1、本科毕业论文（20 届）压缩空气动力的发展现状及展望综述所在学院 专业班级 电气工程及其自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 哈尔滨理工大学学士学位论文I压缩空气动力的发展现状及展望综述摘要本文介绍了空气压缩动力的发展趋势，作用和特点。并且建立了空气压缩动力发动机工作过程数学模型，分析了其主要性能指标。同时也通过数学模型对压缩空气-燃油混合动力的工作过程进行了仿真分析。分析表明，这种混合动力能有效提高内燃机燃料燃烧产生能量的转化效率以及气动发动机的输出功率。压缩空气不仅可以作为工作介质，而且可以储存能量作为一种动力源。压缩空气动力在资源和环境问题日益突出的情况下，它与传统的
2、动力系统相比具有诸多优点，因此在车辆、发电装置等方面得到了越来越多的应用。在国外压缩空气动力已经成为节约能源和治理环境污染的重要途径之一。本文还对压缩空气储能发电和压缩空气动力汽车进行了综述。分别介绍了它们的原理、优点和特性。认为它们是一种真正“零污染” 的、有广阔市场的技术。指出了这两种压缩空气动力方面的应用是未来发展的一个重要方向。同时展望其良好的发展前景。关键词：压缩空气储能发电；压缩空气发动机；压缩空气-燃油混合动力发动机；压缩空气动力汽车Viewing on Applications and Developments of the 哈尔滨理工大学学士学位论文IICompressed
3、Air PowerAbstractThis article describes the development trends, the effect and characteristics of compressed air power. And established the mathematical model of a compressed air powered engine work process, analysis of its key performance indicators. Also established math modelling of compressed ai
4、r-fuel hybrid working process, the energy saving effect was analyzed. Simulation results indicated the hybrid can improve energy transform efficiency of internal combustion engine fuel and air-power engine output power.Compressed air is not only a work medium, but a kind of power source stored press
5、ure energy. While facing the problem of resource shortage and environmental pollution, the compressed air power has a lot of advantages compared with traditional power, which has been widely used in vehicle, electrical machine and other aspects. It has become an important way to conservation and pol
6、lution control at broad.The article also make reviewed for compressed air energy storage power generation and compressed air powered vehicle. Introduced the principles, advantages and features. That they are a technology of a true “zero pollution“ and a broad market. Both the application of compress
7、ed air power is an important direction for future development. Outlook of its good prospects for development.Keywords: compressed air energy storage power generation; compressed-air engine; air-power and fuel engine; compressed air powered vehicle哈尔滨理工大学学士学位论文III目录摘要 .IAbstract.II第一章 绪论 .1哈尔滨理工大学学士学
8、位论文IV1.1 压缩空气动力研究的意义 .11.2 压缩空气动力系统的组成 .21.3 压缩空气的发展 .2第二章 压 缩空气储能发电 .42.1 压缩空气储能（CAES）电站相关概念 .42.1.1 CAES 电站工作原理 .42.1.2 压缩空气储存空间的选取 .52.2 压缩空气储能发电过程中的能量转换 .52.2.1 理想转换过程 .52.2.2 实际转化过程以及转化率 5 .62.3 各种能量存储技术的性能对比 .72.4 压缩空气蓄能电站的现状和发展趋势 .82.4.1 改进燃气轮机循环 .82.4.2 应用联合循环技术 .82.4.3 机组和电站的大型化、自动化 .92.4.4
9、 用于分 布式能量系统 及热、电、冷联供 .92.4.5 储存空间方面发展 .92.4.6 各国 CAES 电站的研究和发展情况 .102.5 压缩空气蓄能发电的优点 .102.6 小结 .11第三章 压缩空气发动机 .123.1 往复式压缩空气发动机 .123.2 叶片式压缩空气发动机 .153.3 旋转式压缩空气发动机 .153.4 新型旋转式压缩空气发动机 .163.5 三角转子压缩空气发动机基本结构和工作原理 .173.5.1 三角转子压缩空气发动机几何原理 .173.5.2 三角转子压缩空气发动机的原理和配气系统特点 .173.5.3 三角转子压缩空气发动机的工作原理 .183.5.
10、4 三角转子压缩空气发动机的工作过程 .193.5.5 配气系统的特点 .203.6 三角转子压缩空气发动机的工作过程数学模型 .213.7 三角转子压缩空气发动机主要性能指标 .243.8 结语 .25第四章 压缩空气-燃 油混合动力发动机 .274.1 混合动力整体方案 .274.1.1 空气利用的串联方式 .274.1.2 空气利用的并联方式 .28哈尔滨理工大学学士学位论文V4.1.3 空气利用的混联方式 .284.2 热力学模型 .294.2.1 压缩空气动力发动机的热力学模型 .294.2.2 内燃机的热力学模型 .314.3 仿真结果 【37】 .334.4 小结 .34第五章
11、压缩空气动力汽车 .355.1 压缩空气动力汽车的原理 .355.2 压缩空气储存 .375.3 动力系统 .375.3.1 压缩空气动力发动机及传动系统 .375.3.2 动力系统 .385.4 辅助设备 .405.5 压缩空气动力汽车的特点 .405.6 国内外研究工作综述 .415.7 汽车特性对比分析 .425.8 能量分析 .435.9 小结 .44结 论 .45致 谢 .46参考文献 .47附录 .50哈尔滨理工大学学士学位论文- 1 -第一章 绪论1.1 压缩空气动力研究的意义当前，我国经济社会发展与资源环境约束的矛盾日益突出，环境保护面临严峻的挑战。下大力气解决危害人民群众健康
12、和影响经济社会可持续发展的突出环境和能源问题，努力建设环境友好型社会成为“十一五”规划的发展重要目标之一。在现代文明的今天，科技的飞快发展给人们带来了非常多的便利，人们从中得到了许多利益。但是当人们享受着这些科技带来好处的同时，我们周围的环境却遭受着不同程度的破坏。工厂排出的废气、汽车排放的尾气无时无刻不在污染着环境。然而这些还不算最近可拍的，因为人们想要享受科技的便利必须要消耗大量的能源。但是人们现在所使用的能源大多数是石油，煤炭等，而这些能源却不是取之不尽的。拿石油举个例子，目前全球每日石油消耗量约为五千万桶，但是世界石油总可采储量仅为 1434亿吨，储采比（是指年末剩余储量除以当年产量得
13、出剩余储量按当前生产水平尚可开采的年数）为 41 年，中国则为 38 亿吨和 24 年。另外，对于石油储量相对偏少的国家而言，如中国、日本等，需要大量进口石油。可想而知，当石油等不可再生的能源耗尽时，科技的发展可能会出现断层，经济会崩溃。因此，调整能源消费结构，大力开发使用清洁能源，已经成为全世界包括我国节约宝贵不可再生能源、加强环境保护的一项紧迫任务。正是在“环境污染”与“能源危机”的双重压力下。多种代用能源相继出现，如天然气能源、醇类能源、氢燃料能源、电动能源等。天然气能源：它在治理大气污染、缓解能源危机能方面具有一定优势，是一种很有前景的代替能源。但是天然气能源成本高并且与汽油一样，都是
14、矿物燃料，都是不可再生资源，不是取之不尽的。醇类能源：主要分为甲醇燃料和乙醇燃料。甲醇燃料的使用对生态环境和人体健康具有较大的影响。乙醇燃料由于是从农作物制取，属于可再生能源，在生态循环中可减少大气中的 CO 和温室效应，受到许多国家重视。但目前存在的问题是乙醇制取能耗较大、成本较高，约为汽油的两倍，要在生产技术上寻求突破，降低能耗和成本。氢燃料能源：氢是一种无机燃料，燃烧发热量大，为相同质量石油的3 倍，他可以用各种一次性能源，特别是核能和太阳能将水直接分解来获得。因此氢是一种可以再生的、低污染的理想替代燃料。但是现在国际氢燃料实用化的关键仍面临储存、运输、生产成本昂贵、以及安全操作等难题。
15、其一，燃料价格过高，按市场价氢比汽油高 6- 10 倍，其二，设备复哈尔滨理工大学学士学位论文- 2 -杂。直接烧氢需高压或低温，技术难度大，易泄漏，有严重的安全隐患。其三，燃料供应系统复杂。直接烧氢需新建加氢站，不能利用现有石油网路组合或替代，必须新建投资巨大。电动能源：目前电动能源因为蓄电池的制造成本很高、周期寿命短、使用成本高、电池充电时间长、本身的二次污染，一时难以达到大规模的使用程度。以上一些清洁能源仍然有污染和热效应，有些燃料还有毒性，于是人们期待一种没有污染、用之不竭、经济实用的新型能源。压缩空气动力就是其中之一，它是以压缩空气为动力。压缩空气是继水力、电力、石油及天然气之后的第
16、四大资源。1.2 压缩空气动力系统的组成压缩空气是无污染的动力源，以压缩为动力源的启动动力系统可被称为绿色气动力系统，其特点是以压缩空气的生产到最终的排放，对环境都不产生污染。绿色气动力系统的组成和能量路线见图（1-1） ，其中绿色能源可以是太阳能。风能、水能、地热能等一次能源，或有它们产生的电能。转换装置主要包括将一次能源转换为机械能的装置和空气压缩机，通过它们生产洁净的压缩空气。高压气体单元是空气压缩机生产的存入储气罐中的高压压缩空气，作为气动动力系统的直接动力源。减压控制单元是设备上或系统中储存的高压压缩空气的能量传递和转换的控制环节，其作用是将高压气体减低为驱动气动发动机所需的中低压气
17、体。气动发动机是气动动力系统的动力输出装置，以压缩空气为能源对外做功。辅助装置包括系统监控、能量补偿和能量回收装置，对系统能量的高效利用起到重要的作用。负载试制动力系统运行过程中所完成的各种工作和克服的各种阻力。图 1-1 气动动力系统组成与能量控制流程方框图1.3 压缩空气的发展压缩空气技术越来越多地应用于各个行业的自动装配和自动加工小件、特殊物品的设备上，原有传统的气动元件性能正在不断提高，同时陆续开发出适应市场要求的新产品，使其各品种日益增加。其发展趋势主要有以下几个方面：（1）机电一体化、智能化与电子技术结合，大量使用传感器，气动元件智能化带开关的气缸国哈尔滨理工大学学士学位论文- 3
18、 -内已经普遍使用，开关体积将更小，性能更高。随着工业的发展，所需的各种高效、多功能、自动化设备和生产线，都迫切需要配套气电一体化产品。因此，气动机电一体化与智能化技术的开发和应用是国际气动技术发展的一大趋势。（2）精密化、高速化、小型化为了使气缸的定位更准确，使用了传感器、比例阀等实现反馈控制。执行元件的定位精度提高，刚度增加，使用更方便。为了提高生产率，自动化的节拍正在加快，高速化是必然趋势。有限的空间要求气动元件的外形尺寸尽量小，小型化是主要发展趋势。（3）高寿命、高可靠性气动元件大多用于自动生产线上，元件的故障往往会影响全线的运行，为此，对气动元件的工作寿命和可靠性有了更高的指标。（4
19、）节能、环保、低功耗这是永久的课题，并将规定在建立 ISO14000 环保体系标准中。进入21 世纪以来，节能环保事业越开越得到重视，一系列的节能政策和节能措施不断颁布实施。所以把握气动的节能策略，制定行之有效的气动节能措施，对今后深入发展气动活动具有重要意义。压缩空气动力的应用其实离我们的生活并不远。往大了说，许多飞机上的发动机就是运用了压缩空气动力。往小了说，我们装修房子时所用的气钉枪同样运用了压缩空气。往新颖了说，机器人身上的关节有些也是用了压缩空气动力。还有电站、汽车等等方面都有用到压缩空气动力。总而言之，我们的周围总是可以看到它的身影。本文见着重介绍压缩空气动力中的一些应用：压缩空气
20、储能发电、压缩空气发动机、压缩空气汽车。哈尔滨理工大学学士学位论文- 4 -第二章 压缩空气储能发电气动动力系统应用的范例之一是压缩空气储能系统。压缩空气储能（CAES）是一种新型电能储存技术，其它的储能技术还有抽水储能、蓄电池、超导蓄能、储热蓄能等。CAES 是 50 年代发展起来的，第一个压缩空气储能电站 1978 年在德国建造，储能容量为 290MW。1991 年，美国建成了储能容量为 110MW 的压缩空气储能装置，其主要部分是一台两级汽轮机，一台压缩机，一台发动机和一台回收装置，此外还有换热系统、低压膨胀器等，发电时可是燃料消耗降低 30%1。日本能源厅和电源开发公司已研制出两种压缩
21、空气储能系统：一种是变压式，随着压缩空气充入洞室和从洞室中释放的过程，储存的压缩空气压力发生变化：另一种是定压式，它选择有色金属废矿洞，利用地下水的压力对压缩空气进行水封 2。其它一些国家正在计划建造压缩空气储能系统。2.1 压缩空气储能（CAES）电站相关概念2.1.1 CAES 电站工作原理CAES 电站是上世纪 50 年代发展起来的行星能量储存系统，在 20 世纪 90 年代开始随着相关科技的逐步完善，以及各国对能源电力质量、环境保护的更高要求，一些国家开始重视 CAES 的研究工作 3。CAES 电站包括压气机、电动机/发电机、地下储气室、换热器、燃烧室、燃气轮机等常用设备，可分为储能子系统和发电子系统。如图（2-1） 。压气机、电动机、储气室等组成的储能子系统中将电站低谷的低价电能通过压缩空气储存在岩穴、废弃矿井等储存室中，储能是通过联轴器将电动机/发电机和压气机耦合，与燃气轮机解耦合；电力系统峰荷时，利用压缩空气燃烧驱动燃气轮机发电，燃气轮机、燃烧室以及加热器等即发电子系统，发电是电动机/发电机与燃气轮机耦合，与压气机解耦合。图 2-1 CESA 系统概念图
