技术领域
[0001] 本
发明涉及一种直接利用环境热能为
能源的综合发电系统。
背景技术
[0002] 目前，直接利用
太阳能有光伏PV(photovoltaic)和光热CSP(Concentrated Solar Power)两种技术。前者利用
光电效应将太阳
光谱转换为电
力，后者通
过热机将阳光聚焦产生的高温热能转换为机械运动拖动发
电机发电。这两种技术均受光照时间、
能量密度和转换效率限制，存在技术、经济和资源
瓶颈。
[0003] 太阳施予地球的能量大部分被海洋和大气接收，蕴藏量巨大。地球表面有10亿立方千米
海水，降低0.25℃释放出的能量能转
化成一千万亿度
电能，满足人类百年能源需求。历史上曾有许多试图利用环境能的尝试。首个成型的案例是1881年约翰·加姆吉为美国海军制造的不使用任何
燃料的零
发动机(Zero Engine)，这一装置利用
海水热量将液
氨汽化，液氨在0℃
气化时产生0.4兆帕压力推动
汽轮机运转。加姆吉认为液氨从海水吸热
蒸发，高压气态工质膨胀推动汽轮机做功会自行冷却
液化，装置就可以无限地循环下去。
[0004] 实验结果是，在没有低温热源的情况下氨气无法重新液化，零发动机所谓的三步法循环(没有
冷凝器)不能持续。零发动机的失败被认为是违背了第二
热力学的开尔文表述：“不可能从单一热源取热使之完全转换为有用的功而不产生其他影响”。试图制造一种从海水取热做功的机器，这种做法不违背能量守恒，但违背第二定律。
[0005] 热力学第二定律出现于19世纪中期，建立在1824年法国人卡诺提出的
热机理论之上，包括两个重要表述和一个定理：克莱修斯表述：热不能自发的从冷处转到热处，而不引起其它变化。开尔文表述：不可能从单一热源取热使之完全转换为有用功而不产生其它影响。熵增定理：随时间进行，一个孤立体系中的熵总是不会减少。
[0006] 根据第二热力学，从单一热源取热需要投入功，取出的热转化为功不可能大于投入的功(热的方向性)。然而，取热会产生后果。从低温热源取热会使得低温热源变得更冷，周围环境会自发的向冷处
传热并输出功。取热过程实际产生了冷热两份大致相等的能量，热可以做功，冷作为低温热源同样可以做功。
发明内容
[0007] 环境热能发电系统，包括一个带膨胀机的二
氧化
碳制冷循环作为基本循环以及两个有机郎肯循环作为增效循环。基本循环的气体冷却器嵌套增效循环NO.1的
蒸发器，为其提供热能；基本循环的蒸发器嵌套增效循环N0.2的冷凝器，为其提供冷能。见
附图1。
[0008] 带膨胀机的二氧化碳制冷循环是一项成熟技术，不仅可回收25％左右的压缩功，还可以同比例提高制冷效率。这项技术应用于节能，具体做法是将膨胀机与
压缩机同轴连接，膨胀机直接给压缩机提供动力，或者膨胀机同轴连接
电动机发电。
[0009] 热力学第二定律强调能量的
质量概念。同样数量(
焓)的能量，由于质量(
温度、压力)不同，其所具有的做功能力(火用)不同。例如二氧化碳
临界温度31.1℃的饱和蒸发压力为7.38兆帕，而达到同样压力水的饱和蒸发温度为290℃。
[0010] 二氧化碳的临界温度低，跨临界(
散热部为超
临界状态、吸热部为亚临界状态)循环的放热过程不在两相区而在超临界区，其放热为变温过程，有较大的温度滑移，是一种特殊的劳伦兹循环。
超临界状态下不存在饱和条件，压力与温度间为相互独立的变量，共同决定
超临界流体的焓值。用于热回收时有较高的放热效率和温度，气体冷却器(放热过程无
相变发生)平均放热温度可高达90℃以致更高。
[0011] 二氧化碳
临界压力高，节流损失大，用膨胀机替代膨胀
阀可以减少节流损失。膨胀机是利用高压气体降压时对外输出机械功使工质温度降低原理以获得冷量的机械。膨胀机膨胀为
绝热过程，由于不能从外界获得能量，输出的功只能以工质的焓值减少为代价。工质因能量减少而增加的吸热能力称为膨胀机制冷量，膨胀机制冷量指膨胀过程对外做功的大小。压缩空气从0.6兆帕通过膨胀阀节流到0.1兆帕温降1℃，而通过膨胀机理论温降可达80℃-90℃。二氧化碳的分子量、密度、
比热容均大于空气，同比压降温降会更大。
[0012] 二氧化碳制冷循环蒸发器出口15℃，气体冷却器出口的合理温度压力组合为35℃、9兆帕(水
饱和蒸汽303℃对应的压力)，这样高的机前压力决定了膨胀机具有较高的效率或者说较大的制冷量。膨胀机将压力转化为功导致工质焓降，工质内能释放是由压力
势能减小和
气液两相流形成以及体积增大实现的。
[0013] 如果
超临界流体膨胀后进入
负压环境(前置压缩机形成)，会温降至-78.5℃以下--100℃
凝华为
干冰。未经压缩的干冰为微
雪花状，莫氏硬度2(人体
皮肤莫氏硬度为1.5)，密度1500kg/M3，体积为气体的1/600。用全流压缩机或者特殊的工质
泵将干冰送入换热器再度从环境吸热
升华，那么，无需冷凝器的三步法循环即成立。见附图2。
[0014] 二氧化碳灭火器(干冰灭火器)的工作可以说明二氧化碳气固相变机理。当高压
钢瓶中的液态二氧化碳通过
喷嘴释放到常压，液体蒸发汽化膨胀强烈吸热会导致气体自身被冻住凝华成为干冰，这与二氧化碳的物理性质有关。
[0015] 二氧化碳临界温度低31.1℃、临界压力高7.38兆帕、
三相点-56.6℃、沸点-78.5℃。压降到常压不经液化凝华。二氧化碳膨胀比小，膨胀功大，蒸发压力是常规工质的10倍。二氧化碳膨胀机膨胀过程与通常的高压气体不同。高压气体主要靠体积膨胀输出功。二氧化碳膨胀过程主要是靠势能和气液相变输出功，体积变化不大。根据C02膨胀机降压相变过程的
可视化研究(高速摄影机拍摄)，C02降压相变过程为超临界流体→高压液态→气液两相→固态。超临界到高压液态是势能蓄积阶段，气液两相是液态下气泡生成和生长阶段，也是对外做功的主要能量源。随着压降增大，气泡逐渐变小溃灭直至生成固体颗粒即干冰。
[0016] 环境热能发电系统好像水能发电，处于高处的水下泄释放势能推动
水轮机运转，水重新回到高处恢复势能靠的是大气环流。环境热能发电系统二氧化碳气体工质释放内能推动膨胀机做功，内能回补(温度和压力回升)靠的是从环境吸热。
[0017] 环境热能发电系统的基本循环利用了
热泵原理。热泵工作时，电能不是起到直接加热作用，而是起到热量的逆向搬运作用。热泵制造的热量是从环境搬运的热量与消耗能量的和。热泵不是能量转换，不受能量转换效率极限限制。
环境温度越高热泵的COP值越大；温差(热源和热汇)越大，COP值越小。同时利用冷和热能效比提高1倍，称双向能效(COP Thermal Couple)。例如二氧化碳热泵Eco-cute-unimo同时产65℃/90℃热水，-9℃/32℃冷水，单向COP4，双向8。二氧化碳热泵如果用膨胀机替代膨胀阀并利用前置压缩机形成的负压，就可望实现90℃制热，-90℃制冷，同时输出功。
[0018] 热泵输出小于输入是因为热泵制造的热能以及冷能都是低位能。环境热能发电系统基本循环以二氧化碳和膨胀机作为能量杠杆。气体冷却器出口二氧化碳工质的压力9兆帕，相当于高压
锅炉出口压力。膨胀机替代膨胀阀不仅回收了压缩功，相应提高了制冷能力，最为根本的是膨胀机制冷量放大了蒸发和冷却两端的温差和压差，为嵌套的增效循环供给了高品位热能和冷能，提高了增效循环的热量火用以及冷量火用。
[0019] 环境热能发电系统不是永动机，它输出功以环境温降为代价。国际标准工况，环境热能发电系统的综合效率(基本循环+增效循环)约为120％，高于光伏PV，低于光热CSP。由于不受
时空和
能量密度限制，实际效率远超光热CSP。
附图说明
[0020] 图1，环境热能发电系统循环示意图
[0021] 图2，二氧化碳气固相变热机循环示意图
具体实施方式
[0022] 环境热能发电系统的基本循环为带膨胀机的二氧化碳制冷循环，基本循环的冷凝器嵌套增效循环(有机郎肯循环)NO.1的蒸发器，作为高温热源为其提供热能，增效循环NO.1的低温热源为环境温度；基本循环的蒸发器嵌套增效循环(有机郎肯循环)NO.2的冷凝器，作为低温热源为其提供冷能，增效循环NO.2的高温热源为环境温度。基本循环和增效循环同时运行输出功。
