[发明专利]将低温热量转换为电能并实现冷却的方法及其系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于高效率地将低温热量转换为电能并实现冷却的方法，下面称之为碳载体回路（Carbon Carrier Cycle），即C3。本发明属于热动力、化学和发电相结合的技术领域。

背景技术

目前将低于150℃的低温热量转换为电能的转换方法包括朗肯循环（Rankine cycle）的各种衍生方法，如有机朗肯循环（Organic Rankine cycle），卡林那循环（Kalina cycle）及三边闪蒸循环（Trilateral flash cycle）。

尽管目前的方法在低至60℃的温度时仍能够产生电能，但是其转换效率非常低，因而即使是在以非常低的消耗就能生成热量的应用中，其在经济上也不具有吸引力。

与理想的卡诺循环（Carnot cycle）相比，造成上述低转换效率的主要原因是在系统的熵降低冷却侧具有大量的能量损耗，以及在气体膨胀中非常小的温差。这意味着上述开销损耗极大地降低了实际的转换效率。

在具有更高效的熵降低以及膨胀机中更大的温差的情况下，仍然采用环境温度作为冷却源，也可以显著地增加实际的转换效率。

这就是本发明所要解决的技术问题和所述碳载体回路系统的建立基础。

核燃料和化石燃料以及可能的CSP（集中式太阳能电源）等均可用于产生高温以及后续的水蒸发和汽轮机驱动从而产生电能。在相应的热动力回路中，采用远远高于200℃的初始温度。

上述热动力回路的一个实例是US4009575，其中高压（大于100bar）CO₂回路连接到中压（1-8bar）和中温（50-80℃）的K₂CO₃水溶液CO₂吸收器，以用于能源生成。

相类似的，WO2011/130981公开了一种热动力回路，其中气态工质如甲烷（或者包括CO₂在内的其它气体）可以被溶剂吸收。高压部分通常的压力和温度为高于40bar和高于177℃,而低压吸收部分的压力为1.6至5bar，并且处于非常低的温度上，如-96℃。

CZ302037公开了采用CO₂蒸发凝聚回路进行发电，其中采用最高+25℃热源进行CO₂的蒸发。该文献没有公开可用的吸收剂或化学物。

SE9504683公开了在经修正的卡诺处理中在一乙醇胺（MEA）中吸收CO₂，并且通过20℃至最高100℃的加热从MEA-CO₂复合物中释放CO₂，但没有公开细节或者结果。

总体上来说，可以证明，如果通过各种手段在汽轮机的下游加强流体工质（水、CO₂或其它）的凝聚或降压，例如通过加入化学物（NH₃,Kalina，Goswami）或吸收剂，则高温热动力回路能够更加高效率的工作。尽管所获得的改善可能很小，但在经济上是值得采用的。

然而，现有技术中并没有如何使用被认为具有低温—即在60-150℃，或70-140℃，或80-130℃的范围内—的热源执行上述处理的已知方法。而且，现有技术没有公开能够直接生成电能、热量并实现冷却的热动力回路。具体来说，冷流形式的能量，如具有-25℃或更低温度的流体在空调或食品冷冻方面是非常需要的。US4009575公开了冷冻技术，但是是通过非直接的处理，需要另外的设备。

进而，如果采用了化学物来增加在汽轮机下游的气体液化以实现降低压力，一部分能量将被释放出来，这些能量大致上相当于气体（如CO₂）和化学物（如MEA，参见SE9504683）生成化合物的生成焓。这部分能量必须被去除，而且必须在热动力回路的高温侧—即汽轮机的上游—被再次提供以分解该化合物。显然如果该能量越低，则回路的效率越高。另一方面，低生成焓经常带来较慢的反应速度。因而，需要在反应速度和生成焓之间达到平衡。更具体的讨论还涉及到在这一处理中的热量恢复等方面，在下面将予以说明。