[發明專利]利用熱泵驅動的發電系統

無效

• 申請號: 200610162382.3
• 申請日: 2006-12-14
• 公開（公告）號: CN101201007A
• 公開（公告）日: 2008-06-18
• 發明（設計）人: 方煒;蕭晴彥;黃東盛
• 申請（專利權）人: 方煒;蕭晴彥;黃東盛
• 主分類號: F01K27/00
• 分類號: F01K27/00;F02G1/043;F01D15/10;H02K7/18;F25B30/02
• 代理公司: 北京三幸商標專利事務所
• 代理人: 劉激揚

技術領域

本發明涉及一種發電系統，特別是利用熱泵驅動熱機以產生電能的發電系統，其中熱機可以為斯特林發動機或蒸汽渦輪機。

背景技術

斯特林循環介紹：

斯特林循環為定溫熱傳與定容膨脹壓縮的過程，理想的斯特林循環具有與卡諾循環相同的熱效率，圖1為斯特林循環的溫度與熵關系圖，T為溫度，S為熵，1～4為4個工作狀態點，以下逐一說明：

1-2定溫壓縮過程(熱量從工作流體傳遞到冷源)：置換活塞將工作流體推進冷源后保持在頂端死點位置，工作流體被冷卻至并保持在冷源溫度T_L；飛輪驅動作功活塞壓縮工作流體，當作功活塞從它的底端死點運動到頂端死點時壓縮過程結束。冷源使壓縮過程在定溫下進行。

2-3定容加熱過程(熱量從回熱器傳遞給工作流體)：置換活塞從頂端死點運動至底端死點，從而將工作流體從冷源推入熱源，此時作功活塞靜止在它的頂端死點。工作流體由冷源推入熱源的過程中，從回熱器中獲得其儲存的熱量，工作流體溫度提高到熱源溫度T_H，同時壓力升高。

3-4定溫膨脹過程(工作流體獲得高溫熱源的熱量)：置換活塞將全部工作流體推入熱源之后保持在底端死點位置，相應地工作流體壓力升高到最大值。之后工作流體從高溫熱源吸熱并定溫膨脹，推動作功活塞從頂端死點運動至底端死點，這一過程中作功活塞帶動飛輪轉動，儲存機械能備用。

4-1定容冷卻過程(熱量從工作流體傳遞到回熱器)：作功活塞運動至底端死點后保持靜止，置換活塞從它的底端死點運動至頂端死點，從而將工作流體全部推入了冷源中。工作流體從熱源進入冷源時加熱回熱器，其溫度降到冷源溫度T_L，壓力降低；回熱器儲存工作流體從熱源帶出熱量。

斯特林循環的理論熱效率相當接近熱機的最大理論熱效率，也就是卡諾循環(Carnot?cycle)的熱效率。由于斯特林熱機的熱端及冷端間的溫差傳熱及熱漏等問題，目前實際的斯特林熱機的熱效率雖然遠低其理論值，但仍可達20～25％。

蒸汽渦輪機介紹：

蒸汽渦輪機可利用具有低蒸發溫度的工作流體來推動，例如氨類或烷類等工作流體。工作流體的特性為蒸發溫度介于35℃至60℃的范圍，而冷凝溫度介于0℃至30℃的范圍。蒸汽渦輪機的作功方式為工作流體由熱源加熱蒸發汽化后通過蒸汽渦輪機，蒸汽渦輪機榨取受熱汽化的工作流體的能量來作功以供發電之用。工作流體經過渦輪機榨取能量后降壓降溫并由冷源冷凝，接著通過流向控制器回到熱源。蒸汽渦輪機大致以此方式作功，且其熱效率可達30％以上。

熱泵系統介紹：

根據熱力學第2定律，熱量無法自發性地由冷源往熱源流動。將熱量從冷源往熱源搬移必須輸入額外的能量，而熱泵即是用來搬移熱量的機械。對熱泵輸入能量可使熱泵同時產生熱源與冷源，以供應冷與熱的需求，以使對熱泵所輸入的能量作充分的利用，而達成最佳的能源利用效率。

面臨的問題：

斯特林熱機因為本身熱傳問題，例如熱端和冷端間的溫差傳熱、系統運行中的熱漏、以及不可逆的回熱過程，勢必產生不可逆的損失，從而使斯特林熱機效率低于卡諾熱機效率50％。所以如何有效提升斯特林循環效率為當務之急。依據熱力學的原理，提高熱源溫度，降低冷源溫度可有效提高熱機的熱效率，使其更具經濟性。

在已為公眾所知的技術中，例如已揭示的美國專利US2004/0093864A1及歐洲專利EP167470A2包含斯特林熱機的發電系統，以及已揭示于美國專利US2006/0225428A1包含渦輪機的發電系統，這些已知技術都必需由燃燒燃料以產生推動斯特林熱機的熱源或產生推動渦輪機的蒸汽才能夠使發電機組運轉。燃燒石化燃料不僅會造成空氣污染，而且會加劇溫室效應。此外，以目前對石化燃料的消耗速度，將可預見隨著石化燃料存量逐漸減少，開采石化燃料的費用及購買石化燃料的成本將會變得更加昂貴。使用燃燒石化燃料的發電系統將會成為問題。

發明內容

有鑒于前述問題，本發明提出一種新穎的發電系統，除了能提供有利于熱機運轉的工作條件，而且能夠降低對石化燃料的需求，減緩溫室氣體的排放。

此外，為達成有效提高熱源溫度及降低冷源溫度的目的，進而提高熱機的工作效率，本發明的發電系統利用熱泵搬移已存在于環境中的熱量。由此方式可以同時有效地提高熱源溫度及降低冷源溫度，使熱機在更有利的運轉條件下運作，并將對熱泵輸入的能量作最佳的運用。