太陽輻射能熱機的制作方法
【技術領域】
[0001]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】
[0002]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I倍，全球氣溫將升高:TC?5°C，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。
[0003]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。
[0004]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。
[0005]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】
[0006]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:
[0007]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。
[0008]低溫工質經壓縮機進入換熱器。
[0009]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。
[0010]液相工質再次膨脹，進入下一循環。
[0011]太陽輻射能熱機的工作原理同火力發電是一致的。火力發電過程，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。
[0012]二氧化碳臨界溫度低(31.rc )，臨界壓力高(7.3Mpa)。從三相點的-56.6V (0.57兆帕)到臨界溫度31.1°C (7.3兆帕)，871:溫差下壓力提升12.8倍。水的臨界溫度為374°C，對應7兆帕壓力的飽和蒸汽溫度約289°C。太陽輻射能熱機將低溫熱源(冷凝)溫度設定為20°C，膨脹制冷(蒸發)溫度設定為_55°C (略高于CO2的三相點)，兩者間溫差75°C。根據卡諾熱機效率公式，75°C溫差熱機理論效率為21.56% =1 + C0P carnot，實際效率打6折為13%。
[0013]二氧化碳和水的性質不同。水從0°C升溫到75°C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°C。以水來換算，溫差75°C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。
[0014]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°C下降到_55°C，壓力從5.7兆帕下降到0.5兆帕。而工質從_55°C回升到20°C，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】
[0015]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°C_374°C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。
【主權項】
1.一種以二氧化碳為工質，通過膨脹原理，對外做功、制冷，利用太陽輻射能重新加熱工質的熱機。2.根據權利要求1所述，熱機的工質為二氧化碳。3.根據權利要求2所述，二氧化碳工質在其三相點與臨界點之間循環運行。
【專利摘要】太陽輻射能熱機以二氧化碳為工質，通過膨脹原理對外做功、制冷，以太陽輻射能(大氣、水系、淺地源溫度)加熱工質，實現熱機循環。太陽輻射能熱機擺脫了傳統熱機對化石能源的依賴，是高效、經濟利用太陽能的新方法。
【IPC分類】F25B27/00
【公開號】CN104949382
【申請號】CN201410115030
【發明人】邱紀林
【申請人】邱紀林
【公開日】2015年9月30日
【申請日】2014年3月26日
【公告號】WO2015143590A1