻推進系統之一熱力循環。之出、力38巴挎，根據本發明 圖11示出當輸入空氣勤？1為 之， 據本發明 圖12不出當輸入空_力P1為0 文卞 之〆冷卻能量儲存系統相關聯之熱力猶與根據本發明 圖13不出當輸入空氣屢力^為⑽百:士二。 之儲^统相關聯之熱力猶環的四種ί’率發明 之，=能量儲存系統相關聯之熱力 ^ ^根據本發明 圖15不出當輸入空氣壓力P1為2 〇 效率。 之〆冷卻能量儲存系統相關聯之孰力萬帕時，與根據本發明 之〆冷卻能量儲存系統相關聯之二3帕時’與根據本發明 圖17示出當輸入空氣壓力P1、f百的萬率。 之〆冷雜量儲存系統相關聯之熱力循//^，與根據本發明 圖,1，當輸人空氣壓種， 之〆冷卻此置儲存系統相關聯之埶 盼，與根據本發明 圖19示出當工作流體之壓力為;盾〇 Π種严。 一冷卻能量儲存系統在未被過熱時之實上f玄帕日r根據本發明之 圖20示出當工作流體之壓力為2〇m 一冷卻能量儲存系統在被過熱時之實際效曰^帕時，根據本發明之 圖3示出當未使用廢熱時，° 統在不同渦輪機效率下之效率。 之一冷卻能量儲存系 圖22示出當使用廢熱時，根據 在不同渦輪機效率下之效率。 1之—冷卻能量儲存系統 82 200813320 統狀，_存系 在不^^^吏下用之 時，根據本發明之一冷卻能量儲存系統 統在廢鱗，歸本㈣之—冷魏量儲存系 在不用率廢熱時’根據本發明之一冷卻能量儲存系統 在冷本發明之-冷卻能量儲存系統 氣1 康綱之—娜咖之效率，其為輸人空 度的3 4根據本發明之—糊剛統之效率，其為周圍溫 之效出根據本發明之一冷卻推進系統之效率，其為渴輪機 之效函 1 出根據本發明之一冷卻推進系統之效率，其為壓縮機 率的Ξί。示出根據本發明之一冷卻推進系統之效率，其為泵之效 等溫函之數冷卻推進系統之效率，其為該膨服 未使康本發曰月之一冷卻能量儲存系統之效率，其為在 =7山熱交換器中熱、冷流體之間溫度差之函數。 圖不出根據本發明之-冷卻能量儲存系統之效率， 83 200813320 使用交換11中熱、冷流體之間溫度差之函數。 使用廢熱之溫明之一冷卻能量儲存系統之效率，其係所 圍溫函7數出板據本發明之一冷卻能量儲存系統之效率，其為周 換器Y ，其為一熱交 函數圖41不出根據本發明之一冷卻推進系統之效率，其為時間的 統。圖42不出根據本發明之一示例實驗室小規模冷卻能量儲存系 i 冷卻能量^存實驗系統之T-S圖。 功率]其為級數之函=中之冷魏量儲存系統巾之渦輪機輸出 一級魏量雜機中每 圖你示出適於與圖42之冷卻能量儲存系統一起使用之冷卻 2示1適於與圖42之冷卻㊣量 不出適於與圖42之冷卻能量健存系統用=輪 49示出許多蓄能系統之輸出功率及輪出持續時間之特性曲 期之間的關係。 圖52示出許多不同蓄能系統之ΐϋ 士 位貧金成本之儲存能量容量之間的關係。、”成本的輸出功率與單 【主要元件符號說明】 μ ι〇0蓄能系統 貯槽。 圖 圖 機0 圖 線 84 200813320 110 空氣流 120 空氣流 130 經冷卻之輸入空氣 200 空氣液化設備 210 其他產品 220 空氣壓縮單元 230 空氣預處理單元 240 熱交換 250 液態空氣 300 冷卻能量儲存單元 λ r\ 壓縮機 320 滿輪機 330 發電機 340 第一熱交換器 350 第二熱交換器 360 節流閥 370 冷卻劑貯槽 380 泵 400 發電廠 410 廢熱 500 冷卻推進系統 505 螺旋槳 510 渦輪機 515 發電機 520 壓縮機 525 熱交換器 530 熱交換器 535 熱交換器 540 熱交換器 85 200813320 545 節流閥 550 冷卻劑貯槽 555 泵 580 工作流體 585 輸入空氣1 590 輸入空氣2 595 輸入空氣3 600 冷卻劑貯槽 610 泵 620 熱交換器 r r\ OJU 渦輪機 < 640 傳動箱 650 鼓風機 660 乾燥機 670 三向閥門

Claims (1)

1. 200813320 十、申請專利範圍： 1· 一種儲存能量之方法，包括·· 提供一氣態輸入； 由该氣態輸入產生一冷卻劑； 儲存該冷卻劑； 使該冷卻劑膨脹； 以及 使用该經膨脹之冷卻劑驅動一渦輪機 由該冷卻劑之膨脹回收冷能量。 2. 如申請專利範圍第！項所述之方法 驅動一發電機並產生電能。 疋步包括使用該渦輪機 3. 如申請專利範圍第i項所述之方法 ，— 驅動一旋漿。 步^祜便用該渦輪機 如申請專利範圍第！至㈣任一 為液態空氣。 K方法，其中該冷卻劑 5·如申請專利範圍第4項所述之方法， 6·如申請專利範圍第i至5項任一項所述:^卻^濕空氣。 卻劑之步驟包括加熱該冷卻劑。 之方法’其中職該冷 7包括 ^腾卻劑之步驟 8包括 嫩，糾峨糊之步驟 9d專利細第6項所述之方法，其中加熱該冷卻劑之步驟 ^使用來自-發電機、來自—蒸氣流、來自—發電廠之廢氣或 來自另一廢熱源之廢熱加熱該冷卻劑。 n·如申請專利範圍第ίο項所述之方法，其中膨脹該冷卻劑之步 驟包括使用在壓縮該氣態輸入之步驟期間所產生之廢熱來加熱該 冷卻劑。 87 200813320 12·如申請專利範圍第1至9 步驟包括： 項所述之方法， 其中膨脹該冷卻劑之 至約環境溫度;然後 第力1 增至加丨。2項任-項所述之方法，其中在膨服 14. 如申請專利範圍第丨至13項任一 之前，該冷卻劑在-升高後之溫度下儲存。/、中在膨脹 15. 如申請專利範圍第丨至14項任一 利用被回收之冷能量。 、 、 / ，進一v包括 使用該被回收之冷能量來產生更多冷卻劑。 乂匕祜 申請專利範圍第i至第16項任—項所述之方法，進一步包 括利用該被回收之冷能量進行製冷。 18.如申請專利細第丨至17項任—項所述之方法，進一步包括 利用該被回收之冷能量進行空氣調節。 19·如申請專利範圍第丨至18項任一項所述之方法，進一步包括 使用在生產該冷卻狀步射生成之廢齡產生雜氣，以進行 加熱。 20·如申請專利範圍第1至19項任一項所述之方法，進一步包括 使用在生產該冷卻劑之步驟中生成之廢熱來提供熱水。 21·如申請專利範圍第1至20項任一項所述之方法，其中一非污 染能量源用於為該方法提供動力。 22·如申請專利範圍第1至21項任一項所述之方法，進一步包括 自該氣態輸入中分離污染物之步驟。 23·如申請專利範圍第1至22項任一項所述之方法，其中該渦輪 機包括一多級準等溫渦輪機。 24· —種冷卻能量儲存系統，包括： 一冷卻劑源； 88 200813320 一冷卻劑儲存設備； 用於使該冷卻劑膨脹之構件； 月匕夠由该膨脹冷卻劑驅動之渦輪機；以及 % Λ於主回击收在該冷卻劑膨脹期間所釋放之冷能量的構件。 括ϋ專^圍第24項所述之冷卻能量儲存系統，進-步勺 括务電機’其中該發電機能夠受該渦輪機驅動。 少匕 存系 仏·如申睛專利範圍第24至26項中任一項所述之冷卻能量 統，其中該冷卻劑濕空氣。 仔系 ^如第24至28項中任一項所述之冷卻能量儲存李 統，其中该冷卻劑源是一空氣液態空氣。 什乐 30.如申請專·圍第24至29項中任—撕述之冷卻能量 ί ’ίΓ ΐί膨脹該冷㈣之構件包括祕加_冷卻劑之構件 力埶If第3G項舰之冷卻能量儲耗統，其中用於 加,、、、該冷部剤之構件包括至少一熱交換器。 it申Λ專f範圍第31項所述之冷卻能量儲存系統，其中該至 > 一…父換裔經配置以使用來自周圍空氣之熱加熱該冷卻劑。 專f範圍第31項所述之冷卻能量儲存系統，其中該至 V— ”、、父換态經配置以使用來自地熱加熱該冷卻劑。 =·如利範㈣31""員所述之冷卻能量儲存系統，其中該至 ^ 一”、、父換為經配置以使用來自一發電機、來自一蒸氣流、來自 一發電廠之廢氣或來自另一廢熱源之廢熱加熱該冷卻劑。 35·如申請專利範圍第24 i 34項中任一項所述之冷卻能量儲存系 統’其中該冷部劑源包括一氣態輸入源、一用於壓縮該氣態輸入 之壓縮機及用於冷卻該氣態輸入之至少一熱交換器。 36·如申請專利範K第35項所述之冷卻能量贿祕，其中該至 89 200813320 少一熱父換為經配置以使用在壓縮該氣態輸入期間所產生之廢熱 來加熱及膨脹該冷卻劑。 37·如申請專利範圍第35項所述之冷卻能量儲存系統，其中該至 少一熱父換為經配置以使用在壓縮該氣態輸入期間所產生之埶 來提供熱空氣。 38·如申請專利範圍第35項所述之冷卻能量儲存系統，其中該至 少一熱交換器經配置以使用在壓縮該氣態輸入期間所產^之廢埶 來提供熱水。 39. 如申請專利範圍第31項所述之冷卻能量儲存系統，包括： 一第一熱交換器，其經配置以使用周圍空氣將該冷卻劑加熱 至約環境溫度；以及 # ' 一第二熱交換器，其經配置用於進一步使用廢熱加熱該冷卻 劑。 40. 如申請專利範圍第24至39項中任一項所述之冷卻能量儲存系 統，進一步包括一經配置用於在膨脹之前提高該冷卻劑之壓力的 泵。 41·如申睛專利範圍第24至40項中任一項所述之冷卻能量儲存系 統，進一步包括一經配置用於將該氣態輸入轉換為一冷卻劑之節 流閥。 42·如申請專利範圍第31項所述之冷卻能量儲存系統，其中用於 自該冷卻劑之膨脹過程中回收冷能量之構件包括經配置^使用該 冷能量之至少一熱交換器。 ^ 43·如申請專利範圍第3i項所述之冷卻能量儲存系統，其中用於 自該冷卻劑之膨脹過程中回收冷能量之構件包括經配置以使用該 冷能量以產生更多冷卻劑之至少一熱交換器。 μ 44·如申請專利範圍第η項所述之冷卻能量儲存系統，其中用於 自該冷卻劑之膨脹過程中回收冷能量之構件包括經配置以使用兮 冷能量進行製冷之至少一熱交換器。 ^ 45·如申請專利範圍第31項所述之冷卻能量儲存系統，其中用於 200813320 劑之膨脹過程中回收冷能量之構件包括經配置 ^ 進 1亍空氣調節之至少一熱交換器。 吏用该 =·如申^專利範圍S22至45項中任-項所述之冷卻能量儲存系 、、、 步包括用於自該氣態輸入分離污染物之構件。 ’、 ^7·如申請專利範圍第22至46項中任一項所述之冷卻能量儲存系 統，/、中該渦輪機包括一多級準等溫渦輪機。 ’、 91