[发明专利]一种基于液化空气热功转换的开‑闭耦合式热力循环方法

说明书

技术领域：

本发明属于压缩空气能量存储与利用领域，涉及液化空气热功转换技术。

背景技术：

化石燃料的燃烧带来的环境污染问题日益严重。表现为PM2.5指数大范围超标，全年雾霾天数逐年上升，二氧化碳排放不断增长，这一切与化石燃料的燃烧密不可分。

因此，在化石燃料燃烧技术研究不断开展的同时，新能源技术的探索也在大幅推进。目前各国积极发展风能、核能、太阳能等新能源。在我国新能源的使用在总能源中的占比仅7％，预计在2020年将达到15％

可再生能源作为新能源的重要组成部分，是技术上和成本上最具竞争力的新能源形式，如风能和太阳能。目前可再生能源的使用在总能源中的占比仅1.5％，预计在2020年将达到6％。2011年，世界风电和光伏发电总装机容量分别达到2.38亿千瓦和0.69亿千瓦。然而，风能和太阳能等可再生能源具有间歇性和不稳定性的特点，虽然装机容量巨大，但目前并不能大规模接入电网应用。

可再生能源的大规模储存技术可以解决上述问题，截至目前，世界上仅有美、德等国家完成少量压缩空气储能电站的建立，其原因是压缩空气储能系统需要巨大的天然洞穴存储压缩空气。因此，压缩空气储能技术并未广泛应用。

液化空气储能可以将储能空间需求减小97％，相比传统压缩空气储能以其储能密度高的优点，适用于可再生能源的大规模储存，具有广阔的应用前景。

液化空气储能原理：电能需求小于电网供给时，多余的电能驱动电机带动气体液化系统，空气进入液化空气系统，经过压缩和冷却变成低温液化空气，将电能以液化空气的形式储存；电能需求大于电网供给时，采用低温泵将低温储液罐的液化空气增压后，与常温的空气换热，液化空气吸热后气化，压力升高并膨胀推动涡轮发电，实现液化空气的热功转换。

液化空气气化吸热过程中会产生大量的“冷量”，而冷量是液化空气储存能量的重要组成部分，冷量的充分利用是液化空气储能技术中的关键问题。

目前存在两种解决该问题的技术路线。

一种基于传统空气分离系统的间接利用方式，利用“冷量”将常温空气冷却，并含有“冷量”的空气导入传统空气分离系统，制成工业产品液态氮和液态氧，以提高液化空气能量利用率。

另一种是冷量利用与热功转换耦合的直接利用方式，通过在传统热力循环的基础上引入一个压缩循环，直接将冷量转化为机械功，以提高液化空气能量-机械功转换率。

综上所述，储能系统的直接目标是输出机械功从而转换为电能，而后者是一种冷量直接利用的方式，从而具有提高储能系统效率的潜力。因此，液化空气热功转换技术是液化空气储能系统亟待解决的关键技术。

1996年Ordonez首次提出以液氮为动力的发动机，使液氮吸收热量气化，气化后压力增加，然后将液氮作为压力源来驱动涡轮或活塞输出功，做功完毕的低压氮气通过排气口排出，Ordonez采用开式循环利用液氮受热膨胀的特性实现热功转换，然后以开式循环为基础分析了液氮中所储存的能量。

1998年Knowlen采用闭式朗肯循环，将液氮作为冷源在做功工质压缩过程中吸收压缩热，利用液氮与大气环境的温差来实现冷能与机械功的转换，通过理论分析得出单位质量的液氮可实现热功转换300-450kJ/kg，而液氮热功转换的潜力为760kJ/kg，理论效率为40％-60％。1998年Plummer利用上述原理加工了实验样机，并测得单位质量实际热功转换量为190kJ/kg,即实际效率为25％。2000年Ordonez采用一种改进的闭式布雷顿循环实现了理论效率的提高，得到单位质量热功转换量482kJ/kg，即理论效率为63％。

冷能是液氮从外界吸热而具有的将热能转换为机械能的能力，膨胀能是液氮气化后压力上升而具有的对外界膨胀做功的能力。两种能量的性质截然不同，为此，2007年陈海生将开式循环技术应用于液化空气储能系统，实现了膨胀能-机械功的转换，并利用冷能制备液化空气，作为下一个储能循环热功转换的原料。但液化空气的制备循环会带来冷能的损失，从而导致热功转换效率的大幅下降。因此，寻找一种膨胀能与冷能耦合热功转换的热力循环是亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的：

提出一种基于液化空气大规模储能的高效热力循环技术。

本发明的优点：该热力循环方法能将膨胀能和冷能综合利用转化为机械能输出，提高能量转换效率。

附图说明

图1是开-闭耦合式热力循环P-V图。