开启新能源之门——太阳辐射能热机

        自蒸汽机问世以来，所有热机都以环境温度为低温热源。因此，提高热机效率只能单方向提高高温热源温度。高达600多℃的超超临界锅炉已经接近了目前技术允许的极限，继续这种单方向的努力非但不明智，也不可行。实际上，向降低低温热源温度要效率，不仅投入的能耗相对更小，而且可能实现人类利用环境热源-太阳辐射能的终极梦想。

以下是笔者探索通过膨胀制冷(降低T2温度)并藉此利用环境热源获得机械能的一些不成熟的认识，集中于“开启新能源之门-太阳辐射能热机”一文中。作为笔者前后发表的几篇关于“冷电”文章的总结篇，希望能够得到读者的重视、思考，批评、指正。

一、太阳辐射能

太阳是地球的能源供应者，一小时光照可满足人类一年的能源需求。太阳能形成水能、风能、潮汐能、生物质能、浅源地热能。化石能源同样来自远古太阳能。目前，太阳能直接利用有光伏、光热两种方法，前者利用光电效应将太阳部分光谱转换为电力。后者通过热机将太阳光聚焦后产生的高温转换为机械能。这两种方法受光照时间、能流密度限制，存在不可克服的硬约束，即必须增加采光面积才能获得更多能量。事实上，没有光照的时间里，太阳辐射能仍然以热的形式存在于浅层土壤、水系和大气中。失去太阳地球表面将降到-200℃。这即是说，我们周围处处都充满着能量。但平均20℃的环境热源(太阳辐射能)为低品位热，需要找到有效和经济的利用方法。

二、低温与机械能

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”。热机要利用环境温度做功须有一个与之形成温差的低温环境。制造低温需要从物体中吸热。物质的相变过程，如固体融化、液体气化、固体升华均需吸收热量，产生低温。此外，节流膨胀、涡流效应、热电效应等也能产生低温。根据能量守恒定律，制造低温需要消耗能量。

气体性质与体积、温度和压力三要素有关。在空间不变的情况下，提高温度，气体的压强增加。反之降低压力，温度下降。如果增大空间(体积变)，气体的温度和压力都会下降。温度和压力正相关，与体积负相关。膨胀机节流膨胀指的是较高压力下的流体(气、液或两相)向较低压力方向运动遇到局部阻力对外输出功，输出的功以工质焓值降低为补偿。工质减少能量而增加的吸热能力称为膨胀制冷量。从这个意义上说，机械能可以源于制冷过程。而变冷的工质可以自发的与环境换热回补内能(高温自发向低温传热)。如果一种工质的临界点在环境温度区间，膨胀前后的温差、压差足够大，就可以用来获取太阳辐射能。

三、太阳辐射能热机与二氧化碳工质

太阳辐射能热机是利用环境热源做功的热机，采用CO2工质。CO2环境友好，临界温度低，临界压力高。沸点(升华点)低于三相点，膨胀比小、膨胀功大。在环境温度区间，其饱和蒸发压是常规工质的10倍。

早在1850年，CO2就成为制冷工质。1920年代应用达到高峰。由于CO2蒸发压力高，易泄露，氟利昂出现后逐渐停用。近年来，由于发现氟利昂对环境的破坏，氟类制冷剂被广泛禁用，CO2重获青睐，在制冷、低温发电领域得到广泛应用。

四、运行原理

太阳辐射能热机采用CO2冷媒，以环境温度为高温热源T1，工质蒸发制冷为低温热源T2，通过膨胀机对外输出功。热机循环包括以下过程：

蒸发吸热：液相工质经工质泵入蒸发器从环境吸热蒸发汽化，压力增加。工质吸热对被吸热对象而言是制冷(蒸发制冷)。

绝热膨胀：膨胀机膨胀是绝热过程。由于无法从外界吸热，做功只能消耗工质自身内能，导致工质压力、温度下降。

冷凝放热：膨胀机排出的气相工质进入冷凝器，向工质蒸发制冷产生的低温热源释放凝结潜热液化。

绝热压缩：液相工质经工质泵入蒸发器再度与环境换热回补内能，开始下一循环。

将CO2冷媒蒸发制冷作为太阳辐射能热机T2，换热效率成为关键。各种换热器中，板式效率最高，超过90%。最小换热温差1℃。考虑到低温可能引起结冰堵塞，可采用三套管式逆流换热器。内套管供工质流动，中间套管为相变区(可充填相变材料)，外套管引入环境热并串联冷凝器。工质蒸发导致中间套管发生相变，外套管导入环境热源与中间套管换热，获得的低温再与膨胀机排出的乏汽换热，使之冷凝。

五、模拟工况

膨胀机入口环境20℃，出口排气温度-56℃(排气温度可通过调节膨胀机入口孔径控制)，CO2在气液两相区循环。环境20℃，CO2饱和蒸汽压5.72兆帕(相当于水270℃的饱和蒸气压)，出口排气-56℃，压力0.52兆帕。膨胀机进排气压差5兆帕，膨胀比10。冷凝后的液相工质经工质泵回到蒸发器再度与环境换热回补内能，温度回升到20℃，压力5.72兆帕，其能量来自环境热源。

太阳辐射能热机循环包括两个制冷过程：工质蒸发制冷和膨胀机膨胀制冷(认识这一点才能理解热机的热循环机理)。工质在蒸发端吸热(潜热+显热)与蒸发制冷等量。由于显热部分经膨胀机转化为功，工质冷凝放热必然小于蒸发制冷量，即工质冷凝放热=工质蒸发吸热(制冷)-膨胀机输出功转化热(Q2=Q1-W)，这与热泵循环的工质冷凝放热=蒸发吸热+压缩机输入功转化热(Q2=Q1+W)正相反。

液体二氧化碳释放到常温、常压环境会生成干冰(部分CO2大量吸热造成另一部分CO2凝华)。CO2沸点(升华点)-78.6℃低于熔点(三相点)-56.5℃，升华热(溶解热+汽化热)540KJ/KG大于气化热350KJ/KG。这些特性决定了将CO2冷媒蒸发制冷作为热机T2在理论上是可行的。CO2工质蒸发制冷不仅在热的总量上大于乏汽的凝结潜热，而且其绝对温度也低于乏汽温度。

压力与工质潜热值负相关，增加压力可以提高工质液化温度。考虑到换热损失，当换热后的蒸发制冷温度等于或高于乏汽温度时，可适度对乏汽加压。0.8兆帕CO2对应液化温度为-42℃，1.6兆帕为-25℃。加压投入的功限于满足乏汽凝结潜热的释放(显热回升通过与环境换热)。投入的压缩功小于输出的膨胀功，热机利用环境热源可望实现净输出。为保证循环各个过程的热力平衡，太阳辐射能热机设计为间歇式运行。

六、螺杆机

环境热源20℃条件下，CO2工质为亚临界循环，处于气液两相状态，只不过在蒸发端和冷凝端的相比不同。这要求热机膨胀和压缩设备能够适应两相流。螺杆机是全流动力设备，工质不仅可以为干蒸汽，也可以为二相流，甚至饱和水。螺杆压缩机和膨胀机(互为反向运动)依靠压力做功，工质密度决定做功能力，尤其适合高密度的CO2工质。

北京某大学研发的5KW单螺杆膨胀动力机，以压缩空气为工质，进气压力0.6MPa、转速3000rpm工况下，总效率66%，汽耗率22.5kg/kW·h，最低排气温度-45℃。进气压力提高到1.6Mpa,最低排气温度-78.63℃，进出口温差88℃。这表明膨胀机进口压力越大，转速越高，温降、压降和输出越大。

七、辩伪

热力学循环包括热机循环和热泵(制冷)循环。热机循环将输入的热部分转化为功，热泵循环输入功将热从低温传向高温。两者都包括吸热(锅炉/蒸发器)，膨胀(汽轮机/膨胀阀)，放热(冷凝器)、压缩(工质泵/压缩机)过程。

热机循环投入化石燃料(或利用其它热源)经锅炉产生蒸汽推动汽轮机做功，一部分热释放给低温热源。自蒸汽机问世以来，所有的热机循环,包括郎肯循环(以水为工质)以及采用低沸点工质的有机郎肯循环均以环境温度为T2。为提高效率，只能单方向提高T1温度。热泵循环投入机械功，将热从低温热源传到高温热源。热泵不是能量转换过程，不受能量转换效率极限限制，而是受逆卡诺循环效率制约。热泵制热能效比COP、制冷能效比EER(制热/制冷量与实际运行功率之比)与环境温度正相关。美国Waterfurnace7系列热泵，在国际标准工况20℃时,COP为5.3。随着技术进步，热泵效率还会有所提高，更加接近COP15的理论效率。

热泵采用低沸点工质，借助压缩机将热从低温传到高温，制热的同时制冷。换言之，制冷的同时制热(例如空调向室内送冷时，向室外排热)。同时有效利用冷和热等于将热泵能效提高1倍，称为双向能效(COPThermalCouple)。

热泵制造的温差越大，COP越小，反之亦然。热泵将热从低温传向高温，逆向传热必然要输入功。太阳辐射能热机将热从高温传向低温，自发传热自然输出功。

热泵循环用膨胀机(同轴连接压缩机或发电机)代替膨胀阀回收膨胀功，不仅可以减少节流损失，而且会提高工质吸热/制冷能力，提高综合能效。空气从0.6MPa节流到0.1MPa温降1℃，通过膨胀机节流理论上温降可达80℃～90℃。因为，膨胀阀节流不输出功，膨胀机输出功以工质焓降为代价。

在环境温度区间，二氧化碳的饱和蒸发压力远大于其它常规工质，采用二氧化碳工质节流回收膨胀功具有实质意义。右图;二氧化碳(R744)与氟利昂(R22)、四氟乙烷(R134a)在环境温度区间饱和压力比较。二氧化碳热泵可回收膨胀功相当于压缩功的30%-40%。由于其特殊的劳伦曾循环(变温热源下的制冷循环)，二氧化碳热泵可以制造90℃热水以及较大的温差。例如，日本Eco-Cute系列热泵可同时提供-9℃冷(盐)水和65℃热水，温差74℃，单向能效4，双向8。

卡诺定理指出，在相同的高温热源和低温热源之间工作的可逆循环，其效率都相等。效率为1的热机不可能实现。提高热机效率的途径在于提高T1或者降低T2。然而，实现同样效率，选择提高T1或者降低T2却有明显的不同。例如，卡诺热机理论效率值同为66%，有不同的两组温差;T1=20℃、T2=-175℃以及T1=593℃(热力发电超超临界温度)、T2=20℃。前组T1-T2温差195℃，后组573℃，相差近3倍。出现如此大的差异在于摄氏温度是建立在热力学温度梯度之上。热机以环境温度为T2必然要背负热力学温度+环境温度(T=t+273.15K)的包袱。只有将T2温度降到摄氏零度之下，热机才会减轻热力学温度包袱。利用热泵循环双向能效原理，达到相同效率，降低T2比较提高T1所付出的能耗更小。

卡诺热机理论效率公式η=1-T2/T1，依据上述模拟工况76℃温差(T1=20℃、T2=-56℃)，太阳辐射能热机的理论效率26%=[1-(273-56)÷(273+20)]。考虑到换热损失及压缩能耗等因素，效率折扣为60%，热机实际效率10.4%=26%×40%。太阳辐射能热机是开放系统，做功热能来自环境热源，符合第一定律能量守恒。热机做功以环境温降为条件，符合第二定律“热产生功必然伴随着热向冷传递”。

历史上首个成型的第二类永动机(单一热源取热)是1881年美国人约翰·嘎姆吉为美国海军设计的零发动机，这一装置利用海水的热量将液氨汽化，推动机械运转。但是装置无法持续运转，因为汽化后的液氨在没有低温热源存在的条件下无法重新液化，因而不能完成循环。零发动机的设计缺陷在于没有利用工质的双向能效。能量既不会凭空产生，也不会凭空消灭。液氨(沸点-33℃)从海水吸热蒸发必然导致局部海水变冷，将被冷却的海水作为热机T2，只需投入较少的压缩功将氨的液化温度升至T2温度之上(而非海水温度之上)就可以实现液化，这与利用液化天然气LNG冷量降低郎肯循环冷凝温度的做法如出一辙。零发动机的效率=氨的沸点与海水的温差-换热及其它损耗，高于海洋温差发电。如果用CO2代替氨作为零发动机的冷媒，热机效率会大幅度提高。CO2的沸点低于熔点，升华热大于凝结热，只要将最小换热温差控制在10-15度之内(目前换热技术最小换热温差可做到1度)，就无需在冷凝阶段投入压缩功,而只需在压缩阶段投入功。输入的功已包含在效率折扣中。

八、结论

太阳辐射能热机以环境温度为高温热源，二氧化碳工质蒸发制冷为低温热源，输出功的同时伴随制冷(环境热转化为功)。在太阳辐射能热机身上可以看到热泵循环(双向能效)的影子。热机效率与环境温度正相关(基于-56℃的T2温度不变)。环境温度20℃，实际效率约10%，低于光伏。然而与光伏比较，太阳辐射能热机具有无可比拟的优势。同光伏一样，它没有燃烧过程，排放为零;不同的是太阳辐射能热机不受光照时间、太阳能流密度和采光面积限制，无需蓄能，且可在发电同时制冷，其综合能效比高出光伏1-2个数量级。太阳辐射能热机利用环境热源实现净输出意味着开启了一扇新能源之门。

太阳辐射能热机发电伴随制冷。退一步说，因换热技术限制热机不能实现净输出，那么作为空调(限于单向制冷)使用，其综合能效将比现行空调提高80%以上，能耗下降80%-100%，成为真正意义上的零能耗空调。空调耗电占总电耗的10%，太阳辐射能热机具有积极的节能意义。