用于存儲熱能以作為車輛中輔助能源的系統和方法
【專利說明】用于存儲熱能以作為車輛中輔助能源的系統和方法
[0001]本申請是分案申請，原申請的申請日為2011年3月30日，申請號為201180024006.7，發明創造名稱為“用于存儲熱能以作為車輛中輔助能源的系統和方法”。
[0002]相關申請
[0003]本申請要求2010年4月I日提交的名稱為“用于存儲熱能以作為車輛中輔助能源的系統和方法”的美國臨時專利申請序列號N0.61/329，923的優先權。
技術領域
[0004]本發明總體上涉及能量存儲，更具體地，涉及用于存儲熱能以作為車輛中輔助能源的系統和方法。
【背景技術】
[0005]使用內燃機的常規車輛，諸如運輸卡車，在冬季需要來自運轉發動機的熱量為車輛加熱系統提供能源，以制熱；而在夏季需要由運轉發動機產生機械能來轉動壓縮機，為空調系統提供能源以制冷。卡車駕駛員通常在卡車停車時長時間保持其發動機運轉，以在休息或整晚睡眠時提供制熱或制冷。由于卡車通常具有柴油發動機，這種長時間空轉導致大量的污染物釋放進大氣中。此外，很多管轄區域實行反空轉(ant1-1dling)法，其禁止卡車保持空轉，使得駕駛員在駕駛室內休息時無法進行制熱或制冷。
[0006]需要一種用于捕獲并存儲熱能作為車輛中輔助能源的系統和方法，其解決常規系統的至少部分缺陷。
【發明內容】
[0007]本發明的一方面提供一種用于熱捕獲及存儲系統的控制器，該熱捕獲及存儲系統構造成從發動機排氣放出的熱中捕獲并存儲能量，控制器包括多個輸入裝置、多個輸出裝置、以及至少一個與存儲器聯結的處理器，該存儲器用于將由至少一個處理器能夠執行的指令存儲在該存儲器中，控制器構造成，通過執行存儲于存儲器中的指令來進行下述操作:接收多個輸入裝置中的一個或更多輸入裝置處的信號，信號表征熱捕獲及存儲系統的至少一個操作參數；以及基于至少一個操作參數，在多個輸出裝置中的一個或更多輸出裝置處生成信號，用于控制熱捕獲及存儲系統的至少一個構件，以從發動機排氣放出的熱中捕獲并存儲能量。
[0008]本發明的另一方面提供一種對熱捕獲及存儲系統進行控制的處理器執行方法，該熱捕獲及存儲系統構造成從發動機排氣放出的熱中捕獲并存儲能量，該方法包括:在至少一個處理器處，接收表征熱捕獲及存儲系統的至少一個操作參數的操作信號；以及基于至少一個操作參數，在至少一個處理器處生成控制信號，用于控制熱捕獲及存儲系統的至少一個構件。
[0009]本發明的一方面提供一種用于從機動車發動機排氣放出的熱捕獲能量并存儲所捕獲能量的系統。該系統包括發生器、冷凝器、蒸發器和吸收器。發生器從發動機排氣捕獲熱，并可構造為用于循環第一溶液，該第一溶液具有能夠由發生器捕獲的熱汽化的溶質。冷凝器可與發生器連接，用于接收汽化溶質并將該汽化溶質冷凝為液體。蒸發器可與冷凝器連接，并具有位于冷凝器和蒸發器之間的孔，蒸發器具有用于流通溶質的第一流體通道和用于流通第二溶液的第二流體通道。第一流體通道和第二流體通道可構造為，由從行進通過第二流體通道的第二溶液吸收的熱，使得行進通過第一流體通道的溶質汽化，從而冷卻第二溶液。吸收器可結合至蒸發器和發生器。吸收器可構造為，通過使溶質和由發生器所供應的第一溶液的溶劑混合，使溶質重返溶液，并且，用于使第一溶液重返發生器，以完成系統的循環。
[0010]本發明的另一方面提供一種用于在冷存儲模式下使系統操作的方法，該系統用于從機動車發動機排氣放出的熱捕獲能量并存儲所捕獲的能量。該方法包括:將來自發動機排氣的熱吸收到溶液中，并汽化溶液的溶質，留下溶液的溶劑；使溶質冷卻并冷凝變回液態；將液體溶質注入蒸發器，允許溶質吸收熱能，從而冷卻流經蒸發器的第二溶液；以及進一步將溶質重新吸收到至溶劑以重建溶液，用于在吸收步驟中進一步使用。
[0011]本發明的又一方面提供一種用于在熱存儲模式下使系統操作的方法，該系統用于從機動車發動機排氣放出的熱捕獲能量并存儲所捕獲的能量。該方法包括:將來自發動機排氣的熱吸收到溶液中，并使溶液的溶質汽化，留下溶液的溶劑；使溶質循環經過蒸發器，以使溶質能夠散發熱能，從而加熱流經蒸發器的第二溶液；以及將溶質重新吸收到溶劑中，并重建溶液，用于在吸收步驟中進一步使用。
[0012]本發明的另一方面提供一種用于對系統進行控制的控制器，該系統用于從機動車發動機排氣放出的熱捕獲能量并存儲所捕獲的能量。該控制器具有與存儲器聯結的至少一個處理器，該存儲器用于將由至少一個處理器以及多個輸入裝置和多個輸出裝置所執行的指令存儲在該存儲器中。該控制器構造成執行存儲于存儲器中的指令，并因此接收一個或多個輸入裝置處的信號，以及生成一個或多個輸出裝置的信號，用于對系統的各構件進行控制，以從機動車發動機排氣放出的熱捕獲能量，并存儲所捕獲的能量。
[0013]本發明的另一方面提供一種在系統中使用的熱交換器，該系統用于從機動車發動機排氣放出的熱捕獲能量并存儲所捕獲的能量。該熱交換器可具有外管和內管。該熱交換器從穿過內管行進的發動機排氣中捕獲熱，并將該熱傳遞至流通經過外管的溶液，隨著溶液吸熱，溶液中的溶質汽化。
【附圖說明】
[0014]現在參照示出本發明的示例、實施例的附圖，其中:
[0015]圖1以方塊圖形式示出根據本說明書一方面的熱輔助能源單元；
[0016]圖2a(圖2A)以方塊圖形式示出根據本說明書一方面在冷存儲模式下操作的熱輔助能源單元；
[0017]圖2b (圖2B)以流程圖形式示出根據本說明書一方面在冷存儲模式下操作的熱輔助能源單元的過程；
[0018]圖3a(圖3A)以方塊圖形式示出根據本說明書一方面在熱存儲模式下操作的熱輔助能源單元；
[0019]圖3b (圖3B)以流程圖形式示出根據本說明書一方面在熱存儲模式下操作的熱輔助能源單元的過程；
[0020]圖4以方塊圖形式示出根據本說明書一方面由熱輔助能源單元的控制器執行的過程；以及
[0021]圖5示出與根據本說明書一方面的熱輔助能源單元一起使用的發生器的正視圖和相關截面圖。
【具體實施方式】
[0022]將熱輔助能源單元系統描述為:當主發動機停轉時，以可控模式存儲和釋放熱能，以使車輛諸如卡車能夠繼續向乘員室和/或車輛內其他系統提供制熱和制冷。因此，這種系統降低了燃油消耗、排放物、并使駕駛員更容易遵守現行和/或即將出臺的反空轉法。在冬季，可從發動機排氣和/或發動機冷卻系統捕獲熱，并且可將其存儲在隔熱箱中以備日后使用。在夏季，可使用來自車輛排氣系統的熱來驅動吸收式制冷單元，該吸收式制冷單元冷卻液體和/或制冰，將液體和/或冰存儲起來。這些系統運作的一些方面與發電廠中使用的聯合循環相似，但被適當更改并應用于機動車。之后冰會融化，釋放其潛熱以提供冷源。在上述任一種情況下都不需要使用大量額外燃料來產生熱或冷存儲，因此，對于希望在車輛沒有驅動時通常需要保持發動機空轉的時候能夠使用制熱或制冷的操作者來說，降低了燃油。因此通過捕獲底循環(bottoming cycle)中的廢熱并將其存儲在吸收循環中，該系統可利用內燃機排放的廢熱。
[0023]本文中使用的術語“底循環”指從排氣熱捕獲能量的過程，以及，本文中使用術語“吸收循環”來描述制冷模式，其為熱過程而并非機械處理。例如，吸收式制冷機(吸收式冷凍機)為利用熱源來提供驅動冷卻系統所需能量的制冷機。
[0024]根據本發明的系統包括:隔離存儲容器，其能夠存儲多達例如1kWh的熱能；吸收式制冷單元；電池，其存儲足夠電力用于泵送、空氣循環和控制的目的；以及熱交換器，在能量管理控制器的控制下通過吸收循環獲取并分配熱能。這種系統的一種形式可包括光伏陣列，其在白天產生電力用于存儲在電池中。這種系統的另一形式可以簡單地利用高輸出的機械耦合交流發電機，其在車輛使用期間為電池充電。
[0025]根據本發明的系統優于常規卡車的制熱、通風和空調(HVAC)系統，在驅動期間HVAC系統使用一些燃油來為制冷或制熱系統提供能源，并且在主發動機停機期間也在直接燃燒式加熱器中使用燃油。其他系統使用小型輔助發動機并存在噪音和振動、維護的問題，而且也使用燃油并產生額外排出物。根據本發明的系統還可提供通過使用而降低成本的效果(a life cycle cost)，其直接使用并存儲熱能，而很少或沒有針對車輛操作的操作處罰。這種系統可使用很少量燃油或不使用燃油，以及，在一些實施例中，甚至可以降低驅動時的燃油消耗。在長途貨運汽車中，由于減少空轉而減少燃油消耗，系統可在短至兩年中收回成本。系統自身可為零排放并在操作中不產生噪音或幾乎沒有噪音。
[0026]現在參照圖1，其為示出根據本說明書一方面的熱輔助能源單元或系統100的方塊圖。系統100大致包括排氣分流閥102、發生器104、閥106、冷凝器108、蒸發器預冷器或熱交換器110、噴孔112、蒸發器114、吸收器116、吸收器預冷器或熱交換器118、熱儲箱120、熱箱輸入盤管和管路122、熱箱輸出盤管和管路126、控制器128、以及閥130。
[0027]排氣分流閥102可耦接于車輛排氣管和發生器104，并且通過調整流向發生器104的排氣流量，閥102可確保來自發動機排氣的熱能適用于系統100。在圖1中，從發動機到達系統100的排氣由箭頭103示出，以及，經過發生器104后離開系統100的排氣由箭頭105示出。由閥102可控的旁路由箭頭107示出。在一個示例中，閥102可為三通二位型閥，并能夠將排氣完全分流至發生器104或遠離發生器104、或在發生器104與旁路107之間混合，以獲得通過發生器104的適當熱載。可選地，閥102可省略，但這樣會犧牲不同驅動循環的性能。
[0028]發生器104可包括熱交換器，該熱交換器接收來自發動機的熱排氣并捕獲從機動車發動機排氣排出的熱，并