常温空气下外露电极结构的电气体发电实验研究

doi:10.12096/j.2096-4528.pgt.22008

摘要/Abstract

摘要：

为了探究电气体发电基本过程的影响因素和规律，基于电气体发电的基本理论设计了一套简易外露电极结构的电气体高压发电试验装置。基于该装置，以高压空气为工作介质，通过音速喷嘴产生高速气流，利用外露的针尖电极电晕放电产生荷电粒子，研究了气体总压、转换段长度、负载阻值、电晕电压以及电路接法等结构和电气参数对电气体发电电压和功率的影响规律。通过合理配置发电装置参数，获得了相较于电晕电压4.41倍的收集电压或者相较于电晕功率3.53倍的收集功率。研究表明：电势沿着转换段呈抛物线分布；负载阻值越大，收集电压越高；随电晕电压增高，收集功率越大，收集功率和电晕功率之比越小。

关键词: 电气体发电, 常温空气, 电晕放电, 高电压, 外露电极

Abstract:

In order to explore the influencing factors and laws of the basic process of electrogasdynamic power generation, a simple electrogasdaynamic high-voltage power generation test device with exposed electrode structure was designed based on the basic theory of electrogasdaynamic power generation. Based on this device, high-pressure air was used as the working medium, high-speed airflow was generated through sonic nozzles, and charged particles were generated by corona discharge at the exposed needle electrode. The influences of structural and electrical parameters such as total gas pressure, conversion section length, load resistance, applied voltage, and circuit connection on the voltage and power of electrogasdynamic power generation were studied. By reasonably configuring the parameters of the power generation device, a collection voltage of 4.41 times the corona voltage or a collection power of 3.53 times the corona power was obtained. The research shows that the electric potential is parabolically distributed along the conversion section. The greater the load resistance, the higher the collection voltage. As the applied voltage increases, the larger the collection power, the smaller the ratio of the collection power to the corona power.

Key words: electrogasdynamic power generation, normal temperature air, corona discharge, high voltage, exposed electrode structure

中图分类号:

TK 01

柯明辉, 赖林. 常温空气下外露电极结构的电气体发电实验研究[J]. 发电技术, 2024, 45(1): 180-188.

Minghui KE, Lin LAI. Experimental Research of Electrogasdynamic Power Generation With Exposed Electrode Structure Based on Normal Temperature Air[J]. Power Generation Technology, 2024, 45(1): 180-188.

图/表 22

图1 实验系统图

Fig. 1 Experimental system diagram

图2 电气体高压发电装置

Fig. 2 Electrogasdaynamic high-voltage power generation device

图3 电气体高压发电装置主要尺寸

Fig. 3 Main dimensions of electrogasdaynamic high-voltage power generation device

图4 电气体高压发电装置实物图

Fig. 4 Physical map of electrogasdaynamic high-voltage power generation device

图5 电路连接方式1

Fig. 5 Circuit connection mode 1

图6 不同气压下的收集电压变化

Fig. 6 Collected voltage changes with different air pressures

图 7 不同气压下的收集功率变化

Fig. 7 Collected power changes with different air pressures

图 8 不同气压下的发射极电流变化

Fig. 8 Emitter current changes with different air pressures

图9 不同气压下的电晕功率变化

Fig. 9 Corona power changes with different air pressures

图10 不同气压下的净功率变化

Fig. 10 Net power changes with different air pressures

图11 不同转换段长度下的收集电压变化

Fig. 11 Collecting voltage changes under different conversion section lengths

图12 不同负载阻值下的p-Us曲线

Fig. 12 p-Us curves at different load resistances

图13 不同负载阻值下的p-Ps曲线

Fig. 13 p-Ps curves at different load resistances

图14 不同电晕电压下的p-I曲线

Fig. 14 p-I curves at different corona voltages

图15 不同电晕电压下的p-Ri1曲线

Fig. 15 p-Ri1 curves at different corona voltages

图16 不同电晕电压下的p-Ri2曲线

Fig. 16 p-Ri2 curves at different corona voltages

图17 不同电晕电压下的p-Ps曲线

Fig. 17 p-Ps curves at different corona voltages

图18 不同气压下的U-Rp曲线

Fig. 18 U-Rp curves at different air pressures

图19 不同气压下的U-Pe曲线

Fig. 19 U-Pe curves at different air pressures

图20 电路连接方式2

Fig. 20 Circuit connection mode 2

图21 2种接法下的p-Pr曲线

Fig. 21 p-Pr curves under two connection methods

图22 2种接法下的p-Us曲线

Fig. 22 p-Us curves under two connection methods

参考文献 21

1	陈子云．具有热添加的电气体发电过程流动特性及热动力循环分析[D]．重庆：重庆大学，2017．
	CHEN Z Y ．Flow characteristics and thermodynamic cycle analysis of electric gas power generation process with heat addition[D]．Chongqing：Chongqing University，2017．
2	MUSGROVE P J ．Energy from electrogasdynamics[J]．IEEE Review，1973，19(14)：327-330． doi:10.1049/ep.1973.0384
3	上海锅炉厂研究所．电气体发电[J]．锅炉技术，1970(6)：49-51．
	Shanghai Boiler Plant Research Institute ．Electric gas power generation[J]．Boiler Technology，1970(6)：49-51．
4	MARKS A M ．Electrostatic generator with charging and collecting arrays：3792293[P]．U S，1974-02-12．
5	MARKS A M ．Electrothermodynamic(ETD) power converter：US19810237290[P]．U S，1983-07-26． doi:10.1016/0141-9382(83)90200-7
6	MARKS A M ．Electrothermodynamic (ETD) power converter with conical jet：4523112[P]．U S，1985-06-11．
7	MARKS A M ．Electrothermodynamic power converter with converging flows：4677326[P]．U S，1987-06-30．
8	BROWN T T ．Electrokinetic generator：3022430[P]．U S，1962-02-20．
9	BUMAGIN G I， BORODIN D V， LAPKOVA A G，et al ．Operation and design of electrogasdynamic generator-expander on natural gas[J]．Chemical and Petroleum Engineering，2009，45(1/2)：72-76． doi:10.1007/s10556-009-9146-7
10	BUMAGIN G I， BURYAN Y A， LAPKOVA A G，et al ．Physics of processes in the expansion stages of an electrogasdynamic generator with a new electrode system with a pulsed voltage[J]．Chemical & Petroleum Engineering，2009，45(7/8)：413-421． doi:10.1007/s10556-009-9203-2
11	SOLTANI M， AHMADI G， OUNIS H，et al ．Direct simulation of charged particle deposition in turbulent flow[J]．International Journal of Multiphase Flow，1998，24(1)：77-92． doi:10.1016/s0301-9322(97)00042-6
12	NAGORNYI V S， GRISHIN A S ．Electrogasdynamic converters with turbulization of gas jet by controlled unipolar ion current[C]//International Symposium on Electrical Insulating Materials．Kitakyushu，Japan：IEEE，2005：193551． doi:10.1109/iseim.2005.193551
13	SZABOLCS V， OLIVEIRA A C ．Simulation study of an electrogasdynamic power converter using CFD[J]．International Journal of Low Carbon Technologies，2006，1(3)：245-261． doi:10.1093/ijlct/1.3.245
14	OLIVEIRA R ．Study of electrogasdynamic power conversion[M]．New York：Nova Science Publishers，2007：171-200．
15	MACHADO J M， YANG S Y ．Electrofluid dynamic (EFD) energy conversion in gas flows with suspended nanoparticles[J]．International Journal of Applied Electromagnetics and Mechanics，2010，33(1/2)：119-125． doi:10.3233/jae-2010-1104
16	赵俊才．电流体发电实验与结构探讨[J]．高电压技术，1981，8(2)：59-67．
	ZHAO J C ．Discussion on the experiment and structure of electrohydrodynamic power generation[J]．High Voltage Engineering，1981，8(2)：59-67．
17	陈听宽，张燕谋，温龙，等．新能源发电[M]．西安：西安交通大学出版社，2007：126-128．
	CHEN T K， ZHANG Y M， WEN L，et al ．New energy power generation[M]．Xi’an：Xi’an Jiaotong University Press，2007：126-128．
18	LIU J， XU Z， ZHANG X ．Thermodynamics investigation on one novel combined cycle based on the electrogasdynamic generator[J]．Energy，2020，198：117277． doi:10.1016/j.energy.2020.117277
19	孙万敏，刘娟芳，陈清华，等．基于电气体发电ORC系统热力学分析[J]．热能动力工程，2014，29(4)：374-379．
	SUN W M， LIU J F， CHEN Q H，et al ．Thermodynamic analysis of ORC system based on electric gas power generation[J]．Journal of Engineering for Thermal Energy and Power，2014，29(4)：374-379．
20	朱桂同．电气体发电中有热添加的喷管流动及热力循环分析[D]．重庆：重庆大学，2014． doi:10.7652/xjtuxb201409012
	ZHU G T ．Analysis of nozzle flow and thermal cycle with heat addition in electric gas power generation[D]．Chongqing：Chongqing University，2014． doi:10.7652/xjtuxb201409012
21	孙万敏．电气体发电循环系统的性能研究[D]．重庆：重庆大学，2015．
	SUN W M ．Study on the performance of electric gas power generation cycle system[D]．Chongqing：Chongqing University，2015．

[1]	胡程平, 范明, 刘艾旺, 施云辉. 考虑云储能的多区互联综合能源系统规划[J]. 发电技术, 2024, 45(4): 641-650.
[2]	赵振宇, 包格日乐图, 李炘薪. 基于信息间隙决策理论的含碳捕集-电转气综合能源系统优化调度[J]. 发电技术, 2024, 45(4): 651-665.
[3]	杨康, 李蓝青, 李艺丰, 宋东阔, 王博仑, 陈金, 周霞, 单宇. 一种新型分布式光伏出力区间预测方法[J]. 发电技术, 2024, 45(4): 684-695.
[4]	孟梓睿, 刘雅雯, 巨星. 光伏-压电复合独立供电系统的运行分析[J]. 发电技术, 2024, 45(4): 696-704.
[5]	肖白, 赵雪纯, 董光德. 电能质量综合评估方法综述与展望[J]. 发电技术, 2024, 45(4): 716-733.
[6]	杜婉琳, 王玲, 罗威, 朱远哲, 吕鸿, 马潇男, 周霞. 基于深度强化学习的有源配电网电压分层控制策略[J]. 发电技术, 2024, 45(4): 734-743.
[7]	陈昱, 丁鸿, 崔勇, 朱里, 陈士俊, 凌秋阳, 徐勇生, 郑建. 变电设备温度态势感知及辅助决策系统方案研究[J]. 发电技术, 2024, 45(4): 744-752.
[8]	王伟杰, 曾鑫洁, 徐远途, 李书仪, 阮灿华, 童宁, 武小梅. 基于正序突变量相轨迹辨识的可再生能源配电网电流保护[J]. 发电技术, 2024, 45(4): 753-764.
[9]	段贵超, 王恭, 曹生现, 段洁. 虚拟电厂运行策略及DG分布式控制研究[J]. 发电技术, 2024, 45(4): 765-771.
[10]	袁鑫, 刘骏, 陈衡, 潘佩媛, 徐钢, 王修彦. 碳捕集技术应用对燃煤机组调峰能力的影响[J]. 发电技术, 2024, 45(3): 373-381.
[11]	叶健强, 孙敦虎. 碳交易条件下基于鲁棒优化的电源规划研究[J]. 发电技术, 2024, 45(3): 566-574.
[12]	张洺驿, 黄鹏, 王亚午. 环形介电弹性体发电机的输出特性研究[J]. 发电技术, 2024, 45(3): 517-526.
[13]	袁家海, 胡玥琳, 张健. 基于改进三阶段松弛测量-数据包络模型的火电上市公司碳排放效率评估研究[J]. 发电技术, 2024, 45(3): 458-467.
[14]	郭镥, 刘永礼, 张媛, 吴倩, 李跃辉, 侯晓宇, 张雅静. 实用化数据同步技术在新型配电系统规划多人协同机制中的应用[J]. 发电技术, 2024, 45(2): 363-372.
[15]	付红军, 朱劭璇, 王步华, 谢岩, 熊浩清, 唐晓骏, 杜晓勇, 李程昊, 李晓萌. 基于长短期记忆神经网络的检修态电网低频振荡风险预测方法[J]. 发电技术, 2024, 45(2): 353-362.