CN102996321A - 一种用于发电的动力循环系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于发电的动力循环系统，其方法是将低温热源、风能产生动力作为动力源，推动活塞式水泵将低位水池中的水抽到高位水池中，借助水力发电机在高位水池中的水流入低位水池时发电，就可以解决多种能量源共同发电，以及有些能量源不受控发电所带来的不能上网问题。对低温热源产生动力的技术问题，依据低温蒸发理论优化了蒸发室、冷凝室及活塞结构，使之适用于太阳能、光热、地热、废气余热等有低温热源的场合，允许100℃左右的热源发电。

Description

一种用于发电的动力循环系统

 

一、技术领域：

本发明涉及一种用于发电的动力循环系统。

二、背景技术：

在有热源的情况，一般常用的发电方法是朗肯循环，它由水泵、锅炉、汽轮机和冷凝器四个主要装置组成。朗肯循环中水在水泵中被压缩升压；然后进入锅炉被加热汽化，直至成为过热蒸汽后，进入汽轮机膨胀作功，作功后的低压蒸汽进入冷凝器被冷却凝结成水。再回到水泵中，完成一个循环。这种方法要求热源的温度比较高，通常都要求在500℃以上，对于低于该温度时，效率就会下降，此时一般采用卡琳娜循环，该方法与朗肯循环在技术原理上是相同的，只是不采用水作为工质，而是采用氨水等可以在低温蒸发的物质作为工质，卡琳娜循环在300℃的中温热源中效率还可以接受，但是在更低的温度下，特别是在100℃附近的低温热源，目前还没有找到比较好的利用方法。

地球有丰富的环境能源：太阳能、地热能、冬夏季节地温与大气温差能、海水温差能等等，特别是采集太阳能进行低温发电，足够人类使用千百万年。但是低温发电目前技术目前不过关，或者成本太高。需要找到一个低成本的低温发电技术，同时解决发电效率低下的问题。

不仅仅如此，本发明在解决了低温发电相关的技术问题时，还顺带着解决了多种能量源共同发电的难题，并解决了太阳能、风能等发电时由于发电量不规律而带来的不能上网的难题。

三、发明内容：

本发明为了解决上述背景技术中的不足之处，提供一种用于发电的动力循环系统。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种用于发电的动

力循环系统，包括高位水池和低位水池，所述的高位水池与低位水池之间通过管道连接有水力发电机，其特征在于：所述的高位水池与低位水池上通过管道还连接有活塞式水泵，所述的活塞水泵上还连接有动力系统，所述的动力系统包括风力系统或热力系统。

所述的活塞式水泵不少于2个。

所述的热力系统包括热源和冷源，所述的热源上连接有蒸发装置，所述的蒸发装置设置于蒸发室内，所述的冷源上连接有冷凝装置，所述的冷凝装置设置于冷凝室内，所述的蒸发室通过管道分别与活塞的左右两腔连接，所述的冷凝室通过管道分别与活塞的左右两腔连接，所述的管道上设置有阀门，所述的蒸发室与冷凝室之间连接有通道一，通道内设置有液态工质，所述的通道上设置有使液态工质从低

压的冷凝室向高压的蒸发室流动的液压调节泵，所述的活塞与活塞式水泵连接。

所述的风力系统包括叶轮、曲柄、连杆，风力推动叶轮旋转带动曲柄连杆机构推动活塞式水泵。

一种将200℃以下温度的低温热源的能量转化为动力的动力系统的实现方法为：通过在热力系统的蒸发室内在低于工质沸点的温度下减小液体工质表面张力来增大单位时间内液态工质气体产生的量和在冷凝室中减小局部风速来增大单位时间内液态工质凝结的量来推动活塞。

一种用于将液体工质蒸发成为气体工质的蒸发室，其特征在于：所述的蒸发室内液态工质所产生的蒸发量通过在蒸发室内增大液体工质与热源的接触面积、增大液体工质与空气的接触面积、增大气体的流速来实现。

所述的一种用于将液体工质蒸发成为气体工质的蒸发室，其特征在于：所述的蒸发室内包括至少一个蒸发皿，每两个相邻的蒸发皿之间通过通道连接，所述的蒸发皿包括蒸发皿壳体，蒸发皿壳体上设有毛细蒸发装置，所述的毛细蒸发装置分为两层，毛细层和热源层，所述的蒸发皿壳体的一侧设置有进水管道，进水管道上设置有进水调节阀。

一种用于将气体工质冷凝成为液体工质的冷凝室，其特征在于：所述的冷凝室内气态工质所产生的冷凝量通过在冷凝室内增大气体与冷源的接触面积、减小乃至防止液体工质与空气的接触面积、减小冷凝室局部气体工质的流速来实现。

所述的一种用于将气体工质冷凝成为液体工质的冷凝室，其特征在于：所述的冷凝室中至少包括1套冷凝装置，所述的冷凝装置包括集流板，所述的集流板上设置有多个冷凝管，所述的每相邻的两个冷凝管之间设置有导热片，所述的冷凝管自上而下相通。

与现有技术相比，本发明具有的优点和效果如下：本发明与朗肯循环和卡琳娜循环都具有工质消耗少，运行成本低的优点，相比朗肯循环和卡琳娜循环，本发明由于将热源/冷源的功能看作是水泵，利用工质获得的势能而不是利用工质获得的动能来发电，因而不需要太高的热源温度，因而可以实现低温热源的发电，100℃甚至更低温度的热源也足以使整个循环过程正常进行。这是目前所知唯一一个实现了该目标的动力循环系统。由于本发明在多个蒸发室、多个冷凝室结构的场合允许多个蒸发室/冷凝室共享一个水力发电机，导致系统设计非常灵活，可以把分散到各地的热能聚集起来发电，这是其他方法很难做到的，特别是在大面积太阳能发电的场合，该特点能够大辐度降低建设成本。另外本发明由于采用水的势能作为能量贮存的方式，可以根据上网的需要随时发电，彻底解决了太阳能电或者风电不能上网的技术难题。

本发明便是这些高效率技术的汇总，其中的许多单项技术其应用范围非常广泛，不仅仅能用于发电，也能用于产生原动力对外做功，并能解决太阳能、风能发电由于发电不受控所带来的不能上网等难题。

四、附图说明：

图1为本发明动力循环系统基本原理示意图；

图2 为本发明毛细蒸发皿结构示意图；

图3为本发明的第二种复合方式毛细蒸发装置；

图4 为本发明的第三种复合方式毛细蒸发装置；

图5 为本发明采用多个蒸发皿阵列的蒸发室结构示意图；

图6 为本发明微小冷凝管集群的冷凝装置结构示意图；

图7 为本发明串联活塞结构示意图；

图8 为本发明多个蒸发室、冷凝室共享一个活塞系统的结构示意图；

图9 为本发明多个活塞系统共享一个水力发电机的结构示意图；

图10 为本发明风速调节装置横截面示意图；

图11 为本发明双动力循环系统原理示意图；

图12 为本发明风力推动的动力循环系统原理示意图。

附图标记说明：1-热源，2-冷源，3-蒸发装置，4-冷凝装置，5-蒸发室，6-冷凝室，7-液态工质，8-低压气态工质，9-高压气态工质，10-活塞腔，11-活塞，12-阀门，13-热源层，14-毛细层，15-毛细蒸发皿壳体，16-进水管道，17-进水调节阀门，18-毛细蒸发装置，19-通道一，20-通道二，21-冷凝管，22-导热片，23-集流板，24-活塞系统，25-高压气体总线，26-低压气体总线，27-液体工质总线，28-活塞式水泵，29-高位水管，30-高位水池，31-低位水管，32-低位水池，33-水力发电机，34-风速调节机构,35-液压调节泵，36-曲柄，37-连杆，38-叶轮。

五、具体实施方式：

一种用于发电的动力循环系统，包括高位水池30和低位水池32，所述的高位水池30与低位水池32之间通过管道连接有水力发电机33，所述的高位水池30与低位水池32上通过管道还连接有活塞式水泵28，所述的活塞水泵28上还连接有动力系统，活塞式水泵不少于2个，所述的动力系统包括风力系统或热力系统。

所述的风力系统包括叶轮38、曲柄36、连杆37，风力推动叶轮(38)旋转带动曲柄连杆机构推动活塞式水泵(28)。

所述的热力系统包括热源1和冷源2，所述的热源1上连接有蒸发装置3，所述的蒸发装置3设置于蒸发室5内，所述的冷源2上连接有冷凝装置4，所述的冷凝装置4设置于冷凝室6内，所述的蒸发室5通过管道分别与活塞11的左右两腔连接，所述的冷凝室6通过管道分别与活塞11的左右两腔连接，所述的管道上设置有阀门12，所述的蒸发室5与冷凝室6之间连接有通道一，通道内设置有液态工质7，所述的通道上设置有使液态工质7从低压的冷凝室6向高压的蒸发室5流动的液压调节泵35，所述的活塞11与活塞式水泵28连接。

本发明中热力系统是提供一个简易发电系统或提供一个往复运动的原动力系统，把热源的作用看作是一种产生高压气体的的能量源，而把冷源的作用看作是一种产生低压气体的能量源，高压源与低压源交替作用在活塞上，使活塞出现往复运动，导致活塞对外做功。本发明人对这种思路进行了详细的分析，确认了这种方法只有解决了能量密度太小的难题后才是可行的，它至少需要四个部组件：高温热源蒸发液态工质产生高压气体的蒸发室、低温热源将气体转化为液态工质的冷凝室、将冷凝室中的液态工质泵入蒸发室的泵以及利用高压气体和低压气体推动机械产生运动的做功系统。

本发明包括热源1和冷源2，所述的热源1上连接有蒸发装置3，所述的蒸发装置3设置于蒸发室5内，所述的冷源2上连接有冷凝装置4，所述的冷凝装置4设置于冷凝室6内，所述的蒸发室5通过管道分别与活塞11的左右两腔连接，所述的冷凝室6通过管道分别与活塞11的左右两腔连接，所述的管道上设置有阀门12，所述的蒸发室5与冷凝室6之间连接盛有液态工质7的容器，所述的容器与蒸发室5和冷凝室6相通，所述的阀门12连接有控制系统（参见图1）。

本发明由热源1、蒸发装置3和蒸发室5组成一个高压气态工质发生装置；由冷源2、冷凝装置4和冷凝室6组成一个低压气态工质发生装置；由阀门组12、活塞腔10和活塞11组成一个活塞装置；冷凝室6中的液态工质7可以流动到蒸发室5中；蒸发室5中的高压气态工质9可以流动到活塞装置中；活塞装置中的气态工质可以流动到冷凝室6中。

将200℃以下温度的低温热源的能量转化为动力的动力系统的实现方法：通过在蒸发室5内增大单位时间内液态工质7气体产生的量和在冷凝室6中增大单位时间内液态工质7凝结的量来推动活塞11。

蒸发室5内液态工质所产生的量通过在蒸发室内增大液体工质7与热源1的接触面积、增大液体工质1与空气的接触面积、增大气体的流速来实现。

冷凝室6内液态工质所产生的量通过在冷凝室内增大气体与冷源2的接触面积、减小乃至防止液体工质7与空气的接触面积、减小冷凝室局部气体工质的流速来实现。

其工作过程为：

热源1将热量传递给蒸发装置3，蒸发装置3位于蒸发室5内，将液态工质7蒸发成为高压气态工质9，设压强为P，在此同时，冷凝装置4在冷凝室6内将低压气态工质8(其压强为P’)冷凝成为液态工质7，并将热量传递给冷源2，高压气态工质9和低压气态工质8可以通过阀门组ABA’B’进入到活塞腔10中，在Δt时间段内阀门A和A’打开而B和B’关闭，此时高压气态工质9作用在活塞11的左面，而低压气态工质8作用在活塞右侧，由于P>P’，因此能够推动活塞向右运动；在下一个Δt时间段内阀门B和B’打开而A和A’关闭，此时低压气态工质8作用在活塞11的左面，而高压气态工质9作用在活塞右侧，由于P>P’，因此能够推动活塞向左运动，这样活塞11就可以发生往复运动，实现对外做功的目的，如果活塞11连接着往复式直线发电机，或者通过曲柄连杆等运动转换装置转化为转动后驱动旋转式发电机，就可以实现发电的目的。

本发明所述的蒸发室，蒸发室5中或外壁有热源1的热能直接或间接作用于工质，使一部分液态工质变成气态。本发明所述的冷凝室通过冷源直接或间接作用于气态工质，使一部分气态工质转化为液态工质。本发明所述的工质是指高温能从液态转化为气态、低温能从气态转化为液态的物质，在大多数情况下工质都选用的是水。所述的阀门是指在需要的时刻可以打开或关闭通道的装置。

（参见图8）本发明包括至少一个蒸发室5、至少一个冷凝室6、至少一个活塞11以及连接各部分的通道和阀门等组成，发电或做功是通过液态工质在蒸发室蒸发时获得的高压气态工质推动活塞往复运动，然后气态工质转化为低压进入冷凝室6，在冷凝室6由气态冷凝成为液态，并通过通道进入蒸发室5。活塞往复运动时便可以发电或对外做功，本发明所述的蒸发室其特征在于：蒸发室5中或外壁有热源2的热能直接或间接作用于工质，使一部分液态工质变成气态。本发明所述的冷凝室6，通过冷源直接或间接作用于气态工质，使一部分气态工质转化为液态工质。本发明所述的工质是指高温能从液态转化为气态、低温能从气态转化为液态的物质。

在卡诺循环、朗肯循环以及斯特林循环中，实质上也包含有蒸发室、冷凝室、泵和做功系统的结构，事实上所有的热动力循环系统都具有类似的结构，只是在蒸发室、冷凝室、泵或者做功系统的具体实现方法上有所差异。实践表明，现有的这些动力循环方法在低温热源情形下的效率非常低，以至于不具有实用性。为了克服现有动力循环方法效率低的缺陷，本发明人对低温热源保持高温热源同等做功能力的方法进行了研究：

根据气体状态方程

 (1)式的等式左边为系统的做功能力的度量，在常规的动力循环系统中，T越大，做功能力越强，但是在本发明限定的使用条件下，T比较小，无法通过提高T的方法来提高做功能力，需要另找解决问题的方法。本发明人注意到，在(1)式中M与T有乘积的关系，因而其效果能够互换，当T不能增大的情况下，增大M与增大T具有完全相同的力学效果。基于这个思路，本发明人提出一种新的动力循环方法，使之可以适用于低温热源的情形，其核心思路是：通过一种或多种技术手段在蒸发室内增大单位时间内工质气体产生的量，以及在冷凝室中增大单位时间工质凝结的量，以此来保证系统的做功能力。这里所提到的技术手段是指在蒸发室内增大液体工质与热源的接触面积、增大液体工质与空气的接触面积、增大气体工质的流速、选择在指定的热源温度下能够快速蒸发且在指定的冷源温度下能够快速冷凝的工质、在冷凝室内增大气体工质与冷源的接触面积、减小乃至防止液体工质与空气的接触面积、减小冷凝面局部气体工质的流速。

与其他热力动力循环系统如卡诺循环、朗肯循环、斯特林循环等方法相对比，现有的这些循环系统都要求在蒸发室内必须加热气体工质，使气体工质达到较高的温度，本发明取消了这项要求，本发明所提到的技术手段不包含加热气体工质使其温度超过沸点这一项要求，由于技术限制，不能完全避免加热气体工质的现象，但本发明将直接加热气体工质看作是一种浪费能量的现象，应尽量予以避免。本发明的要求是尽可能快地加热并蒸发蒸发室中的液体工质、尽可能快地冷凝冷凝室中的气态工质，这种要求决定了本发明与传统的热力动力循环系统有本质的差异。

现在来分析该动力循环系统的基本规律。

先考虑高压气体作用在活塞左边，而低压气体作用在活塞右边的情形，此时阀门AA’打开，而阀门BB’关闭，活塞由左向右运动。

设蒸发室体积恒定为

，但活塞由于在不断运动中，其体积在不断变化，设活塞横截面积为S，其位移函数为，则有

其中m’为工质低压气体的质量，T’为工质低压气体的温度，

为冷凝室容积，L为活塞最大行程。

由于压强波动范围不大，可以假定T及T’恒定，m及m’只与时间t有关，即有

由（8）式可以得出结论：

该动力循环系统当蒸发室蒸发速率越大、冷凝室冷凝速率越大、蒸发室内气体温度越高、冷凝室内气体温度越低时，系统输出功率越高。在传统的动力循环系统中，都利用了“蒸发室内气体温度越高、冷凝室内气体温度越低时，系统输出功率越高”的特性，但在本发明限定的使用范围内，热源温度与冷源温度相差不大，无法保证蒸发室与冷凝室中的气体温度差较大，更为严重的问题是：由于低温热源能量密度低，相同的热量传递情况下加热单位质量气体工质所花费的时间远远多于加热液体工质所需的时间，造成了加热效率的下降，因此本发明应尽量避免蒸发室中热量直接传递给气体工质的现象，应该把热量尽可能地传递给液体工质，利用“当蒸发室蒸发速率越大、冷凝

室冷凝速率越大时，系统输出功率越高”这一特性来工作。

因此该动力循环系统的设计准则是：

蒸发室蒸发速率要尽可能大、冷凝室冷凝速率要尽可能大、气体温度要尽可能高。

以上结论虽然是对活塞从左向右运动时的分析得到的，但分析表明当活塞从右向左运动时，结论是相同的。

现在来分析蒸发室的最佳设计方案。

现代工业中多采用锅炉作为蒸发室，其蒸发装置是锅炉壁面，这种类型的蒸发装置对于高温热源是适用的，但对低温热源由于热流密度小，难于实现较大的蒸发速率，因此需要研究使蒸发速率尽可能大的蒸发装置。

其中k为工质单位时间蒸发量，E为单位质量工质蒸发时吸收的能量，

为工质蒸发面积，U为风速，A为某个常数。

上述公式是针对海水蒸发过程的研究中总结出来的。海水蒸发后形成水蒸汽上升，水蒸气以云的形式漂至各处，下落形成雨，再随着河流流入大海，这是自然界水循环过程。这个过程中存在一个问题，就是海水在蒸发的时候，其温度(约10℃)远远低于沸点(约100℃)，这说明该现象用常规的液相、气相在沸点处转化的理论来解释是不合理的，对于这个问题一般认为这是由于液态水的表面会形成一个水膜，水膜上有表面张力，使得水分子不能逸出其表面，只要有某种能量使得表层水分子能够克服表面张力，就能使水分进入空气中，成为蒸汽。蒸发面积、表面水分子的能量以及风速大时，有助于克服水的表面张力，而气压大则促使水的表面张力增大，这是上式所揭示的规律。

本发明便利用了上式中的规律，所涉及的蒸发室与传统蒸发室在理论依据上有本质的差别，本发明通过克服工质表面的张力来提高蒸发量，而传统蒸发室是通过液相和气相在沸点处会发生转换的规律来实现工质蒸发。

提高工质蒸发面积

的方法为使用毛细蒸发层结构，该结构可以用棉花线、炭纤维、多孔陶瓷等制成，一部分浸入液体工质中，另一部分在空气中，其作用是将工质通过毛细作用抽运到比较高的位置，增大工质与空气的接触面积。

依据本发明解决蒸发量问题的思路，通过毛细蒸发装置解决了扩大工质与空气接触面积这一问题后，还需要解决给工质表面提供能量E的问题，为此毛细蒸发装置还应配有给工质表面加热的热源层，热源层的能量来源热源1，可以通过热导体、热流体、热管等传热装置来将热源1的热能传递给热源层。

热源层与毛细蒸发层结构之间有3种复合方式构成毛细蒸发装置，第一种是热源层在毛细蒸发层内部，几乎不与空气接触，构成复合的毛细蒸发装置；第二种是热源层的一部分与毛细蒸发层接触，而另外一部分与空气接触，构成复合的毛细蒸发装置；第三种是热源层与毛细蒸发层有一定的间隔距离，两者没有直接接触，共同构成毛细蒸发装置。

图2为基于第一种复合方式的毛细蒸发装置所组成的毛细蒸发皿。

该毛细蒸发皿由蒸发皿壳体15、进水管道16、进水调节阀门17和“T”型的毛细蒸发装置18组成，毛细蒸发装置18通过某种方式(可通过插接与壳体连接或与其他部组件连接的方式)被固定在壳体15上方，它由内部的热源层13和外部的毛细层14组成，底部浸在液态工质中，顶部则暴露在气态工质中，来自热源的热量通过热源层13使毛细层14升温导致其中的液态工质蒸发并诱发毛细作用，通过毛细作用将液态工质传输到上方，从而达到扩大蒸发面积的目的，通常情况下每个蒸发皿安装有很多个毛细蒸发装置；液态工质可以通过进水管道16进入到蒸发皿中，但进入的量受到进水调节阀门17的控制，当水位比较高时，阀门进水量减小直至停止进水，而当水位比较低时，阀门进水量就会增大；每个蒸发皿可以有至少1个进水管道，通过进水调节阀门来保证蒸发皿中的工质保持大致恒定的水位。

毛细蒸发皿中的毛细蒸发装置18除了可以采用第一种复合方式外，还可以采用第二种、第三种复合方式构成。图3为第二种复合方式的毛细蒸发装置结构示意图，图4为第三种复合方式的毛细蒸发装置结构示意图。

实际进行蒸发装置设计时，可以采用三种复合方式中的一种，或者这三种复合方式的组合。从理论上分析，由于气体热传导效率低于液体热传导效率，因此当热源温度

与蒸发温度相差不大时，推荐采用第一种复合方式的蒸发装置；当工质为多种物质的混合，导致蒸发温度是个区间时，推荐采用第二种复合方式的蒸发装置；当热源温度

与蒸发温度相差较大时，推荐采用第三种复合方式的蒸发装置。

毛细蒸发皿结构的理论依据是式(9)，它能够有效地增大S，增大E，恒定压强P以及风速U=0的情况下，具有理论最高的蒸发效率。压强P为蒸发室控制参数，使用毛细蒸发皿结构无法予以调节，可以进一步进行优化的是风速U的因素。f(U)是单调增函数，因此希望增大风速，其方法是采用风速调节结构34，该风速调节结构夹在相邻两个毛细蒸发装置18之间，其横截面结构如图8所示，通过挡片迫使气流通过“弓”字形的走廊运动，由于气流运动时毛细蒸发装置一直在蒸发，使得流量越来越大，风速越来越高，最终获得较高的风速。挡片上可以设置毛细蒸发装置18，也可以不设置；获得最高风速后最佳的出口设置方案是让高速风流经液体工质表面，但也可以放在其他方便的位置上。风速调节结构可以作为毛细蒸发皿的一个组成部分，但不是毛细蒸发皿的必备结构，不采用风速调节结构会达不到最佳蒸发效率，因此推荐采用该结构。

单个蒸发皿所蒸发的工质的量仍然是有限的，实际应用时应该采用蒸发皿阵列，如图5所示的是采用多个蒸发皿的蒸发室结构示意图。

多个蒸发皿放置在蒸发室5之中，液体工质7与蒸发皿之间有通道二20相连，液态工质可以通过该通道进入到蒸发皿中。蒸发皿在蒸发室中可以分层排列，也可以并列排列，以尽量利用空间为原则。

采用蒸发皿阵列的结构可以大辐度提高蒸发面积，从而达到提高蒸发量、最终提高工质流量的目的。

蒸发皿及蒸发皿阵列的结构虽然是本发明人在解决本动力循环系统蒸发效率的时候提出的一种方案，但其用途不仅仅用于本动力循环系统，只要是需要蒸发的场合都有可能会遇用蒸发皿或蒸发皿阵列结构。

利用热能将液态工质转化为气态工质的蒸发室，在蒸发室内安置多层的蒸发装置，给每个蒸发装置都供给一定流量的液态工质，每个蒸发装置都能独立地完成蒸发工作，因而蒸发室内就有多个蒸发装置同时工作，能充分利用空间实现高效蒸发，这里所说的蒸发装置是只具有将液态工质转化为气态工质的装置。

本发明冷凝室的最佳设计方案。

在冷凝室6中可以采用热传导的方式使气态工质的温度下降，当气态工质的温度低于沸点时，便开始凝结成为液态工质，受重力影响将会自动下降到冷凝室下部。一般使用热传导的方式，是在冷凝室6中设置冷凝装置4，在冷凝室外设置散热装置作为冷源，工质与冷凝装置通过接触进行热交换，冷凝装置4与冷源2通过热管或导热材料等进行热传导，一般用散热装置通过风冷、水冷等方式将热量散发到外界。

冷凝室的主要设计要素是蒸汽冷凝速率，恒定压强下冷凝速率的计算公式如下：

与蒸发量计算公式不同的是，U越大时，f(U)越大，而f’(U)越小，即风速大有利于蒸发而不利于冷凝。由于活塞运动过程中蒸汽会大量地从蒸发室进入到冷凝室，因此蒸汽有一定的流速，这有利于蒸发过程而不利于冷凝过程，对冷凝造成了干扰，为了解决这个矛盾，本发明提出可以采用一种新的冷凝装置设计方案。该设计方案采用微小冷凝管群的方式为接触面提供一个相对无风的环境，如图6所示。

该冷凝装置的工作原理为：该冷凝装置由一个个截面为圆形、矩形或菱形等形状组成的冷凝管21，导热片22和位于众多冷凝管下方的集流板23组成，冷凝管21自上而下贯通，管壁内表面为粗糙的接触面，管壁内表面与水接触，外表面与导热片22有部分接触以便于将热量传递给导热片22，导热片22的温度较低，使得冷凝管21的温度也较低，蒸汽在冷凝管上方进入冷凝管22中，在冷凝管22中遇冷而凝结成冷凝水，冷凝水向下方流动，通过集流板23流到冷凝室中。由于冷凝管下方不与蒸汽直接接触，避免了在冷凝管中形成通道风的可能性，因而冷凝管中蒸汽流动速度较低，提高了冷凝效率。

采用微小冷凝管群的冷凝装置是本发明在解决高风速与高速冷凝之间的技术矛盾中提出的新方案，它不仅仅可以使用于本动力循环系统，也可以用于其他需要冷凝的场合。视不同的使用场合，这种冷凝装置的外形和放置方法可以有所差异，例如冷凝管的入口平面可以是水平的，也可以与水平面有一定夹角，甚至可以是垂直的；冷凝管可以是垂直放置的，也可以与垂线有一定的夹角，可以是直线管，也可以是曲线管；集流板的出口方位可以视需要调整等。

进一步的分析发现，如果冷凝管群冷凝装置的外周都包覆有绝热结构，导致除了冷凝管内部外冷凝装置其他地方都不与蒸汽有热交换，而且在冷凝室结构上采取液态工质专用通道等措施避免冷凝后的液态工质与未冷凝的气态工质之间有热交换，那么蒸发室向冷凝室传输热量的过程就是绝热等熵过程，T’与T之间满足关系式

此处K为气态工质的定熵指数。

由于其他气体变换过程中T’均小于(13)式中的数值，在冷凝管中的热量交换与T’-Tn成正比例，由于它是理论最大的温度差，因而在同等压强、同等接触面积、同等材料时具有最高的冷凝效率。同时采用冷凝专用通道的办法还能防止冷凝工质在冷凝室中二次蒸发。

在实际使用过程中，可以在冷凝室中装入多个冷凝装置以提高冷凝效率。冷凝装置的导热片将热量传递给冷源。

下面在采用冷凝管群冷凝装置的条件下来讨论冷凝过程能量交换的规律。此时不考虑各种损失时气体工质的热量完全传递给冷源，因此有

在理想情况下，从热力学的角度看，系统对外所做的功率为：

  

   

可以看到，k可以通过活塞尺寸来调节，公式中SL总是以乘积的形式出现，由于要求k越大越好，因此SL其值越大越好。

由于通常情况下L总是受到限制，特别是L越大，会导致活塞的惯性损失就越大，因此L不能太大，提高活塞效率的最佳方法是增大S。

增大S可以通过增大单个活塞的面积来实现，但在工程上实现非常大面积的活塞技术以及成本方面的困难比较大，另外一个解决途径是增加活塞的数量，并且把这些活塞串联起来，共同对外输出，其结构如图7所示。

图7所示的是3个活塞串联的情形，其受力面积是单个活塞的3倍。通过多个活塞串联的方式，可以在不增大活塞直径的情况下增大活塞的面积。

上述活塞的设计方案并不局限于使用气体作为工质，事实上任何高压/低压流体源都可以作为工质，例如用水做工质的时候，有一个高位水池和一个低位水池，设其液面高度差为H，则活塞获得的功率为

活塞对外输出功率要小于活塞获得的功率，其损失主要是由活塞的摩擦、活塞的惯性等带来，因此活塞的质量应该越轻越好。

本发明使用蒸发室获得高压源，使用冷凝室获得低压源，利用活塞结构用两者的压力差对外做功。在有高压源/低压源以后，做功的方案不止使用活塞一种，现代科技中有很多动力机械都能够完成该功能，如汽轮机、螺杆膨胀机等，本发明也不局限使用活塞结构，可以使用别的动力机械，但是考虑到低温热源的能量密度小，产生的压差小，无法获得高压或高速流体，在这种情况下常规的汽轮机结构根本无法工作，可供选择的方案只有螺杆膨胀机和活塞结构，在需要旋转动力的时候可以选择螺杆膨胀机，或者活塞+曲柄连杆机构，而需要往复平动运动的时候应当选择活塞结构。但是目前的实践表明螺杆膨胀机其效率低下，不是最佳设计方案。活塞结构可以保持气体温度始终保持不变，压力的做功效率最高，但是要不断地克服活塞惯性，因此也有相当多的能量被消耗在这种无用的动作上，输出功率不是很高，也不是最佳的能量－功转换装置，但总体而言要优于使用螺栓膨胀机。

现在讨论泵的最佳设计方案。

泵需要动力源才能正常运作，而活塞就是一个现成的动力源，直接利用活塞来推动泵的运转是效率最高的选择，设泵也采用双面活塞结构，泵的活塞面积为

，则在不考虑冷凝室与蒸发室之间液面高度影响、稳定状态下应有

其中

为液体工质的密度。从上式中可以看出，可以通过选择泵的活塞面积来调节蒸发室压强。

以上分析没有考虑各种损失，因此会有一定的误差。

对于有高温热源的场合，图1所示的动力循环系统方案已经可以用于发电或对外做功了，但是本发明的主要对象是低温热源，对于低温热源而言，上述设计方案仍不具有经济可行性，其发电成本太高，因而图1所示的动力循环系统是解决低温热源发电的基础，但不是最终的设计方案。低温热源由于能量密度小，单位发电量的成本高，因此降低成本是设计方案中必须要考虑的重要内容。分析降低成本的因素：蒸发室和冷凝室是采集能量的地方，采集的能量越多，单位能量的成本就越低，因此蒸发室和冷凝室是数量是越多越好；活塞系统和发电机是能量转换装置，每次能量转换都会带来能量的损失，造成单位能量的成本增大，因此活塞系统和发电机的数量应该越少越好。基于这种分析，本发明进一步研究了有多个蒸发室/冷凝室时降低活塞系统和发电机数量的方法。

多个蒸发室/冷凝室共享一个活塞系统的设计要点是所有蒸发室产生的高压气体都要贯通连接到活塞系统上，所有冷凝室产生的低压气体也要贯通连接到活塞系统上，因此需要高压气体总线25、低压气体总线26和液体总线27三个具有贯通性的管道，所有的蒸发室所产生的气体都传输到高压气体总线中，所有的冷凝室所需的气体都从低压气体总线中获得；所有的蒸发室所需的液体工质都从液体工质总线中获得，而所有的冷凝室凝结的液体工质都传输到液体工质总线中；只设置一套活塞系统，从高压气体总线中获得高压气体，做功或发电后将气体传输到低压气体总线中，其结构如图8所示。

当多个蒸发室之间相距较近的时候，可以采用多个蒸发室共享一个活塞系统的方案，但有时候多个蒸发室之间相距较远，通过高压气体总线传输能量时耗损太大，就不适宜共享一个活塞系统，不可避免地会遇到多个活塞系统工作时的协同要求，即会面临多个活塞系统如何共享一个发电机的问题，它面对的最大的技术问题是多个活塞之间距离较远，活塞所做的功都需要远程传递给发电机，而且各活塞做功的时机有所差异。

本发明提供的解决方案是用水来作为远程能量传输的媒介，其具体方案如图9所示。

借助于活塞系统24或别的动力，活塞式水泵28把低位水管31中的水抽到高位水管29中，进而进入到高位水池30中，水力发电机33安置在高位水池30和低位水池32之间，利用两个水池的水位差获得发电所需的能量。

在上述方案中，可以有一个或多个活塞式水泵连接在低位水管和高位水管上，可以有一个或多个高位水池与高位水管相连，可以有一个或多个低位水池，与低位水管相连，水力发电机安置在某个高位水池和低位水池之间即可。水力发电机可以采用常规的如贯流式水力发电机等，也可以采用本发明提供的活塞系统配合直线发电机，或螺杆膨胀机、活塞曲柄连杆机构等配合常规发电机，考虑到本动力循环系统具有低水头的特点，需要追求高效率，推荐采用活塞配合直线发电机的方案作为水力发电机。

本发明将活塞对外做的功转化为水的势能，由于水的势能在长途传输的过程中损耗极少，而且可以长期贮存，因而解决了能量的长途传输和贮存问题。更重要的是，本发明把蓄能过程与发电过程严格分开，发电过程的时机选择与活塞系统的做功时机之间没有必然的联系，可以根据上网的需要来决定发电的时机，因而附带着解决了太阳能、风能等不规律、不受控发电时不能上网的难题，对于太阳能，需要采用太阳能热水器等获得低温热源，就可以应用本发明的解决方案；对于风能而言，如图12所示，风力推动叶轮38转动，叶轮进一步带动曲柄36和连杆37，进一步带动活塞式水泵28，同样可以应用本发明所用到的解决方案。

本发明还附带解决了多种能量源联合发电的技术问题，例如风能可以采用曲柄连杆构机带动活塞式水泵，太阳能可以采用太阳能热水器获得低温热源，然后采用本动力循环系统，沼气作为中温热源也可以采用本动力循环系统，等等，所有这些能量源都通过活塞式水泵将水泵入到高位水池中，然后统一地用一台水力发电机来发电，就可以实现使用多种能量源联合发电的目标。

因此本发明的最终解决方案如图11所示，它实际上是由两个循环系统组成，一个循环系统为热能转化为动力的循环系统，如图1所示，另外一个是借助前一个循环所产生的动力使水在高位水池和低位水池之间运动的循环系统，如图9所示，图11所示的方案为两个循环系统的综合。这样本发明就解决了分布式低温热能发电的主要技术难题，并附带着解决了风能、太阳能等时有时无的能量源无法上网的难题。

Claims (9)

1.一种用于发电的动力循环系统，包括高位水池（30）和低位

水池（32），所述的高位水池（30）与低位水池（32）之间通过管道连接有水力发电机（33），其特征在于：所述的高位水池（30）与低位水池（32）上通过管道还连接有活塞式水泵（28），所述的活塞水泵（28）上还连接有动力系统，所述的动力系统包括风力系统或热力系统。

2.根据权利要求1所述的一种用于发电的动力循环系统，其特征在于：所述的活塞式水泵（28）不少于2个。

3.根据权利要求1所述的一种用于发电的动力循环系统，其特征在于：所述的热力系统包括热源（1）和冷源（2），所述的热源（1）上连接有蒸发装置（3），所述的蒸发装置（3）设置于蒸发室（5）内，所述的冷源（2）上连接有冷凝装置（4），所述的冷凝装置（4）设置于冷凝室（6）内，所述的蒸发室（5）通过管道分别与活塞（11）的左右两腔连接，所述的冷凝室（6）通过管道分别与活塞（11）的左右两腔连接，所述的管道上设置有阀门（12），所述的蒸发室（5）与冷凝室（6）之间连接有通道一，通道内设置有液态工质（7），所述的通道上设置有使液态工质（7）从低压的冷凝室（6）向高压的蒸发

室（5）流动的液压调节泵(35)，所述的活塞（11）与活塞式水泵（28）连接。

4.根据权利要求1所述的一种用于发电的动力循环系统，其特征在于：所述的风力系统包括叶轮（38）、曲柄（36）、连杆（37），风力推动叶轮(38)旋转带动曲柄连杆机构推动活塞式水泵(28)。

5.一种将200℃以下温度的低温热源的能量转化为动力的动力系统的实现方法：其特征在于：所述的实现方法为：通过在热力系统的蒸发室（5）内在低于工质沸点的温度下减小液体工质表面张力来增大单位时间内液态工质（7）气体产生的量和在冷凝室（6）中减小局部风速来增大单位时间内液态工质（7）凝结的量来推动活塞(11)。

6.一种用于将液体工质蒸发成为气体工质的蒸发室，其特征在于：所述的蒸发室（5）内液态工质所产生的蒸发量通过在蒸发室内增大液体工质（7）与热源（1）的接触面积、增大液体工质（1）与空气的接触面积、增大气体的流速来实现。

7.根据权利要求6所述的一种用于将液体工质蒸发成为气体工质的蒸发室，其特征在于：所述的蒸发室（5）内包括至少一个蒸发皿，每两个相邻的蒸发皿之间通过通道（20）连接，所述的蒸发皿包括蒸发皿壳体（15），蒸发皿壳体（15）上设有毛细蒸发装置（18），所述的毛细蒸发装置（18）分为两层，毛细层和热源层（13），所述的蒸发皿壳体（15）的一侧设置有进水管道（16），进水管道（16）上设置有进水调节阀（17）。

8.一种用于将气体工质冷凝成为液体工质的冷凝室，其特征在于：所述的冷凝室（6）内气态工质所产生的冷凝量通过在冷凝室内增大气体与冷源（2）的接触面积、减小乃至防止液体工质（7）与空气的接触面积、减小冷凝室局部气体工质的流速来实现。

9.根据权利要求8所述的一种用于将气体工质冷凝成为液体工质的冷凝室，其特征在于：所述的冷凝室(6)中至少包括1套冷凝装置(4)，所述的冷凝装置（4）包括集流板（23），所述的集流板（23）上设置有多个冷凝管（21），所述的每相邻的两个冷凝管（21）之间设置有导热片（22），所述的冷凝管（21）自上而下相通。

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