[发明专利]太阳辐射能热机

说明书

技术领域

本发明涉及一种以二氧化碳为工质，通过膨胀发电制冷，有效利用太阳辐射能的方法。

背景技术

近年来，由于世界人口剧增，工业发展迅速，煤炭、石油、天然气燃烧产生的二氧化碳远超历史水平，严重破坏了地球亿万年来保持的碳平衡。大气中二氧化碳含量每增加1倍，全球气温将升高3℃～5℃，气候变暖导致自然灾害加剧，两极冰川融化，海平面升高，对人类生存和繁衍构成严重的挑战。

1980年全球二氧化碳排放量为50亿吨，2004年超过73亿吨。2008年，中国碳排放超过美国，成为全球排放最大的国家，这与我国以燃煤为主的能源结构有关。我们面临的困境是，到目前为止，所有新能源一直没有革命性的突破；包括光伏和风电技术，效率低，成本远超火电，只能依靠政府补贴生存。

太阳辐射能量巨大，人类目前每年能源消费总和只相当于40分钟内太阳照射到地球的能量。目前利用太阳能的光伏发电效率低，只有12％，每天工作8个小时，晚上无法工作。太阳辐射除大气散射、空中云层吸收等流失外，50％左右是被浅层土壤、水系和大气接收，其蕴藏量巨大。不过太阳辐射能品位低，需要找到一种能够用低品位热做功的热机。

本发明是一种以二氧化碳为工质，通过膨胀对外做功、制冷，利用太阳辐射能(大气、水系、地源温度)加热工质，实现热机循环运行的方法。

发明内容

太阳辐射能热机由膨胀、压缩、热交换三部分组成，其循环运行过程如下：

换热器中的高压液相工质经膨胀机绝热膨胀对外做功，消耗气体工质内能，自身变冷。根据能量转换和守恒定律，气体进行绝热膨张对外作功时，气体能量焓值减少，从而使气体本身强烈冷却，达到制冷目的。膨胀机的制冷量等于气体在膨胀过程减小的焓值。

低温工质经压缩机进入换热器。

在换热器中，工质气液相做相间质量传递并从外界环境温度吸热，工质温度低于临界点。

液相工质再次膨胀，进入下一循环。

太阳辐射能热机的工作原理同火力发电是一致的。火力发电过程，水被加热为蒸汽，气体体积膨胀推动发电机工作。由于工质是水，工作温度必须在100度以上，这就需要外来能源(煤、油、天然气等)加热，热机做功后的乏汽再利用大气环境冷却还原为水。太阳辐射能热机采用二氧化碳为工质，工作温度可以降到大气环境温度以下，可以利用太阳辐射能加热，通过膨胀释放能量来冷却工质。

二氧化碳临界温度低(31.1℃)，临界压力高(7.3Mpa)。从三相点的-56.6℃(0.57兆帕)到临界温度31.1℃(7.3兆帕)，87℃温差下压力提升12.8倍。水的临界温度为374℃，对应7兆帕压力的饱和蒸汽温度约289℃。太阳辐射能热机将低温热源(冷凝)温度设定为20℃，膨胀制冷(蒸发)温度设定为-55℃(略高于CO₂的三相点)，两者间温差75℃。根据卡诺热机效率公式，75℃温差热机理论效率为21.56％=1÷COP carnot，实际效率打6折为13％。

二氧化碳和水的性质不同。水从0℃升温到75℃自身压力几乎没有变化，而同样幅度的温升，CO₂压力则从0.5兆帕提升至5.7兆帕，有11倍之多。对应5.7兆帕压力，水的饱和蒸汽温度约为274℃。以水来换算，温差75℃的热机(CO₂工质)理论效率为50％，实际效率30％，与燃煤火力发电效率相当。

二氧化碳工质通过膨胀机释放热能、对外做功(发电)的同时，产生了与膨胀功等量的冷，所付出的是工质内能的减少，即工质温度从20℃下降到-55℃，压力从5.7兆帕下降到0.5兆帕。而工质从-55℃回升到20℃，压力从0.5兆帕返回到5.7兆帕，其能量来自太阳辐射能。

具体实施方式

换热器中的高压液相工质经膨胀机绝热膨胀对外做功，消耗气体工质内能制冷。低温工质经压缩进入换热器换热，从外界环境温度吸热，液相工质再次膨胀，进入下一循环。太阳辐射能热机二氧化碳循环过程在其两相区间(相当于水在100℃-374℃之间)，为气液两相流。随温度变化，气、液相比随之变化。需要适应两相工质的压缩机和膨胀机，膨胀机替代节流阀以提高效率。