一种基于稀相催化燃烧和有机朗肯循环的新概念动力系统技术方案

一种基于稀相催化燃烧和有机朗肯循环的新概念动力系统，利用平流层飞艇等浮空器气囊排气作为稀相气体燃料，气体燃料通过稀相催化燃烧为有机朗肯循环工质提供热能，从而将气囊排气的低品位热能转化为电能，具有免去携带额外燃料、实现能源高效利用的优点，有机朗肯循环采用微型边界层透平作为有机朗肯循环系统的关键动力部件，具有透平入口参数要求低、便于小型化、可以有效防止在系统启停和非稳态工况下产生液击现象的优点。从而为平流层飞艇等浮空器在太阳能电池和再生燃料电池之外提供一种无需携带额外燃料的轻量化的发电系统，来满足在突风、应急和上升返回过程中的能源供应。

【技术实现步骤摘要】
一种基于稀相催化燃烧和有机朗肯循环的动力系统
本专利技术涉及一种动力系统，特别是涉及一种利用稀相催化燃烧和有机朗肯循环产生动力的系统，属于热动力发电领域。
技术介绍
稀相催化燃烧是气体燃料在固体催化剂表面进行的无焰燃烧氧化反应，通过降低反应活化能来提高反应速率和转化率。催化燃烧具有对燃料分压要求低，起燃温度低，高燃烧稳定性，节约能源，污染物排放低，适用范围广的优势，能够进一步实现燃料的高效清洁利用。有机朗肯循环(organicRankinecycle，ORC)中，循环工质为具有较低临界温度的有机工质，其对热源温度要求较低，是利用低温热源的有效途径。有机朗肯循环具有广阔的应用前景，可利用微型边界层透平(无叶透平)和有机朗肯循环将低品位热能转化为电能。微型边界层透平又称Tesla透平或无叶透平，由一组平行圆盘以极小间距平行固定在轴上，高速流体从近切线方向吹入圆盘间隙，螺旋状流入，从圆盘中心轴向流出，利用流体与边界的粘性力带动圆盘转动，类似于纯冲动式汽轮机，喷嘴压降大，转子压降小。边界层透平(无叶透平)具有入口参数要求低、制造成本低、便于小型化、可应用多相工质等优点。边界层透平由于没有叶片，可以有效防止在系统启停和非稳态工况下容易产生的液击现象。同时由于工质不在透平内部进行扩压和膨胀，因此密封较普通透平更容易，这对于对密封有着较高要求的有机朗肯循环较为有利。平流层飞艇依靠静升力驻空，可在20km高度区域定点悬停、主动控制和慢速机动，是一种可控的浮空器，它可携带数百公斤甚至数吨重的有效载荷，用来执行高分辨率对地观测、通信中继、区域预警等任务，非常适合作为新型信息平台。近年来，由于平流层飞艇在军民领域均有重要的应用前景，美欧等国都非常重视发展平流层飞艇新技术，开展了多项飞行试验，取得了重要进展。目前平流层飞艇能源系统方案均采用敷设在艇体表面的太阳能电池阵将太阳能转换为电能，通过电机驱动螺旋桨，实现定点、主动控制和机动的能力，并通过再生燃料电池和锂离子电池等储能装置满足夜间的能源供应。这些全电方案可较好地解决平流层飞艇在平均抗风能力下的能量循环问题。但由于平流层飞艇处于20km高度，会以一定的概率出现大风。平流层飞艇为实现定点抵抗阵风，其消耗的功率和风速近似成三次方关系，例如，平均抗风15m/s下消耗功率为40kW，在阵风30m/s下，消耗的功率将为320kW左右。若仍采用太阳能电池和再生燃料电池能源系统方案，能源系统重量会大幅增加，而这部分增加的重量在大多数时间中不会发挥作用。与飞机等飞行器不同，平流层飞艇艇囊内充满密度比空气小得多的气体借以产生浮力而升空，飞艇在飞行过程中通过艇囊的充放气过程来调节气囊压力，从而进一步调整升力和飞艇高度。因此，本专利技术提出了利用飞艇气囊排气作为稀相燃料，采用低温催化燃烧技术和有机朗肯循环应用于飞艇动力系统的热源，来满足在突风、应急和上升返回过程中的峰值功率需求，可望免去携带额外燃料，从而获得更为优化的系统能力。
技术实现思路
本专利技术的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种利用稀相催化燃烧和有机朗肯循环获取动力的系统，利用飞艇气囊排气作为稀相燃料，具有免去携带额外燃料、实现能源高效利用的优点，利用微型边界层透平(无叶透平)和有机朗肯循环将低品位热能转化为电能，具有透平入口参数要求低、便于小型化、可以有效防止在系统启停和非稳态工况下产生液击现象的优点。从而为平流层飞艇等浮空器在太阳能电池和再生燃料电池之外提供一种无需携带额外燃料的轻量化的发电系统，来满足在突风、应急和上升返回过程中的能源供应。本专利技术可大大提高平流层飞艇的机动性、安全性和环境适应性。本专利技术的技术解决方案是：一种基于稀相催化燃烧和有机朗肯循环的动力系统，包括：催化装置、蒸发器、冷凝器、泵、透平、发电机、电源管理装置和蓄电池装置；催化装置对飞艇排气进行稀相催化燃烧，产生催化燃烧气体，传送给蒸发器，所述飞艇排气为密度小于周围空气密度且能发生稀相催化燃烧的气体；蒸发器、冷凝器、泵和透平构成有机朗肯循环，泵驱动有机工质流入蒸发器中，并在蒸发器中吸收催化燃烧气体的热量后流入透平，透平将有机工质的热量转化为机械能输出，流经透平的有机工质进入冷凝器中进行冷却；发电机接收透平输出的机械能后，将机械能转化为电能，并利用电源管理装置和蓄电池装置进行存储。所述飞艇排气为氢气、甲烷或热空气。所述催化装置中的催化剂为贵金属催化剂、稀土钙钛矿型氧化物催化剂或六铝酸盐催化剂。所述催化装置中的催化剂载体为：Al2O3、SiO2、CeO2、ZrO2、MgO或复合氧化物。所述有机工质为R245fa、R123或R600a。所述透平为微型边界层透平。所述有机工质进入冷凝器中进行冷却，采用气体冷却的方式进行。所述气体为外部空气。所述气体为飞艇排气与空气的混合气体。所述飞艇排气与空气的混合气体为输入到催化装置的气体。本专利技术与现有技术相比的有益效果是：(1)本专利技术提出的一种基于稀相催化燃烧和有机朗肯循环的动力系统，可充分利用平流层飞艇排出气体作为稀相气体燃料，无需携带额外燃料，达到了轻量化、机动化的目的；(2)本专利技术利用低温稀相催化燃烧技术，具有对燃料分压要求低，起燃温度低，高燃烧稳定性的优点；(3)本专利技术以微型边界层透平作为热发电系统的关键动力部件，微型边界层透平(无叶透平)具有入口参数要求低、便于小型化、可以有效防止在系统启停和非稳态工况下产生液击现象的优点，从而可以有效减小整个系统的重量。同时由于工质不在透平内部进行扩压和膨胀，因此密封较普通透平更容易，这对于对密封有着较高要求的有机朗肯循环较为有利；(4)本专利技术采用有机工质朗肯循环，具有低品位回收热能效率高、环境友好的优点；(5)本专利技术中的有机工质采用R245fa，临界温度和临界压力均适应平流层环境，且不含氯元素，臭氧层破坏潜能为零，清洁无污染；(6)本专利技术中的催化剂为贵金属催化剂，催化剂载体为Al2O3，贵金属催化剂具有良好的催化反应活性，制备方法简单，Al2O3具有较高的比表面积，有利于获得高比表面的催化剂进而提高反应活性；(7)本专利技术中的冷却方法采用平流层飞艇排出的低浓度氢气与适量比例空气混合后吸收冷凝热，再直接进入催化燃烧段进行稀相催化燃烧，有效利用了冷凝热，提高了催化效率。附图说明图1为飞艇结构示意图；图2为本专利技术的系统(空气冷凝)示意图；图3为本专利技术的系统(冷凝热利用)示意图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术的具体实施方式进行进一步的详细描述。如图1所示为飞艇结构示意图，从图1可知，平流层飞艇包括平流层飞艇、座舱和动力系统。动力系统安装在平流层飞艇下部，由催化燃烧系统和有机朗肯循环系统组成。如图2所示为本专利技术的系统(空气冷凝)示意图，图3为本专利技术的系统(冷凝热利用)示意图，从图2和图3可知，本专利技术提出的一种利用稀相催化燃烧和有机朗肯循环获取动力的系统，包括催化装置、蒸发器、冷凝器、泵、透平、发电机、电源管理装置和蓄电池装置；催化装置对飞艇排气进行稀相催化燃烧，产生催化燃烧气体，传送给蒸发器；所述飞艇排气为比周围空气密度低且能发生稀相催化燃烧的气体，如氢气、甲烷、热空气。蒸发器、冷凝器、泵和透平构成有机朗肯循环，泵驱动有机工质流入蒸发器中，并在蒸发器中吸收催化燃烧气体的热量后流入透平，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于稀相催化燃烧和有机朗肯循环的新概念动力系统，其特征在于包括：催化装置(1)、蒸发器(2)、冷凝器(3)、泵(4)、透平(5)、发电机(6)、电源管理装置(7)和蓄电池装置(8)；催化装置(1)对飞艇排气进行稀相催化燃烧，产生催化燃烧气体，传送给蒸发器(2)，所述飞艇排气为密度小于周围空气密度且能发生稀相催化燃烧的气体；蒸发器(2)、冷凝器(3)、泵(4)和透平(5)构成有机朗肯循环，泵(4)驱动有机工质流入蒸发器(2)中，并在蒸发器中吸收催化燃烧气体的热量后流入透平(5)，透平(5)将有机工质的热量转化为机械能输出，流经透平(5)的有机工质进入冷凝器(3)中进行冷却；发电机(6)接收透平(5)输出的机械能后，将机械能转化为电能，并利用电源管理装置(7)和蓄电池装置(8)进行存储。

【技术特征摘要】
1.一种基于稀相催化燃烧和有机朗肯循环的动力系统，包括：蒸发器、冷凝器、泵、透平、发电机；蒸发器、冷凝器、泵和透平构成有机朗肯循环，泵驱动有机工质流入蒸发器中，透平将有机工质的热量转化为机械能输出，流经透平的有机工质进入冷凝器中进行冷却，发电机接收透平输出的机械能后，将机械能转化为电能；其特征在于：还包括催化装置、电源管理装置和蓄电池装置；催化装置对飞艇排气进行稀相催化燃烧，产生催化燃烧气体，传送给蒸发器，所述飞艇排气为密度小于周围空气密度且能发生稀相催化燃烧的气体；有机工质在蒸发器中吸收催化燃烧气体的热量后流入透平，利用电源管理装置和蓄电池装置进行电能存储。2.根据权利要求1所述的一种基于稀相催化燃烧和有机朗肯循环的动力系统，其特征在于：所述飞艇排气为氢气或甲烷。3.根据权利要求1所述的一种基于稀相催化燃烧和有机朗肯循环的动力系统，其特征在于：所述催化装置中的催化剂为贵金属催化剂、稀土钙钛矿型氧化物催化剂或六铝酸盐催化剂。4.根据权利要求1所述的一种基于稀相催化燃烧和有机朗肯循环的动力系统，其特征在...

【专利技术属性】
技术研发人员：吕晓辰，姚伟，史翊翔，王超，马蓉，蔡宁生，王茜，
申请(专利权)人：中国空间技术研究院，清华大学，
类型：发明
国别省市：北京;11