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【科技前沿】国内外压缩空气储能最新研究进展

放大字体  缩小字体 发布日期:2024-01-08  浏览次数:420
核心提示:中国科学院工程热物理研究所开展压缩空气发动机技术与动力系统集成的研究进展综述 文˙章˙信˙息技术领域:压缩空气发动机开发
 中国科学院工程热物理研究所开展压缩空气发动机技术与动力系统集成的研究进展综述

 

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                                          文˙章˙˙

 

技术领域:压缩空气发动机
开发单位:中国科学院工程热物理研究所 张华良
文章名称:Haifei Tian, Hualiang Zhang,et al. Advancements in compressed air engine technology and power system integration: A comprehensive review. Energy Reviews, 2023.
技术突破梳理和分析了不同类型的压缩空气发动机(CAEs)的结构特点和研究进展,并对以压缩空气为能量载体的几种车辆动力系统的技术特点和研究现状进行了分类综述。
应用价值:对碳中和背景下CAEs及其车辆动力系统的发展趋势和应用前景进行展望。

CUTTING-TECHNOLOGY

以压缩空气发动机为核心,以高压气体为能量载体的压缩空气动力系统,工作过程中无燃烧无高温,零污染零排放,在短距转场及防火防高温等特殊场景下,是一种具有潜在应用价值的动力技术。近年来世界各国全面推进碳中和进程,为压缩空气动力技术的发展提供了良好的机遇,研究者们从部件和系统层面开展了很多基础和工程应用研究工作。了解压缩空气动力技术的特点和研究进展,探讨碳中和背景下压缩空气动力技术的发展定位和方向,对推动它们的进一步研究和应用具有重要意义。
为解决上述问题,来自中国科学院工程热物理研究所的研究人员对压缩空气动力技术进行了详细综述。首先介绍了容积式、往复式以及旋转式CAEs的概况,解释了它们的工作原理和特点。回顾和分析了现有文献中各种类型的CAEs,评估了它们的结构和研究进展。如图1为基本压缩空气动力系统示意图,以车辆为应用场景的压缩空气动力系统,其功率在十千瓦级,按功率规模属于一种微型压缩空气储能系统,适宜采用容积式结构的压缩空气发动机。往复式压缩空气发动机的配气机构对其动力性能的影响不容忽视,多级膨胀技术可以进一步利用压缩空气的膨胀特性,理论上提升CAEs的功率和效率。旋转式压缩空气发动机在结构上相对运动的部件较多,这些部件间的间隙和相对运动会导致泄漏、摩擦等形式的能量损失,严重影响发动机的动力性能。CAEs的功率与进气量、进气压力、发动机膨胀比、转速等在一定程度上呈现正相关的趋势,但对发动机工作过程中相关能量损失的定量分析和机理研究不太充分。传统压缩空气动力系统工作过程中存在储能容量低、温度过低等因素导致的续航不足难题。近年来一些研究者提出发展以压缩空气动力技术为基础的混合动力系统,利用系统中的其他热量加热压缩空气以提高压缩空气的做功能力,有效解决了上述难题。
通过对CAEs和压缩空气动力系统的技术特点和研究进展进行全面的考察和评价,得到如下结论并提出展望:CAEs是压缩空气动力系统的核心部件,开发高膨胀比、高功率密度的发动机,是提高发动机单元和压缩空气动力系统的动力性能和总体效率的关键;旋转容积式CAEs的结构紧凑,功率输出连续,理论动力性能较好,但泄漏及摩擦等损失严重,需要加强对发动机工作过程中能量转换及损失的定量分析和机理研究,进行发动机原型开发和实验验证工作;压缩空气耦合储热的混合动力系统,提高了CAEs在轻型短程低速车辆上的适用性。而压缩空气耦合燃油、液压等的混合动力系统,在提供充足动力输出的同时,还可以显著提高燃油车辆的经济性,降低碳排放强度,在推动重型燃油车辆减少碳排放方面具有巨大的潜力;压缩空气动力系统工作时,发动机单元与动力系统的过程耦合和能量传递机理十分复杂,但当前对发动机单元的研究未能瞄准动力系统的需求靶心,而对动力系统的研究也没有考虑发动机单元的特性。统筹两者的设计研究,形成协同研究链条,对推动压缩空气动力技术的进一步研究和发展至关重要。(编译:周冰倩,张新敬 INESA)


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