[發明專利]一種基于液化空氣熱功轉換的開?閉耦合式熱力循環方法

有效

• 申請號: 201410359423.2
• 申請日: 2014-07-25
• 公開（公告）號: CN104165071B
• 公開（公告）日: 2017-01-18
• 發明（設計）人: 許未晴;王佳;張勝利;蔡茂林
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: F01K25/00
• 分類號: F01K25/00
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域：

本發明屬于壓縮空氣能量存儲與利用領域，涉及液化空氣熱功轉換技術。

背景技術：

化石燃料的燃燒帶來的環境污染問題日益嚴重。表現為PM2.5指數大范圍超標，全年霧霾天數逐年上升，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。

因此，在化石燃料燃燒技術研究不斷開展的同時，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％

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定性的特點，雖然裝機容量巨大，但目前并不能大規模接入電網應用。

可再生能源的大規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。

液化空氣儲能可以將儲能空間需求減小97％，相比傳統壓縮空氣儲能以其儲能密度高的優點，適用于可再生能源的大規模儲存，具有廣闊的應用前景。

液化空氣儲能原理：電能需求小于電網供給時，多余的電能驅動電機帶動氣體液化系統，空氣進入液化空氣系統，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電，實現液化空氣的熱功轉換。

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。

目前存在兩種解決該問題的技術路線。

一種基于傳統空氣分離系統的間接利用方式，利用“冷量”將常溫空氣冷卻，并含有“冷量”的空氣導入傳統空氣分離系統，制成工業產品液態氮和液態氧，以提高液化空氣能量利用率。

另一種是冷量利用與熱功轉換耦合的直接利用方式，通過在傳統熱力循環的基礎上引入一個壓縮循環，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。

綜上所述，儲能系統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亟待解決的關鍵技術。

1996年Ordonez首次提出以液氮為動力的發動機，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，Ordonez采用開式循環利用液氮受熱膨脹的特性實現熱功轉換，然后以開式循環為基礎分析了液氮中所儲存的能量。

1998年Knowlen采用閉式朗肯循環，將液氮作為冷源在做功工質壓縮過程中吸收壓縮熱，利用液氮與大氣環境的溫差來實現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實現了理論效率的提高，得到單位質量熱功轉換量482kJ/kg，即理論效率為63％。

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技術應用于液化空氣儲能系統，實現了膨脹能-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熱功轉換的原料。但液化空氣的制備循環會帶來冷能的損失，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是亟待解決的問題。

發明內容

本發明的目的：

提出一種基于液化空氣大規模儲能的高效熱力循環技術。

本發明的優點：該熱力循環方法能將膨脹能和冷能綜合利用轉化為機械能輸出，提高能量轉換效率。

附圖說明

圖1是開-閉耦合式熱力循環P-V圖。