CN1810656A

CN1810656A - 利用空气能，太阳能发电，海水淡化的方法及装置

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Publication number: CN1810656A
Application number: CNA2005100027999A
Authority: CN
Inventors: 孟英志
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2005-01-28
Filing date: 2005-01-28
Publication date: 2006-08-02

Abstract

利用空气能太阳能发电，海水淡化的方法及装置，本发明属新能源开发利用和海水淡化技术领域。其主要由：冷凝系统，空气能加热系统，太阳能加热系统，低沸点工质发电系统组成。利用冬天北方地区空气温度低，建造储冰库用于储存冷能的方法，与夏天气温较高相结合，利用温差能，太阳能发电及海水淡化的方法。利用我国温热带地区白天气温高，阳光充足的条件，可采用江，河，湖，井，海水进行冷凝的温差能发电的方法及装置。在昼夜温差大的地区，可采用夜间给水降温，白天气温较高，与太阳能结合，给水升温的利用昼夜温差能发电的方法及装置。本发明提出了多种不同的加热方法与冷凝方法，可根据具体气候条件，作自由组合，均可达到发电的目的。

Description

利用空气能，太阳能发电，海水淡化的方法及装置。

本发明属新能源开发利用及海水淡化领域。本发明提出了利用冬季储冰，夏季气温较高(空气中含有无穷无尽的能量)，利用空气与冰的温差能发电的方式，开创了一种新的能源利用方式(暂且定义为冷能)，属国际首创。

由于传统的燃料能源一天天的减少，对环境造成的危害日益突出，发展新型，洁净，可再生能源的时代已经来临。许多国家都进行着这方面的研究和开发。而我国更是能源需求大国。因此，开发利用新型洁净能源更是具有重大的现实意义。

与本发明临近的技术，是“太阳池热发电系统”(引自《新能源发电技术》中国电力出版社)。太阳池实质上是一个含盐量具有一定浓度的盐水池。池上部保有一层较轻的新鲜水，底部为较重的盐水，使在沿太阳池的竖直方向维持一定的盐度梯度。太阳光的可见光和紫外线部分可以透过几米深的清净水，这部分辐射能量将被池的深色底部吸收。由于净水体是一个很好的有效绝热体，因此，良好设计的太阳池的最底层的水，由于不断吸热而可能沸腾。必须尽量避免这种沸腾，这是因为池底水一旦沸腾，将毁坏池内稳定的密度梯度。所以，在设计用于各种太阳热利用和热发电的太阳池时，必须做到既能有效的进行大量有用热的转移，而又可切实避免池底水沸腾。

太阳池面积通常有1ha大小，不能采用不同工质的热交换管网进行换热。热力学原理指出，流体层可以从池底缓慢移走而不扰乱水体主体。这样就可以用泵从池底抽出被加热的盐水，通过热交换器换热后，再送回池底。由于回流的流体比抽出的流体温度低，因此能够做到将加热的盐水从池底抽出，同时维持池内所需要的密度梯度而不致扰动太阳池正常工作。

应用太阳池的上述特性，将天然盐水湖建成太阳池，就是一个巨大的平板太阳集热器。利用它吸收太阳能，再通过热交换器加热低沸点工质产生过热蒸汽，驱动汽轮发电机组发电，这就是太阳池热发电的原理。

以色列奥尔马特汽轮机公司在美国加州冬圣伯纳第诺地区一个干涸湖泊上建筑了世界上最大的太阳池发电站，其总净发电功率为48MW，第一组12MW机组与1985年投入运行，整座电站于1987年12月投入运行。

这座电站有四个盐水湖，每个面积48*1000平方米，池深3.6-4.8米，可供1-2组汽轮发电机组发电。池底的浓盐水被太阳光加热后，温度可达93.3度。用泵将浓盐水抽出，通过热交换器加热氟里昂，使之汽化，产生过热蒸汽，驱动低沸点工质汽轮发电机组发电。汽轮机排出的蒸汽经凝汽器凝结后，返回热交换器再进行加热。系统运行温度可达82.2度。该电站由奥尔马特公司设计，建造和经营，产生的电能卖给加州爱迪生电网。

目前此技术属于开发示范应用阶段。由于建造太阳池需要一定的地域限制，只能在沿海或盐水湖地区建造，且技术难度较高，适宜大容量并网发电。

另外与本发明临近的技术是本人提出的“利用太阳能发电的方法及装置”(专利申请号为：200410068900.6)。本发明是在上述发明基础上增加了最新的研究成果。本发明的目的在于创造一种可广泛应用的新型环保能源。

众所周知，当水凝结成冰时，需要放出热量，而当冰熔化为水时，需要吸收热量，而冰与水在温度升高或降低时，都伴随着能量的转移。而冰是一种广泛存在且易于储存的物质。因此，储存了冰就相当于储存了能量。由热力学第二定律我们知道：(从单一热源吸收热量而全部转化为有用功的机械称为第二类永动机)。第二类永动机是不可能造成的。因此，若想有效的利用空气中的热能作功，就必须有与之相对应的低温物质来配合。我们在这里做一简单计算：由物理学可知，1千克冰熔化为水所需热量为335KJ，而1千克-20℃的冰温度升高至0℃，所需热量为42KJ，而1千克水由0℃升至20℃所需热量为84KJ。假设我们取工作区间为-20℃冰至20℃水，则：若使1千克-20℃冰升温变成20℃的水，所需热量约为：335KJ+42KJ+84KJ＝461KJ。对比一下，燃烧1千克标准煤所放出的热量为：29000KJ。用29000KJ除以461KJ，可得出：29000/461＝62.9，也即：用62.9千克冰吸收的热量，相当于1千克煤燃烧时放出的热量，也即：储存62.9千克的冰所得的冷能相当于得到1千克的煤的能量价值。若建造一个10000米*10000米*50米的储冰库，则相当于得到了一个储量为：79491255吨的煤矿。同理，若建造一个100000米*10000米*50米的储冰库，则相当于得到了一座储量将近8亿吨的大型煤矿。而我国东北地区幅员辽阔，寒冷季节漫长，可以得到无穷无尽的冷能量。若在沿海地区，则可引海水制冰储存，即可得到能量，也可在发电的同时，将冰熔化为淡水。(海水冷冻后，结冰部分为淡水，而所剩海水部分浓度变大。)从而解决海水淡化的问题。

本发明根据不同的气候条件及地区特点，可以有如下不同的方法及装置组成。

方法一：根据我国北方地区寒冷季节长，可制储冰量大的特点，可采用图(二)及图(三)，图(四)图(六)所示原理图方式。

本发明的装置主要有：(图三)制冰池(25)，制冰池的上部有一入水阀(26)，底部有一排水阀(27)。制冰池(25)可选一低洼坑地，四周由防渗水防冻材料制成。(图四)储冰库(28)，可在地底挖一大型仓库，或选一低洼坑地，四周选用保温防冻材料建造，底部造一热交换室安放冷凝器(31)，其上部有一通气阀(29)，底部有一排水阀(30)。

(图二)空气能蒸发器(17)由金属散热材料构成，连通管道(18)，(19)，(18)的上部有一抽气阀(34)，(34)连接一真空泵(33)，空气能冷凝器(21)由金属散热材料构成，储水箱(20)，(20)的上部有一入水阀(23)，底部有一出水阀(22)。

(图六)太阳能箱组(1)为一组箱体由保温材料制成，内表面由黑色吸光材料(黑色塑料等)制成，顶部由双层真空玻璃(或高透光多层内充气塑料薄膜)密封而成。倾角由所在地区纬度不同而定，以太阳光垂直射入安放为佳。内装高透光塑料水袋(2)，(2)的上部有入水阀(6)和放气阀(5)，下部有出水阀(3)组成，如此结构可使太阳光透过(2)，直射底部吸光材料，由底部向上加热，热效率可比真空管式太阳能热水器提高20％以上，且成本造价可大幅度降低。若独立使用，即可作为太阳能热水器使用。(2)采用软体透明塑料袋为盛水材料，优点是可有效防止水的结垢，并使材料更换成本很低。出水阀(3)由出水管道(4)与保温水箱(7)相连，(7)由保温，密闭，防水材料构成，底部一侧垫高，可使降温后的冷水容易由放水阀(16)排出。保温水箱(7)可设计一个备用箱，用来多储存热水以备夜晚或无阳光天气使用。保温水箱(7)内装有低沸点工质蒸发器(8)，(8)内装有液态低沸点工质(氨，氟里昂，二氧化碳)，(8)由金属散热材料制成。(8)通过管道与汽轮机(10)连接，(10)联带发电机(9)，汽轮机(10)的出气口通过管道与储冰库(28)内的冷凝器(31)连接，冷凝器(31)与水泵(12)连接，泵(12)与蒸发器(8)连接。在保温水箱(7)内放置一热交换器(36)，与外面的热泵(35)相连，以备阴雨天气及夜晚无阳光时使用。

本发明的工作过程如下。(图三，图四)先将放水阀(27)关闭，将水由入水阀(26)引入制冰池(25)。若在沿海地区，最好使用海水。由于天气寒冷，水面部分开始结冰，待达到一定的程度后将上层冰取走，放入储冰库(28)中，上层水继续结冰，取走。如此循环。若使用海水，则每取一层冰，海水盐浓度增大一些，待达到一定浓度后，打开放水阀(27)，将浓海水排走，重新引入海水，继续工作。也可就近取采江，河，湖，海中的天然冰，或天上下的雪，直接放入储冰库中储存。此时储冰库中通风阀(29)，放水阀(30)都为关闭状态。待储冰库满后，顶部盖以保温，防冻材料封存。待天气温度达到25℃以上时，即可启用。

(图二)将出水阀(22)关闭，将水经入水阀(23)注满储水箱(20)。由(17)，(18)，(34)，(33)，(21)，(19)组成一密闭循环系统。其工作过程为：使(17)的底部低于(21)的底部，在(17)的底部预先放入0℃的水，(或酒精。)打开抽气阀(34)，启动真空泵(33)，将系统抽为真空，使其真空度高于0.023MPa，关闭抽气阀(34)及真空泵(33)。由物理学可知，水在低压下，沸点降低。在0.023MPa的压力下，沸点为20℃。当外界温度高于20℃时，(17)内的水吸收热量，迅速开始沸腾。低压蒸汽经过(18)进入空气能冷凝器(21)内，与储水箱(20)内的水交换热量，(蒸汽温度高于水温)蒸汽放出热量，重新被冷凝为水，经管道(19)流回(17)。而储水箱(20)内的水，吸收热量温度升高。由电风扇(24)不断将热的空气吹向(17)，使(17)内的水吸热沸腾，如此循环，直至(20)内的水温与(17)内的蒸汽与外界高温空气温度达到一致，工作循环停止。此为水的初级预热阶段。(17)内的工作介质可以是水，也可以是酒精和其他有此种特性的低沸点工质。用此方法给水预热，其优点是加热速度快，空气能量是无穷无尽的，可快速收集大量的能量。尤其当夏季空气气温高达35℃以上时，此方法非常有效，且占地面积小。而利用太阳能则需要占用很大的场地。此方法与太阳能结合，用太阳能加热器进一步提高预热后的水温，则可大大提高太阳能的工作效率。

将储水箱(20)内预热后的水经出水阀(22)接入(图六)入水阀(6)，注入太阳能箱组(1)内的高透光塑料水袋(2)中，关闭放水阀(3)，并同时打开放气阀(5)，待(2)中水注满后，关闭(5)，(6)。待高透光塑料袋(2)中的水经太阳能加热至45℃以上时，即可打开出水阀(3)和放气阀(5)，待热水注入保温水箱(7)内，蒸发器(8)内的液态低沸点工质经热水加热后，吸收热量，迅速汽化，产生高压蒸汽，推动汽轮机(10)带动发电机(9)发电，然后蒸汽进入冷凝器(31)中，在储冰库中的冰水作用下冷凝成液态，再由泵(12)重新排入蒸发器(8)，进行下一循环工作。储冰库(28)内大量的冰经吸热后，温度逐渐上升，最终熔化为水，低温水仍可继续使用，直至达到20℃时，可打开通风阀(29)，放水阀(30)，经泵排出，回收利用。若冰由海水冻成，则熔化后即可作为含盐量很低的淡水使用，从而达到海水淡化的目的。

保温水箱(7)内的热水，在工作一段时间后，温度降低，沉入箱底，由放水阀(16)排出，送回储水箱(20)内(图二)，继续加热，循环使用。如此，热水不断流入，以使系统源源不断提供电能。

当阴雨天气情况下，或夜间保温水箱(7)内热水不足时，可启动热泵(35)，通过热交换器(36)加热(7)内的热水，以维持系统继续工作。或当气温高于冷凝系统的温度时，也可单独通过热泵，加热(7)内的热水，与(8)，(9)，(10)，(12)，(28)，(29)，(30)，(31)建立独立发电系统。但此法需消耗一定的电能，当气温较高时，生产的电能可以大于消耗的电能。

本发明还有另一简单方法(图五)。即直接由电风扇(32)将热空气吹向低沸点工质蒸发器(8)，使(8)内的液态低沸点工质吸收热量，迅速汽化，产生高压蒸汽，推动汽轮机(10)，带动发电机(9)发电，然后蒸汽进入冷凝器(31)中冷凝成液态，再由泵(12)重新排入蒸发器(8)，进行下一循环工作。

另外，利用储冰库冷凝系统与“太阳池热发电系统”相结合，可制成：“太阳池—储冰库，热—冷发电系统”。可很大提高“太阳池热发电系统”的热利用效率。

利用储冰库冷凝系统可与任意加热方式相组合，构成“冷—热发电系统”。均可提高其工作效率。

方法二：根据我国温热带地区气候条件，夏季温度高，冬季气温也高，无冰可储的条件，可采取(图一)，(图二)所示原理图方式：将方法一中的储冰库及冷凝系统，(图六，储冰库(28)，通风阀(29)，排水阀(30)，冷凝器(31))换为另一套冷凝系统，(图一，冷凝水箱(13)，入水阀(14)，出水阀(15)，冷凝器(11))冷凝水可选取就近水源，(江，河，湖，井，海水，18-20度)作为冷凝循环水。如果在夜间，气温低于18℃-20℃时，就将水盛入散热器中放凉，降温，待白天作为冷凝循环水使用。(此方法在昼夜温差大的地区非常有效)利用白天气温高，加热热水，夜晚气温低，储存冷水用于发电的方式，此为昼夜温差能发电方法。

本方法工作过程如下(图二)：将出水阀(22)关闭，将水经入水阀(23)注满储水箱(20)，启动空气能加热系统((17)，(18)，(24)，(33)，(34)，(21)，(19))将水预热，然后将预热后的水注入(图一)高透光塑料袋(2)中，经太阳能进一步加热至45℃以上时，(由于我国南方地区气温较高，阳光充足，通常可将水加热至80℃以上)注入保温水箱(7)内，蒸发器(8)内的液态低沸点工质经热水加热后，吸收热量，迅速汽化，产生高压蒸汽，推动汽轮机(10)，带动发电机(9)发电，然后蒸汽进入冷凝器(11)中，在冷凝水作用下，冷凝成液态。再由泵(12)重新排入蒸发器(8)中，进行下一循环工作。冷凝水由入水阀(14)进入，由出水阀(15)排出，进行循环工作。保温水箱(7)内的热水，在工作一段时间后，温度降低，沉入箱底，由放水阀(16)排出，送回储水箱(20)中循环使用。如此，热水不断流入，以使系统源源不断提供电能。

当阴雨天气情况下，或夜间保温水箱(7)内热水不足时，可启动热泵(35)，通过热交换器(36)加热(7)内的热水，以保持系统继续工作。或当气温高于冷凝系统的温度时，也可单独通过热泵，加热(7)内的热水，与(8)，(9)，(10)，(11)，(12)，(13)，(14)，(15)，建立独立发电系统。但此法需消耗一定的电能，当气温较高时，生产的电能可以大于消耗的电能。

本发明还有另一简单方法。即直接由电风扇(32)将热空气吹向低沸点工质蒸发器(8)，使(8)内的液态低沸点工质吸收热量，迅速汽化，产生高压蒸汽，推动汽轮机(10)，带动发电机(9)发电，然后蒸汽进入冷凝器(11)中冷凝成液态，再由泵(12)重新排入蒸发器(8)，进行下一循环工作。

另外，本发明可在寒冷地区制冰，运至温热带缺淡水地区用于发电，既解决了能源问题，又解决了淡水资源问题。

本发明提出了多种不同的加热方式与冷凝方式，可根据具体气候条件，作自由组合，均可达到发电的目的。

本发明提出了冬储冰的方法用来发电，建造储冰库储存冷能，开创了新能源利用的一个崭新领域，开发了一种取之不尽，用之不竭的能源，为新能源的利用开创了一个广阔的前景。

本发明首创了空气能加热系统(图二)。((17)，(18)，(33)，(34)，(21)，(19))使得快速收集空气中蕴涵的能量成为可能。为有效的利用空气中所含的无穷无尽的能量提供了一种新的方法。

本发明首次提出了利用昼夜温差能发电的全新的方法。

本发明采用热水箱组进行加热，有效的解决了不同水质的结垢问题给设备带来的不便。

本发明不受任何地域条件的限制，并给出了不同地域条件的最佳组合发电方式。可小规模单独发电，也可大容量并网发电且简单易行。

本发明以空气能，太阳能，昼夜温差能为能源，无污染，运行成本极低，且有无限资源，是发展洁净能源的理想方法。

附图说明：

本发明的原理示意图：

图一：(1)太阳能箱组；(2)高透光塑料水袋；(3)出水阀；(4)出水管道；(5)放气阀；(6)入水阀；(7)保温水箱；(8)低沸点工质蒸发器；(9)发电机；(10)汽轮机；(11)冷凝器；(12)泵；(13)冷凝水箱；(14)入水阀；(15)出水阀；(16)出水阀；(35)热泵；(36)热交换器。

图二：(17)空气能蒸发器；(18)连通管道；(19)连通管道；(20)储水箱；(21)空气能冷凝器；(22)出水阀；(23)入水阀；(24)电风扇；(33)真空泵；(34)真空抽气阀。

图三：(25)制冰池；(26)入水阀；(27)出水阀。

图四：(28)储冰库；(29)通风阀；(30)放水阀；(31)冷凝器。

图五：(8)低沸点工质蒸发器；(9)发电机；(10)汽轮机；(12)泵；(28)储冰库；(29)通风阀；(30)放水阀；(31)冷凝器；(32)电风扇。

图六：(1)太阳能箱组；(2)高透光塑料水袋；(3)出水阀；(4)出水管道；(5)放气阀；(6)入水阀；(7)保温水箱；(8)低沸点工质蒸发器；(9)发电机；(10)汽轮机；(12)泵；(16)出水阀；(28)储冰库；(29)通风阀；(30)放水阀；(31)冷凝器；(35)热泵；(36)热交换器。

Claims

1.利用空气能，太阳能发电，海水淡化的方法及装置。

将预热后的水经出水阀(22)接入(图六)入水阀(6)，注入太阳能箱组(1)内的高透光塑料水袋(2)中，关闭放水阀(3)，并同时打开放气阀(5)，待(2)中水注满后，关闭(5)，(6)。待高透光塑料袋(2)中的水经太阳能加热至45℃以上时，即可打开出水阀(3)和放气阀(5)，待热水注入保温水箱(7)内，蒸发器(8)内的液态低沸点工质经热水加热后，吸收热量，迅速汽化，产生高压蒸汽，推动汽轮机(10)带动发电机(9)发电，然后蒸汽进入冷凝器(31)中，在储冰库中的冰水作用下冷凝成液态，再由泵(12)重新排入蒸发器(8)，进行下一循环工作。储冰库(28)内大量的冰经吸热后，温度逐渐上升，最终熔化为水，低温水仍可继续使用，直至达到20℃时，可打开通风阀(29)，放水阀(30)，经泵排出，回收利用。若冰由海水冻成，则熔化后即可作为含盐量很低的淡水使用，从而达到海水淡化的目的。

本方法工作过程如下：将出水阀(22)关闭，将水经入水阀(23)注满储水箱(20)，启动空气能加热系统((17)，(18)，(24)，(33)，(34)，(21)，(19))将水预热，然后将预热后的水注入(图一)高透光塑料袋(2)中，经太阳能进一步加热至45℃以上时，(由于我国南方地区气温较高，阳光充足，通常可将水加热至80℃以上)注入保温水箱(7)内，蒸发器(8)内的液态低沸点工质经热水加热后，吸收热量，迅速汽化，产生高压蒸汽，推动汽轮机(10)，带动发电机(9)发电，然后蒸汽进入冷凝器(11)中，在冷凝水作用下，冷凝成液态。再由泵(12)重新排入蒸发器(8)中，进行下一循环工作。冷凝水由入水阀(14)进入，由出水阀(15)排出，进行循环工作。保温水箱(7)内的热水，在工作一段时间后，温度降低，沉入箱底，由放水阀(16)排出，送回储水箱(20)中循环使用。如此，热水不断流入，以使系统源源不断提供电能。

本发明首次提出了利用昼夜温差能发电的全新的方法。

2.按照权利要求1所述：其特征是，本发明首创了用冰来储存冷能(人类从此将得到无穷无尽的能源，且极易收集并储存，价格低廉)，用于冷凝系统，可与任意加热方式相组合，(例如，太阳能箱组，空气能加热系统，太阳池加热海水系统)构成冷—热发电系统进行发电的方法及装置。

3.按照权利要求1所述：其特征是，根据不同的气候条件，可采用江，河，湖，井，海水以及利用夜晚低气温将水降温的方式进行冷凝的方法及装置。

4.按照权利要求1所述：其特征是，空气能加热系统，是由空气能蒸发器(17)连通管道(18)，(19)，电风扇(24)，真空抽气阀(34)，真空泵(33)，空气能冷凝器(21)组成。整个系统内抽为真空。且(17)的底部低于(21)的底部。(17)内的工作介质可以是水，也可以是酒精和其他具有此种特性的低沸点工质。

5.按照权利要求1所述：其特征是，太阳能加热系统是由太阳能箱组构成的。太阳能箱组(1)为一组箱体由保温材料制成，内表面由黑色吸光材料制成，顶部由双层真空玻璃或高透光多层内充气塑料膜构成，内装高透光水袋(2)，倾角以太阳光垂直射入为佳。其优点为热效率高且可有效防止不同水质的结垢且成本低廉。太阳能箱组(1)单独使用，可作为太阳能热水器使用。

6.按照权利要求1所述：其特征是，可以采用空气能和太阳能系统先将水加热，再用热水加热低沸点工质蒸发器产生高压蒸汽进行发电的方法及装置，也可以采用直接将热的空气吹向低沸点工质蒸发器加热产生高压蒸气进行发电的方法及装置。

7.按照权利要求1所述：其特征是可在寒冷地区制冰，运至温热带缺淡水地区用于发电，既能解决能源问题，又能解决淡水资源问题。

8.按照权利要求1所述：其特征是，本发明提出了多种不同的加热方法与冷凝方法，可以根据具体气候条件，从中作自由组合选取而形成不同的方法与装置，均可达到发电的目的。