本發(fā)明涉及一種直接利用環(huán)境熱能為能源的綜合發(fā)電系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

目前，直接利用太陽(yáng)能有光伏pv(photovoltaic)和光熱csp(concentratedsolarpower)兩種技術(shù)。前者利用光電效應(yīng)將太陽(yáng)光譜轉(zhuǎn)換為電力，后者通過(guò)熱機(jī)將陽(yáng)光聚焦產(chǎn)生的高溫?zé)崮苻D(zhuǎn)換為機(jī)械運(yùn)動(dòng)拖動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。這兩種技術(shù)均受光照時(shí)間、能量密度和轉(zhuǎn)換效率限制，存在技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和資源瓶頸。

太陽(yáng)施予地球的能量大部分被海洋和大氣接收，蘊(yùn)藏量巨大。地球表面有10億立方千米海水，降低0.25℃釋放出的能量能轉(zhuǎn)化成一千萬(wàn)億度電能，滿(mǎn)足人類(lèi)百年能源需求。歷史上曾有許多試圖利用環(huán)境能的嘗試。首個(gè)成型的案例是1881年約翰·加姆吉為美國(guó)海軍制造的不使用任何燃料的零發(fā)動(dòng)機(jī)(zeroengine)，這一裝置利用海水熱量將液氨汽化，液氨在0℃氣化時(shí)產(chǎn)生0.4兆帕壓力推動(dòng)汽輪機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。加姆吉認(rèn)為液氨從海水吸熱蒸發(fā)，高壓氣態(tài)工質(zhì)膨脹推動(dòng)汽輪機(jī)做功會(huì)自行冷卻液化，裝置就可以無(wú)限地循環(huán)下去。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果是，在沒(méi)有低溫?zé)嵩吹那闆r下氨氣無(wú)法重新液化，零發(fā)動(dòng)機(jī)所謂的三步法循環(huán)(沒(méi)有冷凝器)不能持續(xù)。零發(fā)動(dòng)機(jī)的失敗被認(rèn)為是違背了第二熱力學(xué)的開(kāi)爾文表述：“不可能從單一熱源取熱使之完全轉(zhuǎn)換為有用的功而不產(chǎn)生其他影響”。試圖制造一種從海水取熱做功的機(jī)器，這種做法不違背能量守恒，但違背第二定律。

熱力學(xué)第二定律出現(xiàn)于19世紀(jì)中期，建立在1824年法國(guó)人卡諾提出的熱機(jī)理論之上，包括兩個(gè)重要表述和一個(gè)定理：克萊修斯表述：熱不能自發(fā)的從冷處轉(zhuǎn)到熱處，而不引起其它變化。開(kāi)爾文表述：不可能從單一熱源取熱使之完全轉(zhuǎn)換為有用功而不產(chǎn)生其它影響。熵增定理：隨時(shí)間進(jìn)行，一個(gè)孤立體系中的熵總是不會(huì)減少。

根據(jù)第二熱力學(xué)，從單一熱源取熱需要投入功，取出的熱轉(zhuǎn)化為功不可能大于投入的功(熱的方向性)。然而，取熱會(huì)產(chǎn)生后果。從低溫?zé)嵩慈釙?huì)使得低溫?zé)嵩醋兊酶?，周?chē)h(huán)境會(huì)自發(fā)的向冷處傳熱并輸出功。取熱過(guò)程實(shí)際產(chǎn)生了冷熱兩份大致相等的能量，熱可以做功，冷作為低溫?zé)嵩赐瑯涌梢宰龉Α?/p>

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

環(huán)境熱能發(fā)電系統(tǒng)，包括一個(gè)帶膨脹機(jī)的二氧化碳制冷循環(huán)作為基本循環(huán)以及兩個(gè)有機(jī)郎肯循環(huán)作為增效循環(huán)?；狙h(huán)的氣體冷卻器嵌套增效循環(huán)no.1的蒸發(fā)器，為其提供熱能；基本循環(huán)的蒸發(fā)器嵌套增效循環(huán)n0.2的冷凝器，為其提供冷能。見(jiàn)附圖1。

帶膨脹機(jī)的二氧化碳制冷循環(huán)是一項(xiàng)成熟技術(shù)，不僅可回收25％左右的壓縮功，還可以同比例提高制冷效率。這項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用于節(jié)能，具體做法是將膨脹機(jī)與壓縮機(jī)同軸連接，膨脹機(jī)直接給壓縮機(jī)提供動(dòng)力，或者膨脹機(jī)同軸連接電動(dòng)機(jī)發(fā)電。

熱力學(xué)第二定律強(qiáng)調(diào)能量的質(zhì)量概念。同樣數(shù)量(焓)的能量，由于質(zhì)量(溫度、壓力)不同，其所具有的做功能力(火用)不同。例如二氧化碳臨界溫度31.1℃的飽和蒸發(fā)壓力為7.38兆帕，而達(dá)到同樣壓力水的飽和蒸發(fā)溫度為290℃。

二氧化碳的臨界溫度低，跨臨界(散熱部為超臨界狀態(tài)、吸熱部為亞臨界狀態(tài))循環(huán)的放熱過(guò)程不在兩相區(qū)而在超臨界區(qū)，其放熱為變溫過(guò)程，有較大的溫度滑移，是一種特殊的勞倫茲循環(huán)。超臨界狀態(tài)下不存在飽和條件，壓力與溫度間為相互獨(dú)立的變量，共同決定超臨界流體的焓值。用于熱回收時(shí)有較高的放熱效率和溫度，氣體冷卻器(放熱過(guò)程無(wú)相變發(fā)生)平均放熱溫度可高達(dá)90℃以致更高。

二氧化碳臨界壓力高，節(jié)流損失大，用膨脹機(jī)替代膨脹閥可以減少節(jié)流損失。膨脹機(jī)是利用高壓氣體降壓時(shí)對(duì)外輸出機(jī)械功使工質(zhì)溫度降低原理以獲得冷量的機(jī)械。膨脹機(jī)膨脹為絕熱過(guò)程，由于不能從外界獲得能量，輸出的功只能以工質(zhì)的焓值減少為代價(jià)。工質(zhì)因能量減少而增加的吸熱能力稱(chēng)為膨脹機(jī)制冷量，膨脹機(jī)制冷量指膨脹過(guò)程對(duì)外做功的大小。壓縮空氣從0.6兆帕通過(guò)膨脹閥節(jié)流到0.1兆帕溫降1℃，而通過(guò)膨脹機(jī)理論溫降可達(dá)80℃-90℃。二氧化碳的分子量、密度、比熱容均大于空氣，同比壓降溫降會(huì)更大。

二氧化碳制冷循環(huán)蒸發(fā)器出口15℃，氣體冷卻器出口的合理溫度壓力組合為35℃、9兆帕(水飽和蒸汽303℃對(duì)應(yīng)的壓力)，這樣高的機(jī)前壓力決定了膨脹機(jī)具有較高的效率或者說(shuō)較大的制冷量。膨脹機(jī)將壓力轉(zhuǎn)化為功導(dǎo)致工質(zhì)焓降，工質(zhì)內(nèi)能釋放是由壓力勢(shì)能減小和氣液兩相流形成以及體積增大實(shí)現(xiàn)的。

如果超臨界流體膨脹后進(jìn)入負(fù)壓環(huán)境(前置壓縮機(jī)形成)，會(huì)溫降至-78.5℃以下--100℃凝華為干冰。未經(jīng)壓縮的干冰為微雪花狀，莫氏硬度2(人體皮膚莫氏硬度為1.5)，密度1500kg/m³，體積為氣體的1/600。用全流壓縮機(jī)或者特殊的工質(zhì)泵將干冰送入換熱器再度從環(huán)境吸熱升華，那么，無(wú)需冷凝器的三步法循環(huán)即成立。見(jiàn)附圖2。

二氧化碳滅火器(干冰滅火器)的工作可以說(shuō)明二氧化碳?xì)夤滔嘧儥C(jī)理。當(dāng)高壓鋼瓶中的液態(tài)二氧化碳通過(guò)噴嘴釋放到常壓，液體蒸發(fā)汽化膨脹強(qiáng)烈吸熱會(huì)導(dǎo)致氣體自身被凍住凝華成為干冰，這與二氧化碳的物理性質(zhì)有關(guān)。

二氧化碳臨界溫度低31.1℃、臨界壓力高7.38兆帕、三相點(diǎn)-56.6℃、沸點(diǎn)-78.5℃。壓降到常壓不經(jīng)液化凝華。二氧化碳膨脹比小，膨脹功大，蒸發(fā)壓力是常規(guī)工質(zhì)的10倍。二氧化碳膨脹機(jī)膨脹過(guò)程與通常的高壓氣體不同。高壓氣體主要靠體積膨脹輸出功。二氧化碳膨脹過(guò)程主要是靠勢(shì)能和氣液相變輸出功，體積變化不大。根據(jù)c02膨脹機(jī)降壓相變過(guò)程的可視化研究(高速攝影機(jī)拍攝)，c02降壓相變過(guò)程為超臨界流體→高壓液態(tài)→氣液兩相→固態(tài)。超臨界到高壓液態(tài)是勢(shì)能蓄積階段，氣液兩相是液態(tài)下氣泡生成和生長(zhǎng)階段，也是對(duì)外做功的主要能量源。隨著壓降增大，氣泡逐漸變小潰滅直至生成固體顆粒即干冰。

環(huán)境熱能發(fā)電系統(tǒng)好像水能發(fā)電，處于高處的水下泄釋放勢(shì)能推動(dòng)水輪機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，水重新回到高處恢復(fù)勢(shì)能靠的是大氣環(huán)流。環(huán)境熱能發(fā)電系統(tǒng)二氧化碳?xì)怏w工質(zhì)釋放內(nèi)能推動(dòng)膨脹機(jī)做功，內(nèi)能回補(bǔ)(溫度和壓力回升)靠的是從環(huán)境吸熱。

環(huán)境熱能發(fā)電系統(tǒng)的基本循環(huán)利用了熱泵原理。熱泵工作時(shí)，電能不是起到直接加熱作用，而是起到熱量的逆向搬運(yùn)作用。熱泵制造的熱量是從環(huán)境搬運(yùn)的熱量與消耗能量的和。熱泵不是能量轉(zhuǎn)換，不受能量轉(zhuǎn)換效率極限限制。環(huán)境溫度越高熱泵的cop值越大；溫差(熱源和熱匯)越大，cop值越小。同時(shí)利用冷和熱能效比提高1倍，稱(chēng)雙向能效(copthermalcouple)。例如二氧化碳熱泵eco-cute-unimo同時(shí)產(chǎn)65℃/90℃熱水，-9℃/32℃冷水，單向cop4，雙向8。二氧化碳熱泵如果用膨脹機(jī)替代膨脹閥并利用前置壓縮機(jī)形成的負(fù)壓，就可望實(shí)現(xiàn)90℃制熱，-90℃制冷，同時(shí)輸出功。

熱泵輸出小于輸入是因?yàn)闊岜弥圃斓臒崮芤约袄淠芏际堑臀荒?。環(huán)境熱能發(fā)電系統(tǒng)基本循環(huán)以二氧化碳和膨脹機(jī)作為能量杠桿。氣體冷卻器出口二氧化碳工質(zhì)的壓力9兆帕，相當(dāng)于高壓鍋爐出口壓力。膨脹機(jī)替代膨脹閥不僅回收了壓縮功，相應(yīng)提高了制冷能力，最為根本的是膨脹機(jī)制冷量放大了蒸發(fā)和冷卻兩端的溫差和壓差，為嵌套的增效循環(huán)供給了高品位熱能和冷能，提高了增效循環(huán)的熱量火用以及冷量火用。

環(huán)境熱能發(fā)電系統(tǒng)不是永動(dòng)機(jī)，它輸出功以環(huán)境溫降為代價(jià)。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)工況，環(huán)境熱能發(fā)電系統(tǒng)的綜合效率(基本循環(huán)+增效循環(huán))約為120％，高于光伏pv，低于光熱csp。由于不受時(shí)空和能量密度限制，實(shí)際效率遠(yuǎn)超光熱csp。

附圖說(shuō)明

圖1，環(huán)境熱能發(fā)電系統(tǒng)循環(huán)示意圖

圖2，二氧化碳?xì)夤滔嘧儫釞C(jī)循環(huán)示意圖

具體實(shí)施方式

環(huán)境熱能發(fā)電系統(tǒng)的基本循環(huán)為帶膨脹機(jī)的二氧化碳制冷循環(huán)，基本循環(huán)的冷凝器嵌套增效循環(huán)(有機(jī)郎肯循環(huán))no.1的蒸發(fā)器，作為高溫?zé)嵩礊槠涮峁崮?，增效循環(huán)no.1的低溫?zé)嵩礊榄h(huán)境溫度；基本循環(huán)的蒸發(fā)器嵌套增效循環(huán)(有機(jī)郎肯循環(huán))no.2的冷凝器，作為低溫?zé)嵩礊槠涮峁├淠?，增效循環(huán)no.2的高溫?zé)嵩礊榄h(huán)境溫度?；狙h(huán)和增效循環(huán)同時(shí)運(yùn)行輸出功。