热泵式烃蒸汽机与新能源汽车

王维智

随着国家治理空气污染的力度日渐加强，传统汽车的污染严重，新能源汽车的更新换代势在必行。目前主流新能源汽车，能源主要包括LNG、CNG、电动、氢燃料、乙醇、甲醇等。目前主流新能源汽车，气体燃料汽车行驶里程短，需要频繁加气。且压力极高存在一定危险性。液体燃料汽车多需要低温、高压存储，工艺复杂，改装成本、建站成本较高。电动汽车行驶里程短，在开发程度不高的区域建设高压线成本和难度较大。

能源的最终方案不应是任何一种形式的消耗，而是能量的转化和运作方式的引导，从中进行各种最有效的利用。

本篇论文通过整理相关资料，以解决电动汽车行程短、充电难为核心，对各种方案进行比较改进，并以地源热泵为核心探讨论理。展望可期的未来如何优化和更高效的进行能源利用。

关键词：新能源充电站热泵混烃蒸汽

第1章绪论

以汽车动力为主的新能源，主要分为三类形式：液体燃料、气体燃料、电能。

其中气体燃料以CNG为代表，具有相对于传统汽油燃料，燃烧清洁、价格低廉等优势。然而为了提高存储量，CNG存储时需要压缩至20MPa以上的超高压，具有一定危险性，生产、存储、运输均需要较大成本。并且气体燃料的总存储量较低，总行程大约在150Km左右，因此仅适用于城市出租车使用。

其次，以汽油、柴油等为代表的液体燃料，具备存储容量大、使用效率高等优势，在市场中一只占有主导地位。LNG作为近年来国内逐渐普及、价格低廉的优势，获得了广大卡车司机的青睐。然而液体燃料以碳基燃料为基础，具备两个重大缺陷。首先碳基燃料不可避免的燃烧产生一氧化碳和二氧化碳，对空气造成污染并逐渐蚕食破坏大气层。其次化石燃料作为一次性消耗能源，并不符合可持续发展观。

最后，以电力作为主要能源的电动汽车，具备高扭矩、高速度的性能优势，使用过程中几乎无排放的重大优势，成为我国目前首推的“新能源汽车”。但电动汽车目前的技术水平并不完善。第一，行驶里程如同气体燃料一样十分有限。第二，在电力制造的过程中，尤其以北方地区火力发电为主的结构下，本质上污染仅仅是转移并没有根除。第三，目前的电池技术，在一定时间内即使不使用电力也会逐渐损耗。第四，我国的电能运输能力即使处于世界领先水平，但相对于化石燃料便于存储、运输的特点，假设长距离高压电线成本巨大，限制了电动汽车的覆盖范围。

然而电动汽车依旧有不可忽视的优势，本文主要以如何解决电动汽车的劣势为核心，分析比较各种能源，并论述如何克服电动汽车及电力能源的劣势为主要核心，已低污染、轻结构发电形式的发展和期望为论述要点，展望未来汽车及其它能源的发展趋势。

第2章 各种能源的特征比较

2.1 石油能源

2.1.1石油能源具有极高的能量密度优势，同能量存储量的前提下，最优秀的锂电池其体积大约是石油的五十倍。已六十四升的油箱为例，大约7000kcal*64，假设用太阳能发电，需要1000m²面积的电池板照射一个日周期。

2.1.2石油能源具有超高的eroei，即产出能源时，最终产能与投入产能的比例。风力发电的eroei为8，太阳能发电的eroei为5，与之相比石油能源的平均eroei为30，具有压倒性的优势。

2.1.3石油能源的主要载体主要为液态，具有便于运输、存储的特征。

第四，石油能源的主要弊病之一，作为长期自然形成的化石能源，理论上说石油的总存量是有限的。根据2010年当年开采量与使用量计算，石油能源可使用的年限大约剩余46年。然而，根据近年来石油探测技术的发展，以及页岩气、伴生气、冰层气等开发利用，以及传统裂压式开采工艺的开采能力有限，目前推断石油的总储量可供全球使用200年以上。

2.1.4石油能源目前技术无法避免的弊端：空气污染。综合汽油、柴油、煤炭等石油能源的燃烧，空气污染的弊端显而易见。除此之外温室效应的影响下，对地球造成着不可逆的影响。仅此一点，目前来说石油能源并不是能源最终解决方案，除非能更有效安全的利用，否则必将被其它能源取代。

2.2 太阳能

2.2.1太阳能的利用形式多样，主要可分为直接利用太阳能、集中太阳热发电、太阳能电池板发电三种。

2.2.2太阳能的总量极其丰富，每个日周期地表可吸收的太阳能相当于2*10¹¹吨汽油的总能量。

2.2.3太阳能供电稳定性较差，夜间、阴雨天气无法保障供电，因此依赖较大的电力存储设备。

2.2.4太阳能利用需要巨大的土地照射面积，如沙漠、平原等地。并不适用于城市人员密集区。

2.2.5综合以上太阳能的特点，太阳能适合取代一部分传统能源。如汽车充电、工业生产等周期性作业。但不能完全取代能源供给。

2.3 热泵能源

2.3.1热泵主要依据能源来源分为空气源热泵、地源热泵、水源热泵、复合热泵。可从多种介质中吸收热量。

2.3.2热泵的附产品可通过冷能利用实现多次利用，如冷库保鲜、降温、工业冷源等。

2.3.3热泵的加温极限较低，例如目前主要使用的空气源锅炉，只能将水温加热至60~70℃，仅可用于洗浴。导致热泵能源利用方式较为单一。

2.3.4热泵受环境影响较大，如冬季、寒冷地带，会严重影响效率。

2.3.5热泵能源不受建设程度限制，建设区域灵活，本质上是太阳能和地热的一种利用形式。

2.4 结论

比较后，选择较为稳定、可持续发展性强的热泵能源作为研究核心，主要以解决热泵能源现有缺陷为主。

第3章热泵应用与汽车充电站

3.1 热泵发电基础原理

介质冷却液通过膨胀阀和蒸发器，进行汽化同事吸收环境热量。再利用压缩机增加压力促使介质液化，放出热量。利用放出的热量将蒸汽液加热至沸腾，带动涡轮蒸汽机进而进行发电。

3.2 设备的选型

3.2.1热泵选型，常见热泵中，选择地源热泵与空气源热泵相结合的形式。地源热泵具有受季节、时间影响较小，热源稳定的优势。空气源热泵具有换热快、效率高的优势。从而根据不同环境的地貌特征选择合适的热泵。

3.2.2冷却液选型，冷却液选用MRC混合冷剂，具有性能稳定、携带热量较大、可根据需求调节比例的优势。

3.2.3蒸汽液的选型，选用以正戊烷为主的混烃溶液，利用其沸点较低的优势，可结合热泵产生沸腾蒸汽。增加稀释剂增强稳定性和流动性。

3.3 热泵型充电站

3.3.1目前充电站建设以来已建成国家电网沿线区域，较为依赖城市建成度。而使用热泵作为能量源，不受城市建成度限制。在戈壁、山村等孤岛区域，可独立建设。

3.3.2热泵型充电站，可建设能源自循环，对长期可持续发展有着重大贡献。

3.3.3热泵型充电站对于快递业务、农用机械等周期性短行程较为孤立的汽车驱动范围具有极大的帮助和优势。

3.3.4热泵型充电站目前技术上，实现成本高、技术难度大、难以小型化。

第4章结论

能源的本质并不是“消耗”而是“引导”。能源和物质并不是产生或消失，而是在不断转化的过程中进行利用。

人类所掌握的绝大多数能源利用，都是通过“烧煤煮开水”的开环式一次利用，从长远角度来讲并非最优解。 单纯的“节制”能源消耗，会限制技术发展，和进步进化有本质上的相悖。 合理引导能源和能量的指向，建立相对闭环的循环链，才是能源危机的最终答案。

目前的能源引导技术如风能、水能、地热，效率有限，建设成本大，并且对环境会造成不可预计的影响。但随着技术的发展，必将越来越好。

参考文献

[1] 《热泵供热性能规律的理论和实验研究》．万方数据库2017

[2] 学良,《内燃机燃烧学》. 机械工业出版社, 1990

[3] 顾安忠．《液化天然气技术》：机械工业出版社，2015

[4] 稻垣理.《能源引导与利用》.台湾: 东立出版社出.2011