[發明專利]太陽輻射能熱機

在審

• 申請號: 201410115030.7
• 申請日: 2014-03-26
• 公開（公告）號: CN104949382A
• 公開（公告）日: 2015-09-30
• 發明（設計）人: 邱紀林
• 申請（專利權）人: 邱紀林
• 主分類號: F25B27/00
• 分類號: F25B27/00
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明涉及一種以二氧化碳為工質，通過膨脹發電制冷，有效利用太陽輻射能的方法。

背景技術

近年來，由于世界人口劇增，工業發展迅速，煤炭、石油、天然氣燃燒產生的二氧化碳遠超歷史水平，嚴重破壞了地球億萬年來保持的碳平衡。大氣中二氧化碳含量每增加1倍，全球氣溫將升高3℃～5℃，氣候變暖導致自然災害加劇，兩極冰川融化，海平面升高，對人類生存和繁衍構成嚴重的挑戰。

1980年全球二氧化碳排放量為50億噸，2004年超過73億噸。2008年，中國碳排放超過美國，成為全球排放最大的國家，這與我國以燃煤為主的能源結構有關。我們面臨的困境是，到目前為止，所有新能源一直沒有革命性的突破；包括光伏和風電技術，效率低，成本遠超火電，只能依靠政府補貼生存。

太陽輻射能量巨大，人類目前每年能源消費總和只相當于40分鐘內太陽照射到地球的能量。目前利用太陽能的光伏發電效率低，只有12％，每天工作8個小時，晚上無法工作。太陽輻射除大氣散射、空中云層吸收等流失外，50％左右是被淺層土壤、水系和大氣接收，其蘊藏量巨大。不過太陽輻射能品位低，需要找到一種能夠用低品位熱做功的熱機。

本發明是一種以二氧化碳為工質，通過膨脹對外做功、制冷，利用太陽輻射能(大氣、水系、地源溫度)加熱工質，實現熱機循環運行的方法。

發明內容

太陽輻射能熱機由膨脹、壓縮、熱交換三部分組成，其循環運行過程如下：

換熱器中的高壓液相工質經膨脹機絕熱膨脹對外做功，消耗氣體工質內能，自身變冷。根據能量轉換和守恒定律，氣體進行絕熱膨張對外作功時，氣體能量焓值減少，從而使氣體本身強烈冷卻，達到制冷目的。膨脹機的制冷量等于氣體在膨脹過程減小的焓值。

低溫工質經壓縮機進入換熱器。

在換熱器中，工質氣液相做相間質量傳遞并從外界環境溫度吸熱，工質溫度低于臨界點。

液相工質再次膨脹，進入下一循環。

太陽輻射能熱機的工作原理同火力發電是一致的?；鹆Πl電過程，水被加熱為蒸汽，氣體體積膨脹推動發電機工作。由于工質是水，工作溫度必須在100度以上，這就需要外來能源(煤、油、天然氣等)加熱，熱機做功后的乏汽再利用大氣環境冷卻還原為水。太陽輻射能熱機采用二氧化碳為工質，工作溫度可以降到大氣環境溫度以下，可以利用太陽輻射能加熱，通過膨脹釋放能量來冷卻工質。

二氧化碳臨界溫度低(31.1℃)，臨界壓力高(7.3Mpa)。從三相點的-56.6℃(0.57兆帕)到臨界溫度31.1℃(7.3兆帕)，87℃溫差下壓力提升12.8倍。水的臨界溫度為374℃，對應7兆帕壓力的飽和蒸汽溫度約289℃。太陽輻射能熱機將低溫熱源(冷凝)溫度設定為20℃，膨脹制冷(蒸發)溫度設定為-55℃(略高于CO₂的三相點)，兩者間溫差75℃。根據卡諾熱機效率公式，75℃溫差熱機理論效率為21.56％=1÷COP?carnot，實際效率打6折為13％。

二氧化碳和水的性質不同。水從0℃升溫到75℃自身壓力幾乎沒有變化，而同樣幅度的溫升，CO₂壓力則從0.5兆帕提升至5.7兆帕，有11倍之多。對應5.7兆帕壓力，水的飽和蒸汽溫度約為274℃。以水來換算，溫差75℃的熱機(CO₂工質)理論效率為50％，實際效率30％，與燃煤火力發電效率相當。

二氧化碳工質通過膨脹機釋放熱能、對外做功(發電)的同時，產生了與膨脹功等量的冷，所付出的是工質內能的減少，即工質溫度從20℃下降到-55℃，壓力從5.7兆帕下降到0.5兆帕。而工質從-55℃回升到20℃，壓力從0.5兆帕返回到5.7兆帕，其能量來自太陽輻射能。

具體實施方式

換熱器中的高壓液相工質經膨脹機絕熱膨脹對外做功，消耗氣體工質內能制冷。低溫工質經壓縮進入換熱器換熱，從外界環境溫度吸熱，液相工質再次膨脹，進入下一循環。太陽輻射能熱機二氧化碳循環過程在其兩相區間(相當于水在100℃-374℃之間)，為氣液兩相流。隨溫度變化，氣、液相比隨之變化。需要適應兩相工質的壓縮機和膨脹機，膨脹機替代節流閥以提高效率。