液流系统

2024-09-23

液流系统（精选7篇）

液流系统篇1

0 引言

目前, 钒液流电池是大容量蓄电池领域最新型的技术之一, 需要依靠循环泵的动力运行, 并对一些关键参数进行监控。但是, 传统的循环泵控制系统基本上以继电器为主要控制元件, 由几十个各类型继电器、接触器、开关、按钮及连线组成逻辑控制单元对循环泵进行控制, 并且工艺系统循环泵的配置数目一般为正负极各一台, 而不是由多台循环泵构成循环泵组循环切换控制, 这类控制系统包含了大量的继电器、接触器元件及其连接线, 在工作工程中, 继电器、接触器的频繁启动/停止, 极易造成损坏最终导致无法正常工作, 控制系统稳定性和可靠性较差, 而且该控制系统没有故障的自动诊断和恢复功能, 难以避免故障的误判、漏判, 使得系统可靠性低。而全钒液流电池的正常运行对监控系统的要求极高, 尤其是在全钒液流电池充放电状态下, 循环泵决不允许停转, 这就要求监控系统有足够的可靠性[1]。

本文首先对监控系统的结构进行了分析, 而后利用故障树、可靠性框图、Blocksim可靠性软件对新开发的钒液流电池监控系统各故障因素进行了定量计算, 确定了故障因素中的薄弱环节、关键点, 并对关键点进行了改进, 并做了改进前后的可靠性指标对比。

1 监控系统构成

监控系统包括交流电源配置单元、直流电源配置单元、人机接口单元、控制单元、信号变送模块组和动力变频单元, 结构图如图1所示, 钒液流电池监控系统主要有两大功能:一是循环泵的控制, 这也是最重要的功能;二是数据的采集, 采集钒电池的相关参数, 并对数据进行整理保存。循环泵的控制主要由PLC完成, 还可以通过变频器对循环泵进行调频运转, 触摸屏既可以显示相关参数、报警信息, 还可以手动操作设置泵的运行周期跟泵的频率。数据采集功能通过变送器采集钒电池实际参数通过I/O模块传送到PLC进行计算、滤波, 并在触摸屏上实时显示。图1给出了完成监控系统功能的主要设备结构图[2]。

2 监控系统可靠性框图

由图1可知, 供电电源、CPU、I/O模块、继电器、变频器、泵任何一部分失效均可导致系统故障, 无法实现控制泵启停、转速的功能;供电电源、电压隔离变送器、I/O模块、CPU、触摸屏任何一部分失效均可导致系统无法实现数据采集及显示功能, 所以从可靠性意义上说是串联系统[3], 可靠性框图如图2所示。

3 可靠性指标

供电电源是由变压器、电阻、二极管、发光二级管、开关等组成, 因此, 根据《电子设备可靠性预计手册》提供的电子元器件使用失效率预计模型来预计供电电源的失效率[4]。供电电源及组件预测结果λs=8.3×10-6h-1:

表1为全钒液流电池监控系统主要构成设备的失效率

由表1及图2[5], 并利用串联系统数学模型对监控系统的可靠性指标计算结果如下:

利用Blocksim可靠性软件绘制了系统从0到35 000 h的可靠度曲线如图3所示

4 可靠性分析

使用故障树分析 (FTA) 的方法可以对各故障因素通过故障树进行定性和定量分析, 确定引起系统故障的各故障因素的概率重要度、结构重要度, 并找出系统的关键点、薄弱环节, 再将分析结果运用于钒液流电池监控系统的可靠性设计中, 对关键点进行改进。由于本监控系统主要是对循环泵的控制, 于是可选定泵失效为顶层事件, 而后, 依次对各故障因素进行系统分析绘制泵失效故障树, 如图4所示。

通过在Blocksim可靠性软件上建立泵失效控制系统的故障树并进行仿真得到各个底事件概率重要度柱状图如图5。

图5中横坐标1、2分别代表1#泵故障、2#泵故障, 3代表供电电源故障, 4、9分别代表直流电源模块1#/2#故障, 5代表触摸屏故障, 6代表CPU故障, 7代表CPU背板故障, 8代表I/O卡件故障, 10代表I/O卡件插座故障, 11、12代表1、2#继电器故障, 13、14分别代表1、2#变频器故障。由图5可将变频器、继电器、泵称作动力变频单元, CPU、CPU背板称作CPU、I/O、I/O卡件称作I/O模块, 则各基本事件的概率重要度排序为动力变频单元>触摸屏>供电电源>CPU>I/O模块>直流电源模块, 由此, 可针对关键部位进行改进设计。

5 可靠性改进

改进后的监控系统对电源、电源回路、直流电源模块、PLC、动力输出单元进行分组独立设计, 加入冗余[9,10]。冗余后的可靠性框图如图6。

其中电源切换装置依据《电子设备可靠性预计手册》提供的电子元器件使用失效率预计模型来预计电源切换装置的失效率。电源切换装置及组件预测结果λs=11.1×10-6h-1:

改进前后系统可靠度对比表如表2。

由表2可以清楚的发现改进后的系统可靠性指标有了明显提升, 也使得全钒液流电池监控系统的可靠性得到了明显的改善。

6 结束语

全钒液流电池循环泵系统对可靠性的要求极高, 尤其是在充放电状态下绝对不允许循环泵停转, 这就对全钒液流电池监控系统的要求极高, 本文对新开发的全钒液流监控系统的结构进行了分析, 并利用可靠性框图、故障树对监控系统的可靠性进行了定量计算。通过对监控系统可靠性的研究找出系统的关键点, 并对监控系统进行了冗余设计, 通过改进前后监控系统的可靠性指标的对比, 体现了改进后监控系统的可靠性的提升。

参考文献

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液流系统篇2

关键词：液流电池,FPGA,电池管理系统

0前言

电能是信息社会最重要的、必不可缺的二次能源, 是经济可持续发展的保障。风能、太阳能和潮汐能等可再生能源被认为是未来电能的有效来源, 在世界范围内正日益得到关注。为保证可再生能源发电系统的稳定供电, 应以蓄电储能的方式加以调节。全钒液流电池作为其中一种储能电池, 在世界范围内得到广泛的关注。

与其他二次电池相比, 全钒液流电池具有显著的特性:充放电次数可达10000次 (20年) 以上;通过更换电解液, 可实现“瞬间再充电”;功率与容量分开, 高达兆瓦级输出功率;绿色环保无污染, 电池可完全回收;放电深度高达80%以上;支持过充过放而不损坏电池;电池不需要维护, 寿命长。

全钒液流电池突出的优点, 被业界人士所认可并已开始商业应用。但由于液流电池单体电压 (1.5V) 偏低, 为满足大功率要求, 需要大量的串联, 为保证储能系统安全需配备电池管理系统。

1 电池管理系统所要解决的主要问题

由于全钒液流电池单体电池电压只有锂离子电池电压的约1/2倍, 因此, 在大功率应用场合时, 在相同功率要求下, 液流电池串联的数目是锂离子电池的2倍。在串联电池数目翻倍的情况下, 会使得现有的锂离子电池管理系统完成一次全部电池参数采集的时间增加, 通信数据增多, 上位机更新一次数据的时间变长, 在特定场合时无法满足要求。液流电池对电池管理系统提出了更高的要求。为满足液流电池对电池管理系统的要求, 电池管理系统的设计应该从以下几个角度考虑:

1) 从实时性角度考虑:电池管理系统应具有多通道同步数据采集功能, CPU芯片本身具有并行快速处理能力。

2) 从功能角度考虑:精确的单体电压测量是整个电池管理系统的核心, 为保护功能的及时响应奠定基础, 同时精确的单体电压是电池管理系统中剩余电量准确计算的基本前提。

3) 从安全角度考虑:对故障要具有快速准确的判断和响应能力。在通信中断的情况下, 也必须能够对故障做出响应。

2 系统总体方案

本电池管理系统以型号为EP1CI-PQFP240的现场可编程门阵列 (Field Programmable Gate Array, FPGA) 器件作为控制核心, 利用其丰富的逻辑单元, 通过编程来实现相应功能。同时, 利用FPGA自身的时钟倍频功能, 实现快速的处理能力。电池管理系统的基本结构如图1所示。

在图1所示的系统构成中, 电池检测模块实现对电池电压、电流、温度的测量, 测量结果通过SPI接口实时传送给FPGA。FPGA单元负责电池数据的分析、故障的检测。通信单元包括:自定义的CAN总线通信和RS485串口通信, 其中CAN总线用于内部数据的传输, 将电池的全部或部分信息传送给整套设备的控制系统;RS485串口通信负责与上位机监视系统进行通信, 电池的所有信息都可在上位机可视化页面显示。通过采集电解液罐中压力数据, 实现对电解液罐中压力的控制。

3 硬件设计

3.1 电压检测电路

电压检测电路由滤波电路、减法电路和A/D电路组成。具体电压采样电路如图2所示。电池单体电压通过Vbat+和Vbat-接入采样电路, 然后经由R1、C1、R2、C2及C3构成的滤波电路, R1、C1组成了同相输入端的低通滤波器, R2、C2组成了反相输入端的低通滤波器。通过R3、R4、R5、R6和运算放大器组成的减法电路将电压求出, 再送入跟随器增强信号的输出能力, 最后送入16位A/D芯片。

电池组的电池是串联在一起的, 越往上单体电池的电位相对于电池组负极越高, 电压采样电路所需要的耐压等级就越高。因此, 必须解决单体电池的电位与电压采样电路电位的问题。采取的方法是:把单体电池的不同电位隔离开来, 即分别独立地取各个电池的电压, 电压采样电路有自己独立的“地”。具体电路如图2所示。一个电压采集模块电路由12个PHOTOMOS继电器AQW212, 和多路选择开关CD4067组成。本设计中, 使用AQW212光控MOS管开关实现对电池单体进行循环采样, 在任意时刻, 都只采集一个单体电压。不但提高了系统的可靠性, 而且降低了成本。电池管理系统中共有4个电压采集模块电路, 实现一次同步采集4个单体电池电压。

3.2 电流检测电路

采用电流输出型霍尔电流传感器采集总线电流信号, 0-100m A的电流信号通过精度为±1%的69Ω电阻和运算放大器组成的电压跟随器转变成0.0-6.9V的电压信号, 由A/D采集此信号, 计算出对应的电流值, 电流信号转换电路如图3所示。图中D1是防止输入信号过压造成运算放大器及后级电路的损坏。R4、C2组成一个低通滤波器, 滤除干扰信号。

3.3 温度检测电路

电池组在充、放电过程中, 一部分能量以热量形式被释放出来, 这部分热量不及时排除会引起电池组过热, 电池性能及参数发生变化。为防止以上情况发生, 需要对电池组温度进行实时监测并进行散热处理。

温度测量采用的MAX6674是一种采用SPI总线的数字温度传感器, 可以直接得到一个12位的数字信号, 通过SPI总线送入FPGA的SPI口, 作为判断电池热状态的依据, 检测精度达到了±0.1℃。

4 实验结果与数据分析

为了验证该电池管理系统的功能是否满足液流电池的需求, 取48节单体电池作为一个电池组。表1给出了6组随机采样的电压、电流、温度的测试值、真实值以及测量的相对误差或绝对误差。

4.1 实验结果

由表l可知, 该电池管理系统电压测量相对误差小于0.5%, 电流测量相对误差小于0.5%, 温度测量误差小于±2℃。满足系统对测量参数相对误差的要求。

4.2 实验数据分析

1) 随着电流值的增大, 采样电阻两端电压升高, 使电阻两端电压趋于AD芯片推荐的最佳采样电压范围, 致使相对误差越来越小。但其测量的相对误差值稍高于电流传感器与AD芯片给出的测量误差, 分析其原因是由于采样电阻的精度不高, 同时采样电阻的阻值也受环境温度的影响。

2) 温度的实际测量误差与温度芯片给出的测量误差稍有不同, 其原因是由于芯片转换出的温度信号是以电压形式给出的, 其抗干扰能力不如电流形式的, 容易受到外接干扰所致。

5 结论

本文设计开发了一种基于FPGA的液流电池管理系统, 实现了对液流电池电压、电流、温度的实时检测和保护, 以及通信等功能。通过实验, 验证了该系统测量误差满足要求, 功能完善, 运行稳定, 能够有效地保护液流电池及其他设备安全。

本文创新点:提出以FPGA作为液流电池管理系统的核心控制芯片, 与以往采用单片机或DSP作为控制芯片相比:FPGA能够实现程序的并行运行, 从而缩短系统响应时间;丰富的I/O接口, 实现了单个芯片能够测量更多的电池参数;消耗更少的能量和更为灵活方便的电压监测。

参考文献

[1]吕杰, 宋文吉.基于LTC6803-4的电池管理系统信号采集技术研究[J].测控技术, 2013, 32 (1) :23-27.

[2]陈志楚, 潘峰.电动汽车动力电池管理系统[J].电源技术, 2013, 37 (2) :255-258.

液流系统篇3

1 YLR液流热能发生器简介

1.1 发热原理

YLR液流热能发生器的工作原理是将动能转化为热能, 用水泵把供热管网中的水 (最初都是自来水) 加压至8 kg/cm2, 由液流热能发生器的进水口进入核心组件, 在压力的作用下使之产生高速旋转运动, 随后进入减压区形成断流, 并生成蒸汽——气水混合的微小气泡, 携带微小气泡的高速运动的水流进入高压区, 在压力作用下, 微汽泡消失, 蒸汽凝结, 气体压缩, 原微气泡中心的温度急剧上升。液体在液流热能发生器中, 由于速度与压力的变化, 产生空穴效应, 在旋转运动中被加热, 而无需使用任何电加热元件, 这是一种全新概念的热能获取设备, 其原理框图见图1。

1.2 性能特点

1.2.1 绿色环保

YLR液流热能发生器是一种新型的热源装置, 它不需要锅炉及其配套设备, 占地面积小, 施工周期短, 不需要燃煤、燃油、燃气, 不需要水处理, 不存在污染, 完全实现零排放。

1.2.2 应用方便, 易于实现自动化

针对不同的应用场合, 在不同的环境温度下, 根据取暖面积的大小, 可以选择不同规格组合, 运行费用、所需的制热量控制十分准确, 可根据客户要求实现恒温、恒压、定时控制、可实现无人值守, 也可以提供遥测、遥控、遥讯、遥视、人机界面控制。

1.2.3 热效率高、节能显著

液流热能发生器中的水在相对封闭的水系统中, 如果管网无漏失, 系统是不会失水的, 大大的节约了水资源, 液流热能发生器具有极高的电热转换效率, 其效率高达96%~98%以上;而电锅炉经过一段时间使用因产生水垢, 效率会明显降低, 液流热能发生器由于其发生原理不同, 其效率不会受此因素影响, 因此, 大大的节约了电能。

1.2.4 维护方便

液流热能发生器结构简单, 不结垢。只需定期维护保养水泵电动机的轴承、水泵机械密封及电控柜的低压电器等, 就可以实现零故障运行, 从而达到零维护。

1.2.5 使用寿命长

由于不同于电锅炉形式的电热转换原理。不存在电热转换元件烧损等问题, 且工作在常压下, 故有较长的使用寿命, 使用寿命达二十年以上。

1.2.6 具有消毒灭菌功能

本装置在对液体进行加热过程中产生“空化”状态, 对细菌具有杀灭作用。

1.2.7 不结垢

水流在流经液流热能发生器核心组件的过程中产生了特定的物理现象:在组件的首部涡流头中, 水流由于流经阿基米德螺旋流道而产生高速旋转运动, 进入次涡流室 (涡流管) 之后, 产生了特定的物理现象——超声空化, 即在次涡流室中产生的微气泡高速冲击次涡流室内表面, 并在止旋器和次涡流室内表面被压灭, 发生气蚀现象, 气蚀作用可以使金属表面的附着物剥离以及抑制垢类沉积。更是由于水的加热过程不是靠热传导获取的, 而是由水分子自身的相似与裂解、聚合放热反应升温, 便利水中的钙盐等结垢物质被分离出去, 沉积在排污口处, 待排放处理, 从而解除了系统中的结垢机会和可能, 该过程就是软化过程, 因此不需要专用软化处理设备。

2 应用情况分析

2013年1月, 在库区采暖泵房 (7 m×4.6 m) 内安装了2台45 k W液流热能发生器, 作为新建宿舍及员工食堂采暖热源, 其工艺流程见图2。

常规工作状态下, 2台45 k W液流热能发生器一主一备运行, 特殊情况下2台可同时启动运行。液流热能发生器出口温度可根据需要自动调节, 温度范围0~90℃。出口温度设定参数有上限值、下限值和联机启动值等。当液流热能发生器内被测介质温度值高于上限设定值时, 液流热能发生器自动停止运行, 保持一段时间;当液流热能发生器内被测介质温度值低于下限设定值时, 其中一台液流热能发生器 (主) 自动运行;当液流热能发生器内被测介质温度值低于联机启动设定值时, 两台液流热能发生器均自动启动运行;当被测介质温度达到下限值以上, 则其中一台液流热能发生器 (备) 停止运行。两台液流热能发生器还可以根据需要设定它的启停时间, 实现定时控制。

液流热能发生器配置有操作性能良好的人机界面触摸屏, 可显示循环水系统进出口温度、泵工作状态、变频运行频率、启停操作按钮、参数设定值、趋势曲线及故障报警等信息。非常方便现场维护人员对设备的监测、控制及故障判断等工作。

该装置于2013年1月13日正式投产运行, 2台45 k W液流热能发生器, 出口温度上限设定值为55℃, 下限设定值为45℃时, 宿舍室内温度可达到23~26℃;出口温度上限设定值为52℃, 下限设定值为40℃时, 宿舍室内温度可达到20~23℃。已经满足所有楼内食堂、宿舍室内温度不低于18℃的要求, 运行状况良好, 达到了预期的效果, 以下是45 k W液流热能发生器7日内连续监测运行的运行情况, 见表1。

3 经济效益分析

3.1 液流热能发生器年耗电费用

根据运行数据, 采暖期按四个月计算, 液流热能发生器 (45 k W的实际耗电36.76 k W) 一年耗电费用分三个阶段计算:

1) 不冷天 (11月15日-12月15日;3月1日-3月15日) 按一个半月计算, 45 k W液流热能发生器每天工作16 h, 耗电量为:264 67 k Wh。耗电费用为:1.323万元。

2) 稍冷天 (12月15日-1月15日, 2月15日-3月1日) 按一个半月计算, 白天10 h启动45 k W液流热能发生器工作8.5 h, 晚上14 h启动45 k W液流热能发生器工作12 h, 耗电量为:33 911.1 k Wh。耗电费用为:1.696万元。

3) 冷天 (1月15日-2月15日) 按一个月算, 白天10 h启动2台45 k W液流热能发生器工作9 h, 晚上14 h启动1台45 k W液流热能发生器工作12 h, 耗电量为:33 119 k Wh。耗电费用为:1.656万元。

故液流热能发生器一年耗电量为:93 497.1 k Wh。液流热能发生器一年耗电费用为:4.675万元。

3.2 其他采暖耗电费用

1) 集中供热采暖热力费用:热力费用每平方米按84元计算, 输油站的热力费用为6.72万元。

2) 电采暖年耗电费用:由于电暖气功率可调, 实际电能消耗为设计功率的2/3, 年耗电量为:84.32×104k Wh。年耗电费用为:42.16万元。

3.3 经济效益对比

按照集中供热采暖 (包括热网改造, 需缴纳热力费用) 、电采暖与液流热能发生器作为采暖热源进行了对比, 结果见表2。

从表2中可以看出, 三种采暖方式投资情况, 液流热能发生器的投资最少为38.75万元, 集中供热采暖的投资为44.79万元, 电采暖的投资为46.1万元。而每运行一年, 液流热能发生器作为采暖热源比集中供热采暖收取热力费用节约2.045万元, 比电采暖节约37.485万元。液流热能发生器作为采暖热源, 经济效益是非常可观的。

液流热能发生器不但运行平稳, 采暖效果好, 而且完全消除了锅炉改造热网后对重大易燃易爆油气场所带来的安全隐患, 技术上是可行的。

4 结论及认识

1) 采暖效果。由于液流热能发生器采暖用户端也是通过热水进行散热, 故采暖效果与热水锅炉采暖同样具有温暖、舒适、自然、空气湿润不干燥的特点, 而且无电采暖、辐射采暖的烤灼感, 采暖效果好。

2) 经济效益。通过对应用情况和经济效益的分析, 利用液流热能发生器作为采暖热源, 不但采暖效果好, 而且与建锅炉房相比施工周期短, 有良好的经济效益和社会效益。

3) 创新科技。YLR液流热能发生器是一种新型热源装置, 它不存在高压容器的安全问题, 不存在结垢, 不存在燃料渣堆放, 完全地实现零排放、零污染的新型“锅炉”。它是一种不需要锅炉、不需要锅炉房、不需要锅炉工人、不需要水处理、不需要燃料而实现液体加热的创新技术。

4) 适用于各种需要热源的场合。由于液流热能发生器具有占地面积小, 施工周期短, 安装维护方便等特点, 可以用于工艺拌热, 独立施工点采暖、工作区采暖, 游泳池、洗浴中心以及娱乐场所的加热, 灭菌消毒等。尤其是用在比较偏远的地方, 在没有气源只有电源和水源的情况下。

树干液流与树干呼吸关系篇4

关键词：树干液流,树干呼吸,动态变化,环境因子

1 引言

树干液流是指植物体内由于蒸腾作用引起木质部内向上的液流, 是衡量树木生长状况和水分利用规律的重要指标。在树干上升的液流中, 有99.8 %以上消耗于蒸腾[1]。近年来, 国内外对常绿阔叶林主要水分效应的研究, 多集中在树冠及枯枝落叶截留、集水区径流等方面, 树木蒸腾方面还仅限于叶片测定水平, 难以满足准确估测林分耗水量的需要。

全球陆地生态系统中的碳40 %贮存在森林中。同时树木的代谢呼吸能消耗自身光合固定碳的50 %以上。在森林生态系统中, 林木不同器官的呼吸速率差异较大, 而且对环境变化的响应也不尽相同, 因而很有必要对林木不同器官的呼吸作用进行分别研究。以往都将研究的重点放在叶片呼吸上, 并将其作为树木整体代谢的指标。但在树木的木质部活组织中树干呼吸持续发生, 并向大气连续释放CO2, 甚至在冬季树木休眠情况下也不间断[2], 木质部是林木非同化器官的主体, 木质组织呼吸是代谢呼吸的一个重要组成部分, 所以树干呼吸是生态系统碳循环研究中的重要内容。尽管如此, 但该领域的研究较少, 主要原因是树干呼吸测定技术较难解决。

树干呼吸与木质部液流中溶解的CO2正相关, 树干释放到大气中的CO2由测量处树干呼吸产生的CO2和被树干液流运输到测量树干而释放到大气中的CO2, 所以树干液流对树干CO2的释放有很大影响。国内研究主要集中在分析不同树种的树干呼吸特征及树干呼吸与树干温度、气温、和RH的关系, 但很少涉及树干呼吸与树干液流密度之间的关系的研究。

中国森林面积居全球第5位, 截至2010年我国森林覆盖率已提升至20%, 其中亚热带常绿阔叶林是我国面积最大的森林类型。研究亚热带森林优势种树干液流、树干呼吸的日变化规律及影响因素, 并探讨树干CO2释放通量与液流密度的关系, 对准确测定森林生态系统CO2排放和碳收支平衡, 具有重要的理论意义。并为大气CO2浓度变化的贡献和对全球变化的响应提供基础资料。

2 树干液流研究概况

近几十年来, 国内外研究者相继提出了一些诸如称重法、截干法和茎流速率法等各种不同的树木耗水量测定方法。利用热技术法测算树木茎干液流是目前该领域最先进、应用最广泛的技术方法。该方法根据其设计原理可分为热脉冲法、热平衡法、热扩散法和激光热脉冲法, 其适用性各异。国内运用此技术进行的液流研究大多集中在高大的乔木上[3], 对灌木的研究相对较少。国内在树干液流动态变化方面主要是对一种或多种树种液流动态变化特征进行研究, 并且结合气象站同步检测数据来进行分析。还有研究同一环境下, 几种不同树种之间液流动态变化的特征比较等。

肖以华等[4]采用ICT-2000TE树干液流测定系统, 对华南地区的主要造林树种马占相思的液流变化进行了为期 1年的观测, 并对树干液流变化特征、液流量日变化、各位点液流及全年液流量的变化进行了深入研究, 其结果表明:马占相思的树干液流量日进程在旱、雨季均呈单峰型曲线;赵平等[5]利用Granie热消散探针观测了华南丘陵地区马占相思人工林 (18a树龄) 的树干液流;涂洁等[6]采用Cranier热扩散式探针对江西千烟洲湿地松生长旺季树干液流动态进行长期连续观测, 并同步测定其周围多个环境因子;杜太生等[7]研究了石羊河流域干旱荒漠绿洲区交替滴灌 (ADI) 、固定滴灌 (FDI) 和常规滴灌 (CDI) 模式下葡萄茎液流的变化规律及其与气象因子和土壤含水率的相关关系;徐先英等[8]利用澳大利亚 Dynamax公司生产的热平衡包裹式树干液流仪 (Stem Heat Balance, SHB) 和自动气象站对干旱荒漠区3种固沙灌木梭梭、多枝柽柳和唐古特白刺的液流变化及其气象因子进行测定, 研究了3种固沙灌木茎干液流日、季变化规律以及对气象因子的响应。

3 树干呼吸研究概况

过去由于树干呼吸测定技术所限制, 该方面的研究不多, 近年来随着原位测定技术的发展, 树干呼吸的研究工作得到了发展。目前, 国外对树干呼吸及群落水平的树干呼吸研究很多, 但涉及不同树种和不同年龄树种的个体比较研究相对较少[9]。

大量研究结果表明:树干呼吸的日变化呈双峰型曲线, 从早晨开始, 树干呼吸速率随温度的上升而增加, 到中午有所降低, 之后逐渐增加, 达到峰值后又逐渐降低。严玉平等[9]对西双版纳3种树木树干呼吸日变化特征的研究结果表明:3种树干呼吸雨季呈双峰模式。也有报道说, 对一球悬铃木 (Platanus occidentalis) 、美国枫香 (Liquidambar styraciflua) 、美国水青冈 (Fagus grandifolia) 和白栎 (Q.alba) 的研究发现树干呼吸速率日变化呈单峰曲线[10]。

但也研究发现树干呼吸日变化呈S型曲线, 如:王淼等[11]对长白山地区红松 (Pinus koraiensis) 树干呼吸日变化的研究, 呼吸速率最大值出现在 16:00～20:00, 呼吸速率最小值出现在 4:00～10:00。大量研究表明树干呼吸与树干温度的关系密切, 姜丽芬[12]等对不同年龄兴安落叶松 (Larrx gmelinii Rup) 树干呼吸及其环境因子关系的研究结果表明:树干温度与树干呼吸速率呈指数相关关系, 且当空气相对湿度很高时, 能大大促进树干的呼吸作用。但许多研究发现, 在晴朗天气测得的所谓树干呼吸速率比利用指数方程预测的值小25%～50%, 相同温度下白天的树干呼吸速率要比晚上低[13], 说明树干呼吸速率除了受温度的影响外, 还受许多其他的内外因素影响, 如湿度、大气CO2浓度、土壤养分、树龄和林木含氮量。

4 树干呼吸与树干液流的关系研究现状

Teskey 和McGuire [14]指出树干CO2释放通量与木质部CO2浓度线性相关;树干和枝呼吸的部分CO2是液流中CO2向外扩散的副产品。Levy等[15]的研究认为液流与树干呼吸之间存在正相关关系, 液流对呼吸的影响可以占呼吸速率高峰值的12 %。Saveyn等[16]在不同天气条件下测定3年生美洲黑杨的树干CO2释放通量、树干温度、木质部液流密度和CO2浓度, 指出液流的流动分别解释晴朗天气树干呼吸的9 %～18 %和雨天的3 %～7 %;木质部CO2浓度与树干CO2释放通量正相关。但Gansert和 Burgdorf[17]研究了成熟欧洲白桦木质部液流对树干CO2释放通量的影响, 发现二者呈负相关;朱丽薇等[18]对荷木树干CO2释放通量与木质部液流和CO2浓度的关系的研究结果表明木质部液流密度与树干CO2释放通量之间存在负相关关系, 液流越大CO2释放通量越小, 主要是因为白天液流的活动, 将树干呼吸产生并溶解于液流的部分CO2输送到了树干的上部, 致使测得的CO2释放通量下降。目前大部分研究都表明树干液流不仅能携带走树干呼吸产生的CO2, 且白天树干液流增大时, 木质部将吸收韧皮部和形成层中水分, 韧皮部和形成层细胞由于缺水降低了它们的生长和维持代谢, 为韧皮部和形成层细胞生长和维持代谢提供物质和能量的呼吸作用减弱, CO2释放速率相应降低[19]。

5 结语

液流流速突变引起的液压冲击探讨篇5

在液压系统中, 由于某种原因引起压力瞬间突然增大, 可能达到正常压力的4倍左右, 形成压力峰值, 同时产生振动和噪音, 这种现象称为压力冲击。引起压力冲击的原因是由于流动液体的惯性或运动部件的惯性, 使液流流动速度的大小和方向突然变化, 导致液压力产生一个急剧交变的升降过程而引起液压冲击。如换向阀的突然换向, 液压马达的突然换向、压力管路的突然关闭、油缸内活塞运动速度和方向的突然改变等, 都会引起液压冲击。

由于液压冲击时出现的压力峰值很大, 在这种冲击压力作用下管道将产生剧烈的振动和噪音, 甚至使管道和液压元件及密封损坏, 导致严重的泄漏。有的元件, 如压力继电器、顺序阀也可能因冲击压力而产生动作失误, 造成事故的发生。特别是在高压大流量的系统中, 液压冲击所造成的破坏性就更加严重。

二、液压冲击的形成过程

如图1所示, 液压油缸通过换向阀控制, 设管道直径为d, 管道长为L, 定常情况下管道内流速为V, 压强为P。当换向阀突然关闭时, 则紧靠换向阀的油液突然停止流动, 由V骤变为零。由于惯性的作用, 紧靠换向阀门的这层油液的压强突然升高△P, 产生了液压冲击, △P为冲击压强。如果换向阀门关闭的时间为零, 则△P将趋近于无穷大, 实际上关闭阀门有个时间过程, 同时液体的压缩性和管壁的弹性对液压冲击起了缓冲作用, 管中的流速不是同时变为零, 压强也不是在同一时刻同时升高, 而是在靠近换向阀门的那层油液停止流动后, 其后各层油液相继一个断面一个断面地停止流动, 压强也逐层以弹性波的形式由换向阀门处向液压缸以一定的速度一个断面一个断面地升高到一定数值, 油液逐层受压, 管壁逐段膨胀。流速和压强都是以波的形式传播。

如图2所示, 在L/C>t>0时段内, 波面从换向阀门处向液压油缸方向传播, 波面所到之处液体速度降为零, 压强升为P+△P, 管壁膨胀, 液体密度增加。波面尚未到达之处, 液体尚未受到影响, 仍以速度向换向阀门运动, 直到在关闭后的t=L/C时刻, 油液冲击波以速度C传到液压油缸, 全管中的液体均受到压缩, 速度均降为零, 整个管壁处于膨胀状态。

在L/C

在t=2L/C时, 由于全管有-V存在, 水流脱离换向阀门, 由于惯性作用, 管换向阀门端产生了一个反射波, 并由换向阀门端向液压油缸端传播, 紧靠换向阀门端处的液体由-V骤变为零, 导致压强由P变为P-△P, 液体膨胀, 管壁收缩, 又一层一层地以波速向油缸端传播。在t=3L/C时, 到达换向阀门口, 此时整个管道压强下降△P, 流速V=0, 管壁压缩。

在t=3L/C时, 降压波传至油缸端, 全管中油液处于减压-△P状态, 为维持压强的平衡, 此时油缸端又反射一升压波, 并由油缸端渐次传至换向阀门端, 水流又以速度V向换向阀门端流动, 膨胀的液体及收缩的管壁也恢复原状, 至t=4L/C时, 增压顺波传至换向阀门处, 压强、流速及管道状况都恢复到液压冲击发生前的状况。这时仍以t=0的情况一样, 又重复上述过程。

由上述分析知道, 换向阀门处最先产生压力冲击波, 顺波最后又到达该处, 故其保持△P的时间最长, 直到t=2L/C为止, 因此换向阀门处受液压冲击危害最大。

三、液压冲击理论推导

(一) 液压冲击波在管道中的传播速度。

如果导管接近绝对缸体, 则冲击波在导管中的传播速度就相当于在液体介质中的音速C0。

式中:Ey为液体的体积弹性系数或称弹性模量, Pa;

ρ为液体的密度, Kg/m3;

实际上导管是有弹性的, 所以 (1) 式中Ey的应以整个系统中的弹性系数来代替。则

式中:d为导管内径, m ;

E为导管弹性系数, N/m;

δ为导管壁厚, m;

E总为油液和导管组成的当量系统弹性系数, N/m ;

因此, 考虑导管的弹性时, 冲击波在导管中的传播速度C为

undefined令undefined整理后有

(二) 直接液压冲击压力。

阀门突然开闭 (动作时间tc

由上面液压冲击的形成过程分析可知, 当管道的末端阀门突然关闭时, 液体被迫停止运动。根据能量转化和守恒定律, 液体的动能将全部转化为液压体的弹性能, 即

所以

式中:△P为液压冲击时压力的升高值;

A为管道截面积;

L为从阀门到油缸处的管长;

V为管道中液流流动速度的变化值;

如果阀门部分关闭, 即液流流速从V降到V'只要以 △V=V-V'代替即可。

当出现液压冲击时管道中的最大压力为

式中:P为正常工作压力。

等径直管末端阀门突然开启时, 出现的最大压力下降值△P降为

(三) 间接液压冲击压力。

实际上, 阀门不可能突然完全开闭, 当阀门关闭或打开的时间tc>t时, 压力升高或下降的值要比直接液压冲击计算的小很多。当阀门相对缓慢开启时。管中压力升高值为

其中undefined

当阀门相对缓慢关闭时, 管中压力下降值为

四、液压冲击的解决措施

第一, 在确保工作周期的前提下, 尽可能减慢换向阀关闭或开启进回油口的速度。在换向阀两端采用阻尼器, 适当降低换向阀的控制压力。

第二, 在换向阀未完全关闭前减慢液体的流速。改进换向阀进回油控制边的结构;采用先导阀预制动;合理选择制动锥角和制动锥长度;合理确定换向阀在中位的开口量。

第三, 适当加大管路, 缩短换向阀至液压缸的管路, 减少管道弯曲。

第四, 在管道中靠近液压冲击源处安装卸荷阀或蓄能器等装置

第五, 采用橡胶管道。

五、结语

通过上面的推导和分析, 说明液流流速突变引起的液压压力冲击与管道工作压力、管道结构、油液运行速度等有关, 可以通过控制相应参数的方式来减少压力冲击的压力增值, 以减少压力冲击的危害。

参考文献

[1].陆敏恂, 李万莉.流体力学与液压传动[M].上海:同济大学出版社, 2006

[2].陈文义, 张伟.流体力学[M].天津:天津大学出版社, 2004

[3].胡敏良.流体力学[M].武汉:武汉工业大学出版社, 2000

锂离子液流电池的研究进展篇6

能源和环境问题的日益加剧使得太阳能、风能等可再生能源发电技术进入一个新的发展阶段[1]。然而随着越来越多的可再生能源嵌入智能电网,可再生能源的间歇性与电网稳定性的矛盾日益凸显。目前储能技术尚不成熟,成为新能源电网系统中的薄弱环节。开发安全、环保、低成本的储能电池是发展可再生能源科技和改善电网稳定性的关键[2]。

可再生能源、智能电网以及电动车的发展已成为国际趋势,同时也拉动了各类大型储能电池的市场需求。目前可采用的,能够达到MW级功率应用并被广泛研究的电池技术,有锂离子电池、全钒液流电池等。

锂离子电池应用于大规模储能,其优势在于:比能量高,充放电效率高,可快速充放电,循环寿命长,自放电率低,工作温度范围宽,以及绿色环保(不含有铅、镉、汞、钒等有毒金属离子)[3]。储能锂离子电池目前存在的最大问题是成本太高,其成本是储能抽水电站建设成本的1.5~2.0倍。对于MW级储能电站来说,需要成千上万块单体电池串并联构成,这无疑增加了系统成本,对于系统安全及系统维护也是极大的挑战。

全钒液流电池通过正、负极溶液中的活性钒离子的价态变化,可以实现电能的存储与释放[4,5,6]。全钒液流电池的正负极活性物质溶液分装在两个储存罐中,在液泵推动下,溶液通过密封管道流经电堆,在质子交换膜两侧的电极上分别发生还原与氧化反应。因此,全钒液流电池的输出功率和储能容量可独立设计,这是液流电池显著区别于其他化学电池的独特之处,同时也是液流电池有可能应用于大规模储能的最大技术优势。但是,全钒液流电池的正负极活性物质溶液为钒离子的硫酸溶液,该溶液具有很强的毒性和腐蚀性,同时对温度也有一定的要求:相对饱和的五价钒溶液在温度高于45℃时,容易生成五氧化二钒红色沉淀(五氧化二钒是剧毒物质),低价钒溶液也会在温度较低时由于溶解度降低而析出晶体。另外,全钒液流电池的其他材料,尤其是粘附有五氧化二钒结晶体的塑料/石墨复合导电板,很难通过循环回收的方式进入再生产环节。因此,从整体产业链的角度考虑,全钒液流电池并不安全环保,其他液流电池体系也存在类似的环保问题。

于是,上述状况给予我们一个启发:能否将锂离子电池的绿色环保和高能量密度特点与液流电池的输出功率和储能容量可独立设计的优势相结合,设计开发一种新型储能电池?类似于全钒液流电池,这种新型锂离子电池的正、负极材料颗粒和电解液的混合物分别装在两个储存罐中,在液泵推动下,混合物溶液通过密封管道流经电化学反应堆,在微孔隔膜的两侧发生氧化还原反应。从电化学基本原理来说,只要从技术上保证流动的电极材料颗粒之间的电子导电特征以及微孔隔膜内部电解液的电子不导电特征,电池的储能(电)行为就能实现。这就是锂离子液流电池技术的概念来源。与现有锂离子电池相比,锂离子液流电池可以节约大量的电池隔膜、铜箔和铝箔材料,而且不必使用昂贵的涂布、切片、叠片等电池制造设备,因此,锂离子液流电池的原料成本和制造成本将大幅度降低。

2 锂离子液流电池原理

锂离子液流电池主要由电池反应器、正极悬浮液存储罐、负极悬浮液存储罐、液泵及密封管道等组成,如图1所示。其中,正极悬浮液存储罐盛放正极活性材料颗粒、导电剂和电解液的混合物,负极悬浮液存储罐盛放负极活性材料颗粒、导电剂和电解液的混合物。电池反应器是锂离子液流电池的核心,其结构主要包括:正极集流体、正极反应腔、多孔隔膜、负极反应腔、负极集流体和外壳。锂离子液流电池工作时使用液泵对悬浮液进行循环,悬浮液在液泵或其他动力推动下通过密封管道在悬浮液存储罐和电池反应器之间连续流动或间歇流动,流速可根据悬浮液浓度和环境温度进行调节。

电池工作时,正极悬浮液由正极进液口进入电池反应器的正极反应腔,完成反应后由正极出液口通过密封管道返回正极悬浮液存储罐。与此同时,负极悬浮液由负极进液口进入电池反应器的负极反应腔,完成反应后由负极出液口通过密封管道返回负极悬浮液存储罐。正极反应腔与负极反应腔之间有电子不导电的多孔隔膜,将正极悬浮液中的正极活性材料颗粒和负极悬浮液中的负极活性材料颗粒相互隔开,避免正负极活性材料颗粒直接接触导致电池内部的短路。正极反应腔内的正极悬浮液和负极反应腔内的负极悬浮液可以通过多孔隔膜中的电解液进行锂离子交换传输。

当电池放电时,负极反应腔中的负极活性材料颗粒内部的锂离子脱嵌而出,进入电解液,并通过多孔隔膜到达正极反应腔,嵌入到正极活性材料颗粒内部;与此同时,负极反应腔中的负极活性材料颗粒内部的电子流入负极集流体,并通过负极集流体的负极极耳流入电池的外部回路,完成做功后通过正极极耳流入正极集流体,最后嵌入正极反应腔中的正极活性材料颗粒内部。电池充电的过程与之相反。

3 国内外的研究现状

2009年6月12日麻省理工学院Yet-Ming Chiang等人首次申请了关于锂离子液流电池(他们称为半固态锂可充液流电池,Semi-Solid Lithium Rechargeable Flow Battery)的国际专利[7],并于2011年6月在第五届国际锂电池(电极材料)研讨会(Li BD2011-Electrode materials)上发表了锂离子液流电池的会议报告[8],以及在Advanced Energy Materials杂志上公开发表了首篇论文报道[9]。研究工作采用不同的电极活性材料进行测试。以钴酸锂为正极,石墨为负极,在连续流动模式下获得电池的充电容量和放电容量分别为146m Ah/g和127m Ah/g,间歇流动模式下的充放电容量分别为145m Ah/g和118 m Ah/g;两种模式下的机械损耗分别为22%和1%。在给电池堆、存储容器和周边系统留有充足余量的情况下,Yet-Ming Chiang等估计锂离子液流电池系统的能量密度可以达到300~500Wh/L(130~250 Wh/kg),能够满足各种类型电动汽车的性能要求。若采用能量密度更高的电极材料,还可以进一步提高电池性能。同时,与传统的锂离子电池相比,锂离子液流电池的材料和制造成本更低,大致在40~80美元/千瓦时的范围,远远低于电动汽车动力系统250美元/千瓦时和电网储能系统100美元/千瓦时的成本要求,具有非常诱人的应用前景。

在2011年5月第219届(国际)电化学协会研讨会(219th ECS Meeting)上,美国Drexel University的M.Wang等人[10]讨论了电极颗粒形状与体积分数对于悬浮液流变特性的影响。随后,在2011年10月第220届(国际)电化学协会研讨会上,YetMing Chiang课题组发表了系列会议报告,分别讨论了电极悬浮液的电导率和流动性[11]、电化学活性区域[12]、电极悬浮液阻抗特性[13]和隔膜制备技术[14]等议题。

对于半固态负极来说,一个重要的问题是固体电解质界面膜(SEI)所带来的有害影响。由于SEI膜的形成取决于电解液溶剂在0.8V电位(相对于锂金属或锂离子)甚至更低电位上的还原,因此可以尝试的解决方法有:通过使用无电镀沉积金属铜来装饰MCMB石墨可以获得非常良好的电子穿透率,或者,使用诸如镍锰酸锂和钛酸锂之类的高电压正负极材料匹配让电压升高,在减小SEI膜影响的同时,仍然可以维持较高的能量密度。

与全钒液流电池相比,含有固体颗粒的电极悬浮液具有很高的粘滞性(≈1000 c P),这对于电池的库仑效率和机械泵的动力损耗有重要影响。最近Yet-Ming Chiang课题组对于单通道电池单元的三维数学模型计算表明[15],电池实现匹配计量流动的能力以及电极悬浮液电流分布的空间均匀程度,主要取决于电极材料荷电量(State-Of-Charge,SOC)与电压平台的关系。电池电压平台越平坦(如采用Li FePO4正极和Li4Ti5O12负极),电极悬浮液电流分布就越均匀,同时电池的能量效率也越高。

在锂离子液流电池结构研究方面,Yet-Ming Chiang等人提出了一种圆柱体结构的锂离子液流电池,并且尝试改变锂离子液流电池集流体的形状、增加集流体的表面积以提高电池的性能,以及尝试使用在悬浮液中加入气泡的方式来提高悬浮液的流动性[16],初步探索了电池的串并联结构问题[17]。他们指出,电池的固体活性物质不仅仅局限于可嵌锂化合物,其他阳离子可嵌化合物同样可作为半固态液流电池的固体活性物质[18]。

中国科学院电工研究所于2010底最早在国内开展了锂离子液流电池技术的研究,采用逾渗理论研究了电极悬浮液的电子导电性问题[19]。随后,中国科学院电工研究所与北京好风光储能技术有限公司合作,首次提出半流态锂离子液流电池技术的开发路线,开发设计了一系列重要的电池反应器[20,21,22,23,24]。

电极悬浮液的逾渗理论研究表明[19],当电极悬浮液中固体颗粒体积含量较少时,无法形成导电网络,悬浮液不存在电子导电性,当固体颗粒含量增加到某一临界值时,悬浮液中的固体颗粒将突然出现长程联结性,悬浮液的电子导电性发生突变,可电子导电。此后随着固体颗粒含量的增加,处在电子导电网络中的连通颗粒百分数呈指数形式增长。计算机初步模拟结果表明,悬浮液的电子导电阈值在17%(体积分数)左右。当颗粒体积分数达到21%左右时,有90%的颗粒处在导电网络相互连通中;当颗粒体积分数超过30%时,99%的颗粒都将相互连通(图2),模拟计算与实验结果吻合良好。

电池反应器的设计与制作是锂离子液流电池技术开发的核心。我们设计的交叉盒式结构的电池反应器加工方便,适于模块化制作和生产[22];而采用新型反应管的电池反应器设计包含不对称的正极反应腔和负极反应腔,极大地扩展了电池反应区域,提高了电池的能量密度,并改善了电极悬浮液的流动性[23]。

与全流态锂离子液流电池相比,半流态锂离子液流电池的隔膜两侧具有特殊设计的电极层,可以有效地避免电池内部短路和锂枝晶的析出,起到了保护隔膜的作用,极大地提高了电池的安全性能和循环寿命[24]。因此,半流态锂离子液流电池有可能是未来锂离子液流电池技术开发的主要技术路线。

另外,有必要提及的是,直至目前为止,麻省理工学院论文及专利提到的技术概念名称是“半固态锂可充液流电池,Semi-Solid Lithium Rechargeable Flow Battery”,而“锂离子液流电池,Lithium-ion Flow Battery”是由本文作者在专利和论文中最早提出的概念名称,并沿用至今。

4 关键技术研究

开发设计能量密度高、倍率特性好、循环寿命长、便于加工制作的电池反应器是目前锂离子液流电池技术开发的核心。如何从技术上保证电池反应腔内电极悬浮液的良好电子导电特性和流动性,以及如何从技术上保证隔膜内部电解液的长期电子不导性,是锂离子液流电池研究的两大技术难点。

锂离子液流电池的材料包括正极材料、负极材料、导电剂和隔膜材料。目前技术制备的电池材料主要是应用于传统锂离子电池电极片的固体胶粘结构,但并不完全适用于锂离子液流电池的特征要求。因此,迫切需要开发适合于锂离子液流电池的各类新型电池材料。

另外,与全钒液流电池不同,锂离子液流电池的悬浮液是非水系有机电解液,并具有电子导电性,因此锂离子液流电池的串联高压输出及密封绝缘设计将是技术开发的另一难点。锂离子液流电池串并联过程中存在的旁路电流和易短路问题需要得到很好的解决。

5 总结和展望

尽管相对其它储能技术而言,化学电池是技术相对成熟也是目前产量最大的储电装置,然而,安全、环保和成本三大关键因素一直制约着大型化学储能电池在新能源电网中的规模应用。

锂离子液流电池是最新发展起来的一种化学电池技术,它综合了锂离子电池和液流电池的优点,是一种输出功率和储能容量彼此独立、能量密度大、成本较低的新型绿色可充电池,目前处于技术原理研究和基础关键技术开发阶段,相关技术研究与发展有望开辟一类安全、环保和低成本的新型储能电池路线,并在未来广泛应用于新能源电网的储能系统。

摘要：锂离子液流电池是最新发展起来的一种化学储能电池技术,它综合了锂离子电池和液流电池的优点,是一种输出功率和储能容量彼此独立、能量密度大、成本较低的新型绿色可充电池。本文介绍了锂离子液流电池技术的研究背景,阐述了锂离子液流电池的结构组成和工作原理,并详细综述了锂离子液流电池国内外的研究状况,指出目前有待突破的关键技术问题。相关技术研究与发展有望开辟一种安全、环保和低成本的新型储能技术路线,并在未来广泛应用于新能源电网的储能系统。