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的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种新概念动力系统，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新概念系统，属于热动力发电领域。
【背景技术】
[0002]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。
[0003]有机朗肯循环(organic Rankine cycle，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。
[0004]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。
[0005]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，本发明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。
【发明内容】
[0006]本发明的技术解决问题是: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新概念系统，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。本发明可大大提高平流层飞艇的机动性、安全性和环境适应性。
[0007]本发明的技术解决方案是:一种基于稀相催化燃烧和有机朗肯循环的新概念动力系统，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；
[0008]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；
[0009]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；
[0010]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。
[0011 ] 所述飞艇排气为氢气、甲烷或热空气。
[0012]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。
[0013]所述催化装置中的催化剂载体为:A1203、S12, CeO2, Zr02、Mg0或复合氧化物。
[0014]所述有机工质为R245fa、R123或R600a。
[0015]所述透平为微型边界层透平。
[0016]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。
[0017]所述气体为外部空气。
[0018]所述气体为飞艇排气与空气的混合气体。
[0019]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。
[0020]本发明与现有技术相比的有益效果是:
[0021](I)本发明提出的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，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；
[0022](2)本发明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；
[0023](3)本发明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；
[0024](4)本发明采用有机工质朗肯循环，具有低品位回收热能效率高、环境友好的优占.V，
[0025](5)本发明中的有机工质采用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；
[0026](6)本发明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尚反应活性；
[0027](7)本发明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】
[0028]图1为飞艇结构示意图；
[0029]图2为本发明的系统(空气冷凝)示意图；
[0030]图3为本发明的系统(冷凝热利用)示意图。
【具体实施方式】
[0031]下面结合附图对本发明的【具体实施方式】进行进一步的详细描述。
[0032]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。
[0033]如图2所示为本发明的系统(空气冷凝)示意图，图3为本发明的系统(冷凝热利用)示意图，从图2和图3可知，本发明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新概念系统，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;
[0034]催化装置I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。
[0035]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；
[0036]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。
[0037]本发明中的动力系统包括催化燃烧段、有机工质段和冷凝段。
[0038]在催化燃烧段，包括催化段和蒸发器放热部分，以氢气为例，利用平流层飞艇排出低浓度氢气，与适量比例空气混合后进入催化段，在催化段发生稀相催化燃烧后产生高温烟气，在蒸发段将热量传递给有机工质段。目前用于催化燃烧的催化剂主要有:(I)贵金属催化剂；(2)稀土钙钛矿型氧化物催化剂；(3)六铝酸盐催化剂。与其他催化剂相比贵金属催化剂显示了良好的催化反应活性，制备方法简单，但存在价格高、高温不稳定性等问题，因此考虑在载体上负载贵金属活性组分如Pd、Pt、Rh等形成负载型催化剂，可以减少贵金属的用量，节约