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学动力转换循环和使用方法

阅读:698发布:2021-02-11

专利汇可以提供学动力转换循环和使用方法专利检索,专利查询,专利分析的服务。并且本 发明 揭示一种高效热 力 学动力转换循环,其以协合方法使用热存储装置、大气 热交换器 和 风 道效应。使用具有地源 水 、 太阳能 收集器和 热 泵 的优选配置(其中包含进一步优选地利用离子性液体或 电子 化合物溶液作为系统中的 工作 流体 )实现了最佳总 能量 效率并使原本不足的热差能够有效地产生动力。,下面是学动力转换循环和使用方法专利的具体信息内容。

1.一种与至少一个热存储装置一起操作的热学动力转换装置,所述热存储装置能够 实现以下各项中的至少一者:
a.增加热源与散热片之间的平均温差;以及
b.增加能量效率。
2.根据权利要求1所述的热力学动力转换装置,其中所述热力学动力转换装置可在至 少两种操作模式之间动态切换,其中在第一模式下,当地热源的温度低于环境或热 存储装置温度时所述散热片是所述地热源,且在第二模式下,当地热源的温度高于 环境或热存储装置温度时所述热源是所述地热源。
3.根据权利要求1所述的热力学动力转换装置,其进一步包括至少一个第一热存储槽 和至少一个第二热存储槽,其中所述至少一个第一热存储槽和所述至少一个第二热 存储槽具有至少15开氏度的温差。
4.根据权利要求1所述的热力学动力转换装置,其中所述热力学动力转换装置选自由 热驱动脉冲热管、环形热管、毛细热管、热总线、热泵和其组合组成的群组。
5.根据权利要求3所述的热力学动力转换装置,其中具有较高温度的所述热存储槽被 注入来自太阳能收集装置的太阳能。
6.根据权利要求1所述的热力学动力转换装置,其中所述热力学动力转换装置热源由 太阳能收集器进一步实时加热。
7.根据权利要求6所述的热力学动力转换装置,其中所述太阳能收集器与选自地热或 热存储装置工作流体的具有较高温度的装置形成流体连通。
8.根据权利要求1所述的热力学动力转换装置,其进一步包括大气热交换器
9.根据权利要求8所述的热力学动力转换装置,其中当所述大气热交换器温度大于地 热或热存储装置工作流体时,所述大气热交换器与选自地热或热存储装置工作流体 的具有较高温度的装置形成流体连通。
10.根据权利要求8所述的热力学动力转换装置,其中当所述大气热交换器温度低于地 热或热存储装置工作流体时,所述大气热交换器与选自地热或热存储装置工作流体 的具有较低温度的装置形成流体连通。
11.根据权利要求8所述的热力学动力转换装置,其中所述大气热交换器选自由作为增 强热传送的构件的道效应装置、作为使气流最大化的构件的转子达、作为控制 太阳能热增益的构件的太阳能屏蔽装置和其组合组成的群组。
12.根据权利要求8所述的热力学动力转换装置,其中所述大气热交换器能够在蒸发器 或冷凝器模式之间动态切换。
13.根据权利要求8所述的热力学动力转换装置,其中所述大气热交换器是具有选自由 结构支架、建筑学设计元件和障壁组成的群组的功能的多功能装置。
14.根据权利要求8所述的热力学动力转换装置,其中所述大气热交换器选自由风力转 换器、蒸发冷却、静电热传送增强和其组合组成的群组。
15.根据权利要求14所述的热力学动力转换装置,其中所述风力转换器选自由风道效 应装置、作为使气流最大化的构件的转子马达和其组合组成的群组。
16.根据权利要求15所述的热力学动力转换装置,其中所述风道效应装置由所述太阳 能收集器的次要功能来实现。
17.根据权利要求16所述的热力学动力转换装置,其中所述热泵冷凝器与选自由以下 各项组成的群组的至少一者形成间接流体连通:(a)在冷却模式下操作时的太阳能 收集器,且太阳能收集器入口温度小于冷凝器温度;(b)在冷却模式下操作时的太 阳能收集器,且太阳能收集器出口温度小于冷凝器温度;(c)高温热存储装置,其 中高温比在冷却模式下操作时的低温热存储装置大至少15开氏度,且冷凝器温度 大于高温热存储装置;(d)在冷却模式下操作时的动力转换装置和高压侧动力转换 装置,其中高压侧动力转换装置的压力大于低压侧动力转换装置,且高压侧动力转 换装置温度小于冷凝器温度;(e)在冷却模式下操作时的动力转换装置和低压侧动 力转换装置,其中低压侧动力转换装置的压力小于高压侧动力转换装置,且低压侧 动力转换装置温度小于冷凝器温度;(f)在加热模式下操作时的太阳能收集器,且 太阳能收集器入口温度小于蒸发器温度;(g)在加热模式下操作时的太阳能收集 器,且太阳能收集器出口温度小于蒸发器温度;(h)低温热存储装置,其中低温比 在加热模式下操作时的高温热存储装置小至少15开氏度,且蒸发器温度小于低温 热存储装置;(i)在加热模式下操作时的动力转换装置和低压侧动力转换装置,其 中低压侧动力转换装置的压力小于高压侧动力转换装置,且低压侧动力转换装置温 度高于蒸发器温度;(j)在加热模式下操作时的动力转换装置和高压侧动力转换装 置,其中高压侧动力转换装置的压力大于低压侧动力转换装置,且高压侧动力转换 装置温度高于蒸发器温度;以及(k)其组合。
18.一种地热系统,其包括:(A)动力转换装置;(B)热存储系统;以及(C)温度检 测器/控制器,其用于监视所述热存储系统和地热系统的入口温度。
19.根据权利要求18所述的地热系统,其中所述热存储系统包括至少一个低温热存储 装置和至少一个热存储装置,其中所述低温与高温之间的温差最小为15开氏度。
20.根据权利要求18所述的地热系统,其中所述地热系统利用超临界压力制冷流体。
21.根据权利要求18所述的地热系统,其中所述地热系统利用二元工作流体。
22.根据权利要求21所述的地热系统,其中所述二元工作流体选自由离子性液体、多 (离子性液体)聚合体、电子化合物、金属化合物、纳米流体溶液和其组合组成 的群组。
23.根据权利要求21所述的地热系统,其中所述地热系统工作流体进一步包括至少一 种工作流体,所述工作流体包含选自离子性液体、多(离子性液体)聚合体、电子 化合物、碱金属化合物、纳米流体溶液、超临界流体和其组合的群组的流体。
24.根据权利要求18所述的地热系统,其中所述地热系统进一步包括选自由热驱动脉 冲泵、热管、环形热管、毛细热管、热总线、热泵和其组合组成的群组中的至少一 者。
25.根据权利要求18所述的地热系统,其中所述地热系统在地热源的温度低于环境或 热存储装置温度时作为散热片操作,且在地热源的温度高于环境或热存储装置温度 时作为热源操作。
26.一种大气热交换器,其包括用于增加能量效率和热传送的整体式风道效应装置。
27.根据权利要求26所述的大气热交换器,其中所述风道效应装置可动态地配置以优 化大气热交换器能量消耗与辅助动力产生的总计。
28.根据权利要求26所述的大气热交换器,其中所述大气热交换器效率通过集成选自 由蒸发冷却、太阳能屏蔽和静电热传送增强组成的群组中的至少一个功能而得以进 一步增强。
29.根据权利要求27所述的大气热交换器,其中所述辅助动力产生通过集成选自由风 力涡轮、太阳能收集器和热力循环压力扩展器组成的群组中的至少一个装置而实 现。
30.根据权利要求26所述的大气热交换器,其中所述大气热交换器降低或消除对用以 实现设计气流以实现热传送的风扇能量的要求。
31.根据权利要求26所述的大气热交换器,其中所述大气热交换器进一步包括选自由 热驱动脉冲泵、热管、环形热管或毛细热管、热总线、转子马达、热泵和其组合组 成的群组中的至少一者。
32.根据权利要求31所述的地热系统,其中所述地热系统工作流体进一步包括至少一 种离子性液体和至少一种多(离子性液体)聚合体。

说明书全文

技术领域

发明大体上针对基于热循环的动力产生循环,且更具体地说,针对用于增加热 源与散热片之间的有效热差的手段和方法以及用于增加能量提取装置上的压力差的手 段和方法。

背景技术

地热作为分别从地源通过向外/向内热传递提供冷却或加热的手段是此项技 术中众所周知的。地热热力学动力产生循环作为产生蒸汽进而蒸汽驱动例如涡轮等能量 提取装置的手段也是此项技术中众所周知的。两种地热应用均将受益于用于增加热源与 散热片之间的温差的手段。
贡德拉赫(Gundlach)的题为“热能存储系统(Thermal energy storage system)”的 第16,681,593号美国专利揭示一种热能存储系统,其包含用于通过在季节内融化和使 水结冰来循环地存储和提取热能的冰水浅池。′593专利未能实现循环利用一天内和昼夜 温度变化作为用于在半连续基础上增加系统效率的手段。
威林加(Veringa)等人的题为“基于斯特林系统的加热装置(Heating installation based on a Stirling system)”的第6,151,896号美国专利揭示一种具有集成在单个压力容器内的 斯特林引擎和斯特林型热泵的加热装置。两个热室和两个冷室以及其中安装有活塞使得 其自由振荡的工作室位于压力容器内部。所述室彼此成流体连通。′896专利未能实现来 自热存储装置的任何增益或用于增加热室或冷室的有效温度的任何手段。′896专利并入 有热水热存储系统仅作为用于利用进入热水中的未转换的热能而不是将未转换的热能 耗散到大气中的手段。
英国环境能量系统有限公司(Ambient Energy Systems Ltd.)揭示利用两个热存储系 统结合传统的蒸汽压缩热泵作为用于利用环境(也叫作大气)条件来收集太阳能或将热 能耗散到大气中的手段,但未能实现与单独产生冷却连同家用热水或加热同时发生的动 力产生能力。环境(Ambient)系统利用高表面积“大气热交换器”,其是具有低压力传 统热传送工作流体的固定系统,因此需要过量的泵能量来克服流体摩擦损失。此外,环 境(Ambient)限于一个热力循环,其是标准热泵循环。卡吉(Kajima)公司也开发 出一种较不复杂的系统,其利用单个热存储装置和环境热交换器作为同样用于增加传统 热泵热力循环的手段。任一系统均既不预期也不能够在同时实现系统性能系数增加的额 外增益的同时产生能量。
本发明者不知道揭示使用热存储装置作为增加温差的手段或利用具有或不具有 道效应装置的大气热交换器或利用包含离子性液体或电子化合物/金属化合物溶液的 新颖工作流体作为用于增加压力差与温差比率的手段的任何额外专利或参考文献。
仍需要一种用于将热能转换为机械能/电能以实现较小(约15开氏度)温差的高效 的具成本效益的手段或用于有效地增加温差的手段。

发明内容

本发明提供一种经修改的热力循环,其通过使热源与散热片之间的温差和压力差最 大化来实现极佳的能量转换效率。所述发明性设计产生的基本益处是热损失显著减少以 及在相对较低温差下提取能量的能力。
本发明的一个目的是增加热源与散热片之间的温差。
本发明的另一目的是将具有整体能量提取能力的吸收热泵集成到标准蒸汽压缩热 泵作为增加总能量转换和冷却性能系数的手段。
本发明的又一目的是利用昼夜温差作为用于增加热源与散热片之间的温差的手段。
本发明的再一目的是利用由太阳能收集器或集中器收集的太阳能作为用于增加热 源与散热片之间的温差的手段。
本发明的另一目的是利用动态可切换热总线作为用于重新配置流体连通线之间的 热传递的手段。
本发明的又一目的是在相对较热的白天从大气中提取热能作为增加热源温度的手 段,且在相对较凉的夜间从大气中提取热能作为减小散热片温度的手段,其两者均利用 热存储能力。
本发明的再一目的是通过减少泵和风扇能量来降低辅助支持设备能量消耗,其包含 分别利用热驱动脉冲泵配置、热管等以及利用穿过大气热交换器的风道效应的手段。
本发明的说明书内所描绘的图式提供能量转换系统的最重要组件的示范性配置。以 下段落中提供对所述图式的详细描述。
附图说明
图1A是描绘用于空气温度大于地热水温度的情形的流体连通线的框图
图1B是描绘用于空气温度小于地热水温度的情形的流体连通线的框图。
图2是描绘用于脉冲泵的流体连通线的框图。
图3是描绘用于通过热力循环的标准能量提取的流体连通线的框图。
图4是描绘用于利用蒸发器与冷凝器之间的热管的热传递的流体连通线的框图。
图5是描绘用于两个热存储槽的任一者之间的热传递的流体连通线的框图。
图6是描绘穿过具有在两个热存储槽的任一者之间的切换能力的热总线的热传递的 框图。
图7是大气热交换器上的整体风道效应能力的横截面图。

具体实施方式

本发明大体上针对基于热力循环的动力产生循环,且更具体地说,针对用于增加热 源与散热片之间的有效热差的手段和方法以及用于增加能量提取装置上的压力差的手 段和方法。提供一种经修改的热力循环,其通过使热源与散热片之间的温差和压力差最 大化来实现极佳的能量转换效率。所述发明性设计产生的基本益处是热损失显著减少以 及在相对较低温差下提取能量的能力。
术语“转子马达”定义为用于旋转附接到旋转装置的组件的外部构件。
术语“热总线”定义为用于以定向方式将热能从一个位置传递到另一位置的构件。
术语“大气的”定义为由大气产生的、依赖于大气的或来自大气的。
术语“风道效应”定义为用于沿着某一所需路线指引或引导风力的构件,其优选地 具有集中或放大的影响和较高速度。
术语“热驱动脉冲泵”定义为用于通过与待抽吸的流体的冷却和冷凝交替而利用周 期性(脉冲)加热和汽化来产生抽吸动作的构件。
术语“热力循环”定义为工作流体经历一系列状态变化并最终返回其初始状态的过 程。
术语“太阳能”定义为源自太阳的能量,其最经常指代辐射光子通过各种各样的手 段而直接转换为电子或声子。太阳能还间接转换为额外的能量形式,例如地下水(也叫 作地热水)的加热。
术语“地热”定义为或涉及地球的内热,其受所吸收的太阳能影响。
术语“离子性液体”定义为作为其中能够溶解多种有机和无机溶质的高度溶剂化非 协调媒介的液体。其是多种化合物的有效溶剂,且其缺乏可测量的蒸汽压力使得其成为 挥发性有机化合物(VOC)的理想替代品。离子性液体是具有吸引力的溶剂,因为其不 挥发、不易燃、具有较高热稳定性且制造起来相对较便宜。离子性液体的关键在于其是 液体盐,这意味着其由以液相存在的盐组成且必须制造出来;其不仅仅是溶解于液体中 的盐。通常,离子中的一者或两者特别大且阳离子具有较低对称程度,这些因素导致离 子性液体具有减小的晶格能且因此具有较低熔点。
术语“电子化合物”定义为类似于碱金属化合物,不同之处只是认为阴离子只是局 限于配位阳离子之间的结晶区的电子。
术语“碱金属化合物”定义为其中阴离子是类型I族(碱性)元素Na、K、Rb、Cs (不存在已知的“锂化合物”)的一类离子性化合物。阳离子是通过较大有机配位剂配位 的碱性阳离子。所得的化学形式为A+[配位剂]B-,其中配位剂是穴状配体、冠醚或氮杂 冠醚。
术语“纳米流体”定义为含有纳米级粉末的流体,所述纳米级粉末是直径小于1微 米且优选小于100纳米的粉末。
术语“超临界”定义为流体已经在高于其临界温度和压力下加以利用的点。
术语“热泵”定义为借助包含蒸汽压缩、吸收和吸附的手段而将从热源提取的热能 传递到散热片。
下文参看附图阐释根据本发明实施例的热力学动力转换装置。
图1A和1B是能量转换装置的主要组件之间的流体连通线的框图。热力学动力转换 装置是混合地热热力循环,但除传统操作温度外还预期显著较低的地源操作温度,其与 选自由吸收、吸附和蒸汽压缩热泵组成的群组的至少一个其它热力循环耦合。
图1A具体描绘热力学动力转换装置,下文中称为“TPC”。图1A展示当环境/大气 温度大于地源/地热水温度时的配置。参看图1A,地源水热能通过地热冷凝器70而传递 到热力循环中,所述地热冷凝器70更准确地充当蒸发器。工作流体与高压活塞泵10形 成流体连通,所述高压活塞泵10或者可为热驱动脉冲泵、内齿轮油泵或实现高效抽吸 的额外构件。工作流体进一步视情况与大气到液体热交换器“HX”20形成流体连通, 作为用于增加工作流体温度的第一级手段。用于进一步增加工作流体温度的可选(但优 选)第二级手段由太阳能辅助的热源30实现。此类太阳能辅助的热源包含太阳能热收 集器(即,平板、真空管)。另一第三级优选为太阳能集中器。所述三个连续加热级的 配置将资本成本和热损失减到最小。将在工作流体小于热源温度的任何点处但优选在小 于热源的最高温度处集成的额外热源被集成到所述发明性TPC中。这些热源包含废热源 和来自包含低质量生物燃料源的燃料源的燃烧。工作流体现处于热力循环内的最高温度 和压力下。工作流体与例如详述的膨胀涡轮40等压力膨胀器形成直接流体连通。压力 膨胀器或者可驱动压缩机、热泵或发电机50。膨胀过程的副产物是冷却能力,其尤其通 过可选的吸收/膨胀冷却装置60来实现。预期例如过热降温器、预冷器/过冷器等额外组 件作为用于增加压力差和/或冷却能力的构件。当工作流体是超临界流体时,这些额外组 件尤其突出。
图1B描绘当环境空气温度小于地源水温度时的TPC。主要差别在于,在流体连通 线内放置充当工作流体的第一加热级的地热冷凝器70。大气热交换器20现充当蒸发器 以便降低工作流体温度,因此作为散热片。
图2描绘TPC内的热驱动脉冲泵的广义概念。具体地说,一系列平行排序的输入 100获得作为在膨胀涡轮40之前几乎任何点处来自地热冷凝器70的输出的工作流体。 输入阀与脉冲HX室(一个或多个)90形成流体连通,在所述脉冲HX室90处加热工 作流体以作为增加工作流体压力的手段。所得的经加热的工作流体通过利用压力差来转 移较低压力工作流体而引起抽吸动作,这受一系列平行输出阀80控制。
图3描绘简化的热力循环表示形式,其中工作流体利用通过温差实现的压力差来驱 动膨胀涡轮40。工作流体接着与由蒸发器HX 42表示的散热片形成流体连通,所述蒸 发器HX 42最佳地也是次级热泵冷凝器,但在热力循环内充当蒸发器。活塞泵(优选为 高压活塞泵10)控制工作流体的流动,使得将工作流体转移到由冷凝器HX 22表示的 热源中,所述冷凝器HX 22同样最佳地也是次级热泵蒸发器,但在热力循环内充当冷凝 器。
图4描绘简化的热管回路,其还预期是在最少压力损失下在相对较长距离上传递热 能的任何手段。此热传递本质上在由22表示为冷凝器HX的任何热源与由42表示为蒸 发器HX的任何散热片之间发生。
图5描绘简化的回路,由于此回路,可将大气热交换器20控制为与相对较冷的热 存储槽300和相对较暖的热存储装置310形成流体连通。
图6描绘简化的热总线回路,其利用热总线的高导热性和低热阻构件作为在几乎任 何热源与散热片之间传递热能的有效手段。热总线140可在几乎任何两个组件之间切换, 所述组件在此处展示为由相对较冷的热存储槽300和相对较暖的热存储槽310表示。切 换手段包含热二极管或此项技术中已知的控制高导热性连同低热阻与低导热性连同高 热阻的所需状态之间的热传递的额外方法。
图7描绘将风道效应集成到大气热交换器中。大气热交换器200将其气流在加速度 下指引到热交换器中,作为降低风扇动力和增加热传送的手段。气流由此项技术中已知 的一系列风道效应装置210引导,所述装置210优选在空气动力方面经优化以将表面摩 擦损失减到最小。所述描绘分别作为横截面图和俯视图中的两者/任一者是准确的。优选 定向是利用太阳能收集器220,其经动态再定位以在例如屋顶结构的示范性结构上起到 风道效应的次要功能。或者,由230例示的风道效应装置由太阳能收集器描绘,所述太 阳能收集器是能够捲起的柔性衬底。优选的太阳能收集器进一步能够升高和扩展以满足 使太阳能收集最大化、使风力转换最大化、使在过大风力周期期间对风力破坏的敏感度 最小化等特定优化要求。最后,用于使气流最大化的手段由通过此项技术中已知的方法 旋转整个大气热交换器200来实现,因为运动控制是由示范性回转马达240实现的。
所述发明性能量转换装置的许多额外特征详述如下。
热力学动力转换装置可在至少两个操作模式之间动态切换,其中第一模式是当地热 源的温度低于环境或热存储装置温度时散热片为所述地热源,或者第二模式是当地热源 的温度高于环境或热存储装置温度时热源为所述地热源。优选的热存储装置包括至少两 个热存储槽,所述存储槽之间的温差为至少15开氏度。
通过进一步包含来自由热驱动脉冲泵、热管、环形热管、毛细热管、热总线和热泵 组成的群组的至少一者而将辅助/辅助能量要求减到最小。
较优选的热存储槽通过在白天期间经由大气热交换器中的热传送对热源工作流体 进行预热而具有增加/较高的温度。特别优选的热存储槽通过从太阳能收集装置注入太阳 能而具有增加/较高的温度。
所注入的太阳能通过太阳能收集器而实时增加热源温度,作为用于增加能量转换效 率的手段。进一步预期第一级太阳能收集器包括传统的平板太阳能收集器和真空太阳能 热管。进一步预期第二级太阳能收集器包括集中的太阳能。由太阳能集中器产生的第二 级在最小热损失和最大能量效率的情况下实现较高热源。太阳能收集器的输出与选自地 热或热存储装置工作流体的具有较高温度的装置形成流体连通。进一步预期来自紧密接 近的处理的废热可形成间接流体连通,使得废物处理热量在不超过实际废物处理热量温 度的情况下在最高热力循环温度下被注入。
当大气热交换器温度大于地热或热存储装置工作流体时,大气热交换器形成直接或 间接流体连通,或经由作为将热能传递到选自地热或热存储装置工作流体的较高温度装 置中的构件的热总线。或者,当大气热交换器温度低于地热或热存储装置工作流体时, 大气热交换器与选自地热或热存储装置工作流体的具有较低温度的装置形成流体连通。
优选的大气热交换器进一步包括选自由作为增强热传送的构件的风道效应装置、作 为使气流最大化的构件的转子马达和作为控制太阳能热增益的构件的太阳能屏蔽装置 组成的群组的至少一个装置。风道效应装置包含例如风成屋顶(Aeolian Roof)的装置 或此项技术中用于风力集中、风力放大和风道效应的其它已知方法。不依赖于方法,主 要目的是增加风速。具有组成风道效应装置的较优选大气热交换器进一步包括风力转换 器,例如风力涡轮。特别优选的风力转换器经水平安装,使得风道效应不会干扰太阳能 收集器/集中器。
特别优选的大气热交换器能够在蒸发器或冷凝器模式之间动态切换。一种此类操作 模式是白天操作,其中大气热交换器从大气中提取热能。另一种此类操作模式是夜间操 作,其中大气热交换器辐射热能。最佳的切换模式反映包含例如天气(例如,温度)、 风速、湿度等实时条件的一系列参数。将例如可从能量管理系统获得的历史主机操作条 件与所预计的天气预报合并的能力使系统能够在散热片或热源之间调度其操作模式。本 发明的操作模式是合并多元控制系统,其将操作历史与天气预报结合以确定包含大气热 交换器作为散热片或热源操作的时间的调度的动态配置,且借此对散热片或热源动态地 改变到达/来自热存储槽、太阳能收集器、太阳能集中器、地热地下水源、热泵蒸发器或 冷凝器的热传递。相当大的能量源直接经由太阳能收集器/集中器从太阳能收集。太阳能 的收集在很大程度上受包含层、季节性、最小与最大温度(即,昼夜温度)之间的日 变化等许多天气参数影响。倘若性能系数在很大程度上通过使温差最大化来规定,那么 最佳的是使系统在实现最大温差的时间处操作。然而,对于能量、加热/冷却和家用热水 的需求与能量、加热/冷却和家用热水的供应不同步。因此,实时确定配置/重新配置热 能传递在满足处于最高需求状态或具有最高经济成本的资源的实时需求或者优化固定 时间周期(例如,每日、每周、每月)内的总操作成本之间不断变化。
控制方案的复杂性最佳通过组合具有到网络资源的直接实时通信链路的分布式控 制系统来实现,所述网络资源基于历史和预报的操作数据结合历史和预报的天气数据来 确定和变换最佳配置方案。
特别优选的大气热交换器是将选自由结构支架、建筑学设计元件或障壁组成的群组 的功能集成的多功能装置。大气热交换器(尤其是大表面积系统)具有例如调节共同结 构支架与太阳能收集器/集中器的构件。大表面积太阳能收集器还固有地充当固有热总 线,即金属结构具有较大热质量和较低热阻。此外,较大热交换器(尤其是空气热交换 器)需要大量气流。风力转换器系统(例如,风力涡轮)也需要大量气流。因此,优选 配置是使得热交换器(其最终是超临界薄膜微通道热交换器)充当风道效应装置(也叫 作风力涡轮、风力放大器、风力集中器)来引导/指引气流。
此项技术中已知,静电场能够增强热传送,因此大表面积大气热交换器将大大受益 于此增强。改进热扩散的另一手段是通过利用蒸发冷却,其包含此项技术中已知的增加 蒸发速率的方法(例如,SwirlFlashTM、雾化构件、静电“爆破”力)。气流温度变化的 额外益处包含调节“烟囱效应”的能力,烟囱效应是经加热的空气或气体由于其与周围 空气或气体相比具有较低密度而在管道或其它垂直通路中(例如,在烟囱、小包围体建筑物中)上升的趋势。因此,大气热交换器将实际上在大气热交换器正作为冷凝器操 作的时间期间(当热交换器位于风力转换器装置之后时)增加气流,因此增加由风力转 换器产生的能量。进一步预期用于通过例如此项技术中已知的手段旋转大气热交换器或 风道效应装置的构件(本文中称为转子马达)使最大量的气流能够穿过大气热交换器和 风力转换器。这服务使热传送和动力产生最大化的多功能目的。风道效应的另一优点是 作为大多数空气热交换器的必要组件的辅助风扇的能量消耗降低。
或者,通过太阳能收集器的次要功能来实现风道效应。最佳太阳能产生是通过利用 太阳能跟踪能力来实现的。利用相同的跟踪能力使得尤其在减少的太阳能产生时间期间 能够重新配置太阳能收集器/集中器,以实现最佳组合的总净能产生和消耗。太阳能收集 器/集中器的重要设计考虑因素是其经受住疾风条件的能力,因此跟踪构件还提供使太阳 能收集器上的超过设计限度的空气动力最小化的额外能力。换句话说,在超过预定限度 的风速下,太阳能收集器定位经重新配置以保持在大气热交换器和太阳能收集器气流限 度内。在大气热交换器正在蒸发器模式下操作的时间期间,风道效应装置可起到提供太 阳能屏蔽的次要功能。在此项技术中认识到,太阳能增益减小了安装在外部的蒸发器的 操作效力。
进一步包含热泵引入至少一第二热力循环,其增加包含动力、家用热水和冷却/加热 能力的总体所需输出。热泵在整个系统中提供协合效应。所述发明性热力学动力转换器 系统实现了许多配置。此类配置包含与选自由以下各项组成的群组的至少一者形成间接 流体连通的热泵冷凝器:(a)在冷却模式下操作时的太阳能收集器,且太阳能收集器入 口温度小于冷凝器温度;(b)在冷却模式下操作时的太阳能收集器,且太阳能收集器出 口温度小于冷凝器温度;(c)高温热存储装置,其中高温比在冷却模式下操作时的低温 热存储装置大至少15开氏度,且冷凝器温度大于高温热存储装置;(d)在冷却模式下 操作时的动力转换装置和高压侧动力转换装置,其中高压侧动力转换装置的压力大于低 压侧动力转换装置,且高压侧动力转换装置温度小于冷凝器温度;(e)在冷却模式下操 作时的动力转换装置和低压侧动力转换装置,其中低压侧动力转换装置的压力小于高压 侧动力转换装置,且低压侧动力转换装置温度小于冷凝器温度;(f)在加热模式下操作 时的太阳能收集器,且太阳能收集器入口温度小于蒸发器温度;(g)在加热模式下操作 时的太阳能收集器,且太阳能收集器出口温度小于蒸发器温度;(h)低温热存储装置, 其中低温比在加热模式下操作时的高温热存储装置小至少15开氏度,且蒸发器温度小 于低温热存储装置;(i)在加热模式下操作时的动力转换装置和低压侧动力转换装置, 其中低压侧动力转换装置的压力小于高压侧动力转换装置,且低压侧动力转换装置温度 高于蒸发器温度;(j)在加热模式下操作时的动力转换装置和高压侧动力转换装置,其 中高压侧动力转换装置的压力大于低压侧动力转换装置,且高压侧动力转换装置温度高 于蒸发器温度;以及(k)其组合。
热力学动力转换器循环与热泵的集成实现15开氏度的显著低温差以实现动力产生 和性能系数增加。用于有效动力产生的最重要设计考虑因素之一是温差与压力差之间的 比率。所述发明性能量转换器循环的重要特征是进一步包含极佳的热传送流体。最突出 的是包含选自来自离子性液体、多(离子性液体)聚合体、电子化合物、碱金属化合物 和纳米流体溶液的群组的至少一者的二元工作流体。优选的工作流体进一步包含超临界 气体,较优选的超临界气体为二。特别优选的工作流体选自由离子性液体、离子 性液体与多(离子性液体)聚合体的组合组成的群组。特别优选的工作流体包括热传送 流体,其包括至少一种离子性液体和至少一种多(离子性液体)聚合体。
特别优选的系统配置是增强型地热系统,因此在热源与散热片之间在动态可切换模 式下利用地下水源。地热系统包括:(A)能量转换装置;(B)热存储系统;以及(C) 温度检测器/控制器,其用于监视热存储系统和地热系统的入口温度。
在相对较低温差下产生能量的组合能力是存储可用能量(尤其是可自由利用的能量 (例如,废热、太阳能、包含将能量辐射到天空中的大气冷却))的能力的显著促进因素。 组合系统的各种输出(例如,能量、冷却/加热、家用热水)和用于进一步传递热能的各 种各样的必要组件(例如,太阳能收集器、地源水等)导致对相对较低成本热存储槽的 需求增加。最佳热存储系统包括至少一个低温热存储装置和至少一个热存储装置,其中 所述低温与高温之间的温差最小为15开氏度。
地热系统和热力学动力转换器循环两者通过并入有选自来自由热驱动脉冲泵、热 管、环形热管或毛细热管、热总线和热泵组成的群组的至少一者的另外装置而实现净动 力产生和性能系数的额外增益。用于减小抽吸和风扇能量的额外手段有助于增加总体系 统效力。连续优化方案通过将系统配置动态地重新配置为用于优化大气热交换器能量消 耗与辅助动力产生的总计的手段来实施。这包含配置地热系统以使其当地热源的温度低 于环境或热存储装置温度时作为散热片操作,或当地热源的温度高于环境或热存储装置 温度时作为热源操作。
所述发明性系统进一步预期包含通过直接集成选自由风力涡轮、太阳能收集器和热 力循环压力扩展器组成的群组的至少一个装置而实现的额外辅助动力产生设备。风力涡 轮的并入使总体系统能够产生包含用于控制系统、泵和风扇的能量的辅助能量要求的至 少一部分。进一步包含热力循环压力扩展器(其包含此项技术中已知的装置(例如,内 齿轮油泵、RamgenTM、QuasiturbineTM))均使得能够实现极佳的能量效率。
在当前优选实施例的详细描述中描述了本发明的额外特征和优点,且从所述详细描 述中将了解所述额外特征和优点。应了解,所属领域的技术人员将了解对本文描述的当 前优选实施例的各种变化和修改。可在不脱离本发明的精神和范围的情况下且在不减少 其附随优点的情况下作出此类变化和修改。因此,希望此类变化和修改由所附权利要求 书涵盖。
相关申请案的交叉参考
本申请案主张2005年12月29日申请的题为“热力学动力转换循环和使用方法 (Thermodynamic Power Conversion Cycle and Methods of Use)”的第60/766,013号美国临 时专利申请案的优先权。本申请案还是2006年6月12日申请的题为“纳米离子性液体 和使用方法(Nano-Ionic Liquids and Methods of Use)”的第11/309,025号美国专利申请 案的部分接续申请案,所述专利申请案主张2005年6月13日申请的第60/595,167号美 国临时专利申请案的优先权。本申请案还是2006年1月16日申请的题为“高效吸收热 泵和使用方法(High Efficiency Absorption Heat Pump and Methods of Use)”的第 11/306,911号美国专利申请案的部分接续申请案,所述专利申请案主张2005年1月18 日申请的第60/593,485号美国临时专利申请案的优先权。
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