CN101025146A - 利用常温下水中的热能的发电系统装置 - Google Patents

Abstract

本发明是一种利用常温下水中的热能的发电系统装置，系统是采用相变冷、热泵组合技术从常温水中汲取热量转换成温差能，再经相变发电机组把温差能转换成电能的一种技术装置。其主要由：进出水系统；至少一组相变冷、热泵系统；相变发电系统；连接热力系统的热传导器；辅助电力启动及输出系统组成。关键是采用热泵和冷泵组合技术产生二倍左右的温差能，并应用布雷顿循环提高冷、热泵系统的性能系数及相变发电系统的转换效率。本系统经辅助装置启动后，即从常温的水(海水或淡水)中汲取热能并转换为电力或动力，除部分维持系统自身运行的需要外，多余的能量可供输出。采用本发明将为解决人类能源危机提供重大技术贡献。

Description

利用常温下水中的热能的发电系统装置

技术领域：

本发明涉及能源及电力技术领域，具体指：采用汽液相变的冷、热泵组合技术汲取常温水中的热能并转换成温差能，然后采用汽液相变发电机组将温差能转换成电能的一种技术装置。

背景技术：

据预测：到本世纪五十年代，世界上的三大主要能源(石油、煤、天然气)都将耗尽，目前如太阳能、风能等多种新的能源均不能从根本上解决能源危机问题。科学家认为：氢能在21世纪最有可能成为一种终结能源；然而举世瞩目的ITER计划，其投入相当巨大(初步投入100亿欧元)，并且刚进入研发阶段，结果很难预测。

人们都知道太阳能是地球上万物能源之源，但其到达地面的能量分散，难以被集中利用，而地球上70％是水面，并且水的热容很高1.0Carl/g.℃，所以海洋不仅是一个巨大的太阳能量接收器，同时也是一个巨大的能量存储器；长期以来人们一直希望能把海洋等水中的热能提取出来利用。

早在采用逆卡诺循环的空调、冰箱等产品问世后，人们发现制热和制冷过程不是能量转换的过程，不受能量转换效率极限100％的制约，在汽液相变过程中，用很少的电可以搬运很多的热量，从而形成一定的温差能；所以很早就有人想利用逆卡诺循环形成的温差能来发电，但由于低温差发电系统的转换效率太低，根本无法开发出这样的发电装置。

后来随着低温差汽液相变发电机组和汽液相变热泵技术的进步，人们又看到了从常温水中汲取热能来发电可以成功的一缕曙光，有人申请了相关专利(如申请号：200410097600公开的“利用热泵和双流体循环发电设备的能量源技术方案”)。但是这种将相变热泵技术与相变发电技术简单组合的方法，从实际工程技术水平来分析是不可能成为独立发电系统的。通常热泵产生的温差在40℃左右，此时，汽液相变发电机的效率极低，一般不超过20％。在水冷的情况下，热泵或冷泵的性能系数一般小于5.0，则，性能系数×低温差发电效率＜5.0×20％＝100％，即系统自身发出的电能小于自身消耗的电能，因此系统不可能成立。即使转换效率略高于20％，系统也没有实用价值。

我们经研究发现，同时使用热泵和冷泵两个逆卡诺循环，就可以使热泵和冷泵单个系统在同样的温差(如40℃)下，不降低性能系数，而能产生二倍或更高的温差能，根据现有的低温差汽液相变发电机组在这一温差下的转换效率，就可以制造出一种能够利用常温下水中热能的发电系统装置。

发明内容：

本发明的目的是在现有的工程技术水平下，从技术上提出一种将常温下水中的热能转换成方便人们使用的电能等的技术方案。

一、关于利用常温下水中的热能发电的基本原理

人们知道，再高的温度，如果没有温差，是不可能对外做功的，实际上温差能才是可以用于做功的能。热泵或冷泵工作的过程就是产生温差的过程，而这个过程不是能量转换过程，不受能量转换效率极限100％的制约，而是受逆卡诺循环效率的制约，其效率用COP值来表示或称作性能系数，制热时就叫制热系数，制冷时就叫制冷系数，它是制热或制冷量和输入功率的比率。在汽液相变过程中，冷媒或热媒介质在高气压下液化时产生大量的液化热，而在低气压汽化时吸收大量的汽化热，使得较少的电能可以搬运较多的热能，形成较高的温差能。已大量使用的热泵热水器利用的就是这个原理。

目前汽液相变发电机组的应用技术已经比较成熟，并且效率很高，其工作原理是：热能传递给蒸汽设备(换热/加热)中的热源介质(低温工质)，热源介质吸热蒸发成带有热压差的汽液混相蒸汽流体，进入动力机内降温降压膨胀做功，将热能转换为机械动力能，驱动发电机发电；用液压泵把做功冷凝后的液态热源介质返回蒸汽设备，再换热/加热，如此循环往复。

附图1所示是一种理想的利用常温下水中的热能发电的系统示意图，首先辅助启动系统提供电力，让具有汽液相变能力的这样一个热泵系统制热输出；在制热过程中，热泵系统向水中吸收热量；热泵系统输出的热能和降温的水之间的温差能通过热传导器等提供给发电系统(即低温差汽液相变发电机组)，当发电机组正常运转后，把外部电力断开，让系统发出的电能一部分反馈给热泵系统维持其工作，多出部分的电力输出；那么常温下水中的热能用于发电的装置就实现了。系统从常温下水中吸取能量并转换为电力输出成功的关键，是发电系统发出的电能大于整个系统自身消耗的电能。

二、关于利用常温下水中的热能发电理论分析

(一)热泵温差及其性能系数分析

逆卡诺循环形成的温差一般不高。热泵温差Δt＝输出温度一环境温度，而Δt×COP有个最大值。换句话说，很高的性能系数就不可能产生高的温差；反之，产生很高的温差就不可能有很高的性能系数。特别是热泵的冷凝器温度不能太高，温度太高后不仅会降低制热系数，同时影响热泵的使用寿命。之所以众多的热泵热水器产品的出水温度一般最高为65℃，是以年平均气温为25℃，最佳温差为40℃来设定的。

热泵利用的是空气中的热能(风冷式)，即通过工质吸收空气中的常温热源制热的，如市场销售的JKR系列产品的制热系数最大达4.0。水冷式空调在制热时，实际也是一个热泵，是工质吸收常温水中的热能。根据资料：风冷式和水冷式空调的制冷系数分别为：分体式空调系统(风冷式)其制冷系数较低，一般为2.6～3.0；水冷式机组的制冷系数较高，一般大于5.0；系统在制冷的同时，也产生同样当量的热，而机组自身耗电产生的热不便于利用，所以实际有效制热系数近似等于制冷系数，空调产生的温差远小于40℃。经对上述数据综合评定：常温的水作为热泵系统的热源，在温差40℃时的制热系数约为5.0。换言之，消耗1度电，可以产生相当于5度电产生的热能。

通过热传导器把热泵的温差能传导给相变发电机组时，由于热传导器自身热阻的影响，到达相变发电机组的温差能要有一定损失，因此温差在40℃左右时，系统有效制热系数要小于5.0。

(二)关于低温差相变发电机组的内效率分析

对于低温差的热能发电机组，汽液混相蒸汽流体发电机组的转换效率是最高的，特别是人们将布雷顿回热技术(如附图2中45)应用到汽液流体动力发电机组后使其效率大大提高。资料表明：目前我国已有一些企业生产这类汽液相变发电机组，其单机容量从100-1500kw有十多种；其热源温度在90-1 90℃间或热源温度略小于90℃等情况下，在40-100％负荷时发电内效率可高达65-80％。

上述汽液流体动力发电机组效率高的根本原因，是系统可按照热力学三角形循环原理工作，即布雷顿循环回热应用技术。其中相当部分的汽化热和液化热相互抵消，热损失小，效率比无回热的朗肯循环高出60％。但如果温差太低，发电机组的转换效率是很低的。据报道：海洋温差发电机组是用氨作为低温工质的，日本已有小型实验电站，美国做了较全面的研究，低温差20～27℃时系统的转换效率仅有6.8～9％，加上发出的电大部分还要用于抽水……而6.8～9％转换效率已代表目前国际最高水平，对于40℃左右温差，按温差和效率之间是线性关系来推算，其转换效率约为40℃÷27℃×9％≈13％，那么考虑非线性因素影响也很难使其转换效率大于20％。

(三)对附图1所示的利用常温下水的热能发电系统的判断

对于40℃左右温差，热泵的制热系数×低温差发电效率＝5.0×13％＝65％＜1.0，即系统自身发的电能小于自身消耗的电能，因此系统不可能成立。即使转换效率达20％，热泵的制热系数×低温差发电效率＝5.0×20％＝100％＝1，或稍大于1，系统也没有实用价值。另外，这种系统在环境温度较低时，制热系数和发电机组的转换效率都将减小。因此，该系统在上述条件下是不可能实现的。

(四)关于提高系统发电效率的根本方法分析

附图1所示系统的问题是相变发电机组在低温差时效率太低。一般来看有两种解决办法：其一是提高发电机组转换效率，但在如此低温差下，目前的发电效率已接近极限值，所以转换效率不可能提高很多。其二是提高热泵的温差，但与此同时制热系数降低了，系统的整体转换效率并没有提高。

鉴于上述分析，本发明的解决方案是：同时使用两个泵，即一个用于制热，另一个用于制冷，若设定热泵制热和冷泵制冷时温度与环境的温差都是40℃，让冷、热泵间的(温差约为80℃)温差能提供给相变发电机组，那么相变发电机组可有更高的发电内效率。正所谓“量变到质变”，这样一个突破性技术方案，在不影响制热或制冷性能系数而且有利于提高这个性能系数的情况下，让逆卡诺循环产生的温差高一倍，使得汽液相变发电机组可以很好地应用布雷顿回热技术。根据上述的汽液流体动力发电机组中的相关信息，选择适当的低温热源介质，发电内效率至少为65％。

如附图2所示系统，在冷泵系统制冷过程中同时产生的热可以被热泵再利用，所以热泵系统的制热系数要远大于5.0。保守估计其系统性能系数(制热和制冷)平均值可大于6.0。整个系统的发电系数为：

η＞温差性能系数×发电内效率×系统效率(假定90％)＝6.0×0.65×0.9＝3.5，显然系统发电效率提高了很多。

(五)附图2所示系统利用常温下水的热能发电的可行性分析

上述分析的数据基本取自两家以上企业的产品介绍，因此，其具有真实性和可操作性；整个系统的发电系数η＞3.5，表明：耗1度电，至少可以发3.5度电；断开辅助启动装置后，系统反馈部分电能给冷、热泵组及相关控制器使用，总系统不需要其他电力可以持续运行，并且还可以输出一部分电能。则净输出电能的转换系数近似为：η净＝3.5-1.0＝2.5。

这里不排除分析的数据存在有少许偏差或其他一些未知因素没有考虑到的可能性，即使偏差一倍，至少系统的发电系数：η′＝3.5÷2＝1.75＞1.0。因此本系统完全可以作为独立发电机组应用。

三、本发明主要解决的技术问题以及采用的技术方案

1.通过采用汽液相变的冷、热泵组合技术构成的温差能发生器。从常温下的水中提取能量转换成温差能的同时，不降低性能系数(COP)，但使输出的温差增加了一倍，大大提高了温差能转换系数。

2.构成温差能发生器的汽液相变冷、热泵系统以及汽液相变发电系统，通过布雷顿循环的回热技术，使温差能发生器的性能系数和汽液相变发电系统的转换效率都得到提高。

3.汽液相变冷泵系统制冷后产生的热量经热力管道再提供给热泵系统制热，进一步提高了温差能发生器的平均性能系数。

4.根据不同季节的水温变化，通过其切换系统装置，将常温水流入冷泵和热泵系统的先后顺序变换，则可平衡热泵和冷泵的输出温度，使相变发电机组的低温工质工作在最佳状态。降低了气候变化对系统性能的影响。

5.正是由于上述几项关键技术的采用，使得系统在借助辅助电力启动后，系统发出的电能远大于系统自身消耗的电能；当把辅助电力断开后，系统不仅靠反馈回来的电力持续运行，还可以输出一部分电能或动力。

附图说明：

图1为一种理想的常温水热能的发电系统结构示意图；

图2为本发明常温水热能的发电系统装置一个实施例的结构示意图。

附图中设备标号说明：

1.进出水系统；11.阀门、12.阀门、13.阀门、14.阀门；

2.汽液相变冷泵系统；21.冷凝器、22.压缩机、23.蒸发器、24.节流阀、25.回热器；

3.汽液相变热泵系统；31.蒸发器、32.压缩机、33.冷凝器、34.节流阀、35.回热器；

4.汽液相变发电系统；41.汽化器、42.发电机组、43.液化器、44.液泵阀、45.回热器；

51.热传导器；52.热传导器；

6.辅助启动及电力输出系统装置；61.常开和常闭开关组、62.常闭开关；

7.热力管道。

具体实施方式：

以下结合附图2对本发明作进一步的描述

一种利用常温下水中热能的发电系统装置，系统由进出水系统1、汽液相变冷泵系统2、汽液相变热泵系统3、汽液相变发电系统4、温差能热传导器51和热传导器52、辅助电力启动和输出装置6以及热力管道7组成，其特点是：至少由一组汽液相变冷泵系统2与汽液相变热泵系统3组合的温差发生器构成。其中，汽液相变冷泵系统2的冷凝器21与汽液相变热泵系统3的经热力管道7连接。

在构成汽液相变冷泵系统2和汽液相变热泵系统3及汽液相变发电系统4的热力系统中分别至少设置一个回热器25、回热器35和回热器45。

本发明工作流程是：

汽液相变冷泵系统2是通过水冷方式把冷凝器21产生的热量带走，让蒸发器23产生大量的冷量，压缩机22和节流阀24是冷泵系统实现逆卡诺循环的基本部件，回热器25是系统让压缩前需要预热的冷媒和冷凝后需降温的冷媒相互交换热量，以提高系统制冷系数，对于40℃左右温差下的冷泵，效果明显。汽液相变热泵系统3是通过水热方式把蒸发器31产生的冷量带走的，让冷凝器33产生大量的热量，压缩机32和节流阀34是热泵系统实现逆卡诺循环的基本部件，回热器35的作用同上，可以明显提高系统的制热系数。

汽液相变发电系统4中，汽化器41让工质得到热量形成高温高压汽体，液化器43是让内部工质液化和气压降低，从而使发电机组42的内部动力机两端形成气压差，以便高温高压汽态工质膨胀做功，将热能转换为机械动力能驱动发电机发电。液泵阀44只需要消耗很少的电力，就可以把同样摩尔量的液态工质从低压区送到高压区。回热器45主要作用是让系统工质汽化时所吸收的热量来源于其液化时放出的热，以提高温差能的转换效率，效果相当明显。

本发明的一个实施例中，热传导器51是通过油类等介质的循环把蒸发器23的冷量传递给液化器43的；热传导器52是通过油类等介质的循环把冷凝器33的热量传递给汽化器41的。

本发明所述的回热器25、回热器35、回热器45都是依据布雷顿循环的回热利用技术的具体应用。实质上回热器25、回热器35、回热器45和热力管道7也是余热技术在系统内部应用的具体体现。

所述的热力管道7的作用是把冷凝器21放出的热通过冷却水(温度高于常温)把热量传递给蒸发器31，等效于使汽液相变热泵系统3的温差降低了，从而提高制热量，也等效于提高了温差能发生器的性能系数。

本发明所述的系统装置的运行过程是：当整个系统安装完毕后，首先依靠辅助电力让进出水系统1和热传导器51和热传导器52运行起来，然后按下开关61使常开开关闭合，汽液相变冷泵系统2和汽液相变热泵系统3开始工作，分别制冷和制热；蒸发器23产生的冷量通过热传导器51传递给液化器43，冷凝器33产生的热量通过热传导器52传递给汽化器41，由于汽化器41的温度升高，内部工质形成高温高压气体，而液化器43的温度降低，内部工质部分液化，部分形成低温低压气体，这时温差能转换为气压能，通过发电机组42的内动力机的膨胀做功，气压能转换为动力能，驱动发电机组42的发电机发电。在液化器43中的液态工质通过液压泵44，只要消耗很少的电量就可以由液化器43中的低气压区返回到汽化器41中的高气压区，然后循环往复工作。当发电机组42能正常工作后，使开关61常开开关断开，这时61闭开关闭合，发电机组42发出的电能就反馈给了汽液相变冷泵系统2和汽液相变热泵系统3及其它用电设备，这两个系统将持续工作，同时多余的电可以通过电力输出系统装置6输出。这时进出水系统1流入常温的水，流出低温的水，其中的能量转换成电能输出了。

当进出水系统1流入的水温偏高时，冷泵系统2产生的冷量和热泵系统3产生的热量不匹配，将影响汽液相变发电系统4中工质的工况。据此，通过由阀门11、阀门12、阀门13和阀门14组成的进出水系统1切换装置，其中：进出水系统1经阀门12与蒸发器31和冷凝器21及阀门13串接；就可以适度提高冷泵系统2的制冷系数，使汽液相变发电系统4中的工质工作在最佳状态；当进出水系统1流入的水温偏低时，进出水系统1经阀门11与冷凝器21和蒸发器31及阀门14串接，就可以适度提高热泵系统3的制热系数。

综上所述，本发明的主要技术优势及特点：

1.本发明是通过使常温下水(海水或淡水)降温而从中汲取能量，并转换为方便人们使用的电能或动力的，降温后的海水、淡水可以自动吸收太阳能或周围空气中的热量回到常温。因此本能源是可以循环再生，并且取之不尽，用之不竭的。

2.技术应用过程无污染物，清洁环保。

3.采用本发明的技术装置，具有如下技术优势：

a.在高的制热和制冷性能系数下，产生二倍以上的温差能，大大提高了发电机组转换效率。

b.冷泵制冷过程中产生的热再供热泵使用，提高了冷、热泵组的平均性能系数。

c.在不同季节下，汽液相变发电机组的低温工质都可以通过其进出水系统切换装置使其工作在最佳状态。

d.由于冷、热泵组使用各自的压缩机，因此可采取错时启动和切换压缩机的方法，减小其对电网以及自身发电系统的负载冲击。

4.发电成本低，产出的电力成本低于现有的火力发电成本。

5.应用领域广，作为能源，不仅可以用于发电，还可以用于造船业、汽车工业和其他需要电力及动力的众多行业。

Claims (4)

1.一种利用常温下水中的热能的发电系统装置，系统由进出水系统(1)、汽液相变冷泵系统(2)、汽液相变热泵系统(3)、汽液相变发电系统(4)、温差能热传导器(51)和热传导器(52)、辅助电力启动和输出装置(6)以及热力管道(7)组成，其特征是：至少由一组汽液相变冷泵系统(2)与汽液相变热泵系统(3)组合的温差能发生器构成。

2.如权利要求1所述的利用常温下水中的热能的发电系统装置，其特征是：汽液相变冷泵系统(2)的冷凝器(21)与汽液相变热泵系统(3)的蒸发器(31)经热力管道(7)连接。

3.如权利要求1所述的利用常温下水中的热能的发电系统装置，其特征是：在构成汽液相变冷泵系统(2)和汽液相变热泵系统(3)及汽液相变发电系统(4)的热力系统中分别至少设置一个回热器(25)、回热器(35)和回热器(45)。

4.如权利要求1-3任一所述的利用常温下水中的热能的发电系统装置，由阀门(11)、阀门(12)、阀门(13)和阀门(14)组成的进出水系统(1)切换装置，其特征是：进出水系统(1)经阀门(11)与冷凝器(21)和蒸发器(31)及阀门(14)串接；或进出水系统(1)经阀门(12)与蒸发器(31)和冷凝器(21)及阀门(13)串接。

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