制冷循环的发电应用与第三次工业革命

　　热力学循环主要包括热机循环和热泵循环。热机循环将输入的部分热量转化为输出的机械功，热泵循环正相反，它通过输入机械功将热量从低温传向高温。迄今，所有发电应用都是郎肯循环，包括太阳热能、生物质能、火力、核能等。有机郎肯循环(0rganic Rankine Cycle)，简称ORC，是低温发电技术。其原理与郎肯循环相同，只不过郎肯循环使用的介质是水，ORC使用的是低沸点有机物，可以利用低温热源发电。

卡诺理论认为热机循环效率只与两个热源的热力学温度有关，与工质性质无关。提高热机效率在于提高T1、降低T2、减少散热、漏气、摩擦等不可逆损耗。卡诺热机理论效率公式ηc=1-T2/T1。由于低温热源通常是环境温度，现代热电厂采取单方向提高T1，用过热蒸汽推动汽轮机，向超超临界要效率。同样，利用低温热源的ORC，也倾向利用尽可能高的T1温度。迄今，有报道的ORC，最低的T1温度为73℃，是在美国阿拉斯加运行的地热机组。这样低的T1温度显然与当地的低环境温度有关。

我于前期发表的“冷电与卡诺热机效率公式”一文中详细介绍了降低T2对于提高热机效率的重要意义。根据热力学第二定律,在相同的高、低温热源温度T1与T2之间工作的一切循环中,以卡诺循环的热效率为最高,称为卡诺定理。卡诺定理无疑是正确的，因为过去的100多年里，没有人对它发起过成功的挑战。然而，卡诺定理成立是有条件的，即热机的T2温度不低于摄氏零度。如果我们将制冷循环应用于发电，就可以明确无误揭示卡诺循环的热效率并非最高。

一，传统热力学循环的弊端

这里所提到的传统热力学循环特指在摄氏零度以上的热力学循环。

从过程上看，热机循环和热泵循环十分相似，它们都有一个吸热过程(锅炉或蒸发器);一个膨胀过程(汽轮机或膨胀阀)，一个放热过程(冷凝器)，一个压缩过程(压缩机或工质泵)。热机循环，化石能源燃烧提供热能给锅炉产生蒸汽推动汽轮机，大部分热没有转化为功而白白排放掉。热机循环冷凝热一般是热功转换热利用的150%，这可以解释为什么热机效率难以提高。同样，热泵循环投入机械功，工质从蒸发器吸热，冷凝器排热，吸热和排热等量，只是品位不同而已。尽管热泵的COP大于1，但功的输出不可能大于输入。显然，这两种循环均不能有效利用热。

热力学第二定律又称熵增定律，表述为：随时间进行，一个孤立体系中的熵总是不会减少。简单的说，热不能自发的从冷处转到热处，而不引起其他变化。任何高温物体在不受热的情况下，都会逐渐冷却。这条定律说明第二类永动机不存在。除非系统开放，引入负熵流。

二，负熵流和制冷循环

热机循环和热泵循环是开放系统，它们从外界吸热，包括化石能源、核能和环境温度，做功后将冷凝热排放。问题是这种循环没有造成使负熵流进入系统的条件。

我们知道，熵增越小、损失越小，效率越高。通俗的说焓值越大，熵值越小。反之，熵越小，焓越大。制冷循环产生的低于摄氏零度的低温可以理解为负熵，这意味着系统循环过程中焓变最大，热利用效率最高。而产生的负熵环境为引入负熵流创造了条件。

节流膨胀是制冷的手段之一，指较高压力下的流体(气、液或两相)经节流阀向较低压力方向运动，遇到局部阻力造成较大压降的过程。节流膨胀消耗工质内能，对外输出功，造成工质压力、温度降低，焓值减小。工质减少能量增加的吸热能力称为膨胀制冷量。膨胀制冷量等于工质膨胀过程减小的焓值。节流膨胀是液化过程。

在膨胀制冷的过程中，没有显热出现，内能是以膨胀功的形式是释放的。它释放的如此彻底，以致产生难以置信的低温-负熵。负熵是最大的能量。根据热力学第二定律，热会自发的(或被迫的)向冷处转移，释放能量。这就是负熵的能量。只要从外界流入的负熵流足够大，就可以抵消系统自身的熵产生，使系统的总熵减少，形成并维持一个低熵的非平衡态的有序结构。

制冷循环应用于发电，其热效率包括以下几个方面：

1，制冷过程可回收的膨胀功，依据不同工质，可高达压缩功的40%;

2，引入负熵流产生的能量，该能量相当于冷与环境温度的温差;

3，因T2降低(更接近绝对零度)提高的热机效率。

以上三项合计，制冷循环应用于发电的热效率超过80%，高于所有的传统热力学循环。具体实现的技术方法，请见本人在能源思考2014第4期发表的文章“二氧化碳-人类未来能源解决之道?”。

更加重要的意义在于制冷循环产生的负熵环境，使地球地表以上200千米，从对流层、平流层、中间层直到暖层所有的空间能量，即太阳慷慨施与地球的能量，得以全部为我们所利用。从这个角度出发，我们的确不应为热机的效率高低而计较。因为，这个能源资源对于人类来说无限大，它大到可以使未来的人类走出太阳系。

三，第三次工业革命的发端

关于第三次工业革命的讨论永远是令人振奋的。大家的共识是互联网+分布式可再生能源就是第三次工业革命的标志。为此，人们将期待的目光投向光伏技术，想象着摩尔定律在光伏技术上再现。这实在是一种妄想。在爱因斯坦的光量子假说被证实时，就已经明确了光伏技术的局限性，因为，只有紫色光谱才可能产生光电效应。光伏技术的硬约束在于必须通去过增加受光面积才能获得更多的太阳能。从哲学上思考，这是一种倒退。与其用硅来铺满地球表面获得太阳能，还不如叶绿素，毕竟郁郁葱葱的植物孕育着盎然生机，而冰冷的玻璃则没有任何生命的气息。

工业革命的200多年来，燃烧煤炭、石油、天然气推动了人类的工业化进程，但却向地球大气排放了太多的二氧化碳，阻止了热量从地球上空散去，导致地球温度灾难性的转变。根据科学家的观点，地球温度上升3.5℃，将导致70%的动植物物种灭绝，上升6℃将导致人类文明消亡，届时地球只适合微生物苟活。最近的4.5亿年里，地球上已发生了五次物种灭绝事件，每次毁灭都需要1000万年才能恢复生物物种的多样性。过度消耗化石能源是人类背负的熵账单，已经到了要我们买单的时刻。

制冷循环应用于发电，引入负熵流，就是将地球过剩的热转化为有用功而不产生新的热，这是使地球环境重新恢复有序的熵减过程。当你我中的多数人，或者这个社会的决策者清醒的意识到这个问题的时候，就是第三次工业革命的发端。

它距离我们只有一步之遥。

邱纪林

2014年7月23日