一種開-閉式斯特林熱功轉換機構的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明是一種開-閉式斯特林熱功轉換機構，屬于液態(tài)空氣能量存儲與利用領域，主要面向液態(tài)空氣儲能系統(tǒng)。該機構可以實現(xiàn)液態(tài)空氣冷能及膨脹能與機械能的轉換，大幅提高液態(tài)空氣的能量利用率，提高儲能系統(tǒng)整體效率。液態(tài)空氣氣化吸熱過程中會產生大量的“冷量”，而冷量是液化空氣儲存能量的重要組成部分，本專利以傳統(tǒng)斯特林發(fā)動機為基礎,在冷端添加容腔儲存液態(tài)空氣，液態(tài)空氣氣化后進入熱端膨脹，并在熱端設置排氣口，將氣化并膨脹后的空氣排出。該機構克服了傳統(tǒng)轉換機構只利用膨脹能的缺點，提高了液態(tài)空氣熱功轉換效率。此外，工質與冷源直接接觸換熱，避免了采用蒸發(fā)器換熱導致的結霜問題，改善了換熱效率。
【專利說明】一種開-閉式斯特林熱功轉換機構
【技術領域】
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[0001]本發(fā)明屬于壓縮空氣能量存儲與利用領域，涉及液態(tài)空氣儲能系統(tǒng)的熱功轉換系統(tǒng)。
【背景技術】
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[0002]化石燃料的燃燒帶來的環(huán)境污染問題日益嚴重。表現(xiàn)為PM2.5指數(shù)大范圍超標，全年霧霾天數(shù)逐年上升，二氧化碳排放不斷增長，這一切與化石燃料的燃燒密不可分。
[0003]因此，在化石燃料燃燒技術研宄不斷開展的同時，新能源技術的探索也在大幅推進。目前各國積極發(fā)展風能、核能、太陽能等新能源。在我國新能源的使用在總能源中的占比僅7%，預計在2020年將達到15%
[0004]可再生能源作為新能源的重要組成部分，是技術上和成本上最具競爭力的新能源形式，如風能和太陽能。目前可再生能源的使用在總能源中的占比僅1.5%，預計在2020年將達到6%。2011年，世界風電和光伏發(fā)電總裝機容量分別達到2.38億千瓦和0.69億千瓦。然而，風能和太陽能等可再生能源具有間歇性和不穩(wěn)定性的特點，雖然裝機容量巨大，但目前并不能大規(guī)模接入電網(wǎng)應用。
[0005]可再生能源的大規(guī)模儲存技術可以解決上述問題，截至目前，世界上僅有美、德等國家完成少量壓縮空氣儲能電站的建立，其原因是壓縮空氣儲能系統(tǒng)需要巨大的天然洞穴存儲壓縮空氣。因此，壓縮空氣儲能技術并未廣泛應用。
[0006]液化空氣儲能可以將儲能空間需求減小97 %，相比傳統(tǒng)壓縮空氣儲能以其儲能密度高的優(yōu)點，適用于可再生能源的大規(guī)模儲存，具有廣闊的應用前景。
[0007]液化空氣儲能原理:電能需求小于電網(wǎng)供給時，多余的電能驅動電機帶動氣體液化系統(tǒng)，空氣進入液化空氣系統(tǒng)，經過壓縮和冷卻變成低溫液化空氣，將電能以液化空氣的形式儲存；電能需求大于電網(wǎng)供給時，采用低溫泵將低溫儲液罐的液化空氣增壓后，與常溫的空氣換熱，液化空氣吸熱后氣化，壓力升高并膨脹推動渦輪發(fā)電，實現(xiàn)液化空氣的熱功轉換。
[0008]液化空氣氣化吸熱過程中會產生大量的“冷量”，而冷量是液化空氣儲存能量的重要組成部分，冷量的充分利用是液化空氣儲能技術中的關鍵問題。
[0009]目前存在兩種解決該問題的技術路線。
[0010]一種基于傳統(tǒng)空氣分離系統(tǒng)的間接利用方式，利用“冷量”將常溫空氣冷卻，并含有“冷量”的空氣導入傳統(tǒng)空氣分離系統(tǒng)，制成工業(yè)產品液態(tài)氮和液態(tài)氧，以提高液化空氣能量利用率。
[0011]另一種是冷量利用與熱功轉換耦合的直接利用方式，通過在傳統(tǒng)熱力循環(huán)的基礎上引入一個壓縮循環(huán)，直接將冷量轉化為機械功，以提高液化空氣能量-機械功轉換率。
[0012]綜上所述，儲能系統(tǒng)的直接目標是輸出機械功從而轉換為電能，而后者是一種冷量直接利用的方式，從而具有提高儲能系統(tǒng)效率的潛力。因此，液化空氣熱功轉換技術是液化空氣儲能系統(tǒng)亟待解決的關鍵技術。
[0013]1996年Ordonez首次提出以液氮為動力的發(fā)動機，使液氮吸收熱量氣化，氣化后壓力增加，然后將液氮作為壓力源來驅動渦輪或活塞輸出功，做功完畢的低壓氮氣通過排氣口排出，如圖1，Ordonez采用開式循環(huán)利用液氮受熱膨脹的特性實現(xiàn)熱功轉換，然后以開式循環(huán)為基礎分析了液氮中所儲存的能量。
[0014]1998年Knowlen采用閉式朗肯循環(huán)，將液氮作為冷源在做功工質壓縮過程中吸收壓縮熱，利用液氮與大氣環(huán)境的溫差來實現(xiàn)冷能與機械功的轉換，通過理論分析得出單位質量的液氮可實現(xiàn)熱功轉換300-450kJ/kg，而液氮熱功轉換的潛力為760kJ/kg，理論效率為40% -60%。1998年Plummer利用上述原理加工了實驗樣機，并測得單位質量實際熱功轉換量為190kJ/kg，即實際效率為25%。2000年Ordonez采用一種改進的閉式布雷頓循環(huán)實現(xiàn)了理論效率的提高，得到單位質量熱功轉換量482kJ/kg，即理論效率為63%。
[0015]冷能是液氮從外界吸熱而具有的將熱能轉換為機械能的能力，膨脹能是液氮氣化后壓力上升而具有的對外界膨脹做功的能力。兩種能量的性質截然不同，為此，2007年陳海生將開式循環(huán)技術應用于液化空氣儲能系統(tǒng)，實現(xiàn)了膨脹能-機械功的轉換，并利用冷能制備液化空氣，作為下一個儲能循環(huán)熱功轉換的原料。但液化空氣的制備循環(huán)會帶來冷能的損失，從而導致熱功轉換效率的大幅下降。因此，尋找一種膨脹能與冷能耦合熱功轉換的熱力循環(huán)是亟待解決的問題。
【發(fā)明內容】
[0016]本發(fā)明的目的:
[0017]提出一種提高液化空氣熱功轉換效率的技術。
[0018]本發(fā)明的優(yōu)點:
[0019]將液化空氣的冷能直接轉換為機械能，提高了熱功轉換效率。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0020]圖1是開-閉式斯特林熱功轉換機構原理圖
[0021]1.飛輪，2.配重孔，3.動力缸，4.排氣孔，5.動力活塞，6.缸體，7.法蘭，8.液態(tài)空氣絕熱儲罐，9.回熱器，10.配氣活塞，11.配氣缸，12.配流孔，13.配流層，14.配氣連桿，15.動力連桿
[0022]本發(fā)明的技術方案:
[0023]由飛輪(1)、缸體(6)和液態(tài)空氣絕熱儲罐(8)組成，缸體(6)連接有與動力活塞
(5)配合的動力缸(3)，及與配氣活塞(10)配合的配氣缸(11)，動力缸(3)與配氣缸(11)通過配流層(13)連通，動力缸(3)的缸壁開有排氣孔(4)，動力活塞(5)與配氣活塞(10)存在一定的相位差，分別通過動力連桿(15)及配氣連桿(14)與飛輪(I)連接，飛輪(I)上有配重孔(2)，配氣缸(11)與液態(tài)空氣絕熱儲罐⑶之間由配流孔(12)連通，缸體(6)與液態(tài)空氣絕熱儲罐(8)通過法蘭(7)連接，完成氣化-膨脹過程、排氣過程和壓縮過程。
[0024]氣化-膨脹過程:液態(tài)空氣絕熱儲罐(8)內儲存的液態(tài)空氣氣化，配氣活塞(10)向上運動，配氣缸(11)上腔的氣體通過配流層(13)進入動力缸(3)下腔，動力活塞(5)向上運動。
[0025]排氣過程:當動力活塞(5)向上運動至排氣孔(4)位置時，進入排氣過程，動力活塞(5)運動至最上端后向下運動至排氣孔(4)位置時，排氣過程結束。
[0026]壓縮過程:動力活塞(5)向下運動，動力缸(3)下腔壓力上升，氣體通過配流層
(13)進入配氣缸(11)上腔，配氣活塞(10)向下運動。
[0027]回熱器(9):連通配氣缸(11)的上下腔，內部填充蓄冷介質，配氣活塞(10)向下運動，液態(tài)空氣絕熱儲罐(8)內低溫氣體進入回熱器(9)換熱，回熱器(9)對冷量進行回收。
[0028]排氣孔⑷:當動力活塞(5)位于排氣孔⑷下端時，不排氣；當動力活塞(5)位于排氣孔(4)上端時，動力缸(3)下腔與大氣連通，排氣。
【權利要求】
1.一種開-閉式斯特林熱功轉換機構，其特征在于:由飛輪(I)、缸體(6)和液態(tài)空氣絕熱儲罐(8)組成，缸體(6)連接有與動力活塞(5)配合的動力缸(3)，及與配氣活塞(10)配合的配氣缸(11)，動力缸(3)與配氣缸(11)通過配流層(13)連通，動力缸(3)的缸壁開有排氣孔(4)，動力活塞(5)與配氣活塞(10)存在一定的相位差，分別通過動力連桿(15)及配氣連桿(14)與飛輪(I)連接，飛輪(I)上有配重孔(2)，配氣缸(11)與液態(tài)空氣絕熱儲罐(8)之間由配流孔(12)連通，缸體(6)與液態(tài)空氣絕熱儲罐(8)通過法蘭(7)連接，完成氣化-膨脹過程、排氣過程和壓縮過程。
2.權利要求1所述的氣化-膨脹過程，其特征在于:液態(tài)空氣絕熱儲罐(8)內儲存的液態(tài)空氣氣化，配氣活塞(10)向上運動，配氣缸(11)上腔的氣體通過配流層(13)進入動力缸(3)下腔，動力活塞(5)向上運動。
3.權利要求1所述的排氣過程，其特征在于:當動力活塞(5)向上運動至排氣孔(4)位置時，進入排氣過程，動力活塞(5)運動至最上端后向下運動至排氣孔(4)位置時，排氣過程結束。
4.權利要求1所述的壓縮過程，其特征在于:動力活塞(5)向下運動，動力缸(3)下腔壓力上升，氣體通過配流層(13)進入配氣缸(11)上腔，配氣活塞(10)向下運動。
5.權利要求1所述的回熱器(9)，其特征在于:連通配氣缸(11)的上下腔，內部填充蓄冷介質，配氣活塞(10)向下運動，液態(tài)空氣絕熱儲罐(8)內低溫氣體進入回熱器(9)換熱，回熱器(9)對冷量進行回收。
6.權利要求1所述的排氣孔(4)，其特征在于:當動力活塞(5)位于排氣孔(4)下端時，不排氣；當動力活塞(5)位于排氣孔(4)上端時，動力缸(3)下腔與大氣連通，排氣。
【文檔編號】F02G1/053GK104500264SQ201410559389
【公開日】2015年4月8日 申請日期:2014年10月20日 優(yōu)先權日:2014年10月20日
【發(fā)明者】許未晴, 王佳, 張勝利, 蔡茂林 申請人:北京航空航天大學