CN1609446A

CN1609446A - 一种发电方法

Info

Publication number: CN1609446A
Application number: CN 200410064349
Authority: CN
Inventors: 陈培豪
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2004-08-15
Filing date: 2004-08-15
Publication date: 2005-04-27

Abstract

本发明公开一种发电方法，特征是把具有合适沸点的液体工质放进封闭的循环系统中，在相对低海拔处把液体工质加热至沸使之变成蒸气，产生的蒸气沿管道输送到相对高海拔处，这些蒸气在相对高海拔处被该处自然存在的冷能冷凝成液体并收集在储存库中从而获得势能增量和冷能，然后让液体工质从相对高海拔处沿管道流回相对低海拔处，同时推动水轮发电机组发电，使其所获得的势能增量转化成电能；流回到相对低海拔处的液体工质进入下一次循环而不断发电，还副产大量冷能。发电效率易于提高；过程温差越小，发电效率越高。能够低成本地利用太阳能、水体热能、空气热能等低品位能源进行大规模发电而且环保，可以解决世界性的能源危机问题。

Description

一种发电方法

技术领域

本发明涉及一种发电方法，特别是一种在相对低海拔处把液体工质加热蒸发成蒸气然后输送到相对高海拔处冷凝成液体从而建立液体工质的势能增量再进行发电的方法。

背景技术

目前公知的发电方法有多种，其中主要的方法有火力发电、水力发电、核能发电，次要的方法有太阳能发电、风力发电、地热发电、潮汐发电、燃料电池发电等。在目前的能源结构中，火电占了绝对多数的比例。火力发电厂基本都是用化石燃料作原料，通过热力学的卡诺循环把燃料的内能转化为电能，但化石燃料经过人类数百年的开采利用，现在已面临枯竭，而且通过热力学的卡诺循环发电的效率低下，白白浪费了大量的热能，特别还会产生大量的温室气体、二氧化硫和氮氧化物等酸雨气体来造成大气污染，即使现在正研究开发中的生物质能发电、垃圾发电也是采用火力发电方式，同样难以避免效率低下的缺点，而且如何生产如此巨量的生物质能也是一个无法回避的问题。水力发电是利用自然形成的水能(主要是由落差形成的势能)来发电，是一种绿色能源，而且发电效率是目前所有发电方式中最高的，达到80～90％，但地球上可开采的这种水能是有限的。核能发电也是利用热力学的卡诺循环来发电，同样难以避免效率低下的缺点，特别是有发生核泄漏而造成生态灾难的可能，大量发展要面临种种顾忌。太阳能发电是最清洁的发电方式，不管是太阳热发电还是太阳光伏发电，目前都存在单位功率投资高而且发电效率低下的缺点，使单位电能的成本居高不下，从而影响了它的大规模推广使用。风力发电、地热发电、潮汐发电也是清洁的发电方式，但地球上可开采的风能、地热、潮汐能也是有限的，不可能大规模利用来代替目前的主要发电方式。燃料电池发电的技术刚刚起步，还不可能近期内大规模发电，而且其燃料氢的来源也没有解决。正因为如此，能源危机成了当代全世界所面临的头号大问题。

发明内容

本发明的目的是为了克服目前上述发电方法存在的缺点，本发明提供一种发电方法，即在封闭的循环系统中，利用各种能量特别是低品位热源在相对低海拔处把液体工质蒸发成蒸气然后输送到相对高海拔处冷凝成液体从而建立液体工质的势能增量再利用其势能增量进行发电，其发电效率完全摆脱了热力学的卡诺循环的约束而可以人为地调节，使发电效率得到大幅度的提高，使人类低成本地利用象太阳能这样的低品位热源来大规模发电成为可能。

本发明提供的发电方法与目前公知的所有发电方法均不相同。众所周知，太阳能是地球上取之不尽的能量来源，太阳能照射到地球后，通过加热大气层的气体和地球表面的水体，使位于大气层最底层的对流层的温度呈现出规律性的变化，即随着高度的升高而温度不断降低，平均来讲，高度每增加1000米，温度下降6.5℃。可见，对流层的高海拔处蕴藏着大量的冷能，可以用来把具有合适冷凝点的蒸气冷凝成液体。在封闭的循环系统中，在相对低海拔处用能量把液体工质加热至沸并蒸发成蒸气，把这些蒸气沿着管道输送到相对高海拔处，被该处的冷能冷凝成液体，由于相对低海拔处与相对高海拔处存在海拔高度差，使液体工质的势能增加。把这些液体工质在相对高海拔处收集贮存起来，然后沿着管道流回相对低海拔处，同时推动水轮发电机组发电，即液体工质在相对高海拔处获得的势能增量转化成了电能。每完成一次这种循环，液体工质都能把在相对高海拔处获得的势能增量转化成电能，使发电过程不断持续下去。设液体工质流回到相对低海拔处时的初始温度为T₁(K)，沸点为T_b(K)，液体的比热容为C₁(KJ/KG.K)，蒸发成蒸气后的最高温度为T₂(K)，蒸发热为Hv(KJ/KG)，蒸气的比热容为C₂(KJ/KG.K)，则从热源吸收热量Q(KJ)能使质量为M(KG)的液体工质变成蒸气，有下式

Q＝MHv+MΔT₁C₁+MΔT₂C₂

即 M＝Q/(Hv+ΔT₁C₁+ΔT₂C₂)

其中 ΔT₁＝T_b-T₁，ΔT₂＝T₂-T_b

由于相对低海拔处的液体工质不断地蒸发成蒸气从而气压增高，相反，相对高海拔处的蒸气不断地冷凝成液体从而气压降低，这种压力差推动相对低海拔处的蒸气不断地、自动地上升到相对高海拔处——这跟自然条件下地表水被太阳蒸发成水蒸汽后自动上升到对流层的高处而被冷凝成雨水的过程完全一样。设相对低海拔处与相对高海拔处的海拔高度差为ΔH(m)，则获得的势能增量为

A＝MgΔH/1000 (KJ)

其中g为重力加速度，取9.81。由于这种液体工质从高处下落推动水轮发电机组发电的过程与目前的水电站发电过程相同，按水电效率η₀＝80～90％即平均效率85％来算，则发出的电能为

E＝η₀A＝0.85MgΔH/1000 (KJ)

即总的发电效率为

η＝E/Q

经代入各变量求得

η＝η₀gΔH/[1000(Hv+ΔT₁C₁+ΔT₂C₂)]

＝0.85gΔH/[1000(Hv+ΔT₁C₁+ΔT₂C₂)]

这就是本发明提供的发电方法的发电效率公式。从公式中可以看出，发电效率与相对低海拔处和相对高海拔处间的海拔高度差ΔH成正比，与单位液体工质从液态变成气态过程中吸收的热量(Hv+ΔT₁C₁+ΔT₂C₂)成反比，即海拔高度差ΔH越大，液体工质的蒸发热Hv越小，过程温差(ΔT₁+ΔT₂)越小，比热容C₁和C₂越小，则发电效率越高。显然，这跟通过热力学的卡诺循环来发电的效率要求过程温差越大才能使效率越高完全不同——本发明提供的发电方法却是过程温差越小发电效率越高，两者完全相反。正因为如此，本发电方法无须投资任何高温设备，而且可以利用低品位热源来大规模发电，这使人类低成本地利用太阳能、水体热能、空气热能来大规模发电的时代已经来临。

从本发电方法的发电效率公式可知，蒸发热Hv、比热容C₁和C₂都是液体工质的物理常数。从有机物的物性变化规律可知，分子结构中引入卤素后，Hv、C₁和C₂基本上都趋于降低，其中氟的效果最好，在相同的主链结构条件下，全氟化合物具有最低的Hv。所以可采用卤素化合物或由其构成的混合物作为液体工质，其中优选全氟烃、全氟醚、全氟叔胺或由其构成的混合物作为液体工质。当使用全氟烃做液体工质时，其过程温差(ΔT₁+ΔT₂)一般小于40℃，且数值上Hv＞＞C₁，Hv＞＞C₂，此时可把发电效率公式简化成如下

η＝0.85gΔH/(1000Hv)

如选用全氟正丁烷做液体工质时，其Hv＝88.0KJ/KG(估算值，仅相当于水的蒸发热的3.6％)，T_b＝-2℃，则不同ΔH下的发电效率见下表

ΔH(m)	1000	1500	2000	2500	3000	3500
ΔH(m)	1000	1500	2000	2500	3000	3500	η(％)	9.5	14.2	19.0	23.7	28.4	33.2
ΔH(m)	4000	4500	5000	5500	6000	6500	η(％)	9.5	14.2	19.0	23.7	28.4	33.2
ΔH(m)	4000	4500	5000	5500	6000	6500	η(％)	37.9	42.6	47.4	52.1	56.9	61.6

就拿用本发明进行太阳能发电来讲，ΔH＝1500米的发电效率就与目前太阳光伏发电的效率相当，ΔH＝2000米的发电效率就与目前常用的太阳热发电的效率相当，ΔH达到4000米时，发电效率就比目前的商业性太阳能发电的效率高1～2倍——而要使ΔH达到4000米，却是极易做到的。

ΔH的实现：本发明所述的发电方法的一个关键点就是液体工质从相对低海拔处上升到相对高海拔处所形成的海拔高度差ΔH，同时还要在相对高海拔处建立液体工质的贮存库，故目前最可行的方法是利用地球上的山的高处。众所周知，地球的表面分布着为数众多的山，高度在1000米以上的高山也数量不少，这些高山就是利用本发明所述的发电方法来建立发电厂的最佳场所。当然，采用完全人工的建筑或构筑物来实现ΔH也是可行的，比如建造1000至3000米的高塔，目前的建筑技术是可以做得到的，只不过成本太高罢了。

液体工质的蒸气在相对高海拔处被该处自然存在的冷能冷凝成液体，即相对高海拔处的液体工质除获得势能增量外，还获得了冷能。这些冷能除在从相对高海拔处下落到相对低海拔处的发电过程中被小部分损耗外，绝大部分在流回到相对低海拔处时仍然携带在液体工质中，可以让这些携带冷能的液体工质首先通过热交换-蒸发器把冷能传输给其它需要冷能的工业过程，如冷库降温、空气调节、制冰等，然后再进入下一个发电循环，这样还可以同时获得液体工质的蒸气和初始温度T₁的提高，最终使发电效率提高。当然也可以让流回到相对低海拔处的液体工质直接进入下一个发电循环。

根据前面所述，本发明提供的发电方法包括以下的过程：选择具有合适沸点的物质作为液体工质，把液体工质放进封闭的循环系统中，在相对低海拔处用能量把液体工质加热至沸使之变成蒸气，产生的蒸气沿管道输送到相对高海拔处，这些蒸气在相对高海拔处被该处自然存在的冷能冷凝成液体并收集在储存库中从而获得势能增量和冷能，然后让液体工质从相对高海拔处沿管道流回相对低海拔处，同时推动水轮发电机组发电，使其所获得的势能增量转化成电能；流回到相对低海拔处的液体工质可以通过热交换-蒸发器把冷能传输给其它需要冷能的工业过程后再进入下一次循环或直接进入下一次循环而不断发电；当相对低海拔处与相对高海拔处间的海拔高度差很大时，可以按照一定的落差进行梯级发电；液体工质在循环过程中流经的所有地方均是封闭性的，即整个系统是一个封闭的循环系统。

采用本发明所述的发电方法进行发电具有下面的优点：

(1)容易提高发电效率：由于本发电方法的发电效率完全不受热力学的卡诺循环的限制，而只与海拔高度差ΔH成正比，与液体工质的汽化吸热(Hv+ΔT₁C₁+ΔT₂C₂)成反比，所以只要选择更高的山使ΔH足够大，选择合适的液体工质使汽化吸热(Hv+ΔT₁C₁+ΔT₂C₂)降低，就可以极其方便地提高发电效率。

(2)容易利用低品位热源进行大规模发电：由于本发电方法的过程温差越小，发电效率越高，即与通过热力学的卡诺循环的发电方法正好相反，从而可以利用象太阳能、水体热能、空气热能等低品位热源进行高效率的大规模发电，使困扰全世界的能源危机得到彻底的解决。

(3)环保：由于本发电方法可以无需用化石燃料而只需用太阳能、水体热能、空气热能等热源就能大规模地发电，而且由于整个系统是全封闭运行的，所以不会外排任何污染环境的物质，是一种极其环保、绿色的发电方式。

(4)单位功率的投资低：本发电方法在发电过程中没有锅炉和高温的蒸气，也不需要昂贵的太阳能电池板，更不需要太阳热发电中昂贵而技术复杂的聚焦集热器，仅仅需要普通的热交换器和简单的太阳能集热器、输送管道、水轮发电机组，也无需大型、大量的厂房等建筑物，所以单位功率的投资低。

(5)每KWh电能的发电成本低：一方面由于单位功率的投资低而使每KWh电能的折旧费低，另一方面由于其原料是完全免费的太阳能、水体热能、空气热能等，还有就是由于过程简单易于实现自动化控制而人力和管理成本也低，最终使每KWh电能的发电成本降低。

(6)可以免费获得大量冷能：液体工质从相对高海拔处获得的大量冷能是本发电方式的一种副产品，这些冷能可以用于其它工业过程。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的说明。

下面所有实施例是根据所选择的山的高度来选择具有合适沸点的液体工质，因为如果山的海拔高度比较低，根据每升高1000米温度降低6.5℃的规律，则液体工质的沸点低于山顶的温度时，工质蒸气会难以冷凝成液体，从而无法实现发电的目的。即要求液体工质的沸点要高于山上相对高海拔处的温度——同时还要考虑山上的昼夜温差和季节温差。

实施例1 利用本发明进行太阳能-空气热能发电

选择海拔5300米的高山建发电厂，山上终年积雪，全年的气温都低于-2℃，山脚至山顶的海拔高度差约4500米，根据此条件，选用全氟正丁烷作为液体工质，其沸点为-2℃，25℃时蒸气压为2010mmHg。每个蒸发池的规格为2000×3000mm，池的底部和侧面由钢筋混凝土制备，厚度5CM，同时预埋进液管、排液管、排气管的接头和顶部玻璃紧固件，池的内底面铺上一层约3CM厚的黑矿砂作为吸热材料；池的长边中的一边内净高20CM，另一边的内净高为30CM，形成倾斜状态以便清洗和自洁；池的顶部用中空玻璃盖住，中空玻璃由两块平板钢化玻璃贴合而成，中空部分是干燥无水分的空气，使玻璃的外侧面不会因内外温差大引起结霜露而阻挡阳光的入射，用胶粘剂把中空玻璃与池身粘合并用玻璃紧固件压紧；把蒸发池水平地安装在离地面50CM高处以便底部通风透气，再接上进液管、排液管、排气管并分别安装开关；可以把多个这种蒸发池并联起来工作以增大发电规模。把上送管道与排气管连接起来，上送管道在达到温度会足以引起蒸气冷凝液化处开始包裹保温层以免在未达到相对高海拔处前被冷凝液化；上送管道到达相对高海拔处后与冷凝器连接，可以多个冷凝器并联在一起工作；冷凝器的出口管接到贮存库中；贮存库的底部引出下送管，全部下送管外面包裹保温层以免下落过程中温度升高引起汽化使压力太大，而且下送管每隔一段距离在管壁安装一个自动泄气阀，以便超压时自动减压，自动泄气阀的泄气管口与旁边的上送管道相连；由于落差接近4500米，按每500米落差设立一台有机物水轮发电机组；下送管到达相对低海拔处后通过热交换-蒸发器把冷能传输给设立在蒸发池旁边的冷库后再与蒸发池的进液管连接，形成一个封闭的循环系统。把系统连接起来后，试抽真空以检查漏气点并重新密封直至完全不漏气。把系统抽真空，再把液体工质全氟正丁烷放进蒸发池中，液体工质的高度维持在5CM；在白天，蒸发池的顶部接受太阳能，侧面和底部接受空气热能而使液体工质汽化；到晚上，则全部接受空气热能而使液体工质汽化；蒸气沿上送管道输送到相对高海拔处后被冷凝器冷凝成液体，流入贮存库中，再从贮存库底部流入下送管而流回相对低海拔处，同时推动安装在下送管中的多台水轮发电机组发电；液体工质通过热交换-蒸发器把冷能传输给设立在蒸发池旁边的冷库后再回到蒸发池然后进入下一个循环而不断地发电。

实施例2 利用本发明进行水体热能发电

选择海拔5500米的高山建发电厂，山上终年积雪，全年的气温都低于-2℃，山脚至山顶的海拔高度差约4700米，山脚下有一条年均流量1000立方米/秒的河流，根据此条件，选用全氟正丁烷作为液体工质，其沸点为-2℃，25℃时蒸气压为2010mmHg。用热交换器作为蒸发器，在热交换器的底部连接进液管，顶部连接排气管并浸入河流流动的水体中，可以多个蒸发器并联工作以增大发电量；把蒸发器的排气管与上送管道连接起来，上送管道在达到温度会足以引起蒸气冷凝液化处开始包裹保温层以免在未达到相对高海拔处前被冷凝液化；上送管道到达相对高海拔处后与冷凝器连接，可以多个冷凝器并联在一起工作；冷凝器的出口管接到贮存库中；贮存库的底部引出下送管，全部下送管外面包裹保温层以免下落过程中温度升高引起汽化使压力太大，而且下送管每隔一段距离在管壁安装一个自动泄气阀，以便超压时自动减压，自动泄气阀的泄气管口与旁边的上送管道相连；由于落差接近4700米，按每500米落差设立一台有机物水轮发电机组；下送管到达相对低海拔处后再与蒸发器的进液管连接，形成一个封闭的循环系统。把系统连接起来后，试抽真空以检查漏气点并重新密封直至完全不漏气。把系统抽真空，再把液体工质全氟正丁烷放进蒸发器中，液体工质的高度维持在蒸发器净内高的2/3；不管白天还是晚上，由于河流水体的温度都比液体工质的沸点高，都能持续不断地使液体工质汽化；蒸气沿上送管道输送到相对高海拔处后被冷凝器冷凝成液体，流入贮存库中，再从贮存库底部流入下送管而流回蒸发器，同时推动安装在下送管中的多台水轮机组发电；液体工质再进入下一个循环而不断地发电。水体热能发电的潜力估算如下

假设水温仅仅降低1℃，发电效率为35％，则发出的电力为

E＝4.2KJ/KG.K×1000×1000KG/s×1K×35％＝147万KW

比在该河流建造一座水头为100米的水电站发出的电力

E＝0.85×9.81×1000立方米/s×100m＝83.4万KW

还多得多，所以我们绝不能忽视水体热能，而且水体热能不受白天和黑夜的限制，地球上的水体量更是极其庞大。

从本质上来讲，空气热能和水体热能都来源于太阳能，所以上述两个实施例从本质上来讲都是利用太阳能发电。正是有了本发明提供的这种发电方法，将使人类进入真正廉价地、大量地利用太阳能的时代，困扰全世界的能源危机问题也将不复存在，由于利用化石能源而导致的严重环境污染问题也将迎刃而解。

Claims

1.一种发电方法，其特征是包括如下过程：选择具有合适沸点的物质作为液体工质，把液体工质放进封闭的循环系统中，在相对低海拔处用能量把液体工质加热至沸使之变成蒸气，产生的蒸气沿管道输送到相对高海拔处，这些蒸气在相对高海拔处被该处自然存在的冷能冷凝成液体并收集在储存库中从而获得势能增量和冷能，然后让液体工质从相对高海拔处沿管道流回相对低海拔处，同时推动水轮发电机组发电，使其所获得的势能增量转化成电能；流回到相对低海拔处的液体工质可以通过热交换-蒸发器把冷能传输给其它需要冷能的工业过程后再进入下一次循环或直接进入下一次循环而不断发电。

2.根据权利要求1所述的一种发电方法，其特征是：本发电方法的发电效率η可以用下式表示

η＝η₀gΔH/[1000(Hv+ΔT₁C₁+ΔT₂C₂)]

其中η₀为水轮发电机组的发电效率；g为重力加速度，取9.81；ΔH为相对高海拔处与相对低海拔处的海拔高度差，单位为m；Hv为液体工质的蒸发热，单位为KJ/KG；ΔT₁为在相对低海拔处的液体工质的沸点T_b(K)与初始温度T₁(K)之差，单位为K；ΔT₂为在相对低海拔处的液体工质蒸发成蒸气后的最高温度T₂(K)与沸点T_b(K)之差，单位为K；C₁为液体工质的液体比热容，单位为KJ/KG.K；C₂为液体工质的蒸气比热容，单位为KJ/KG.K。

3.根据权利要求1所述的一种发电方法，其特征是：被选择作为液体工质的物质是卤素化合物或由其构成的混合物，优选全氟烃、全氟醚、全氟叔胺或由其构成的混合物作为液体工质。

4.根据权利要求1所述的一种发电方法，其特征是：液体工质的过程温差(ΔT₁+ΔT₂)越小，发电效率越高。

5.根据权利要求1所述的一种发电方法，其特征是：本发电方法是利用液体工质在相对低海拔处吸收能量后蒸发成蒸气并上升到相对高海拔处而被该处自然存在的冷能冷凝成液体并且获得势能增量，液体工质再从相对高海拔处流回相对低海拔处同时推动水轮发电机组发电，使获得的势能增量转化为电能。

6.根据权利要求1所述的一种发电方法，其特征是：当相对低海拔处与相对高海拔处间的海拔高度差很大时，可以按照一定落差进行梯级发电。

7.根据权利要求1所述的一种发电方法，其特征是：液体工质在循环过程中流经的所有地方均是封闭性的，即整个系统是一个封闭的循环系统。

8.根据权利要求1所述的一种发电方法，其特征是：从相对高海拔处流回到相对低海拔处的液体工质可以通过热交换-蒸发器把所获得的冷能传输给其它需要冷能的工业过程后再进入下一次循环而不断发电，使这些冷能得到充分利用。

9.根据权利要求1所述的一种发电方法，其特征是：相对高海拔处可以是自然存在的山的高处，也可以是人工建造的建筑或构筑物，优选自然存在的山的高处作为相对高海拔处。