虞啟輝，張旭曉，王前程

(內(nèi)蒙古科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014010)

電力作為一種基礎(chǔ)能源，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)和人民生活中扮演著舉足輕重的角色，然而電力故障突發(fā)性強(qiáng)，往往不以人們的意志為轉(zhuǎn)移，一旦突然斷電勢(shì)必會(huì)造成嚴(yán)重的社會(huì)危機(jī)和財(cái)產(chǎn)損失，這其中包括2019年阿根廷與烏拉圭“6.16”大停電[1]、2019年英格蘭與威爾士“8.9”大停電[2]、2018年巴西“3.21”大停電[3]以及2012年4月10號(hào)我國(guó)廣東省深圳市因變電站出現(xiàn)復(fù)合故障造成的大面積停電事故[4]，為減少“因故停電”所帶來的損失，應(yīng)急電源應(yīng)運(yùn)而生.

近些年，隨著我國(guó)城市化建設(shè)的快速發(fā)展，社會(huì)各個(gè)行業(yè)和領(lǐng)域?qū)﹄娏π枨蠹耙蕾嚦潭日谥饾u加強(qiáng)，應(yīng)急電源的規(guī)模也在逐漸擴(kuò)大.以圖1我國(guó)江浙滬地區(qū)為例，該地區(qū)應(yīng)急電源行業(yè)增長(zhǎng)率由2012年的30%增長(zhǎng)到2019年的70%，保持著穩(wěn)中快速的發(fā)展態(tài)勢(shì)，其市場(chǎng)規(guī)模于2019年接近7 000億元.

應(yīng)急電源作為一種獨(dú)立于市電之外的電源設(shè)備，可以及時(shí)滿足非正常情況下的用電需求[5].在市電故障和異常時(shí)，能夠繼續(xù)向負(fù)載供電，確保正常運(yùn)轉(zhuǎn)，從而降低因電力故障而帶來的經(jīng)濟(jì)損失，保障人們的生活和生產(chǎn)質(zhì)量.應(yīng)急電源能夠?yàn)椴煌瑘?chǎng)合的用電設(shè)備提供應(yīng)急電力，事故照明、電器、裝備維修、醫(yī)療救護(hù)、軍事實(shí)戰(zhàn)演練、高層建筑應(yīng)急供電、交通、商業(yè)等諸多領(lǐng)域都有應(yīng)用[6-11].

目前應(yīng)急能源系統(tǒng)為了提升應(yīng)急搶險(xiǎn)的救援效率以及用戶需求，逐漸向“小、快、靈”及多功能化方向發(fā)展.常見的小型應(yīng)急電源按工作原理可分為3類[12]：一是獨(dú)立于正常電源的小型柴油發(fā)電機(jī)應(yīng)急電源系統(tǒng)；二是以電池為載體的電池應(yīng)急電源系統(tǒng)；三是利用壓縮空氣為動(dòng)力源的小型壓縮空氣應(yīng)急電源系統(tǒng).

為了更好地了解上述3種小型應(yīng)急電源系統(tǒng)，將對(duì)其工作原理、國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀、現(xiàn)階段主要存在的問題為后續(xù)該領(lǐng)域研究提供有益參考.

1 小型柴油發(fā)電機(jī)系統(tǒng)

1.1 工作原理

小型柴油發(fā)電機(jī)系統(tǒng)是一款柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，將柴油的能量轉(zhuǎn)化為電能的系統(tǒng)，原理見圖2[13]，其內(nèi)部有1個(gè)或多個(gè)氣缸，在氣缸內(nèi)，經(jīng)空氣濾清器過濾后的新鮮空氣與噴油器噴射出的高壓霧狀柴油充分混合，在活塞上行擠壓下，體積變小、溫度快速升高，達(dá)到柴油的燃點(diǎn)后形成高壓氣體推動(dòng)活塞下行做功，將動(dòng)能傳送給柴油原動(dòng)機(jī)同軸連接的發(fā)電機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)輸出電壓，帶動(dòng)負(fù)載工作[14，15].

1.2 研究現(xiàn)狀

小型柴油發(fā)電機(jī)具有30%～46%燃油熱效率、可節(jié)省28%～30%的運(yùn)行成本以及高輸出扭矩等特性，但工作時(shí)也會(huì)存在70～80 dB(A)的噪聲、長(zhǎng)時(shí)間工作輸出穩(wěn)定性不足以及低溫或高海拔環(huán)境啟動(dòng)困難的問題.為了解決上述問題，學(xué)者們展開了以下研究.

1.2.1噪聲研究

為改善噪聲問題，研究人員主要從噪聲源、噪聲特性等方向展開說明.畢鳳榮等[16]結(jié)合括撲優(yōu)化、遺傳算法設(shè)計(jì)和優(yōu)化通風(fēng)管道結(jié)構(gòu)3種方法對(duì)板結(jié)構(gòu)質(zhì)量進(jìn)行改良，最終使小型柴油發(fā)電機(jī)系統(tǒng)7 m處的噪聲降至60.7 dB(A).楊曉[17]采用聲全息方法并結(jié)合結(jié)構(gòu)變化對(duì)隔聲罩內(nèi)空氣流動(dòng)影響，完成了對(duì)隔聲罩的優(yōu)化.優(yōu)化后的管道傳遞損失接近30.3 dB(A)，提升了34.7%，整機(jī)噪聲也降低至60.8 dB(A).胡聯(lián)雄等[18]運(yùn)用消聲、隔聲等四種方法，設(shè)計(jì)了一款靜音箱.經(jīng)測(cè)量，該靜音箱能降低25～30 dB(A)的噪聲.楊培斌[19]結(jié)合隔聲、吸音等技術(shù)設(shè)計(jì)了靜音箱、減振器等消聲結(jié)構(gòu).經(jīng)測(cè)試，安裝了此消聲結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)，可降低30 dB(A)的噪聲.黃東升等[20]設(shè)計(jì)了一款如圖3所示的主動(dòng)降噪系統(tǒng)，仿真結(jié)果顯示殘余噪聲趨于0.吳鵬等[21]設(shè)計(jì)了一款滿足小型柴油發(fā)電機(jī)減噪減震需求的箱裝體.數(shù)據(jù)顯示，該箱體隔振、隔聲效果分別達(dá)到53，26 dB(A).

1.2.2穩(wěn)定性研究

小型柴油發(fā)電機(jī)系統(tǒng)輸出功率穩(wěn)定性與柴油機(jī)轉(zhuǎn)速密切相關(guān)[22]，該系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行超過12 h，會(huì)出現(xiàn)輸出功率低于90%額定功率的現(xiàn)象[23，24].唐文科[25]提出燃油噴射系統(tǒng)的方案，能夠使柴油發(fā)電機(jī)系統(tǒng)快速達(dá)到全負(fù)荷狀態(tài)，并保持最快地穩(wěn)定轉(zhuǎn)速.章義平等[26]在小型柴油發(fā)電機(jī)系統(tǒng)安裝了一款轉(zhuǎn)動(dòng)慣量可變的飛輪，通過仿真第1 s時(shí)刻突減100%和50%的額定負(fù)荷后狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)安裝飛輪的系統(tǒng)轉(zhuǎn)速波動(dòng)得到了有效抑制，而未安裝的系統(tǒng)轉(zhuǎn)速會(huì)出現(xiàn)1 500～2 000 r·min-1的波動(dòng).趙梅等[27]基于MATLAB/Simulink軟件，仿真分析了突加、突減100%負(fù)載對(duì)小型柴油發(fā)電機(jī)的工作狀態(tài)的影響，得出可通過添加前饋/反饋復(fù)合控制調(diào)速器來調(diào)節(jié)因轉(zhuǎn)速造成的柴油發(fā)電機(jī)經(jīng)濟(jì)性差的結(jié)論.汪凱[28]提出了一種模糊變結(jié)構(gòu)的控制算法應(yīng)用到柴油發(fā)電機(jī)的控制器中.基于MATLAB/Simulink仿真，該算法能夠在0.5 s內(nèi)達(dá)到1 500( r·min-1)標(biāo)定轉(zhuǎn)速狀態(tài).李亞瑋[29]分析了常規(guī)PID控制、自適應(yīng)PID控制、模糊PID控制和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制4種算法調(diào)速的優(yōu)缺點(diǎn)及應(yīng)用，認(rèn)為人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制與其他3種算法相比，其具有操作簡(jiǎn)單、容錯(cuò)性好、適應(yīng)能力強(qiáng)優(yōu)點(diǎn).陳傳勇[30]通過分析人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制算法調(diào)速，得出其維護(hù)性強(qiáng)、儲(chǔ)存分布，同時(shí)還能加快相應(yīng)速度.

1.2.3低溫、高海拔啟動(dòng)研究

由于氣溫低、散熱快等因素，小型柴油發(fā)電機(jī)系統(tǒng)在低溫、高海拔環(huán)境會(huì)出現(xiàn)啟動(dòng)困難、功率降低等現(xiàn)象.徐余慧[31]對(duì)小型柴油發(fā)電機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行改造，將燃油油路設(shè)計(jì)由開始的開環(huán)控制設(shè)計(jì)為閉環(huán)控制，同時(shí)改進(jìn)了潤(rùn)滑油更換方式，通過仿真分析，改進(jìn)后的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了在-10 ℃環(huán)境下正常啟動(dòng).

潘小兵等[32]通過在潤(rùn)滑系統(tǒng)中安裝加熱器采用含氧燃料、改裝增壓器等措施，實(shí)現(xiàn)3 kW小型柴油發(fā)電機(jī)在海拔4 000 m、溫度-12 ℃環(huán)境下正常運(yùn)轉(zhuǎn).王剛等[33]認(rèn)為提高柴油機(jī)低溫啟動(dòng)的核心是降低啟動(dòng)時(shí)間.即采取添加電加熱塞、低溫蓄電池、低溫啟動(dòng)液等方法，突破了小型柴油發(fā)電機(jī)在-40 ℃環(huán)境下啟動(dòng)的極限.許乃強(qiáng)等[34]優(yōu)化了潤(rùn)滑油對(duì)柴油機(jī)摩擦及可靠性影響，并引入光伏、風(fēng)力等新能源發(fā)電，提供一種預(yù)加熱輔助系統(tǒng)，使機(jī)組的能耗降低5%以上.郭宗武[35]設(shè)計(jì)了一款用于缸體冷卻液加溫的柴油發(fā)電機(jī)低溫輔助系統(tǒng).可滿足海拔機(jī)組在海撥812 m，-25 ℃環(huán)境下正常啟動(dòng)的需求.

1.3 應(yīng)用

小型柴油發(fā)電機(jī)因發(fā)電效率接近90%，且投入成本較低，是目前市場(chǎng)上應(yīng)用較多的應(yīng)急電源[36-37].據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)小型柴油機(jī)市場(chǎng)的銷售量于2010年就已接近228億[38].柴治國(guó)等[39]將柴油發(fā)電機(jī)推廣到水運(yùn)港口項(xiàng)目中，以滿足碼頭10 kW進(jìn)線電源可靠性要求.王志學(xué)[40]根據(jù)負(fù)荷、適用場(chǎng)所和設(shè)計(jì)要求，將0.4 kV和10 kV小型柴油發(fā)電機(jī)分別投入到低消防可靠性和高消防可靠性的建筑物當(dāng)中.孟曙光等[41]結(jié)合某公司的應(yīng)急電源系統(tǒng)，將10 kV小型柴油發(fā)電機(jī)作為應(yīng)急供電設(shè)備，以保障停電8 s內(nèi)完成應(yīng)急供電.白敬中[42]針對(duì)農(nóng)村只有一回10 kV公用架空線路的問題，將小型柴油發(fā)電機(jī)投入到允許中斷供電時(shí)間大于15 s的小型污水處理泵站當(dāng)中. 紀(jì)國(guó)慶[43]設(shè)計(jì)了一種應(yīng)用在燃?xì)庀到y(tǒng)的小型柴油發(fā)電應(yīng)急裝置，當(dāng)燃?xì)庀到y(tǒng)10 kW供電系統(tǒng)全停電時(shí)，能夠在10 min內(nèi)及時(shí)準(zhǔn)確地投入到燃?xì)馍a(chǎn)中.黃通文等[44]將柴油發(fā)電機(jī)投入到偏遠(yuǎn)農(nóng)村和郊縣廣播設(shè)備當(dāng)中，完成1～3 h不間斷應(yīng)急供電.

小型柴油發(fā)電機(jī)系統(tǒng)因功率范圍廣、操作簡(jiǎn)單、運(yùn)行成本低、負(fù)荷能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)深受大眾喜愛，但是其對(duì)燃料要求較高，會(huì)帶來排氣污染，因此，小型柴油發(fā)電系統(tǒng)適用于公路交通、搶險(xiǎn)救災(zāi)等復(fù)雜的室外環(huán)境.

2 電池應(yīng)急電源系統(tǒng)

2.1 工作原理

目前以電池為載體的應(yīng)急電源系統(tǒng)主要有EPS(Emergency Power Supply)應(yīng)急電源和UPS(Uninterruptible Power System)不間斷電源.通過表1[45-50]性能對(duì)比，可分析出EPS具有壽命長(zhǎng)、適應(yīng)負(fù)載能力強(qiáng)、效率高等優(yōu)勢(shì).

表1 UPS與EPS性能對(duì)比

EPS應(yīng)急電源是一款集輔助電源、整流充電器、逆變器、蓄電池及CPU控制器于一體高科技“綠色”型發(fā)電裝置[51]，原理如圖4[52]所示.

在市電正常時(shí)，EPS處于充電飽和的“睡眠狀態(tài)”；當(dāng)市電供電中斷或市電電壓超±15%或±20%額定輸入電壓時(shí)，EPS通過逆變器迅速完成向電網(wǎng)轉(zhuǎn)換，提供30～120 min的應(yīng)急供電；當(dāng)市電恢復(fù)正常時(shí)，EPS控制中心發(fā)出對(duì)逆變器執(zhí)行自動(dòng)關(guān)機(jī)操作信號(hào)，完成逆變器供電向交流旁路供電的雙向切換操作.

2.2 研究現(xiàn)狀

基于EPS應(yīng)急電源系統(tǒng)工作原理，分析出該系統(tǒng)工作時(shí)需要蓄電池來完成放電任務(wù)，但是目前其內(nèi)部蓄電池往往處于設(shè)置分散、無專人管理狀態(tài)，長(zhǎng)時(shí)間處于過充電或過放電狀態(tài)，一定程度上會(huì)影響EPS的使用年限和工作狀態(tài).若上述問題未能及時(shí)解決，可能會(huì)因?yàn)橥ｋ姞顟B(tài)下無法為重要照明設(shè)備提供緊急電源而造成社會(huì)恐慌、人員傷亡或經(jīng)濟(jì)損失.為確保蓄電池能及時(shí)有效地保障EPS應(yīng)急電源處于良好的工作狀態(tài)，學(xué)者們對(duì)其內(nèi)部蓄電池展開研究.

2.2.1蓄電池管理研究

谷明等[53]設(shè)計(jì)了一種基于相關(guān)向量機(jī)(Relevance Vector Machine，RVM)的蓄電池在線健康狀態(tài)估計(jì)(State Of Health，SOH)系統(tǒng).基于MATLAB仿真分析該系統(tǒng)最大相對(duì)誤差小于1.5%.

周航等[54]運(yùn)用RVM方法建立了蓄電池的SOH估計(jì)模型，實(shí)驗(yàn)了蓄電池在40 A恒流放電、54個(gè)循環(huán)充放電條件下的狀態(tài)，數(shù)據(jù)顯示最大相對(duì)誤差小于3%.王翔等[55]設(shè)計(jì)了一款風(fēng)光互補(bǔ)蓄電池能量管理系統(tǒng)，據(jù)MATLAB/Simulink仿真，該系統(tǒng)可在蓄電池SOH小于等于或大于80%時(shí)，自動(dòng)完成充電和放電工作.孟洪民等[56]引入整型變量來模擬蓄電池限流充電和恒壓充電兩種工作模式.當(dāng)蓄電池荷電狀態(tài)SOC(State Of Charge)達(dá)到限值96%時(shí)，可自動(dòng)從限流模式切換為恒壓控制模式，從而限制SOC增長(zhǎng).劉兵[57]根據(jù)25 ℃以上每升高10 ℃時(shí)蓄電池使用壽命減半的特性，結(jié)合單片機(jī)等技術(shù)，設(shè)計(jì)出一種如圖5所示的EPS內(nèi)部蓄電池智能管理系統(tǒng).

權(quán)利剛[58]設(shè)計(jì)了一種基于雙向主動(dòng)均衡電路的蓄電池能量管理系統(tǒng)，通過對(duì)額定容量為80 A·h的蓄電池實(shí)驗(yàn)后顯示，該管理系統(tǒng)誤差小于0.1.

2.2.1蓄電池容量及安全性研究

鉛酸電池和三元鋰電池是目前較為常見的EPS應(yīng)急電源內(nèi)部蓄電池[59].通過對(duì)比，三元鋰電池具有自放電率低、循環(huán)次數(shù)多、放電平臺(tái)高等優(yōu)勢(shì)，正因如此，三元鋰電池得到了井噴式發(fā)展.截止到2018年，三元鋰電池就占領(lǐng)整個(gè)蓄電池市場(chǎng)50%份額[60]，到了2019上半年，接近67.37%[61].詳細(xì)對(duì)比見表2，3，4[62-64].

表3 循環(huán)壽命對(duì)比

表4 特性對(duì)比

隨著三元鋰電池占電池市場(chǎng)份額的比例不斷增多，其安全性也成為當(dāng)前日益突出和亟待解決的問題，學(xué)者們都在不斷加快對(duì)更高比容量、更高電壓平臺(tái)和更高安全性的三元鋰電池研究.YANG Y等[65]通過改變冷卻液的進(jìn)、出口位置，設(shè)計(jì)了不同流量的三元鋰電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)，并提出了優(yōu)化冷卻效率的策略，實(shí)現(xiàn)電池在1 C放電速率下，最大溫差減少0.52 ℃.黃鋒濤[66]研制出了1 300 mAh的三元鋰電池.經(jīng)性能測(cè)驗(yàn)，該電池在5 C以上倍率下仍可以達(dá)到1 C倍率的99%的放電容量，同時(shí)完成1 000循環(huán)放電后，電池容量接近最初容量的80%.

郭棟等[67]采用成分為氟化鋰、氮化亞銅納米顆粒的人工固態(tài)電解質(zhì)膜，可使電池在完成50周循環(huán)后，容量保持率可提升26.5%.余劍[68]提出了2種改善三元鋰電池結(jié)構(gòu)以提高其安全性能的方法.第一種將殼體與正極相連，負(fù)極與殼體采用絕緣墊隔離，能有效防止過充現(xiàn)象發(fā)生；第二種是在三元鋰電池蓋板結(jié)構(gòu)上設(shè)置防爆閥，能有效防止電池因能量積聚發(fā)生爆炸.李中祥等[69]通過對(duì)三元鋰電池進(jìn)行了參考特性測(cè)試和壽命循環(huán)測(cè)試，得到電池靜態(tài)容量衰減速率與電池放電深度上下限電壓、電池放電容量與電池利用率呈正相關(guān)的結(jié)論.張少禹等[70]進(jìn)行了三元鋰電池在不同氧氣體積分?jǐn)?shù)環(huán)境下熱失控實(shí)驗(yàn).當(dāng)氧氣體積分?jǐn)?shù)為21%下電池?zé)崾Э貢r(shí)，會(huì)出現(xiàn)先噴射連續(xù)火焰后噴射火星的現(xiàn)象，而氧氣體積分?jǐn)?shù)為10.64%低氧條件下時(shí)，電池則始終噴射火星且未形成連續(xù)火焰.陳元麗等[71]測(cè)試了高低溫對(duì)三元鋰電池放電的影響.電池處于高溫55 ℃環(huán)境下，會(huì)出現(xiàn)放電容量變大的現(xiàn)象，而處于低溫-20 ℃下，則會(huì)出現(xiàn)放電容量大幅度衰減的現(xiàn)象.

通過對(duì)蓄電池地研究，不僅改善蓄電池因長(zhǎng)時(shí)間充電不用、浮充電導(dǎo)致的循環(huán)壽命下降等安全問題，還能夠了解溫度對(duì)蓄電池的影響，有效地保證EPS應(yīng)急電源運(yùn)行的可靠性.

2.3 應(yīng)用

以電池為載體的EPS應(yīng)急電源多適用于有消防設(shè)施的場(chǎng)合.賈維聰[72]將EPS投入到地鐵車站當(dāng)中，可實(shí)現(xiàn)供電中斷3 ms內(nèi)完成市電向應(yīng)急照明的切換，并供電時(shí)間持續(xù)1.5 h.陳景軒[73]利用電磁暫態(tài)仿真軟件對(duì)醫(yī)院EPS應(yīng)急電源切換策略進(jìn)行了仿真.仿真結(jié)果顯示，EPS在斷電0.5 s內(nèi)完成切換供電，切換期間EPS所提供應(yīng)急電源的一級(jí)負(fù)荷輸入相電壓為0 V，驗(yàn)證了其作為醫(yī)院的應(yīng)急用電裝置的可行性.邱旭[74]根據(jù)轉(zhuǎn)爐電機(jī)驅(qū)動(dòng)特性，將EPS應(yīng)用到貴冶熔煉車間轉(zhuǎn)爐驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，能夠滿足轉(zhuǎn)爐的多種極限操作下的應(yīng)急驅(qū)動(dòng)供電.羅欣[75]基于EPS應(yīng)急照明系統(tǒng)，提出采用增加并聯(lián)控制回路的方式，來提高在非火災(zāi)時(shí)的應(yīng)急條件下啟動(dòng)應(yīng)急照明的功能，投入到小型建筑中消防應(yīng)急照明系統(tǒng)中.張城輝等[76]設(shè)計(jì)了一款整機(jī)容量1.5 kW，切換時(shí)間小于4 ms的EPS應(yīng)急電源，可滿足小型服務(wù)器、計(jì)算機(jī)和高效照明燈具等精密電子設(shè)備的應(yīng)急用電需求.胡凱等[77]結(jié)合升壓電路和電壓型三相全橋逆變電路兩類電路，設(shè)計(jì)/研發(fā)了一款額定輸出功率2 kW的兩級(jí)式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)EPS應(yīng)急電源.經(jīng)測(cè)試，該樣機(jī)輸出電壓THD (Total Harmonic Distortion)小于4%，輸出電壓、電壓頻率和轉(zhuǎn)換效率分別達(dá)到了200 V，36 Hz，94%，投入到城軌車輛供電故障時(shí)車廂內(nèi)通風(fēng)/換氣設(shè)備應(yīng)急供電當(dāng)中.

基于上述研究，分析出以電池為載體的EPS應(yīng)急電源系統(tǒng)啟動(dòng)速度快，供電穩(wěn)定，可自動(dòng)完成切換，但是其對(duì)環(huán)境條件要求較高，同時(shí)廢舊電池污染嚴(yán)重，因此適合電感性、電容性及綜合性負(fù)載設(shè)備.

3 小型壓縮空氣應(yīng)急電源系統(tǒng)

開發(fā)/利用可再生能源發(fā)電已成為全球范圍的重要能源戰(zhàn)略之一.與小型柴油機(jī)發(fā)電系統(tǒng)、電池應(yīng)急電源系統(tǒng)相比，利用壓縮空氣發(fā)電具有清潔、使用壽命長(zhǎng)、適用范圍廣、無污染等優(yōu)勢(shì)，因此受到學(xué)者們的廣泛關(guān)注[78].

3.1 工作原理

早在20世紀(jì)40年代，壓縮空氣技術(shù)就廣泛應(yīng)用在制造業(yè)的能量載體或流動(dòng)載體場(chǎng)合，直到2015年，才由清華大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)通過空氣透平膨脹機(jī)直聯(lián)高速發(fā)電機(jī)的方式，將壓縮空氣技術(shù)應(yīng)用在小型應(yīng)急電源領(lǐng)域[79].

小型壓縮空氣應(yīng)急電源系統(tǒng)如圖6[80]所示：用戶需要將空氣儲(chǔ)存在高壓儲(chǔ)氣罐中，若遇上市電因某些突發(fā)狀況引起供電中斷或供電不足時(shí)，儲(chǔ)存在儲(chǔ)氣室內(nèi)的壓縮空氣經(jīng)過減壓閥減壓后保持平穩(wěn)壓力流入膨脹機(jī)內(nèi)驅(qū)動(dòng)膨脹機(jī)做功，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)小型發(fā)電機(jī)發(fā)電，從而完成壓力能—機(jī)械能—電能的轉(zhuǎn)換.膨脹機(jī)做功后的廢氣，壓力近似于大氣壓，直接釋放到空氣中[81-83].

3.2 研究現(xiàn)狀

目前小型壓縮空氣發(fā)電系統(tǒng)存在著系統(tǒng)參數(shù)匹配性能相對(duì)較差，能量利用率低，整體發(fā)電效率還不夠高(40%～50%)等問題，嚴(yán)重阻礙其廣泛應(yīng)用.針對(duì)上述問題，學(xué)者們展開以下研究.漢田[84]仿真分析了進(jìn)氣壓力等控制變量對(duì)系統(tǒng)發(fā)電效率的影響.當(dāng)進(jìn)氣壓力3.7 bar，膨脹機(jī)轉(zhuǎn)速976 rpm，進(jìn)氣溫度328 K時(shí)，系統(tǒng)穩(wěn)定發(fā)電400 W，若控制變量分別提升至4.3 bar，1 211 rpm和339 K時(shí)，系統(tǒng)處于最優(yōu)輸出功率狀態(tài)600 W，效率也從38.6%提升至41.42%.

張臻臻[85]借助MATLAB/Simulink仿真得到以下4點(diǎn)結(jié)論：(1)效率會(huì)隨著儲(chǔ)氣罐中壓縮氣體壓力的升高而逐漸降低，而且當(dāng)儲(chǔ)氣罐中氣體的初始?jí)毫κ桥蛎洐C(jī)進(jìn)氣壓力的10倍以內(nèi)時(shí)，效率降低較快(0.83～0.43)；(2)效率隨著膨脹機(jī)體積膨脹比的增大(1～8)先增大后減小(0.5～0.8～0.45)；(3)效率隨著膨脹機(jī)進(jìn)氣壓力的增大(0.4～0.6～0.9)而不斷升高，但其增長(zhǎng)速率是逐步減小的(0.56～0.8～0.93)；(4)效率隨著泄漏系數(shù)的增大(0～0.2～0.4)而直線下降(0.86～0.79～0.73).唐小慶[86]通過Aspen Plus軟件對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，得出提高膨脹機(jī)的進(jìn)氣壓力是提升系統(tǒng)發(fā)電效率的最優(yōu)選擇，其次是提升膨脹比，最后是提升膨脹機(jī)的進(jìn)氣溫度的結(jié)論.顧偉等[87]通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)膨脹機(jī)處于4 589 r/min最優(yōu)轉(zhuǎn)速時(shí)，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)最大輸出功率0.74 W.孫健[88]通過數(shù)值模擬求解，分析出進(jìn)氣壓力越大，膨脹機(jī)轉(zhuǎn)速、容積流量和出口壓力逐漸增大，與之匹配的發(fā)電機(jī)的電流、電壓和發(fā)電量也隨之提升.

基于上述研究分析出，合理提升進(jìn)氣壓力、溫度等控制變量可提升小型壓縮空氣應(yīng)急電源系統(tǒng)功率轉(zhuǎn)換效率以及發(fā)電能力.

3.3 應(yīng)用

鑒于小型壓縮空氣應(yīng)急電源系統(tǒng)的特性，其主要應(yīng)用于礦井、軍工、油田、防爆等無法用電啟動(dòng)的防爆領(lǐng)域.趙娟等[89]設(shè)計(jì)了一種可應(yīng)用于鐵路貨車氣路系統(tǒng)中的小型壓縮空氣應(yīng)急電源裝置.通過一個(gè)周期的的實(shí)驗(yàn)，該裝置發(fā)電時(shí)長(zhǎng)為1.5 min，休止時(shí)長(zhǎng)為4 min，可在5.5 min內(nèi)發(fā)電2.04 kW·h.

BEUKES J等[90]設(shè)計(jì)了一款如圖7所示的額定發(fā)電功率為2 kW的小型家用壓縮空氣應(yīng)急發(fā)電系統(tǒng).該系統(tǒng)預(yù)計(jì)工作壽命長(zhǎng)達(dá)20 a，且每年只需要4次檢查補(bǔ)氣外，無任何維修成本.趙光耀[91]設(shè)計(jì)出一款應(yīng)用于車用內(nèi)燃機(jī)余熱回收系統(tǒng)領(lǐng)域的小型壓縮空氣電源裝置，該裝置最大負(fù)載電壓值為20.4 V.張紅光等[92]設(shè)計(jì)了一款應(yīng)用于車用發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣余熱的小型壓縮空氣應(yīng)急電源裝置.經(jīng)測(cè)試，該裝置在進(jìn)氣壓力為0.19 MPa時(shí)，可輸出功率19.0 W.劉念鵬[93]設(shè)計(jì)了一款滿足車載發(fā)電的要求的活塞式壓縮空氣發(fā)電裝置，該裝置能夠輸出功率3.1 kW,但發(fā)電效率僅38.4%.許永紅等[94]將設(shè)計(jì)出的新型壓縮空氣應(yīng)急電源系統(tǒng)投入到小型車用有機(jī)朗肯循環(huán)余熱回收領(lǐng)域中.經(jīng)測(cè)試，該系統(tǒng)最大輸出電壓、功率和效率分別為78 V，676 W，94%.張英華等[95]結(jié)合井下避險(xiǎn)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)出如圖8所示的小型壓縮空氣應(yīng)急電源系統(tǒng)，可提供375.78 W的設(shè)備用電.

小型壓縮空氣電源系統(tǒng)作為一種新能源發(fā)電技術(shù)，所產(chǎn)生的功率相對(duì)較小，可直接作為某些用電負(fù)載的應(yīng)急電源，使用十分便捷，同時(shí)其流出的殘余氣體對(duì)大氣毫無污染，常應(yīng)用于如制藥廠等對(duì)環(huán)境清潔度要求較高的領(lǐng)域.

4 結(jié)論

通過分析，對(duì)上述3種小型應(yīng)急電源系統(tǒng)的特性及優(yōu)缺點(diǎn)總結(jié)如表5，6所示.

表5 3種小型應(yīng)急電源優(yōu)缺點(diǎn)比較

表6 3種小型應(yīng)急電源特性比較

(1)小型柴油發(fā)電機(jī)系統(tǒng)作為傳統(tǒng)應(yīng)急電源，技術(shù)較為成熟，負(fù)荷適應(yīng)能力強(qiáng)，加上其功率范圍廣，適用于公路交通、搶險(xiǎn)救災(zāi)、野外工地等復(fù)雜的室外環(huán)境；(2)電池應(yīng)急電源系統(tǒng)啟動(dòng)速度快，噪聲低，供電電壓穩(wěn)定，滿足高層建筑消防照明設(shè)施、醫(yī)院等精密場(chǎng)合；(3)小型壓縮空氣應(yīng)急發(fā)電系統(tǒng)作為一種可靠的綠色應(yīng)急電源，使用壽命長(zhǎng)，不受地理環(huán)境所限制，適用于礦井、軍工、油氣田、制藥廠等無法用電啟動(dòng)的防爆場(chǎng)合和對(duì)環(huán)境要求清潔度較高的領(lǐng)域.