[发明专利]利用热泵驱动的发电系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种发电系统，特别是利用热泵驱动热机以产生电能的发电系统，其中热机可以为斯特林发动机或蒸汽涡轮机。

背景技术

斯特林循环介绍：

斯特林循环为定温热传与定容膨胀压缩的过程，理想的斯特林循环具有与卡诺循环相同的热效率，图1为斯特林循环的温度与熵关系图，T为温度，S为熵，1～4为4个工作状态点，以下逐一说明：

1-2定温压缩过程(热量从工作流体传递到冷源)：置换活塞将工作流体推进冷源后保持在顶端死点位置，工作流体被冷却至并保持在冷源温度T_L；飞轮驱动作功活塞压缩工作流体，当作功活塞从它的底端死点运动到顶端死点时压缩过程结束。冷源使压缩过程在定温下进行。

2-3定容加热过程(热量从回热器传递给工作流体)：置换活塞从顶端死点运动至底端死点，从而将工作流体从冷源推入热源，此时作功活塞静止在它的顶端死点。工作流体由冷源推入热源的过程中，从回热器中获得其储存的热量，工作流体温度提高到热源温度T_H，同时压力升高。

3-4定温膨胀过程(工作流体获得高温热源的热量)：置换活塞将全部工作流体推入热源之后保持在底端死点位置，相应地工作流体压力升高到最大值。之后工作流体从高温热源吸热并定温膨胀，推动作功活塞从顶端死点运动至底端死点，这一过程中作功活塞带动飞轮转动，储存机械能备用。

4-1定容冷却过程(热量从工作流体传递到回热器)：作功活塞运动至底端死点后保持静止，置换活塞从它的底端死点运动至顶端死点，从而将工作流体全部推入了冷源中。工作流体从热源进入冷源时加热回热器，其温度降到冷源温度T_L，压力降低；回热器储存工作流体从热源带出热量。

斯特林循环的理论热效率相当接近热机的最大理论热效率，也就是卡诺循环(Carnot cycle)的热效率。由于斯特林热机的热端及冷端间的温差传热及热漏等问题，目前实际的斯特林热机的热效率虽然远低其理论值，但仍可达20～25％。

蒸汽涡轮机介绍：

蒸汽涡轮机可利用具有低蒸发温度的工作流体来推动，例如氨类或烷类等工作流体。工作流体的特性为蒸发温度介于35℃至60℃的范围，而冷凝温度介于0℃至30℃的范围。蒸汽涡轮机的作功方式为工作流体由热源加热蒸发汽化后通过蒸汽涡轮机，蒸汽涡轮机榨取受热汽化的工作流体的能量来作功以供发电之用。工作流体经过涡轮机榨取能量后降压降温并由冷源冷凝，接着通过流向控制器回到热源。蒸汽涡轮机大致以此方式作功，且其热效率可达30％以上。

热泵系统介绍：

根据热力学第2定律，热量无法自发性地由冷源往热源流动。将热量从冷源往热源搬移必须输入额外的能量，而热泵即是用来搬移热量的机械。对热泵输入能量可使热泵同时产生热源与冷源，以供应冷与热的需求，以使对热泵所输入的能量作充分的利用，而达成最佳的能源利用效率。

面临的问题：

斯特林热机因为本身热传问题，例如热端和冷端间的温差传热、系统运行中的热漏、以及不可逆的回热过程，势必产生不可逆的损失，从而使斯特林热机效率低于卡诺热机效率50％。所以如何有效提升斯特林循环效率为当务之急。依据热力学的原理，提高热源温度，降低冷源温度可有效提高热机的热效率，使其更具经济性。

在已为公众所知的技术中，例如已揭示的美国专利US2004/0093864A1及欧洲专利EP167470A2包含斯特林热机的发电系统，以及已揭示于美国专利US2006/0225428A1包含涡轮机的发电系统，这些已知技术都必需由燃烧燃料以产生推动斯特林热机的热源或产生推动涡轮机的蒸汽才能够使发电机组运转。燃烧石化燃料不仅会造成空气污染，而且会加剧温室效应。此外，以目前对石化燃料的消耗速度，将可预见随着石化燃料存量逐渐减少，开采石化燃料的费用及购买石化燃料的成本将会变得更加昂贵。使用燃烧石化燃料的发电系统将会成为问题。

发明内容

有鉴于前述问题，本发明提出一种新颖的发电系统，除了能提供有利于热机运转的工作条件，而且能够降低对石化燃料的需求，减缓温室气体的排放。

此外，为达成有效提高热源温度及降低冷源温度的目的，进而提高热机的工作效率，本发明的发电系统利用热泵搬移已存在于环境中的热量。由此方式可以同时有效地提高热源温度及降低冷源温度，使热机在更有利的运转条件下运作，并将对热泵输入的能量作最佳的运用。