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环境能动力汽车

2017-04-28 15:31:00 5e   作者: 邱纪林  

环境能动力汽车的效率显著高于电动汽车,比方说,电动汽车充一次电续航200公里,环境能动力汽车充同样多的电可以续航800公里,条件是环境温度不低于20℃,这听起来像天方夜谭,因为所有动力装置的能量转换效率都已基本确定。然而,制造这种高效节能的汽车并非不可能,不违反热力学,也不是永动机,增加的能量来自环境(太阳辐射热能)。理解这一点需要了解热泵工作原理。

热泵是一种独特的能源利用模式,用少量电能作为驱动能源,可以从低温热源吸收低品位热能泵给高温热源。热泵运行不是能量转换过程,不受能量转换效率极限100%的限制。热泵制造的热量是它从环境搬运的热量与消耗能量的和。环境温度20℃,热泵制热能效比COP(co-efficient of performance w/w)通常为4,即产生4份热量中3份来自环境,1份来自压缩机电耗。环境温度越高,COP值越大,反之亦然。热泵另一个重要功能为同步制冷热,制冷与制热互为因果。同时利用冷和热能效比等于提高1倍,称综合能效比。

令人遗憾的是热泵问世100多年始终未能用于输出功驱动动力装置,这是因为单一热源条件下,为了完成工质相变必须投入压缩功才能实现向环境放热,热泵无论从蒸发端搬运多少热都会在冷凝端释放,热泵制造的冷和热均为低品位能量很难将其转化为有用功加以利用。

近年来,在二氧化碳制冷循环中,针对CO2临界温度低,临界压力高,节流损失大的情况,用膨胀机(利用高压气体降压时对外输出机械功使工质温度降低原理以获得冷量的机械)替代膨胀阀,不仅回收了近30%的压缩功,而且相应提高了制冷能力,回收的功可直接作为机械、车、船动力。需要特别指出的是二氧化碳制冷循环回收的功不仅来自压缩机还来自环境,这与二氧化碳性质有关。

CO2环境友好,臭氧层破坏潜能值ODP为0,全球变暖潜能值GWP为1,临界温度31.1℃,临界压力7.38兆帕。三相点-56.6℃到临界点31.1℃,87℃的温差压力变化12.8倍(水的临界温度为374℃,对应7兆帕压力的饱和蒸汽温度为258℃)。由于CO2在地球平均温度20℃时具有较高压力,在小的温差内有最大的压力变化以及三相点温度较高容易液化等特性,尤其适合作为环境能动力汽车的循环工质。

膨胀机膨胀为绝热过程,不能从外界获得能量,输出的功只能以工质焓值减少为代价。工质因能量减少而增加的吸热能力称为膨胀机制冷量,膨胀机制冷量亦指它在膨胀过程对外作功的大小。膨胀机输出的功越多,工质的焓降越大。空气从0.6兆帕通过膨胀阀节流到0.1兆帕温降只有1℃,而通过膨胀机理论温降可达80℃-90℃,这是因为膨胀阀节流不对外做功,而膨胀机膨胀对外做功。

图1带膨胀阀的热泵循环。

图2用膨胀机替代膨胀阀对外输出功的热泵循环。

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带膨胀机的二氧化碳制冷循环输出功的同时改善热泵效率已经成为共识,这项技术应用于制冷节能,做法是将膨胀机与压缩机同轴连接,膨胀机直接给压缩机提供动力。见图3。

超临界二氧化碳膨胀机膨胀工质可以降到-70℃以致更低的温度。这个低温冷量可以作为嵌套的以环境为高温热源的有机郎肯循环(ORC)的低温热源而加以利用。根据热力学原理高温向低温传递输出功。制造出低于环境温度的“冷洞”,环境会自发的向它放热并输出功。见图4。

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环境能动力汽车的工作原理很像气动汽车,两者都依靠高压气体膨胀作功。利用压缩空气驱动汽车并非新概念,说到底气动汽车就是电动汽车,因为空气压缩完全依赖电力。小型气动汽车储气罐容量300升、压力30兆帕,气动发动机进口压力1兆帕,出口压力0.2兆帕。见图5。

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图5

环境能动力汽车的能量则主要来自环境,环境温度决定二氧化碳工质的蒸发压力,工质蒸发压力决定发动机的工作压力,这可以解释为什么环境能动力汽车的效率依环境温度变化而变化。

二氧化碳工质临界温度0℃对应压力为3.49兆帕,是气动发动机进口压力的3.5倍,蒸发温度低至-30℃仍然可以驱动汽车行驶,只不过此时的COP值很小,温度再低则只能转为纯电动模式运行。

现行气动汽车多采用活塞式发动机,压缩气体通过喷射器减压膨胀推动活塞运动。气体膨胀是制冷过程,若能从环境中吸热(利用环境能量)就可以提高气体火用效率,吸热越多越接近理想等温状态。

由于各种原因,实际过程理想等温膨胀不可实现。活塞式发动机有限的气缸容积以及换热时间限制了气体从环境吸热,造成低至-15℃的低温尾气排放。残压和冷量排放造成的气动发动机效率损失高达40%以上。用膨胀机替代气动发动机是一个可行的选择。方法是将膨胀机绝热膨胀产生的超低温作为嵌套的以环境温度为高温热源的ORC循环的低温热源,见图6。

图6:环境能动力汽车模拟运行图:

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经2号膨胀机对外做功后的低温、低压、液态工质由液体泵进入系统换热器1,制冷剂从环境吸热蒸发(对换热器外部的环境而言是制冷,冷量进入系统冷凝器)形成高温高压气态推动1号膨胀机做功。为防止液体泵故障引发高压工质回流,系统换热器入口设止逆阀。

推动1号膨胀机做功,释放了内能的低温、低压、气态制冷剂作为有机郎肯循环的低温热源参与换热,温度回升后经压缩机送入冷凝器向系统换热器1产生的蒸发制冷量放热冷凝。循环过程无论液体泵还是压缩机消耗的主要是推进功而非压缩功,能耗较低。

环境能动力汽车与气动汽车的根本不同在于前者采用低沸点工质为介质,后者以空气为介质。前者的能量主要来自环境,少量来自电能;后者的能量几乎完全来自电能。前者为闭路循环没有任何排放,后者排放冷空气。前者不受能量转换限制,但受环境温度影响,后者相反。

环境能动力汽车制造不存在技术瓶颈,关键设备例如全流(气液两相)膨胀机、压缩机、换热器以及小型ORC已经商业化。环境能动力汽车的动力装置没有燃烧过程、结构简单,制造成本较低。千瓦功率二氧化碳注入量1公斤,100千瓦功率的汽车二氧化碳注入量为100公斤。

环境能动力汽车是直接利用太阳辐射能的动力装置,同热泵一样,它采用低沸点工质,消耗少量电能可以从环境吸热并逆向传热,同热机一样可以将从外界吸收的热转化为功。环境能动力汽车实质是电力+太阳能混合动力。环境能动力汽车并不违背热力学,它是根据热泵原理运行的,它的运行效率指标是COP(co-efficient of performance w/w),而非能量转换。COP大于1并不意味着能量转换效率大于1。热泵COP的高低取决于环境温度以及温升,其理论效率为(工作温度+273)/温升△T,温升越大,COP越小,反之亦然。

另一个重要因素在于采用的工质二氧化碳。CO2的膨胀过程与通常的高压气体不同。高压气体的膨胀主要靠体积膨胀输出功,CO2膨胀过程出现气液相变,但体积变化不大。CO2膨胀比小是常规工质的10%。膨胀功大为常规工质的3倍,蒸发压力是常规工质的10倍。在环境温度区间CO2具有足够大的压力做功。此外,CO2的一般液态区域(0.52Mpa-7.38Mpa,-56℃-31.1℃)在环境温度区间,易于液化。环境能动力汽车正是借助了CO2这个载体才得以运行。

膨胀机同样是环境能动力汽车运行必不可少的条件。只有通过膨胀机才能在输出功的同时获得低温冷量,从而与环境产生足够大的温差,温差决定热机效率。

目前,太阳能汽车的发展主要有两条技术路线,一是将太阳能电池铺在汽车顶部直接接受太阳光发电驱动汽车,一是设立分布式的太阳能发电站,汽车通过蓄能充电桩充电。这两条路线都有缺陷,前者受到阳光密度、电池转换效率低的限制,后者受电池容量以及发电站基础设施建设的制约。环境能动力汽车可以拟补它们的缺陷,实现太阳能动力超距离续航以至无限续航。

邱纪林

2017年3月于北京




责任编辑: 李颖

标签: 新能源 环境能动力汽车 动力装置 能量转换效率 热泵

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