基于开-闭耦合式斯特林机构的液化空气储能方法研究结题摘要

液化空气储能作为压缩空气储能的一个重要研究方向，将压缩空气液化，可将储能密度提高一个数量级，适用于可再生能源的大规模储存。液化空气与大气环境存在温差（200℃）而具备冷能，通过电能与冷能的相互转换可实现蓄电和发电。适用于太阳能、风电等可再生能源的大规模储存，应用前景广阔。目前，液化空气储能系统在液化空气气化时不储存释放的冷量，导致储能效率低（<20%），投资回收期长（10年），还不能投入商业应用。本项目提出了开-闭耦合式斯特林热功转换机构，引入了基于多孔材料的回热器结构，实现冷能的蓄存和释放，以实现液化空气中冷能和压力能向电能的耦合转换，从而提高了液化空气系统热功转换效率。针对多孔材料在流体中产生的扰动，引起的流体传热特性和阻力特性变化的问题，建立了气-液界面固相扰动下的两相流动力学模型，研究了多孔材料扰动下的两相流换热特性和流体阻力模型，测量了温度、压力以及传热系数等传热和阻力特性参数，验证了上述动力学模型应用于模拟多孔材料传热和阻力的正确性。针对新型热功转换系统动力学特性不明的问题，建立了耦合冷端模型、热端模型以及回热器模型等子模型的系统动力学模型，模拟了不同负载、转速下系统的动力学特性，分析了气体工作压力、工作温度、活塞扫气比、相位超前角、多孔材料质量和回热器等因素对系统效率的影响。为了开展基于斯特林循环的液化空气储能应用研究，建立了液化空气斯特林热功转换机构及其实验平台。设计和制作了系统的原理验证样机，验证了将上述系统动力学模型应用于分析系统特性的正确性，验证了基于多孔材料的回热器结构对效率的提升作用，为液化空气热功转换系统的设计和效率的优化奠定了基础。为提高储能效率提供了新的思路和可行技术途径。取得成果：（1）在重要学术期刊、国际学术会议上发表学术论文10篇，其中SCI 3篇；（2）申请发明专利6项，其中已授权4项；（3）获得2017年国家科技进步奖二等奖（个人排名第4）。（4）培养博士3名，硕士5名。 2100433B

液化空气储能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。.液化空气与大气环境存在温差（200℃）而具备冷能，液化空气储能是通过电能与冷能的相互转换实现蓄电和发电。传统基于“电能-冷能-压力能-电能”的储能流程，发电时液化空气经泵的加压，冷能转换为压力能，经膨胀机压力能转换为电能，其瓶颈在于“冷能-压力能”环节压力能转换率低，传统通过增加工作压力来提高效率，对系统的耐压和密封要求高、系统复杂、成本高。.本项目提出了“电能-冷能-电能”的储能方法，引入斯特林热机代替膨胀机，实现冷能向电能的直接转换，以避免低效的“冷能-压力能”环节。由于气化时部分冷能自发转换为压力能，提出了开-闭耦合式斯特林热功转换机构，以实现冷能和压力能向电能的耦合转换。从而达到提高储能效率，降低系统工作压力，简化系统结构，降低成本的目的，有助于液化空气储能技术的推广应用。

国外研究情况

在上世纪70年代，由于预见到斯特林发电机在未来能够发展成空间应用的长寿命、高可靠电源装置，NASA对斯特林发电机保持了持续的关注和支持。1989年NASA GRC进行了白由活塞斯特林放射性同位素发电机空间应用的可行性研究，对输出功率240W和480W的两种斯特林放射性同位素发电机研究结果表明，斯特林放射性同位素发电机在空间应用是可行的。MTI公司于1992年为NASA SP-100项目开发了25KW空间斯特林发电原理样机，斯特林发电机采用白由活塞祸合线性交流发电机，热源采用反应堆，如图2。

同一时期，美国能源部资助GE开发了1kW空间斯特林同位素发电机，结构采用菱形机械结构传动祸合旋转交流发电机，如图3，这种机型结构复杂，很难保证发电机的长寿命和高可靠。而在白由活塞斯特林机祸合线性交流发电机的构型中，由于采用了问隙密封和板弹簧支撑技术，流体传动技术，消除了摩擦机械、密封结构、阀件和润滑系统等不可靠因素的影响，动力学平衡性能好，从而消除了影响长寿命和可靠性的失效模式，NASA确定这种结构为空间斯特林发电机的构型。到上世纪90年代早期，NASA GRC通过更多深入研究，斯特林放射性同位素发电机在空间应用的潜力被进一步认可，但还需要在输出功率水平效益，系统集成，寿命和可靠性试验数据的积累方面为其空间应用提供进一步的参考。1993年NASA委托Infmia公司研制空间斯特林发电机，效率28%，输出功率280W o 1994年美国DOE资助Fairchild Space and Defense Corporation进行75 W空间斯特林发电机的研究，该项目计划应用于冥土星快速吃越任务。在1997年DOE对高效放射性同位素电源转换技术进行了评价研究，确定斯特林发电技术为可用的空间电源技术，该评估结果引出了NASA先进放射性空间电源项目，Lockheed Martin公司作为系统集成商，由infmia公司提供斯特林发电机技术验证样机，该机为2台SSW斯特林发电机双机对置结构，在1999年该样机达到了27%以上的效率，重量6kg，。由DOE, NASA和工业部门联合授权组织研究单位对开展空间斯特林发电机吃行件研制的技术成熟度的评价，参加的研究单位包括DOE-Germantown NASA GRC JPL OSC LM，主要评估该项技术的空间适应性，基于相关的空间吃行斯特林制冷机的可靠性数据和Infmia公司lOW空间斯特林发电机50000h以上的寿命实验数据和分析，评估认为SRG110的技术已达到进行下一步时示样机研制水平，可以进行吃行样机的研制。SRG110项目中1台斯特林发电机在NASA GRC进行各项试验，截止2008年12月完成了20000h的热真空试验和各项力学环境试验。随后由SRG110演变出的时示样机 ，该样机使用2块通用同位素热源，热功率输入496W时，能够产生116W的电能输出，到2005年，吃行样机的研制使空间斯特林发电技术进一步成熟。为了进一步提高空间斯特林发电机的性能，NASA GRC资助Sunpower公司进行了先进空间斯特林发电机的研究，研制的EE-35空间斯特林发电机比功率达到90W/kg，与同位素热源祸合后系统比功率达到8 W/kg，如此水平的比功率将能够满足一系列新型放射性同位素电推进任务的电源要求。试验表明斯特林发电机已能够满足航天器的发射力学环境要求。此外Infinia公司的空间斯特林发电机地面寿命试验累计达到了120000h水平。2009年NASA GRC开展了用于月球地震检波仪登陆器斯特林放射性同位素电源的设计，在日本太空发展署的支持下，日本国家空间实验室从1997年开始了空间太阳能热动力斯特林发电相关技术的研究，研制了空腔型太阳能集热器，斯特林热电转换器等，其斯特林发电系统NALSEM 500型，在SOOW的输出功率时，效率达到32。应用目标为空间站电源、供热和热推进系统。在上世纪末，在日本空间吃行器SFU上进行了搭载试验。该系统产生的电力将用于等离了推力器试验和新一代航天器(含月球轨道站)的供电系统 。

2010年7月，NASA发布了空间斯特林发电机继续研究项目指南，空间斯特林发电技术研究已进入了吃行件研制阶段。计划应用于未来的航天任务，如Europa Flagship 2016。

国内研究情况

在我国，我国上海船用柴油机厂(711所)在消化吸收的基础上研制出了常规燃料的11 0kW船用斯特林发动机，并研发了利用生物质燃烧发电的发电系统，目前已成功运行了两年多。北京农业大学已开发出燃玉米芯的SkW斯特林发动机。华中科技大学、中国科技大学、西安航空发动机公司等在斯特林发动机研究上也做了许多有益的工作。南京航空航天大学紧跟国际太阳能斯特林发动机的发展趋势，在一些关键部件的理论和实验研究上取得了较丰富的成果。国内目前没有有关空间斯特林发电机的研究报道。空间斯特林热发电技术的研究基础薄弱，同国外在该领域的发展相比，差距很大。兰州空间技术物理研究所在国家支持下，目前正在开展空间斯特林发电技术的研究，已完成实验室“T'’样机的研制，并开展相关实验。

混合制冷剂液化流程有开式和闭式两种。闭式混合制冷剂液化流程是指制冷剂循环与天然气液化过程彼此分开的液化流程。图2为采用闭式混合制冷剂液化循环的天然气液化装置示意图。这套装置是1970年恢复运转的利比亚伊索工厂的液化装置。

该厂共有四条液化生产线，每两条液化线组成一套装置。每套装置设有单独的原料气预处理、压缩机及换热器等。总液化能力为1075×104m³/d。

两台并联布置的压缩机将原料气从起始压力2.84MPa压缩到4.64MPa。压缩后的原私气用热钾碱法脱除二氧化碳与硫化氢；用分子筛脱水干燥，并借助吸附过程脱除高碳氢化合物。净化后的天然气进入低温换热器冷却和液化，其液化压力为3.94MPa。

每套液化装置由4台离心式制冷压缩机及两台绕管式铝制换热器组成。因此整个液化系统共有8台制冷压缩机，均用蒸汽透平驱动：4台低温绕管式换热器，每台占径4.5m，高61m，换热器而积93000m²。

液化天然气产品在大气压下，储存在两个容量为47700m3的地面双层隔热合金钢储槽中，储槽直径42.7m、高36.6m，内壳采用含9%Ni的钢板，蒸发率为0.1%。