CN101218121A - 将低温热能转化为电的有效方法和设备 - Google Patents

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Abstract

公开了一种将低温热能转化为电的方法和系统。本文中公开的示例性设备包括发电单元、聚集器，其中所述发电单元接收热能以产生电，所述聚集器包括热机、可操作地连接至热机的液体活塞以及可操作地连接至液体活塞的热泵，热机适合于收集热能，热泵可操作地连接至发电单元以提供热量至发电单元。本文中公开的示例性设备还包括：设置在热机中的热机浮式活塞、设置在热泵中的热泵浮式活塞，且其中热机浮式活塞和热泵浮式活塞振荡。

Description

将低温热能转化为电的有效方法和设备
相关申请的交叉引用
本发明为要求于2005年3月23日提交的名称为“Utility Scale Methodand Apparatus to Convert Low Temperature Thermal Energy to Electricity”的美国临时申请序列No.60/664,480的优先权的非临时申请，其全部内容以参考方式包括于此。
技术领域
本发明大体涉及将低温热能转化为电的领域，以及更具体地，将来自太阳能的热转化为电。
背景技术
目前用于将太阳能转化为电的技术一般属于光电或聚光太阳能发电这两类中的一种。美国能源部门现在认可聚光太阳能发电的三种主要类型——抛物槽型、能量塔型或者斯特林碟型(Stirling dish)。自所有这些技术产生的电成本一般过高而在效用率方面不能成功地使用于自由市场，并且因此财政刺激通常对于将采用的技术具有要求。
光电系统利用固态半导体将太阳能直接转化为电，并且通常与本文中描述的电流系统无关。聚光太阳能发电技术归于热技术类别下。
三种聚光太阳能发电技术一般通过利用反射镜或者反射表面将太阳辐射反射到接收器或聚集器(concentrator)。对于每种技术，聚集器的结构可以不同，但是一般所有都在高温条件下工作，这可能产生保养问题和密封故障。
抛物槽型目前已经获得了高度的成功，在美国具有350MW峰值容量的已安装基站。抛物槽型的聚集器又两个密封在两端的同轴管组成。两个管之间的间隙很小以最小化热损失。内管填充有一般在664°K下工作的传热流体。然而，这种管的制备相当昂贵并且过去具有高的密封故障率。
因为在以上提及的三种聚光技术中，太阳辐射是在收集时聚集的，所以工作流体必须在收集时刻处于高的工作温度。这样的高温一般导致更高的热损失，这就迫使必须使用更加昂贵和复杂的收集器(collector)和热存储单元。高温还可能使得热存储结构更加复杂和昂贵。
附图说明
图1A为利用热源和冷源产生电的系统的示意性布局图；
图1B为图1系统的示意性原理框图；
图2A为图1的示意性加热设备，在该样例中其为太阳能收集器；
图2B示出了图2的示例性太阳能收集器的横截面剖视图；
图3示出了用于图2太阳能收集器的示例性玻璃器件(glazingelement)；
图4A示出了图2的示例性太阳能收集器器件；
图4B示出了挤压件(extrusion)截面部分；
图5示出了通过抽吸设备(pumping device)连接至热的热贮存器(hotthermal reservoir)的太阳能收集器阵列的示例性原理图；
图6示出了图1的示意性热的热量存储设备(hot thermal storagedevice)；
图7A示出了用于向整个热的热量存储设备提供均衡热量分布或温度的一种示例性结构；
图7B示出了用于向整个热的热量存储设备提供均衡热量分布或温度的另一示例性结构；
图7C示出了用于在热的热量存储的液相和汽相之间提供均衡热量的示例性结构；
图8示出了图5的利用两个热的热贮存器的可选方法；
图9示出了热动双回路热泵(heat actuated dual loop heat pump)的示例性部件；
图10A示出了示意性浮式活塞；
图10B示出了示意性活塞壁单元；
图11示出了示意性热交换单元；
图12示出了热泵回路的示意性结构图；
图13示出了示例性热机循环或热机回路的热力学性质；
图14示出了示例性热机循环的压力-容积图；
图15示出了示例性热机循环的压力-温度图；
图16示出了示例性热机循环的温度-熵图；
图17示出了示例性热机循环的温度-熵图；
图18示出了示例性内部热泵循环的压力-容积图；
图19示出了示例性内部热泵循环的温度-熵图；
图20示出了示意性热壁(thermal wall)分布图；
图21示出了示意性水平控制结构；
图22示出了用于可选实施例的热动双回路聚集器的示例性部件；
图23示出了热机循环的可选实施例的压力-容积图；
图24示出了用于可选实施例的示意性热机活塞；
图25示出了热泵循环的可选实施例的压力-容积图；
图26示出了将热能转化为电的示例性过程的流程图；
图27示出了热机循环的示例性过程的流程图；
图28示出了图27热机循环等温膨胀的示例性过程的流程图；
图29示出了图27热机循环等熵膨胀的示例性过程的流程图；
图30示出了图27热机循环等容压缩的示例性过程的流程图；
图31示出了图27热机循环等温压缩的示例性过程的流程图；
图32示出了图27热机循环等熵压缩的示例性过程的流程图；
图33示出了热泵循环的示例性过程的流程图；
图34示出了图33热泵循环的等熵压缩的示例性过程的流程图；
图35示出了图33热泵循环的等温压缩的示例性过程的流程图；
图36示出了图33热泵循环的等熵膨胀的示例性过程的流程图；
图37示出了图33热泵循环的等温膨胀的示例性过程的流程图；
图38示出了可用于执行图1和1a系统的一部分的示例性处理器系统的结构图。
具体实施方式
本系统利用双回路U形、局部方形或者其他适当形状的热动液体活塞式热泵，其中一个垂直分支部分包括热机回路部分，而另一垂直分支部分包括热泵回路部分。本领域的普通技术人员应理解，本文中所描述的热泵有时称为压缩机。垂直分支部分的顶部包括蒸汽。每个垂直分支部分和水平部分的底部包括液态水，其顶部一般为通常由诸如铝或钢铁的固体材料构建而成的浮式活塞。
系统在共振或接近共振时工作。共振发生在液态水质量和活塞质量的动能、因为重力或液压压头而产生的势能以及存储在每个垂直分支部分顶部蒸汽中的势能之间。除了其他优势外，共振允许蒸汽进入具有很少或没有节流阀的热机。
热机部分利用热动力循环工作，并从自然热源或废热源中汲取热量，一般从太阳能中汲取。一般为水的液态或蒸汽形式的流体在太阳能收集器和热机之间传输成为热机回路的一部分。
热泵回路包括以上描述的热泵和蒸汽涡轮机，其连接至发电机并驱动发电机。过热蒸汽形式的水从热泵的出口传送至蒸汽涡轮机的入口，通过蒸汽涡轮机，并从蒸汽涡轮机排送回热泵的入口。
蒸汽和液态水贮存器一般用于太阳能收集器和热机之间。蒸汽贮存器一般还用于热泵和蒸汽涡轮机之间以使来自往复热动液体活塞式热泵的蒸汽流平静。
两个回路可以完全在大气压力或低于大气压力下工作。该特征结合标准以下的热动液体活塞式热泵的布置可允许低成本材料的使用，例如，具有良好的耐压强度但很差的抗张强度的混凝土。
总的来说，所描述的系统展示了一种不同的太阳能发电技术，其不使用反射表面来聚集太阳辐射。
尽管以术语太阳能描述本文中所描述的设备和方法，但本领域的普通技术人员应该理解该设备和方法可以与任何热源一起使用。例如，系统可以与来自地热资源的低温热一起使用。优选地，在高于环境温度或干扰温度(rejection temperature)至少60℃的温度下的热量是有效的。该方法可以在低于该情况的温度下使用，但是可能具有降低的效率。
图1A为利用热源和冷源发电的系统10的示意性实施例。图1B为系统10的示意性原理框图。系统10使用加热设备100加热流体15，接着，流体15通过热的抽吸设备200抽吸至热的热量存储设备250。系统10还使用冷却设备300冷却与加热的流体15相同材料的流体20，在其冷却后，流体20通过冷的抽吸系统400抽吸进冷的热量存储设备450中。
该实施例利用两个热量存储系统(热的和冷的)250、450，但是还可以使用利用多个热量存储系统或不使用热量存储系统的可选系统。该实施例利用太阳能作为热源。因为太阳能是断断续续的，所以如果利用热量存储，系统可以更加有效地工作。
如果利用持续热源，例如，地热或工业废热，那么就可以省去热量存储系统250。
来自热的热量存储设备250的热的流体15传送至聚集器700，并且来自冷的热量存储设备450的冷的流体20用于传送来自聚集器700的热，这样就冷却了聚集器700。来自聚集器700的冷的流体20还会被传送至冷的热量存储设备450。
聚集器700将流体714加热至比存储于热的热量存储设备250中的流体15更高的温度。该高温流体714接着传送进电转炉(electric converter)600，在一个实施例中其为蒸汽涡轮机，类似于传统的蒸汽发电厂中所使用的类型。被电转炉600拒绝的流体714返回至聚集器700，在聚集器700中流体714的温度和压力得到增加。聚集器700由来自热的热量存储设备250的热驱动或启动。在示意性实施例中，存储在热的热量存储设备250、冷的热量存储设备450中的流体15和用于聚集器700和电转炉600中的流体716均为液体或蒸汽形式的水。
在所公开系统10的一个实施方式中，热能聚集是在接近使用的时候才进行，而不是在收集的时候进行。本领域的普通技术人员应该理解，尽管依然使用本文中公开的热动双回路液体活塞式热泵以及蒸汽涡轮机方法和装置，但还可以使用图1A和1B中所示器件的很多不同变更和结构。
转向图1A和1B，系统10的示意性实施例将太阳能转化为电，并且在该样例中，可在24小时期间提供平均20MW的电功率。系统10的尺寸主要基于商用电转炉600的有效性，在该样例中，电转炉600为20MW的蒸汽涡轮机发电机组，该发电机组可以自例如Dresser-Rand的蒸汽涡轮机制造商处购买。在该实施例中，加热设备100包括覆盖大约600英亩的一系列大约400000个太阳能收集器。在这样的实施例中，热的热量存储设备250和冷的热量存储设备450包括填充有诸如液态水和/或蒸汽或水汽的流体15、20的单独的隔热混凝土存储容器。混凝土存储容器可以以一定形式构造从而最小化热损失。在该实施例中，聚集器700包括24个通常U型管热动液体活塞式热泵，这些热泵供给有来自太阳能的热，在该样例中，每个热泵能够提供足够的蒸汽以产生大约850千瓦的电。
在一个样例中，应该理解系统10可以在任何时候工作，例如，举例来说，在电力需求较高时期而不是连续的24小时期间，在这样的情况下，对于相同的峰值输出电平来说，可以只需要较少的太阳能收集器和热存储。
在该样例下，加热设备100包括一系列太阳能收集器。在图2A中示出了示意性的单个太阳能收集器，在图2B中示出了相同的太阳能收集器的横截面部分。如本领域所公知的，收集器可以为简单的平板类型。然而，因为热能聚集发生在使用时，而不是收集时，所以收集器一般可以由相对的低成本、低温材料制成。
运行时，来自热源的辐射如阳光通过玻璃器件106。玻璃器件106可以为例如简单的玻璃块。在该样例中，玻璃器件106包括双面聚碳酸酯挤压件(twin wall polycarbonate extrusion)，例如目前大量制备来用于温室的挤压件类型。图3中示出了玻璃器件106的横截面。玻璃器件106的一个示例性尺寸为4.5mm厚×52英寸宽×148英寸长。双面结构可以有利于降低热辐射和对流损耗。
在太阳辐射通过玻璃器件106之后，其一直继续直到碰触到图2B中所示的收集器器件104。收集器器件104吸收辐射，并因此升高温度。在典型的平板收集器中，收集器器件104由铜构成。再次，因为聚集在使用时进行，所以收集器器件104可以由任何材料制成，包括更低成本材料，例如黑聚丙烯。图4A中示出了示例性收集器器件104。收集器器件104可以类似于通常用于加热游泳池的聚丙烯型太阳能收集器。示例性收集器器件104包括在图4B中以横截面示出的挤压件112，其在每端连接至集管110。一端的集管110具有进口114，而相对的集管110具有出口116。收集器器件104的内部填充有集热流体118，在该实施例中，流体18是主要为液态的水。在该样例中，收集器器件104可以为48英寸宽125英尺长，空载情况下重量大约为220英镑，并且将具有大约48加伦的流体容量。
图2A的太阳能收集器还可以包括置于收集器外罩102和收集器器件104之间的隔热层108。层108可以防止热从收集器器件104损失。隔热层108可以由适于工作温度的任何适当的隔热材料制成。
隔热层108、收集器器件104以及玻璃器件106由收集器外罩102支撑。在该实施例中，收集器外罩102由混凝土构建而成。
图1B中所示的热的抽吸设备200包括任何类型的泵，其可以在商业上以各种形式获得。
热的热量存储设备250可以为任何类型的贮存器，例如，能够将水保持在大约100℃、将大气压保持在0.1MPa的贮存器。热量存储设备250可以将贮存器中的热损失最小化并可基本上阻止空气进入贮存器。在该实施例中，如图6所示，热的热量存储设备250由混凝土251和绝热体252构成。在一个样例中，如图7A所示，热的热量存储设备250配备有抽吸设备254和管道系统256，以便在整个贮存器中维持相对恒定均衡的热量分布。在图7B所示的另一样例中，热的热量存储设备250配备有热传递设备260，包括由诸如铜的材料构成的、维持整个贮存器相对恒定温度的热交换器261。在图7C所示的再一实施例中，液态水118从热的热量存储设备250的底部流体257中通过抽吸设备254抽出，并被抽吸通过管道系统256，并接着喷射进热的热量存储设备250的蒸汽部分以将液相和汽相维持在相同的温度。
在该样例中，单个贮存器保存温度大约100℃、714000立方米的水，24小时后95℃。作为样例，贮存器高20米、直径213米。
冷的热量存储设备450可以是与热的热量存储设备250类型类似的容器。在该样例中，冷的热量存储设备450可以存储大约37℃、0.0062MPa的液态和汽态水。
抽吸设备200和400中的每个可以由任何适当的材料构成，例如，商业上可获得的各种类型的泵和管道以及适于控制以上所述温度和压力的材料。
如图9所示，该样例中的聚集器700包括热动液体活塞式热泵792。例如，聚集器700可以以U形、方形或其他适当形状构成。聚集器700包括形成内部U形腔的聚集器壁702。聚集器壁702可构造成具有沿着管长度基本相同的直径。在该样例中，聚集器壁702以混凝土构成并且大约150mm厚。U管的内径大约10m。垂直分支部分大约35m长，水平分支部分大约10m长。此外，在该样例中，垂直热机790的垂直分支部分(vertical leg)709的高度比垂直热泵分支部分713低0.3m。
如果需要，垂直分支部分709、713的上部可以由与U管的下部不同的材料制成。例如，最上面10m可以由钢铁构成，以最小化混凝土的任何膨胀和收缩问题。
聚集器700的下部由流体填充，例如液体形式的水，并且包括液体活塞716。在该实施例中，液体活塞716具有大约5200立方米的容积和5000000千克的质量。热机浮式活塞704漂浮在一个垂直分支部分中的液体活塞716的顶部，形成热机浮式活塞704和聚集器壁702之间的热机膨胀室708。热泵浮式活塞706漂浮在另一垂直分支部分中的液体活塞716的顶部，形成热泵浮式活塞706和聚集器壁702之间的热泵膨胀室712。热机膨胀室708可填充有热机流体710。热泵膨胀室712可填充有热泵流体714。
热机浮式活塞704和热泵浮式活塞706的构造可以相同。此外，热机浮式活塞704可以构造成例如使得曝露于热机膨胀室壁(heat engineexpansion chamber wall)709的热质量最小化。
如图10A所示，热机浮式活塞704具有活塞顶部构件760，其包括热机膨胀室708的底壁。活塞顶部构件760之下是一层活塞隔热材料762。活塞隔热材料762可以为足够的厚度和隔热值以降低通过活塞顶部构件760的热损失。活塞隔热材料762的密度还可以起到决定热机浮式活塞704漂浮深度的作用。活塞隔热材料762之下为活塞密封构件764，其用于密封由活塞密封构件764和活塞顶部构件760形成的腔。多个活塞垂直支架766可以在活塞顶部构件760和活塞密封构件764之间延伸，以支持它们承受压力。在该实施例中，活塞顶部构件760、活塞密封构件764以及活塞垂直支架766由铝制成。这些构件一起形成活塞顶部组件759。
活塞顶部组件759连接至活塞结构768，在该样例中，其大约10米高。多个活塞壁单元770固定至活塞结构768的周围，在热机膨胀室壁(heat engine expansion chamber wall)709和液体活塞716的在热机浮式活塞704内的部分之间提供热障。
图10B中更详细地示出了活塞壁单元770的样例。活塞壁单元770包括壁构件772和密封板778。壁构件772可以为包括外壁774和一系列支撑肋776的单个单元。在该样例中，外壁774和支撑肋776的壁厚大约为2mm。进一步地，在该样例中，壁构件772可以由压铸铝构成。密封板778还可以是焊接至壁构件772的铝片以形成充分地气密。此外，活塞壁单元770的内部可以是空气或真空以减少热传递。另外，活塞壁单元770的内部可填充有闭孔防水材料(closed cell water resistant material)。在该样例中，活塞壁单元770中的每个大约为300mm×300mm×15mm厚，但是可以为如期望的任何适当的尺寸。此外，在该样例中，使用大约3500个活塞壁单元770来构建每个热机浮式活塞704。然而，本领域的技术人员应理解，可使用任何数量的活塞壁单元770，或者可选地，可以将任何适当的热障用在热膨胀室壁709和热机浮式活塞704之间。可以在组装期间将橡胶密封件780置于活塞壁单元770之间，以基本上防止水从热机膨胀室壁709和热机浮式活塞704之间的间隙流入热机浮式活塞704的内部。
在热机浮式活塞704的外径和聚集器壁702的内径之间，热机浮式活塞704可提供例如大约2mm的小间隙。如上所论述，该间隙可以影响系统的效率。
如图11所示，排出阀722和管道系统732将热机膨胀室708连接至热交换器室726。排出阀722可控制来在循环的适当时刻打开或关闭。如下所述，热交换器724封装在热交换器室726中。热交换器724可以是本领域的普通技术人员所公知的标准热交换器。可利用来自冷的热量存储设备450的流体20冷却热交换器724。管道系统733和返回泵(return pump)730连接热交换器室726和热机膨胀室708以在循环的适当时刻以薄雾形式将冷凝水抽回热机膨胀室708中。
管道系统735和抽吸设备734连接至热交换器室726的底部。流体710从热交换器室726中抽吸，在加热设备100中重新加热，并接着返回至热的热量存储设备250。
图12示出了用于热泵792的热泵循环中的部件。在该样例中，热泵膨胀室712利用包括热泵环境压力阀(heat pump ambient pressure valve)752的管道系统750连接至环境压力室550。环境压力室550连接至电转炉600的流体入口，在该情况下，电转炉600为标准的蒸汽涡轮机。电转炉600的流体出口连接至真空室560。真空室560通过包括热泵真空阀754的管道系统751连接回热泵膨胀室712。
图21示出了一个致动器736和一个局部密封设备738，但至少部分地，可在液体活塞716的周围附近提供多个致动器736和局部密封设备738。在该样例中，致动器736在某一高度控制热机膨胀室壁709和热机浮式活塞704之间的间隙(g)。一个或更多个密封设备738的启动使得液体活塞716的特定圆周范围的间隙(g)闭合，从而阻止液体活塞716和膨胀室712之间的流体流动。局部密封设备738的启动和停用具有比例流量控制阀的效果。
本领域的普通技术人员应理解，前述示例性装置和以下处理可由处理器、控制器和/或类似的计算设备控制。各种处理可由机器可读指令和/或程序执行。程序可以包含在存储于例如，快闪存储器(flash memory)、CD-ROM、软盘、硬盘驱动器、数字通用光盘(digital versatile disk)(DVD)或与计算机相关联的存储器等有形媒介(tangible medium)的软件中。本领域的普通技术人员应该很容易理解，整个程序和/或及其部分可以可替换地以公知方式包含在固件或专用硬件(dedicated hardware)中(例如，其可以通过专用集成电路(ASIC)、可编程逻辑器件(PLD)、现场可编程逻辑器件(FPLD)、可编程逻辑控制器(PLC)、个人计算机(PC)、离散逻辑等实现)。同样，以下将要讨论的流程图所描述的机器可读指令中的一些或全部可以手动执行。进一步地，本领域的普通技术人员应该很容易理解，还可以可替换地使用其他方法来执行以下所描述的示例性机器可读指令。例如，可以改变各种功能块的执行顺序，和/或可以改变、替换、消除或组合所述块中的一些。
运行时，本发明中所公开系统的一个实施例将太阳能转化为电。整个公开中，能量和功率电平以及计算一般指24小时内的平均水平。这不同于按照峰值功率来描述太阳能设备的典型实践。
当太阳照射时，来自太阳的辐射落于图2A的玻璃器件106上。因为收集器100为平板收集器而不是聚光型收集器(concentrating collector)，收集器100不需要直接的辐射来工作。流体710从热的热量存储设备250中经由热的抽吸设备200通过每个收集器器件104进行循环，这具有使流体710温度升高的效果。在该样例中，在流体710通过收集器器件104循环之后，流体710返回至热的热量存储设备250。
应理解，可使用任何数量的热的热量存储设备250，包括例如如图8所示的一对热的热量存储设备。在该类型的系统中，流体710可由第一泵270抽吸出第一热的热量存储设备250A，通过加热设备100，进入第二热的热量存储设备250B。接着，在使用时，流体710由第二泵272从第二热的热量存储设备250B中抽出，在蒸发室248中蒸发，蒸发室248冷却剩余流体710，接着由第三泵274抽回至第一热的热量存储设备250A。
冷却系统可以类似形式工作，且可替换地，在该样例中，系统10在夜间利用加热设备100作为冷却设备300。这就消除了需要单独的冷却设备300的额外成本，并提供了在环境温度低于273°K时防止冷却设备300结冰的另外优势。
在图26中示出了表示执行图1A和1B的系统和/或图2-25的各种从属部件的示例性过程的流程图。在该样例中，过程和/或机器可读指令包括用于由处理器、控制器或如上所述的类似的计算设备执行的程序。图26为用于将热能转化为电的示例性过程2600。通常而言，过程2600通过一个或更多个太阳能收集器100，例如鉴于图2-4所描述的收集器获得并存储热能(块2605)。没有限制性地，能量收集设备可包括任何热源，包括但不限于地热源和工业废热源。将所获得和存储的热能提供至聚集器(块2610)，其包括热机以通过各种热力学过程驱动热机活塞。热机通过聚集器700的液体活塞716将能量传送至热泵792中的热泵活塞706(块2615)。进入热泵活塞706的该能量传递还将能量传递进发电单元600(块2620)以产生电。
热机回路
热机回路的示例性热力学循环以下列方式工作，其基本上不同于典型的卡诺循环(Caraot cycle)或兰金循环(Rankine cycle)。参照图9和13-16，液体活塞716和上止点处的热机浮式活塞704，入口阀718打开，允许流体710，例如蒸汽从热的热量存储设备250流进热机膨胀室708中。在理想循环中，这样的流动以等温、等压和等熵形式出现。在实际循环中，热的热量存储设备250的流体15可能会在每个循环中稍微冷却，但是出于理解循环的目的，这可以忽略。该循环部分在图13的等温膨胀中以过程1(Process 1)标记。过程1开始时，热机流体710包括大约373°K、0.1008MPa的饱和蒸汽，且热机膨胀室708包括大约121m3的容积。在该循环阶段，热机为液体活塞做功。
在液体活塞716向下移动以使得热机膨胀室708从大约121m3膨胀至大约157m3之后，入口阀718关闭，开始过程2，等熵膨胀。可利用任何适当的设备感测该容积变化，这样的设备包括例如商业上可得到的传感器，如激光距离测量传感器。可替换地，可通过测量诸如温度和压力等过程参数来决定过程2的开始。过程2包括热机膨胀室708中的热机流体710沿饱和曲线的膨胀。例如，在过程2开始时，热机流体710仍为大约373°K、0.1008MPa的饱和蒸汽，但是热机膨胀室708的容积已经从大约121m3膨胀至大约157m3。当热机膨胀室708膨胀时，热机流体710的压力和温度下降，并且热机流体710的一部分开始从汽相或蒸汽变化为液态水。随着热机膨胀室708继续膨胀，温度和压力继续下降，并且其他蒸汽也变为液态水。在该实施例中，蒸汽和液相的温度都以与热机膨胀室708膨胀相同的速率下降。在该循环阶段，热机为液体活塞做功。
可利用若干种不同的方法来实现控制汽相和液相的温度以相同的速率下降。在该样例中，聚集器壁702和热机浮式活塞704被维持在饱和点以上的某一温度，如在热量损失分析部分中所描述的，以便液态水没有在其上冷凝的表面并基本上形成雾或悬浮在蒸汽中的液体。
在另一样例中，利用抽吸设备(未示出)来使液相和汽相维持在相同的温度。
当热机浮式活塞704达到冲程尽头时，热机排出阀722打开，将热机膨胀室708连接至位于热交换器室726中的热交换器724。在理想循环中，热交换器室726中的热交换器蒸汽728与热机膨胀室708中的热机流体710的温度和压力相同。然而，在实际循环中，热机流体710和热交换器蒸汽728的温度和压力可能会稍微不同。
当热机浮式活塞704开始其向上的冲程，即过程3时，等温压缩开始。在过程3开始时，热机流体710为液体和蒸汽的大约310°K、0.0062KPa的混合物，并且热机膨胀室708的容积大约为1876m3。热机膨胀室708的容积开始降低，压缩热机流体710和热交换器蒸汽728。当蒸汽开始压缩时，温度和压力逐渐增加并且热交换器蒸汽728将开始在热交换器724上凝结。很多热量通过热交换器724传送出系统，因此该过程在等温下进行。在理想循环中，一些水从热交换器室726中传送，因此该过程还根据特定的熵理论等熵地进行。因为在该过程中有热量和质量传送出系统，因此总的熵降低。在过程3中，液体活塞为热机做功。
当在过程3期间传送了适当量的热和质量之后，排出阀722关闭，使热机膨胀室708与热交换器室726隔离。在理想循环中，热交换器室726中的冷凝和热传递在这一刻停止，但在实际循环中，在排出阀722关闭后，仍可以允许冷凝和热传递继续进行。关闭排出阀722使得过程4，即等熵压缩开始。过程4开始时，热机流体710包括液体和蒸汽的温度大约310°K、压力大约0.0062KPa的混合物，而热机膨胀室708具有大约1143m3的容积。当热机浮式活塞704继续向上时，热机膨胀室708的压缩继续。在该循环的此时刻，热机膨胀室708包括液体和蒸汽的混合物。在过程4期间，液体蒸发，并且热机流体710变为饱和蒸汽。这不同于一般的压缩过程，在一般的压缩过程中，液体和蒸汽被压缩成所得到的流体为包括饱和液体的流体。该不同点将在后续段落中进行解释。
在图15中可以注意到，所有四个热机过程均发生在饱和线上。
在实际过程中，过程4的液态水可能需要从热交换器室726中加回到热机膨胀室708中以达到过程1开始的适当条件。这可利用图11中所示的返回泵730进行。待加回到热机膨胀室708的流体710的量可以由热机膨胀室708中所测量的热机流体710的过程条件或通过其他过程参数来判断。
将前述部分所描述的理想热机循环比作典型的理想卡诺循环是有说明性的。卡诺循环为一种经历两个等温可逆过程和两个绝热可逆过程的循环。根据这个定义，本文中所公开的理想热泵循环为卡诺循环的一种形式，因为如图16中轻易所视，其具有两个等温可逆过程和两个绝热可逆过程。然而，本热机循环在若干个独特方面不同于典型的卡诺循环。
典型卡诺循环包括等熵压缩过程，在此期间，由蒸汽和液体组成的湿蒸汽被压缩成饱和液体。该实施例的热机循环包括等熵压缩过程，在此期间，由蒸汽和液体组成的湿蒸汽一直被压缩，直到液体蒸发至仅仅留下饱和蒸汽。
卡诺循环和本热机循环中的下一过程均为增加能量至循环的过程。在卡诺循环中，一般以热量形式增加的能量等温地蒸发液体，直到仅仅剩余饱和蒸汽。在本循环中，仅仅饱和蒸汽出现在能量增加过程的开始时。在本循环中，能量是通过将饱和蒸汽质量等温地加至系统而增加的。
典型的卡诺循环还包括等熵膨胀过程，其以饱和蒸汽开始并冷凝以形成蒸汽和液体的湿蒸汽混合物。该实施例的热机循环也包括等熵膨胀过程，在此过程期间，饱和蒸汽冷凝形成蒸汽和液体的混合物。
卡诺循环的最后过程将热等温地从湿蒸汽中除去以获得与循环开始时相同的蒸汽和液体比例。本发明的最后过程等温地除去热量和液体以获得与循环开始时相同的蒸汽和液体比例。
两个循环之间最显著和独特的不同之处出现在等熵压缩过程中，其中典型卡诺循环以湿蒸汽开始以饱和液体结束，而本循环以湿蒸汽开始以饱和蒸汽结束。所公开的过程相对直观，因为从蒸汽到液体的冷凝一般与压缩过程有关。
在本循环中，压缩过程必须产生饱和蒸汽以按该过程的等熵性质所要求的来保持恒熵。在本实施例中，压缩过程开始时，仅仅大约12.5％的湿蒸汽为液体。该过程开始时，液体的比熵为大约0.53kJ/kg-K，蒸汽的比熵为大约8.32kJ/kg-K。压缩过程结束时，液体的比熵为大约1.31kJ/kg-K，而蒸汽的比熵为大约7.36kJ/kg-K。数量上，使压缩过程开始和结束时的总熵等于在相之间变化的质量的个别未知数量的代数计算提供了整个蒸汽结果。质量上，可以看到，该过程开始时系统中相对低百分比的液体驱动该过程来产生蒸汽。因为系统的主要部分在开始时由高熵蒸汽组成，所以将所有蒸汽转化为是该比熵的大约16％的液体不会是等熵过程。然而，如果该过程产生的所有蒸汽的比熵是初始蒸汽比熵的大约88％的话，那么可通过将液体转化为蒸汽来维持恒熵，其中液体熵到蒸汽熵的大约13.9倍的增加平衡了初始蒸汽质量的比熵的大约12％的下降。
在具有高初始百分比液体的典型卡诺循环中，该过程相反。在这种情况下，利用相同的开始熵值和结束熵值，如果最终结果是液体，那么液体的大部分质量的比熵增加了大约2.5个因子。冷凝的蒸汽质量的熵降低了大约6.4个因子以平衡液体的熵的增加。在典型卡诺循环的情况下，初始状态主要为液体，这样的过程不能以蒸汽结束并维持恒熵，因为大多数质量的熵会增加大约13.9个因子。初始蒸汽的熵的少量降低不可能抵销这样大的增加。
可在图17中观察到此处所公开的理想循环的另一独特特征，图17示出了热机循环期间液体和蒸汽质量的平均比熵。如图17所示，热机循环中质量的平均比熵在整个循环过程中是恒定的。平均比熵总是等于能量增加过程中增加至该循环的蒸汽的比熵。这是可能的，因为在排热过程中低比熵的液体从系统中排出。随着热量排出，高熵蒸汽冷凝为低熵液体，这具有降低平均比熵的效果。然而，同时，低熵液体质量从系统中排出，这提高了剩余质量的平均比熵，并抵消了之前的效果。
不需要在过程4结束时蒸发所有的液态水。此时，一些液态水可能会保留在热机膨胀室708中而基本上不会改变循环。
该实施例的热机回路的其他示意性热力学循环以下列方式工作，其基本上不同于典型的卡诺循环或兰金循环，但类似于典型的19世纪蒸汽机循环。参照图22-24以及流程图27-32。图27示出了以上参照图26描述的热机至热泵能量传递(块2615)的示例性过程的其他明细。热机790的位置由例如激光距离测量传感器检查以判断热机活塞804是否处于顶部冲程位置(块1705)。如果热机活塞804不位于顶部冲程位置(块2707)，那么该示例性过程会一直等待直到出现顶部冲程。本领域的普通技术人员应理解，在聚集器活塞的稳定谐和工作之前，系统可以以已知状态和/或预先判断的活塞位置开始。例如，流体710(例如，蒸汽)可以喷射入聚集器700(例如，热机790侧或热泵792侧)中以使活塞804、706定位在已知启动位置和/或使得活塞804、706循环若干个冲程以使系统启动。在热机790的稳定谐和工作期间，热机室708可经历等温膨胀(块2710)、等熵膨胀(块2715)、等容冷凝(块2720)、等温膨胀(块2725)以及等熵膨胀(块2730)。当热机活塞804返回到顶部冲程位置(块2705)时，图27的过程以谐和方式重复。
参照图28，以液体活塞716和热机浮式活塞804处于上止点开始，入口阀718开启，允许蒸汽从热的热量存储设备250流入热机膨胀室708(块2805)中。在理想循环中，该流动以等温、等压和等熵方式发生。在实际循环中，热的热量存储设备250的流体15将在每个循环期间稍微冷却，但出于理解该循环的目的，可忽略这一点。该循环部分标记为过程1，图23中的等温膨胀。在过程1开始时，热机流体710可以为大约364°K、大约0.072MPa的饱和蒸汽，而热机膨胀室708具有大约0.046m3的容积。该循环阶段期间，热机790为液体活塞716做功。
在液体活塞716向下运动以将热机膨胀室708从大约0.046m3膨胀为大约0.717m3(2810)之后，入口阀718闭合(块2905)，开始过程2，即等熵膨胀(块2715)，如图27和29所示。该容积变化可以利用商业上可得到的传感器感测，例如激光距离测量传感器。可替换地，这一点可通过测量诸如温度和压力等过程参数来判断。过程2为热机膨胀室708中的热机流体710沿饱和曲线的膨胀。过程2开始时，热机流体710仍为大约364°K、大约0.072MPa的饱和蒸汽，但热机膨胀室708的容积已经从大约0.046m3膨胀至大约0.717m3。随着热机膨胀室708膨胀，热机流体710的压力和温度下降，且一部分热机流体710开始从蒸汽和/或汽相变为液态水。随着热机膨胀室708继续膨胀，温度和压力继续下降，其他的蒸汽变为液态水。在该样例中，汽相和液相的温度以与热机膨胀室708膨胀相同的速率下降。在循环的该阶段，热机为液体活塞做功。
可利用若干种不同的方法实现控制汽相和液相的温度以相同速率下降。在该样例中，聚集器壁802和热机浮式活塞804维持在饱和点以上的某一温度，如在热损失部分的分析中所描述的，因此液态水将没有在其上冷凝的表面并基本上形成雾或悬浮在蒸汽中的液体(块2910)。过程2结束时，热机流体710处于340°K和大约0.027MPa，热机膨胀室708的容积为大约1.71m3。
当热机浮式活塞804抵达冲程的底部(块2915)时，随着热机排出阀810开启(块3005)，将热机膨胀室708连接至冷凝室812，过程3开始(图30中所示)。在该样例中，当热机排出阀810打开时，冷凝室812中的温度和压力低于热机膨胀室708中的温度和压力。冷凝室812中发生额外的冷凝，使得热机膨胀室708中的温度和压力快速降低。其如过程3所示，以恒定容积冷凝。实际上，在过程3中容积会轻微改变，但是容积的改变与其他过程相比很小。过程3结束时，热机流体710为大约301°K以及大约0.0038MPa的饱和蒸汽，热机膨胀室708的容积为大约1.71m3。
随着热机浮式活塞804由于系统10的惯性力而开始其向上冲程(块3010)，过程4，即等温压缩开始，如图3 1所示。在过程4开始时，热机流体710为液体和蒸汽的大约301°K以及大约0.0038MPa的混合物，并且热机膨胀室708容积为大约1.71m3。热机膨胀室708容积开始减小，压缩热机流体710。随着蒸汽开始压缩，温度和压力不断增加，并且冷凝室812中的蒸汽开始冷凝。充分的热量在冷凝过程中被传送出系统10，使得该过程等温地进行。在过程4，即等温压缩期间，液体活塞为热机做功。过程4结束时，热机流体为大约301°K、大约0.0038MPa，热机膨胀室708的容积为大约0.646m3(块3105)。
当适当量的热量和质量在过程4期间传递之后，排出阀810闭合(块3110)，使得热机膨胀室708与冷凝室812隔离。排出阀810的闭合使得过程5，即等熵压缩开始，如图32所示。在过程5开始时，热机流体710包括液体和蒸汽的温度大约301°K、压力大约0.0038MPa的混合物，热机膨胀室708容积大约为0.646m3。随着热机浮式活塞804继续向上，热机膨胀室708的压缩继续进行。在循环中，此时热机膨胀室708包括液体和蒸汽的混合物。过程5期间，液体蒸发并且热机流体710开始变为温度大约364°K、压力大约0.072MPa的饱和蒸汽(块3210和3205)。当热机浮式活塞804达到其冲程顶部时，如图27所示，过程以反复方式重复。
可以注意到，所有四个热机过程均发生在饱和线上。等熵过程仅仅在液相和汽相均被考虑时等熵。每个单独相的熵并不是恒定的。
热泵回路
卡诺循环为经历两个等温可逆过程和两个绝热可逆过程的循环，热泵膨胀室712内的热泵流体714的内部热泵循环由卡诺循环组成。
该操作的描述在图33中示出，并且在图12的热泵浮式活塞706处于底部冲程时开始，其在热机浮式活塞804处于顶部冲程的相同时刻发生。在热泵循环的所有四个过程中热泵流体714为过热蒸汽。热泵循环过程可包括但不限于等熵压缩过程(块3305)、等温压缩过程(块3310)、等熵膨胀过程(块3315)以及等温膨胀过程(块3320)。
如图34所示，过程1当热泵浮式活塞706在冲程底部开始(块3405)并开始向上运动时为等熵压缩，其中在冲程底部热泵真空阀闭合(块3410)。热泵流体714在大约376°K以及大约0.0193MPa下启动过程1，热泵膨胀室712容积大约为1.71m3。随着热泵浮式活塞706向上运动，热泵流体714等熵压缩成温度大约612°K以及大约0.15MPa，其稍微高于大气压力。
当热泵膨胀室712达到大约0.38m3的容积时(块3415)，热泵压力阀752打开(块3420)，将热泵膨胀室712连接至压力室550。这是过程2的开始，如图35所示，其为将蒸汽从热泵膨胀室712注入压力室550的等温过程(块3505)。因为压力室550基本上大于热泵膨胀室712，所以该过程通过假设过程2期间压力室550中的温度和压力基本上维持不变而理想化了。实际上，聚集器700的多个单独单元，典型的18会彼此异相地运行，因此会有些蒸汽的连续流提供至压力室550。此外，蒸汽的连续流会从压力室550中抽回到电转炉600的流体，在该实施例中，电转炉600为650kW的蒸汽涡轮机/发电机组。当过程2开始时，热泵膨胀室712和压力室550均为大约612°K以及大约0.15MPa。热机浮式活塞804继续向上，直到热泵膨胀室712的容积为大约0.046m3，此时，热机浮式活塞804处于冲程的顶部(块3510)。热泵膨胀室712的温度保持在大约612°K和大约0.15MPa。
在冲程顶部，热泵环境压力阀752闭合(块3605)，过程3开始，如图36所示。过程3为等熵膨胀。过程3继续(块3610)，直到热泵膨胀室712达到大约0.22m3的容积，此时，热泵真空阀754开启(块3615)。
这启动了过程4，如图37所示，其为将蒸汽从真空室560注入热泵膨胀室712的等温注入(块3705)。对于该讨论来说，和描述过程2的原因一样，过程4被理想化了。热泵膨胀室712以大约376°K的温度和大约0.0193MPa开始和结束过程4。当热机浮式活塞804达到底部冲程时(块3710)，热泵真空阀754闭合并且过程1再次开始。
热泵流体714从热泵膨胀室712流至压力室550以流入电转炉600的流体，其中在到电转炉600的流体中其经历了等熵膨胀过程。其以大约612°K的温度和大约0.15MPa进入到电转炉600的流体中，并且以大约376°K的温度和大约0.0193MPa退出，这与压力室550和真空室560的情况相同。
应该易于理解，以上描述的所有热力学条件仅仅是可以选择而不会改变热力学循环性质的很多条件中的一组。
液体活塞的运行
液体活塞716和浮式活塞的质量在系统10的运行中起关键作用。例如，总质量影响系统的共振频率，因而对于系统10的循环时间可能会具有主要影响。Streeter的流体力学(Fluid Mechanics)在12.1章节“U管中的液体振荡(Oscillation of Liquid in a U tube)”中展示了液体填充U管的物理反应。本系统10的物理性质接近于Streeter所描述的系统，但因为本示例性系统10利用闭合U管并应用驱动力而不同。系统10本质上共振于液体活塞716、热机浮式活塞704和热泵浮式活塞706质量的动能、液体活塞716、热机浮式活塞704和热泵浮式活塞706的垂直分支部分的重力势能以及存储在热机流体710和热泵流体714中的势能之间。入口阀718在适当时间打开和闭合以施加或除去与系统10的固有频率同相的热机的力。
入口阀718上可以不需要节流阀，因为系统10的性质，这去除了任何相关联的损耗。在由热机回路提供的以功的形式输入系统10的能量和在热泵回路中以做功形式取得的能量以及损失之间获得能量平衡。
该示意性实施例中具有热力学条件的热动双回路热泵的理论效率大约为15.3％，相对地卡诺效率为大约16.9％。与卡诺循环相比，认为其他的损耗与质量进入和退出本循环的方式有关，其利用流进和流出系统的热量。
该效率计算仅仅针对于热动双回路热泵，并不包括热泵中的热损耗、太阳能收集损耗或者蒸汽涡轮机600中的损耗。蒸汽涡轮机600可以大约83％的效率运行。高效率的蒸汽涡轮机600是普通的，因为对于蒸汽涡轮机循环闭合的热泵不包括任何热量注入。
热机循环和热泵循环期间的热损耗分析
热机流体710在热机膨胀室708的热机膨胀室壁709上的冷凝可导致热机790的效率降低。热泵流体714在热泵膨胀室714的热泵膨胀室壁713上的冷凝可导致热泵792的效率降低。液体活塞716从热泵膨胀室712的热泵膨胀室壁713到热泵流体714的汽化可降低热泵流体714的质量。压缩阶段中，液体活塞716到热机膨胀室708的汽化一般具有更低的影响，因为热机流体710是饱和的，并且汽化在该过程中作为循环的正常部分发生。
通过热机膨胀室壁709和热泵膨胀室壁713也可能会具有热传递损失。然而，只要冷凝或汽化不出现，这些损耗通常并不显著。汽化一般不会发生在冲程的顶端处液体活塞的顶部之上，因为没有液体进行汽化。可通过在循环中将热机膨胀室壁709和热泵膨胀室壁713的温度维持在最高压力点的饱和温度或超过最高压力点的饱和温度来阻止超过该点的液化。这还可应用至热机浮式活塞704和热泵浮式活塞706的上表面。通过在壁后和活塞顶部下使用充分量的隔热材料，可降低热传递损耗。在本文中所描述的示意性实施例中，壁将维持在至少大约373°K的温度。
振荡冲程期间液体活塞间歇地接触热机膨胀室壁709和热泵膨胀室壁713的损失是热动双回路液体活塞式热泵系统中的另一潜在损耗。具有若干种方法来降低损耗，包括将液体抽入和抽出系统10，以及包括隔热和低热质量的多种方法。在以下段落中将对一种方法进行详细描述。
系统10的损耗可通过消除或减少循环期间来自热机膨胀室壁709和热泵膨胀室壁713的冷凝和汽化而降低。该讨论开始将参照热机膨胀室壁709，稍后讨论和热泵膨胀室壁713的不同之处。在循环的任何时刻，如果一个表面的温度高于饱和温度，那么热机膨胀室708中的蒸汽就不会冷凝在该表面上。在循环的任何时刻，如果液体和热机膨胀室壁709的邻接部分的温度低于饱和温度，那么液体活塞716中的液体就不会汽化。因此，该方法可通过将热机膨胀室708的热机膨胀室壁709维持在如图20所示的大致温度梯度来减小损耗。在循环的相同时刻，液体活塞716顶部水平面和热机膨胀室708的底部的壁温度可维持在热机流体710的饱和温度。这种温度梯度可经由沿着壁长方向的外部加热设备或者通过将壁设计成自然地维持该梯度的方式来维持。因为这个温度与压缩冲程和膨胀冲程的温度不同，因此复杂化了，如在以下若干段落中所讨论的。
热机膨胀室708的壁的热质量通常比位于热机膨胀室708和热机浮式活塞704之间的液体活塞716的一部分和热机浮式活塞704的外壁的组合的热质量高很多。降低所描述区域中的液体活塞716和热机浮式活塞704的质量是有利的。这可以任何适当的方式实现，包括例如通过将热机膨胀室708和热机浮式活塞704的尺寸和公差制成可提供热机膨胀室708和热机浮式活塞704之间的小的间隙并可提供热机浮式活塞704上的薄壁。在该样例中使用2mm左右的间隙。热机浮式活塞704的壁可制成如图10B所示的大约2mm左右厚度的壁。
当液体活塞716处于顶部冲程时，热机浮式活塞704和热机膨胀室壁709之间的液体活塞716顶部的流体的温度可稍微低于热机膨胀室壁709邻接部分的温度。热量将从热机膨胀室壁709流入液体活塞716的邻接器件。当液体活塞716开始下降时，该相同器件将邻接热机膨胀室壁709的更低和更冷的部分。热量将会从液体活塞716的该器件流入热机膨胀室壁709的邻接器件。因为热质量不同，这一般会冷却液体活塞716的器件并轻微地提高热机膨胀室壁709的器件的温度。该过程可随着液体活塞716的继续下降而继续，直到液体活塞716的相同器件在其达到冲程底部时被完全冷却。
在液体活塞716的向上冲程时，该过程逆转。当液体活塞716的器件开始升高时，其将邻接热机膨胀室壁709的更热的器件。热量一般会从热机膨胀室壁709的邻接器件流入液体活塞716的器件，使得液体活塞716的温度升高。这将随着液体活塞716的上升而继续，结果是，当其达到顶部冲程时，液体活塞716的器件将会几乎处于热机膨胀室壁709的最大温度。
该过程基本上增加了系统的效率。如果在冲程顶部将热量增加至液体活塞716的器件并在冲程底部排出，那么在每个冲程期间将会需要将大约另外5％的热量增加至系统，即使在热机浮式活塞704和热机膨胀室壁709之间具有尺寸为本文中所描述尺寸的十分之一的间隙。
利用本文中所描述的过程，在每个冲程期间，仅仅很少量的热量被增加至系统，因为循环期间，被要求加热热机浮式活塞704和热机膨胀室壁709之间的间隙中的一部分液体活塞716的几乎所有的热量在液体活塞716的器件和热机膨胀室壁709之间再循环。
类似的过程发生于热机浮式活塞704的外壁上，其中在每个循环期间，外壁来回地将热量通过液体活塞716传递至热机膨胀室壁709。
为了利用热机完成工作，当与膨胀冲程比较时，对于给定容积，饱和温度和压力一般较低。如果在整个循环中，热机浮式活塞704和热机膨胀室壁709之间的间隙中的液体活塞716顶部的高度相对于热机膨胀室壁709的上表面为恒定的，那么在压缩冲程中将在热机膨胀室壁709上发生液化，或者在膨胀冲程中将在热机膨胀室壁709上发生汽化。这对于降低系统的效率具有效果。
作为结果，如果循环期间液体活塞716的顶部高度相对于热机浮式活塞704变化，那么可替换地，系统10可以较高的效率运行。在图21中示出了实现该情况的一种方法。在压缩冲程中，局部密封设备738被致动器736朝向热机浮式活塞704移动。这减慢了流进热机浮式活塞704和热机膨胀室壁709之间的间隙的水流，使得液体活塞716的上表面降低。当热机浮式活塞704靠近冲程顶部时，局部密封设备738由致动器736移离热机浮式活塞704，允许热机浮式活塞704和热机膨胀室壁709之间的间隙中的液体相对于热机浮式活塞704的上表面升高。
可利用各种传感器感测热机浮式活塞704和热机膨胀室壁709之间的液体的高度，例如压力感测器。于是，液体的高度可通过在循环的每个时刻提供局部密封设备738和热机浮式活塞704之间的必要的间隙(g)来控制。这就允许液体的顶部处于热机膨胀室壁709上的正确位置以针对膨胀冲程和压缩冲程将液体顶部的温度维持在饱和温度。
在系统的热泵方面，情况类似，但逆转。再次，在热泵膨胀室壁713上维持热梯度，对应于用于热泵膨胀室712的对应容积的饱和温度。在这种情况下，相对于热泵浮式活塞706的顶部，液体活塞716的顶部在压缩冲程期间维持于较高的水平，而在膨胀冲程期间维持于较低的水平。
此外，热泵792使用过热蒸汽而不是饱和蒸汽，所以热泵流体714的温度高于饱和温度。然而，只要能避免不期望的冷凝和蒸发，热传递系数就可以足够低地使得热损耗最小化。
本领域的技术人员应理解，尽管仍利用热动双回路液体活塞式热泵的概念，但是具有各种方法来最小化本文中所公开装置的热损耗。
应该注意，热泵膨胀室壁713上的期望的温度梯度可不同于热机膨胀室壁709上的温度梯度。
以下将公开利用不同的热机和热泵回路工作参数的聚集器700的可选实施例。在该样例中，在部分循环期间，热泵回路工作在大气压力之上。
该实施例中的聚集器700包括热动液体活塞式热泵。如图22所示，其以通常的U形、方形或其他合适的形状的形式构建而成。U管包括聚集器壁802，其形成内U形室。聚集器壁802以与沿管的长度基本相同的直径构造。在该样例中，聚集器壁802由铝构成，并且厚度大约为3mm。U管的内径大约为1.5m。垂直分支部分大约3m长，而水平分支部分大约1m长。垂直热机分支部分的高度比垂直热泵分支部分的高度高1.5m。
内腔的较低部分填充有液体形式的水，其包括液体活塞716。在该实施例中，液体活塞容积为大约9立方米，而质量大约9000千克。热机浮式活塞804漂浮在一个垂直分支部分中的液体活塞716的顶部，形成热机浮式活塞804和聚集器壁802之间的热机膨胀室708。热泵浮式活塞706漂浮在另一分支部分中的液体活塞716的顶部，形成热泵浮式活塞706和聚集器壁802之间的热泵膨胀室712。热机膨胀室708填充有热机流体710。热泵膨胀室712填充有热泵流体714。
热机浮式活塞804和热泵浮式活塞706构造成减小曝露于热机膨胀室壁709的热质量。
如图24所示，热机浮式活塞804具有活塞顶部构件814，其包括热机膨胀室壁708的底壁。活塞顶部构件814连接至活塞外壁816，其大约为1m高。在该样例中，活塞外壁816由轧制并焊接的大约1.5mm厚的铝片构成。活塞内壁818也由轧制并焊接的大约1.5mm厚的铝片构成。活塞外壁816和活塞内壁818之间的间隙820提供了聚集器壁802和热机浮式活塞804内的一部分液体活塞716之间的热障。热机浮式活塞804设计并构造成提供热机浮式活塞804的外径和聚集器壁802的内径之间的大约2mm的小间隙。活塞密封圈822可位于热机浮式活塞804的顶部附近，以最小化来自聚集器壁802的冷凝和蒸发影响。
排出阀810可将热机膨胀室708连接至冷凝室812。排出阀810可控制来在循环的适当时刻开和关。喷射系统824可位于冷凝室812内。当排出阀810打开时，来自液体活塞716的液体喷射进冷凝室812以使得热机流体710冷凝。通过使用传统的热交换器或通过使得流体通过液体活塞716进行循环并在夜间利用例如冷却设备300冷却流体而将热量从液体活塞716中排出。
图12示出了用于热泵循环中的部件。热泵膨胀室712通过包括热泵压力阀752的管道系统750连接至压力室550。压力室550连接至电转炉600的液体入口，在该样例中，电转炉600为连接至650kW发电机的650kW蒸汽涡轮机。电转炉600的液体出口连接至真空室560。真空室560通过包括热泵真空阀754的管道系统向后连接至热泵膨胀室712。
本系统10公开了一种双回路热动液体活塞式热泵的独特组合，其中热量由诸如太阳能等的自然资源提供，并且其中自热泵回路输出的热蒸汽，一般为水蒸汽流入蒸汽涡轮机-发电机组合，并且来自涡轮机排气的较低压蒸汽流入热泵。
本系统10还公开了一种独特的自然热源热动液体活塞式热泵，其中热机和热泵在接近大气压力或低于大气压力下工作，允许利用低成本材料如具有高耐压强度但较低抗张强度的混凝土在标准或标准以下构建装置。
本系统还公开了一种用于热动液体活塞式热泵的独特的热力学循环。属于装置的热机端的独特循环利用蒸汽和液态水的组合物，并在循环的膨胀阶段期间冷却蒸汽和液态水。
热聚集和压力聚集是在使用时进行而不是收集时进行。结果，热的热量存储处于大气压力下或者低于大气压力，而热量存储的温度比传统的太阳能聚集系统低很多。这还允许利用低成本、高耐压材料如混凝土构建热量存储室。其还允许使用水作为热量存储介质。
在一个实施例中，系统中的唯一液体为水，其无危险无污染。使用的固体材料也无危险无污染。
因为聚集是在使用时进行而不是收集时进行，所以可利用低成本低温度平板收集器收集太阳能。这些收集器可由低成本塑料、混凝土以及标准隔热材料制成，所有这些材料可易于以大容积、相对低成本制备而成。
图38为能够实现本文中公开的设备和方法的示例性计算机系统3800的结构图。计算机系统3800可以为例如服务器、个人计算机、个人数字助理(PDA)或者任何其他类型的计算设备。
计算机系统3800的最直接的例子包括处理器3810。例如，处理器3810可由Pentium系列、Itanium系列、XScale系列或者Centrino系列中的一个或更多个Intel微处理器执行。当然，其他系列的其他处理器也是合适的。
处理器3810与包括易失存储器3812和非易失存储器3814的主存储器通过总线3816进行通信。易失存储器3812可由同步动态随机存取存储器(SDRAM)、动态随机存取存储器(DRAM)、存储器总线式动态随机存取存储器(RAMBUS Dynamic Random Access Memory)(RDRAM)和/或任何其他类型的随机存取存储器设备实现。非易失存储器3814可由快闪存储器和/或任何其他期望类型的存储器设备实现。对于主存储器3812、3814的存取一般由存储控制器(未示出)以传统方式控制。
计算机系统3800还包括传统的接口电路3818。接口电路3818可由任何已知的接口标准执行，例如，以太网接口、通用串行总线(USB)和/或第三代输入/输出(3GIO)接口。
一个或更多的输入设备3820连接至接口电路3818。输入设备3820允许用户将数据和命令输入处理器3810。输入设备可由例如键盘、鼠标、触摸屏、跟踪板(tack-pad)、跟踪球(tackball)、等位指针(isopoint)和/或语音识别系统实现。
一个或更多输出设备3822也连接至接口电路3818。输出设备3822可由例如显示设备(例如，液晶显示器、阴极射线管显示器(CRT)、打印机和/或扬声器)实现。因此，接口设备3818一般包括图形驱动卡。
接口电路3818还包括用于将数据通过网络3824(例如，以太网连接、数字用户线、电话线、同轴线缆、手机系统等)与外部计算机进行交换的通信设备，例如，调制解调器或网络接口卡。
计算机系统3800还包括用于存储软件和数据的一个或更多的大容量存储设备3826。这种大容量存储设备3824的样例包括软盘驱动器、硬盘驱动器、光盘驱动器和数字通用光盘(DVD)驱动。
作为在诸如图38的设备的系统中执行本文中所述的方法和/或装置的备选方案，本文中所描述的方法和/或装置能可选地嵌入在诸如处理器和/或ASCI(专用集成电路)的结构中。
尽管本文中已经描述了某些示例性方法、装置和制备的产品，本专利的范围不受限于此。相反，本发明覆盖字面地或等价的法律原则下清楚地落于所附权利要求范围内的方法、装置和制备的产品。

Claims (24)

1.一种将热能转化为电的热能系统，其包括：
发电单元，其接收热能以产生电；
聚集器，其包括热机、液体活塞以及热泵，其中所述液体活塞可操作地连接至所述热机，所述热泵可操作地连接至所述液体活塞，所述热机适合于收集热能，且所述热泵可操作地连接至所述发电单元以给所述发电单元提供热量；
热机浮式活塞，其设置在所述热机中；
热泵浮式活塞，其设置于所述热泵中；以及
其中，所述热机浮式活塞和所述热泵浮式活塞振荡。
2.根据权利要求1所述的热能系统，还包括：引起所述热机浮式活塞和所述热泵浮式活塞振荡的控制器。
3.根据权利要求1所述的热能系统，其中，所述聚集器收集太阳能、地热能或工业废能中的一种。
4.根据权利要求1所述的热能系统，其中，所述发电单元包括蒸汽涡轮机。
5.根据权利要求1所述的热能系统，其中，所述聚集器为闭合系统，所述闭合系统还包括热机膨胀室和热泵膨胀室。
6.根据权利要求5所述的热能系统，其中，所述热机膨胀室经由泵或热机入口阀中的至少一个而可操作地连接至热能源。
7.根据权利要求6所述的热能系统，还包括可操作地连接至一冷的热量存储设备的热交换器和可操作地连接至一热的热量存储设备的热交换器室。
8.根据权利要求6所述的热能系统，其中，所述热泵膨胀室经由热泵压力阀或热泵真空阀中的至少一个而可操作地连接至所述发电单元。
9.根据权利要求1所述的热能系统，还包括多个传感器或感测器中的至少一个以判断所述热机浮式活塞或所述热泵浮式活塞中的至少一个的位置，所述多个传感器或感测器中的所述至少一个还检测所述热机或所述热泵中的至少一个的温度、压力或容积。
10.根据权利要求1所述的热能系统，其中，所述热机浮式活塞和所述热泵浮式活塞在共振频率附近振荡。
11.一种将热能转化为电的方法，其包括：
收集热能；
将收集的所述热能传递至聚集器，所述聚集器包括热机、液体活塞以及热泵；以及
引起所述热机、所述液体活塞和所述热泵的振荡循环以驱动可操作地连接至所述热泵的发电单元。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，引起所述热机的振荡循环的所述步骤还包括：控制热机活塞通过等温膨胀阶段、等熵膨胀阶段、等容压缩阶段、等温压缩阶段或者等熵压缩阶段中的至少一个。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述等熵膨胀阶段还包括：使所述热机活塞或所述聚集器的壁中的至少一个维持在一阻止流体冷凝的温度。
14.根据权利要求11所述的方法，其中，引起所述热泵的振荡循环的所述步骤还包括：控制热泵活塞通过等熵压缩阶段、等温压缩阶段、等熵膨胀阶段、或者等温膨胀阶段中的至少一个。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，所述发电单元在所述等温压缩阶段或所述等温膨胀阶段中的至少一个期间通过热泵流体来被驱动。
16.根据权利要求11所述的方法，其中，所述热机的所述振荡循环包括：热机活塞的上升和下降，且所述热泵的所述振荡循环还包括：热泵活塞响应于所述热机活塞的上升而下降以及响应于所述热机活塞的下降而上升中的至少一个。
17.根据权利要求11所述的方法，其中，所述振荡循环在共振频率附近进行。
18.一种产品，其存储机器可读指令，所述存储机器可读指令当执行时使得机器来：
收集热能；
将收集的所述热能传递至聚集器，所述聚集器包括热机、液体活塞以及热泵；以及
引起所述热机、所述液体活塞以及所述热泵的振荡循环，以驱动可操作地地连接至所述热泵的发电单元。
19.根据权利要求18所述的产品，其中，所述机器可读指令使得所述机器来控制热机活塞通过等温膨胀阶段、等熵膨胀阶段、等容压缩阶段、等温压缩阶段或者等熵压缩阶段中的至少一个。
20.根据权利要求19所述的产品，其中，所述机器可读指令使得所述机器在所述等熵膨胀阶段将所述热机活塞或所述聚集器的壁中的至少一个维持在一阻止流体冷凝的温度。
21.根据权利要求18所述的产品，其中，所述机器可读指令使得所述机器来控制热泵活塞通过等熵压缩阶段、等温压缩阶段、等熵膨胀阶段、或者等温膨胀阶段中的至少一个。
22.根据权利要求21所述的产品，其中，所述机器可读指令使得所述机器在所述等温压缩阶段或所述等温膨胀阶段中的至少一个期间通过热泵流体来驱动所述发电单元。
23.根据权利要求18所述的产品，其中，所述机器可读指令使得所述机器在所述热机的所述振荡循环期间控制热机活塞，所述热机活塞上升和下降，所述热泵的所述振荡循环还包括：热泵活塞响应于所述热机活塞的上升而下降以及响应于所述热机活塞的下降而上升中的至少一个。
24.根据权利要求18所述的产品，其中，所述机器可读指令使得所述机器在共振频率附近振荡。
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