利用常温同零度间的热能发电并制冷方案简介
让制冷与发电共存 -----利用常温同零度间的热能发电并制冷 可行性 从能量守恒的角度说，当物体变冷，同时伴物体对外放热，物体释放的热能应该可以用于发电。在此，我依据能量守恒原理，提出制冷与发电共存的设计，利用制冷释放的热能降温，同时，发电，形成良性循环。换一个方式说，就是通过改变介质把火力发电的工作温度降低到0度以下，就可以利用大气在常温到零度和间包含的热量发电，无需烧煤或消耗其他能源。 其初步设计如下： 1流程：选氮为介质。液氮先储于容器中，而后被推动到分散于大气的管网系统中吸收常温大气中热量变为氮气，同时体积膨胀对外做功发电。当氮气体积膨胀时，热能转化为机械能发电，温度降低，氮气变为液氮，完成一次循环。 2可利用的实例： A：膨胀机加发电机 透平膨胀机制冷的基本原理:根据能量转换和守恒定律可知，气体在透平膨胀机内进行绝热膨张对外作功时，气体的能量焓值一定要减少，从而使气体本身强烈地冷却，而达到制冷的目的。怎样使气体对外作功呢？活塞膨胀机是通过气缸容积的改变，使气体绝热膨胀，推动活塞对外作功，达到制冷的目的。在透平膨胀机中，气体的能量转换发生在导流器的喷嘴叶片间与工作叶片内。和所有的叶片式机械一样，向心式透平膨胀机的工作原理是根据气流动量矩变化的规律，即通过旋转工作轮一定形状的流道时，动量矩发生改变，对外输出功，而消耗气体本身的内能，降低温度。从原理上讲，透平膨胀机就是一种冷气发动机，和蒸汽透平与燃气透平的原理是相同的，只不过是透平膨胀机的根本用途是着眼于工作气体焓值降低而制取冷量这一点上，至于它对外输出功的回收问题则是次要的。我们获得了部分外功，通常是被电动机反相制动消耗掉了。如果增加一分散于大气的管网系统，制冷的气体通过分散于大气的管网系统中吸收常温大气中热量，就可以为周围环境降温，体积增加，压力增加，为膨胀机提供工作压力，完成一次循环。同期，把电动机改为发电机，发电。关键点在于绝热材料的性能，能否有效绝热，使能量有序流动。 B：火力发电 我们现在运行的火力发电的原理是水被加热为蒸汽，气体体积膨胀推动发电机工作发电。因为介质是水，工作温度在100度以上，需要外源的能源煤、石油或其他燃料加热，同时，利用大气环境冷却。如果把介质改为氮，工作温度就可以降到0度以下，利用大气环境加热，通过释放热能冷却介质。两者的基本工作原理是一致的。 价值分析 能源是人类生存的基本条件和人类社会发展的原动力。随着人类文明的进步，能源问题成为人们日益关注的焦点问题。目前全世界都在推动第二代能源系统的建设，积极试点，认真进行立法准备，抓紧开发配套相关设备。第二代能源系统具有六个方面的主要特征，一是燃料的多元化；二是设备的小型、微型化；三是冷热电联产化；四是网络化：五是智能化控制和信息化管理；六是高标准的环保水平。而其中燃料的多元化，设备的小型、微型化，冷热电联产化和环保要求则代表着能源技术发展的几个重要方向：可再生能源的开发利用、分布式供电技术的兴起与冷热电三联产系统的发展。 顾名思义，分布式供电是相对于传统的集中式供电方式而言的，是指将发电系统以小规模(数千瓦至50MW的小型模块式)、分散式的方式布置在用户附近，可独立地输出电、热或(和)冷能的系统。这个概念是从1978年美国公共事业管理政策法公布后正式先在美国推广，然后被其它先进国家接受的。当今的分布式供电方式主要是指用液体或气体燃料的内燃机、微型燃气轮机和各种工程用的燃料电池。因其具有良好的环保性能，分布式供电电源与“小机组”己不是同一概念。 与常规的集中供电电站相比，分布式供电具有以下优势：没有或很低输配电损耗；无需建设配电站，可避免或延缓增加的输配电成本；适合多种热电比的变化，系统可根据热或电的需求进行调节从而增加年设备利用小时；土建和安装成本低；各电站相互独立，用户可自行控制，不会发生大规模供电事故，供电的可靠性高；可进行遥控和监测区域电力质量和性能：非常适合对乡村、牧区、山区、发展中区域及商业区和居民区提供电力；大量减少了环保压力。 分布式发电方式多种多样，根据燃料不同，可分为化石能源与可再生能源；根据用户需求不同，有电力单供方式与热电联产方式(CHP)，或冷热电三联产方式(CCHP)；根据循环方式不同，可分为燃气轮机发电方式，蒸汽轮机发电方式或柴油机发电方式等。表1列出了主要的分布式供电方式。 在产业革命后的200年中，煤炭一直是世界范围内的主要能源，而随着科技、经济的发展，石油在一次能源结构中的比例不断增加，于20世纪60年代超过煤炭。此后，石油、煤炭所占比例缓慢下降，天然气比例上升；同时，新能源、可再生能源逐步发展，形成了当前的以化石燃料为主和新能源、可再生能源并存的格局。然而，虽然可再生能源是取之无尽的洁净能源，但其能源密度低，稳定性较差，需要蓄能调节，长期稳定运行困难，且由于技术不够成熟，可再生能源一次投资较大，经济性差；而化石能源的发电技术不仅更加成熟，而且效率更高。因此，作为分布式供电的发电技术，化石能源目前仍是国际上的主要方向。 表1 主要的分布式供电方式
正如常规的集中供电电站可以通过功热并供提高能源利用率一样，分布式供电系统在用户需要的情况下，同样可以在生产电力的同时，提供热能或同时满足供热、制冷两方面的需求。而后者则成为一种先进的能源利用系统-冷热电三联产系统。 与简单的供电系统相比，冷热电三联产系统可以在大幅度提高系统能源利用率的同时，降低环境污染，明显改善系统的热经济性。因此，三联产技术是目前分布式供电发展的主要方向之一。 典型冷热电三联产系统一般包括：动力系统和发电机(供电)、余热回收装置(供热)、制冷系统(供冷)等。针对不同的用户需求，冷热电联产系统方案的可选择范围很大：与热、电联产技术有关的选择有蒸汽轮机驱动的外燃烧式和燃气轮机驱动的内燃烧式方案；与制冷方式有关的选择有压缩式、吸收式或其它热驱动的制冷方式。另外，供热、供冷热源还有直接和间接方式之分。 在外燃烧式的热电联产应用中，由于背压汽轮机常常受到区域供热负荷的限制不能按经济规模设置，多数是相当小的和低效率的；而对于内燃烧式方案，由于技术的不断进步，已经生产出了尺寸小、重量轻、污染排放低、燃料适应性广、具有机械效率和高排气温度的燃气轮机，同时燃气轮机的容量范围很宽：从几十到数百KW的微型燃气轮机到300MW以上的大型燃气轮机，它们用于热电联产时既发电又产汽，兼有高发电效率(30%-40%)和高的热效率(70%-80%)。现在，在有燃汽和燃油的地方，燃气轮机正日益取代汽轮机在热电联产中的地位。 压缩式制冷是消耗外功并通过旋转轴传递给压缩机进行制冷的，通过机械能的分配，可以调节电量和冷量的比例；而吸收式制冷是耗费低温位热能来制冷(根据对热量和冷量的需求进行调节和优化)，把来自热电联产的一部分或全部热能用于驱动吸收式制冷系统。 目前最为常见的吸收式制冷系统为溴化锂吸收式制冷系统和氨吸收式制冷系统。前者制冷温度由于受制冷剂的限制，不能低于5℃，-仅用于家用空调；后者的制冷温度范围非常大(+10℃--50℃)，不仅可用于空调，而且可用于0℃以下的制冷场所。同时，氨吸收式制冷系统可以利用低品位的余热，所需热源的温度只要达到80℃以上就能利用，从而使能源得到充分合理的利用；而且氨吸收式制冷系统还具有节电、设备易于制造和维修、对安装场所要求不高、系统运行平稳可靠、噪声小、便于调节、可以在同一系统内提供给用户不同温度的冷量、单个系统的制冷量很大等优点。(来源：分布式供电和冷热电联产的前景 中国科学院工程热物理研究所 徐建中 院士) 我们设计的制冷发电机，应是目前分布式供电发展的方向之一，且具有不同于三联产技术系统的优点：1利用太阳能加热的常温大气为能源，不需要燃料；2因为不需要燃料，没有任何环境污染；3因大气温度稳定，通过吸热管网系统可控制吸收的热量，从而工作性能稳定性好，无需要蓄能调节，能长期稳定运行；4核心部件膨胀机已经广泛应用于气体分离，有成熟技术可以应用。 同现在的冷空调相比较，这种制冷发电机有如下优点：1 使用不耗能，反而越用越产能；2使用的循环材料来源简单，无污染。 商业价值 这种制冷发电机应该说有巨大的商业价值。目前，全球的冷空调、冰箱、火力发电厂都应该被这种原理的制冷发电机淘汰。应该说是，其产业链的商业价值，不仅是包括现有的全部的冷空调、冰箱的产业链的价值，还包括火力发电的产业链的价值，更重要的是还有原火力发电需要消耗的燃料的价值、环保消耗的投入。而且，这是可以得到各国政府的政策支持及消费者的拥护。粗略的估计在一万亿元以上的产值。 最终产品的组成：类似于膨胀机的能量转化装置、发电机、吸热的管路系统、有绝热材料的低温介质容器、介质流动控制系统、其他辅助调节控制系统。 估计产品开发成本：由于膨胀机(或气波制冷机)和发电机都是成熟技术，其他配件都可以简单定做，因此，针对替代冷空调的制冷发电机的早期开发简单。而且，开发目的以制冷为主，对发电的功效要求低，对绝热材料的要求也低。估计在3个月内，能出样品，费用在200万元左右。制冷发电机如果用于发电方面的研究，费用则可能在2000万元左右，其中1000万元用于TRT的购买，时间也估计是3个月左右。 估计产品成本：以替代冷空调为目的的制冷发电机的组成同普通冷空调相近似，成本应相当。以发电为目的的制冷发电机，以8000KW为准的话，可能在1500万元左右。 销售产品的价格：在专利保护期，价格比同类高30%—50%。对于以发电为目的的制冷发电机，则因其减少了燃料的消耗、环保设备的投入，可以同类产品三倍以上的价格。专利期后，可以适当调低价格。 消费群体：现在和将来准备使用空调、冰箱的普通消费者和准备新建和改建火力发电厂的投资者。 商业计划：1寻找投资者，先期投入科研开发经费；2 获得专利；3 特许经营的方式创建发展。可以同先期投资者共同商讨调整。
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