二氧化碳-未来能源解决之道？

一，碳减排困境

近年来，由于世界人口剧增，工业发展迅猛，煤炭、石油、天然气燃烧产生的二氧化碳远超历史水平，严重破坏了地球亿万年来保持的碳平衡。大气中二氧化碳含量每增加1倍，全球气温将升高3℃～5℃，气候变暖导致自然灾害加剧，两极冰川融化，海平面升高，对人类生存和繁衍构成严重挑战。

1980年全球二氧化碳排放量为50亿吨，2012年达到316亿吨。2008年，中国碳排放首次超过美国，成为全球排放最大的国家，这与我国以燃煤为主的能源结构有关，2011年中国煤炭消费达到38亿吨，2020年将达到48亿吨，超过世界煤炭总消费量的50%。

下图：1980至2009年中国二氧化碳排放量(百万吨)以及世界煤炭消费结构。

到目前为止，所有新能源技术一直没有革命性的突破;包括光伏和风电技术，效率低，成本远超火电，只能依靠政府补贴生存。如果不能将新能源的成本降低到合理水平，无论国际社会召开多少次会议，达成怎样的共识都难以真正解决碳减排的现实困境。

二，太阳辐射能

除核能尚有争议外，人类利用的所有能源都来自太阳。地球接受的太阳能量巨大，人类目前每年能源消费总和只相当于40分钟内太阳照射到地球的能量。目前，利用太阳能的主要方式为光伏发电，由于材料的限制光电转换效率低(平均12%)，工作时间短，每天只有8小时。实际上，太阳施与地球的辐射能，除被大气散射、空中云层吸收等流失外，约70%被大气环境、浅层土壤和水系接收，能量巨大。失去太阳，地球表面将降到宇宙温度-270℃(3K)。不过太阳辐射能为低品位热，需要找到能够利用低至大气环境温度做功的热机。

我设计的能够利用环境太阳辐射能做功的热机称为二氧化碳辐射能热机。根据热力学第二定律;“不可能把热从低温物体传到高温物体而不产生其他影响”，“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”，热机要利用常温做功，必须首先制造一个低温环境，与环境温度之间形成有效温差。在温差作用下，环境温度自然会释放能量。

二氧化碳辐射能热机采用二氧化碳为工质，由膨胀、压缩、热交换三部分组成。其循环过程如下：

1，换热器中的二氧化碳工质经膨胀机膨胀对外做功(放热)，消耗内能自身变冷。根据能量转换和守恒定律，冷量等于工质膨胀过程减小的焓值。

2，做功后变冷的二氧化碳工质经工质泵进入换热器，在换热器中工质做相间质量传递并从外界环境温度吸热重新获得内能。

3，补充了内能的工质再次进入下一循环。

热机的工作原理同火力发电相同。火力发电过程，水被加热为蒸汽，气体体积膨胀推动发电机做功。由于工质是水，工作温度必须在100度以上，需要用煤、天然气等化石能源加热，热机做功后的乏汽利用大气环境冷却还原为水。二氧化碳辐射能热机采用二氧化碳为工质，工作温度可以降到环境温度以下。热机通过膨胀释放能量、冷却工质，利用环境温度加热工质，形成放热、吸热、放热的循环。热机无需冷凝器，热交换均在换热器中进行。