一种熔盐新能源动力系统和控制方法及移动式设备

1.本发明涉及于新能源应用技术领域，具体是一种熔盐新能源动力系统和控制方法及移动式设备。


背景技术：

2.目前对于移动式设备而言，因为要求设备能够在较大范围内自主移动，且移动路线存在较大的不确定性，所需要的动力来源需要以间断添加的形式获得。如汽车、轮船等移动载运工具，需要在燃油/电量消耗完毕之前，前往固定的地点添加燃油/充电。燃油为化石燃料，污染大且存在枯竭的风险。依靠电力驱动的移动式设备，也饱受电池能量密度低、充电时间长和续航时间短、电池容易起火爆炸等困扰。


技术实现要素：

3.本发明所要解决的技术问题在于克服上述现有技术之不足，提供一种结构简单、效果良好的熔盐新能源动力系统和控制方法及移动式设备。本发明是以如下技术方案实现的：一种熔盐新能源动力系统，包括高温熔盐罐和低温熔盐罐，所述高温熔盐罐和低温熔盐罐连接有蒸气发生器，所述高温熔盐罐与蒸气发生器之间设有手动阀和熔盐泵送装置；所述蒸气发生器连接有透平和储水箱，所述储水箱与蒸气发生器之间设有水泵装置，所述透平和储水箱之间设有散热器，所述透平连接有输出装置；所述高温熔盐罐和低温熔盐罐上分别设有第一排泄阀和第二排泄阀，所述高温熔盐罐上设有加注口，所述透平上设有安全阀；还包括控制器，所述控制器连接有高温熔盐罐温度传感器、第一排泄阀、低温熔盐罐温度传感器、第二排泄阀、熔盐泵马达、水泵马达，蒸汽压力传感器、蒸汽温度传感器和人机输入装置。
4.其进一步是：所述高温熔盐罐和低温熔盐罐内的熔盐为硝酸盐、氯化盐、氟化盐、碳酸盐单工质熔盐或者混合型熔盐，所述混合型熔盐为硝酸盐、氯化盐、氟化盐、碳酸盐的二种熔盐或者多种熔盐按照比例混合而成。
5.所述熔盐的液体温度区间为＞100℃且＜700℃。
6.所述输出装置为发电机或齿轮箱或液压泵。
7.所述散热器包括散热器芯体和散热强化风扇，所述散热器芯体包括金属管道和金属翅片。
8.所述高温熔盐罐和低温熔盐罐与系统之间为快换式机械连接。
9.一种熔盐新能源动力系统的控制方法，包括如下步骤：
10.s1、高温熔盐罐添加高温熔盐，低温熔盐罐剩余容积大于高温熔盐罐内存储的熔盐体积，手动阀门打开；
11.s2、控制器读取人机输入装置的角度信号θ，当角度信号θ＞0时，系统进入功率调节模式；当读取不到角度信号θ时，系统进入停机模式；当角度信号θ＝0时，系统进入待机模式；
12.s3、当系统进入功率调节模式时，操作人员通过人机输入装置的角度信号，向控制器输入目标输出功率p
t
，控制器通过温度和压力的反馈值，调节熔盐、水的流量，最终达到实际输出功率为pa逼近目标输出功率p
t
的功效；
13.s4、当系统进入待机模式时，控制器分别向熔盐泵马达和水泵马达发送初始占空比为5％的pwm波。
14.所述步骤s3中，具体的调节方法为：
15.t1、因θ＞0，系统将计算abs的值，当abs/θ大于1％时，通过公式1计算目标功率p
t
，当abs/θ小于1％时进入延时0.5秒的循环；其中θ
前值
为上一个循环时记录到的角度值，首次启机时θ
前值
＝0；
16.t2、目标输出功率p
t
和人机输入装置的角度θ的关系为：
17.p
t
＝a
×
θ
ꢀꢀꢀ118.其中，a为常数，θ
max
为人机输入装置的最大值，p
tmax
为对应的目标输出功率最大值；
19.t3、通过pwm＝p
t
/p
tmax
*100％分别计算熔岩泵和水泵的pwm波的占空百分比，将熔岩泵的pwm1发送给熔岩泵电机，电机以相应的转速运转，将水泵的pwm2发送给水泵电机，电机以相应的转速运转；
20.t4、系统延时0.5秒，读取透平前的蒸汽压力传感器的值pc和蒸汽温度传感器的值td，通过公式2计算实际输出功率pa21.pa＝b
×
pc×
tdꢀꢀꢀꢀ222.其中，b为经验常数；
23.t5、如果abs/pa大于1％时，系统判断输出功率与目标功率不一致，再次读入θ并计算abs的值，如果abs/θ小于等于1％，则说明此时操作员未改变踏板角度，将进行水泵流量调节，pwm2调节公式3如下，完毕进入步骤t3发送pwm2的流程，
24.pwm2＝pwm2*(1 (p
a-p
t
)/pa)
ꢀꢀꢀ325.如果abs/θ大于1％，则进入步骤t2计算p
t
的流程；
26.t6、如果abs/pa小于等于1％时，表明输出功率和目标功率一致，则回步骤t1；
27.t7、在功率调节模式下，重复上述循环。
28.还包括系统低温保护工作方法，包括如下步骤：
29.在停机状态下，控制器根据低温熔盐罐温度传感器的值tb和高温熔盐罐温度传感器的值ta，假定设定10℃的安全温度区间，温度阈值设定在110℃；
30.如果tb＞110℃且ta＞110℃，为正常工作区间，低温保护不启动；
31.如果tb＜110℃且ta＞110℃，控制器向熔盐泵马达发送占空比10％的pwm波，启动熔盐泵，高温熔盐被泵送到低温熔盐罐，维持罐内温度；
32.如果ta＜110℃，控制器打开第一排泄阀和第二排泄阀，排空低温熔盐罐和高温熔盐罐内的熔盐，防止熔盐凝固。
33.一种移动式设备，该移动式设备安装和使用有熔盐新能源动力系统及控制方法。
34.本发明具有以下优点：本发明的熔盐新能源动力系统和控制方法及移动式设备，将高温熔盐作为能量来源应用到移动式装置，为移动式设备提供了除化石燃料、电池驱动以外的新型能源，具有能源来源多样性、添加方便、续航时间长的优点；另外适合移动式设
备使用的功率控制系统，使其能够用于移动设备，保证行驶顺畅、使用方便。
附图说明
35.图1是发明的系统功率控制装置示意图；
36.图2到图5是发明的输出端结构示意图；
37.图6是发明的系统中三种模式切换示意图；
38.图7是发明的系统功率调节模式示意图；
39.图8是发明的目标输出功率pt和人机输入装置的角度θ的关系示意图；
40.图9是发明低温保护的温度区间示意图；
41.图中：1、高温熔盐罐，2、低温熔盐罐，3、蒸气发生器，4、透平，5、散热器，6、储水箱，7、输出装置，8a、水泵马达，8b、水泵，9a、熔盐泵马达，9b、熔盐泵，10、控制器，11a、高温熔盐罐温度传感器，11b、低温熔盐罐温度传感器，11c，蒸汽压力传感器、11d、蒸汽温度传感器，低温熔盐罐温度传感器，12、手动阀，13、安全阀，14、人机输入装置，15、第一排泄阀，16、第二排泄阀，17、加注口。
具体实施方式
42.如图1至图5所示的一种熔盐新能源动力系统，包括高温熔盐罐1和低温熔盐罐2，所述高温熔盐罐1和低温熔盐罐2连接有蒸气发生器3，所述高温熔盐罐1与蒸气发生器3之间设有手动阀12和熔盐泵送装置；所述蒸气发生器3连接有透平4和储水箱6，所述储水箱6与蒸气发生器3之间设有水泵装置，所述透平4和储水箱6之间设有散热器5，所述透平4连接有输出装置7；所述高温熔盐罐1和低温熔盐罐2上分别设有第一排泄阀15和第二排泄阀16，所述高温熔盐罐1上设有加注口17，所述透平4上设有安全阀13；还包括控制器10，所述控制器10连接有高温熔盐罐温度传感器11a、第一排泄阀15、低温熔盐罐温度传感器11b、第二排泄阀16、熔盐泵马达9a、水泵马达8a，蒸汽压力传感器11c、蒸汽温度传感器11d和人机输入装置14。所述散热器5包括散热器芯体和散热强化风扇，所述散热器芯体包括金属管道和金属翅片。本发明的熔盐新能源动力系统包括熔盐端、水/蒸气端、蒸气发生器和输出端，其中熔盐端包括高温熔盐罐、手动阀门、熔盐泵送装置和低温熔盐罐；水/蒸气端包括储水箱、水泵装置、透平、安全阀和散热器；高温熔盐罐底部连接有第一排泄阀，低温熔盐罐底部连接有第二排泄阀，高低温熔盐罐外部均具有隔热保温材料；蒸气发生器具有热量交换的功能，将熔盐端的热量交换到水/蒸气端，形成高温高压的水蒸气；散热器由散热器芯体和散热强化风扇组成，散热器芯体有金属管道和金属翅片组成，具有将水蒸气凝结为液态水的功能；手动阀可以在紧急情况下，由操作人员手动切断高温熔盐的供给，从而达到强制停止系统运转的功效；安全阀在蒸气端压力超过异常值时，自动打开泄压；系统功率控制装置，为操作人员通过人机输入装置输入到控制器，通过控制器控制系统的运行；系统中高温的熔盐的获得方式为其它设备加热后，再加入到本系统。本发明的控制器连接有若干传感器和控制装置，其中高温熔盐罐温度传感器11a传输温度信号ta给控制器；低温熔盐罐温度传感器11b传输温度信号tb给控制器10；蒸汽压力传感器11c传输压力信号pc给控制器；蒸汽温度传感器11d传输温度信号td给控制器；控制器通过pwm波控制水泵马达8a、熔盐泵马达9a的转速；控制器控制第一排泄阀、第二排泄阀的打开或者关闭；控制器连接人机输入装置，为
硬件输入装置，典型的为脚踏板、或者手柄、级档开关，操作人员通过人机输入装置的角度θ信号，向控制器输入目标输出功率p
t
，控制器通过温度和压力的反馈值，调节熔盐、水的流量，最终达到实际输出功率为pa逼近目标输出功率p
t
的功效。
43.如图1至图5所示的一种熔盐新能源动力系统，所述高温熔盐罐1和低温熔盐罐2内的熔盐为硝酸盐、氯化盐、氟化盐、碳酸盐单工质熔盐或者混合型熔盐，所述混合型熔盐为硝酸盐、氯化盐、氟化盐、碳酸盐的二种熔盐或者多种熔盐按照比例混合而成。所述熔盐的液体温度区间为＞100℃且＜700℃。本发明的熔盐可为单工质熔盐或者混合型熔盐，要求熔盐的温度区间高于水蒸气的温度，能将水加热为水蒸气；同时低于钢材失效的温度，保障系统的安全可靠的运行直接添加模式：熔盐可采用直接添加的方式，高温熔盐罐具有加注口，可由此接口加入高温熔盐，低温熔盐罐具有第二排泄阀，可由此排泄口排空低温熔盐。
44.如图2至图5所示的一种熔盐新能源动力系统，所述输出装置7为发电机或齿轮箱或液压泵。本发明的输出装置用于驱动轮式行走设备时，透平驱动发电机发电，发出的电通过电动机驱动车轮行走；或者透平通过齿轮箱、传动轴组成的机械传动系统，驱动车轮行走；用于驱动履带式移动设备时，透平驱动液压泵，所产生的高压油源，驱动液压马达转动，从而驱动履带行走；用于驱动螺旋桨推进式移动设备时，透平通过齿轮箱驱动桨叶，桨叶浸入液体或气体中，旋转的桨叶产生推力，从而推动设备行走；用于驱动设备上的其它工作系统，如驱动设备上照明等用电设备时：透平驱动发电机发电，发出的电供工作系统使用；或者，透平驱动液压泵，所产生的高压油源，供工作系统使用，如驱动设备上的机械手臂液压缸。
45.如图1至图5所示的一种熔盐新能源动力系统，所述高温熔盐罐1和低温熔盐罐2与系统之间为快换式机械连接。本发明的熔盐罐安装支座为榫卯、紧固件连接结构，管路连接为快换接头的连接形式，方便拆装，当高温熔盐罐内部的熔盐消耗殆尽后，断开高温和低温熔盐罐的管路连接，断开安装支座，取下高温和低温熔盐罐，安装上满罐的高温熔盐罐、安装上空罐的低温熔盐罐，系统即可立即开始工作。
46.一种熔盐新能源动力系统的控制方法，如图6所示，包括如下步骤：
47.s1、高温熔盐罐1添加高温熔盐，低温熔盐罐2剩余容积大于高温熔盐罐1内存储的熔盐体积，手动阀门12打开；
48.s2、控制器10读取人机输入装置14的角度信号θ，当角度信号θ＞0时，系统进入功率调节模式；当读取不到角度信号θ时，系统进入停机模式；当角度信号θ＝0时，系统进入待机模式；
49.s3、当系统进入功率调节模式时，操作人员通过人机输入装置14的角度θ信号，向控制器10输入目标输出功率p
t
，控制器通过温度和压力的反馈值，调节熔盐、水的流量，最终达到实际输出功率为pa逼近目标输出功率p
t
的功效；
50.s4、当系统进入待机模式时，控制器10分别向熔盐泵马达9a和水泵马达8a发送初始占空比为5％的pwm波；具体操作如下：
51.熔盐端：控制器10向熔盐泵马达9a发送初始占空比为5％的pwm波，即参数pwm1＝5％，熔盐泵马达9a带动熔盐泵9b旋转，高温熔盐被泵送到蒸气发生器3；水/蒸气端：控制器10向水泵马达8a发送初始占空比为5％的pwm波，即参数pwm2＝5％，水泵马达8a带动水泵8b旋转，液态水被泵送到蒸气发生器3；在蒸气发生器3内部，高温熔盐将液态水加热，水沸腾
后转变为高温高压的水蒸气；水/蒸气端：高温高压的水蒸气输送到透平4，驱动透平4旋转，并将转速和扭矩传递给输出端做功。高温高压的水蒸气做功后转变为水/蒸气的混合物，再流向散热器5，经散热器充分冷却后，变为纯液态的水，流回储水箱6；熔盐端：经过蒸气发生器3换热后降温的熔盐，流入低温熔盐罐2。
52.所述步骤s3中，在工作状态时，用于移动式设备时，需要根据设备的行走速度、设备的需要的功率大小，实时动态调节系统的输出功率或扭矩，具体的调节方法为：
53.操作人员通过人机输入装置14的角度θ信号，向控制器10输入目标输出功率p
t
，控制器通过温度和压力的反馈值，调节熔盐、水的流量，最终达到实际输出功率为pa逼近目标输出功率p
t
的功效。
54.目标输出功率p
t
和人机输入装置14的角度θ的关系为：p
t
＝a
×
θ；
55.其中，a为常数，θ
max
为人机输入装置14的最大值，p
tmax
为对应的目标输出功率最大值，函数关系如图8所示。
56.如图7所示，操作人员操作人机输入装置14，此时人机输入装置14向控制器发送的为θ角度信号，因θ＞0，系统将计算θ-θ
前值
(θ
前值
为上一个循环时记录到的角度值，首次启机时θ
前值
＝0)的绝对值，绝对值大于θ的1％时，通过前述公式计算目标功率p
t
(小于等于θ的1％时进入延时0.5秒的循环)；下一步通过pwm1＝p
t
/p
tmax
*100％计算熔岩泵的pwm波的占空百分比，将pwm1发送给熔岩泵电机，电机以相应的转速运转；同时通过pwm2＝p
t
/p
tmax
*100％计算水泵的初始pwm波百分比，将pwm2发送给水泵电机，电机以相应的转速运转。下一步系统延时0.5秒，读取透平前的压力pc和温度td，通过下属公式计算实际输出功率pa；
57.pa＝b
×
pc×
td，其中b为经验常数；
58.进一步，如果p
a-p
t
的绝对值大于pa的1％时，系统判断输出功率与目标功率不一致，再次读入θ并计算θ-θ
前值
的绝对值，如果绝对值小于等于θ的1％，则说明此时操作员未改变踏板角度，将进行水泵流量调节，pwm2调节公式如下，完毕进入发送pwm2的流程。
59.pwm2＝pwm2*(1 (p
a-p
t
)/pa)
60.如果绝对值大于θ的1％，则进入计算p
t
的流程。
61.如果p
a-p
t
的绝对值小于等于pa的1％时，表明输出功率和目标功率一致，则回到初始的读入θ的循环。
62.在功率调节模式下，重复上述循环。
63.还包括系统低温保护工作方法，包括如下步骤：
64.在停机状态下，控制器10根据低温熔盐罐温度传感器11b的值tb和高温熔盐罐温度传感器11a的值ta，并判读是否启动低温保护措施，如图9所示，假定设定10℃的安全温度区间，温度阈值设定在110℃；
65.如果tb＞110℃且ta＞110℃，图9中x区域，为正常工作区间，低温保护不启动。
66.如果tb＜110℃且ta＞110℃，图9中y区域，控制器10向熔盐泵马达9a发送占空比10％的pwm波，启动熔盐泵9b，高温熔盐被泵送到低温熔盐罐2，维持罐内温度；
67.如果ta＜110℃，图9中z区域，控制器10打开第一排泄阀15和第二排泄阀16，排空低温熔盐罐2和高温熔盐罐1内的熔盐，防止熔盐凝固。
68.一种移动式设备，该移动式设备安装和使用有上述的熔盐新能源动力系统及控制方法。本发明的熔盐新能源动力系统在移动式设备上，具有不依赖外接能源的就能自主移
动的特征。典型的如汽车、火车、轮船、及其它不依赖外接能源的就能自主移动的设备。