WO2016078566A1 - 超临界流体动力系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

超临界流体动力系统，包括填充有超临界流体态工质的动力循环回路（10），动力循环回路（10）包括连通的第一压力容器（11）、第二压力容器（12），以及设于两压力容器之间的被驱动部（13）；还包括热源（20）、冷源（30），热源（20）用于向一个压力容器中的工质提供热能，冷源（30）用于对另一个压力容器中的工质进行冷却，以在两压力容器之间形成压力差；工质在压力差的作用下在两压力容器之间流动，并流经被驱动部（13），以向被驱动部（13）提供动力。本动力系统通过对超临界流体态工质的加热、冷却来替代传统的增压泵形成压力差，通过交替热源、冷源作用的压力容器，可以在两者之间循环制造压力差，实现动力的再循环。

Description

超临界流体动力系统及其控制方法

本申请要求2014年11月19日提交中国专利局、申请号为201410662447.5、发明名称为“一种超临界高效发电系统”的中国专利申请的优先权，其全部内容通过引用结合在本申请中。

技术领域

本发明涉及一种超临界流体动力系统及其控制方法，特别是超临界流体发电系统。

背景技术

众所周知，目前，所谓发电主要是利用发电动力装置将石化燃料(煤、油、天然气)的热能、核能等转换为用以供应国民经济各部门与人民生活之需的电能的生产过程。然而，石化燃料能会产生大量二氧化碳，从而加剧地球温室效应，而核能则面临着原料来源及环境保护的巨大挑战。

为此，本领域技术人员开始逐渐采用太阳能、风能、地热能、水能(包括海洋能)等清洁能源进行发电。然而，太阳能、风能受气候条件影响巨大，而地热能和水能(包括海洋能)同样受到苛刻的地理条件影响而无法大面积推广，而且长期开发海洋能容易造成生态灾难。

因此人类急需一种能广泛采集到且廉价的能量来源，于是无处不在的空气以及海洋、湖泊、江河进入了业内人士的视线。由于地球表面一切能量来源基本都来自于太阳(火山爆发的能量相对弱小，可忽略不计)，因此，太阳光线带来的能量无时不刻地加热着空气和海洋、湖泊、江河。如果能把这部分能量提取出来为人类所用，那将不再有二氧化碳的排放问题，也不再有生态灾难之虑以及资源的稀缺问题，更不会再受到气候条件以及地理条件的限制。

为此，业内人士逐渐开发出多种利用空气或液体发电的装置，从 而利用空气或液体热能使容器内液态低沸点工质气化，进而利用其中产生的高压蒸汽通过汽轮机带动发电机发电。然而，目前此类装置基本上都需要通过制冷压缩机和增压泵等实现工质的液化回收，其问题在于，一方面，由于制冷需要面对巨大的液化潜能，因此采用制冷压缩机来液化工质根本不可行；另一方面，即使有现成的冷源但采用增压泵将液态工质重新打入到高压区根本入不敷出，从而造成装置的整体效率过低无法进入实质应用。另外，此类装置对工作条件也有特殊要求，即需要存在温差且温差越大越好，在无温差情况下便无法工作。鉴于上述情况，目前需要对上述这种发电装置进行改进，以提高发电效率并最终实现全天候、全地域、全时段、无温差条件下亦可以发电。

发明内容

本发明解决的问题是现有发电装置的发电效率低且需要温差，无法实现全天候、全地域、全时段、无温差条件下发电。

为解决上述问题，本发明提供一种超临界流体动力系统，包括填充有工质的动力循环回路，所述工质在所述动力循环回路中流动时始终为超临界流体；

所述动力循环回路包括：第一压力容器、第二压力容器，以及被驱动部，所述被驱动部设于所述第一压力容器、第二压力容器之间，并同时与所述第一压力容器、第二压力容器连通；

所述超临界流体动力系统还包括热源、冷源；所述热源用于向所述第一压力容器、第二压力容器的其中一个中的工质提供热能，以增加对应压力容器中的压力，所述热源输出的温度大于所述工质的临界温度；所述冷源用于对所述第一压力容器、第二压力容器的另一个中的工质进行冷却，以减小对应压力容器中的压力；

所述热源、冷源相互配合以在所述第一压力容器、第二压力容器之间形成压力差；所述工质在所述压力差的作用下在所述第一压力容器、第二压力容器之间流动，并流经所述被驱动部，以向所述被驱动 部提供动力。

可选的，所述热源用于交替地向所述第一压力容器、第二压力容器中的工质提供热能；所述冷源用于交替地对所述第一压力容器、第二压力容器中的工质进行冷却。

可选的，所述工质为低沸点工质。

可选的，所述低沸点工质的临界温度为Tc：Tc≤100℃。

可选的，所述低沸点工质的临界温度为Tc：-272℃≤Tc≤100℃。

可选的，所述动力循环回路内的压力大于所述工质的临界压力。

可选的，所述第一压力容器、第二压力容器共用所述热源。

可选的，所述动力循环回路包括第一加热支路、第二加热支路；所述第一加热支路的两端分别与所述第一压力容器连通，所述第二加热支路的两端分别与所述第二压力容器连通；所述第一加热支路、第二加热支路分别经过所述热源。

可选的，所述第一加热支路、第二加热支路中分别设有控制阀，用于控制对应支路在需要热能时导通，在不需要热能时断开。

可选的，所述第一加热支路、第二加热支路中分别设有输送泵，并在对应支路需要热能时工作，在不需要热能时停止。

可选的，其特征在于，所述热源为第一自然介质。

可选的，所述第一压力容器、第二压力容器共用所述冷源。

可选的，所述动力循环回路包括第一冷却支路、第二冷却支路；所述第一冷却支路的两端分别与所述第一压力容器连通，所述第二冷却支路的两端分别与所述第二压力容器连通；所述第一冷却支路、第二冷却支路分别经过所述冷源。

可选的，所述第一冷却支路、第二冷却支路中分别设有控制阀， 用于控制对应支路在需要冷却时导通，在不需要冷却时断开。

可选的，所述第一冷却支路、第二冷却支路中分别设有输送泵，并在对应支路需要冷却时工作，在不需要冷却时停止。

可选的，所述冷源为第二自然介质。

可选的，所述第一压力容器、第二压力容器分别配备所述热源、冷源。

可选的，所述热源、冷源设于对应的压力容器内，或者设于对应的压力容器外。

可选的，所述热源包括：

第一流体，与所述工质不相通；

第一热交换器，包括相互隔开的两个腔，其中一个腔与所述动力循环回路连通，以供所述工质流过；

热泵，所述热泵的输出端与所述第一热交换器的另一腔连通，所述热泵用于提取所述第一流体的热量，并将该热量输出至所述另一腔内，以与所述工质进行热交换。

可选的，所述第一流体为自然环境中的流体或者是其他可获得的含有废热的液体或气体，例如工业制造或者日常生活中产生的废液或废气。

可选的，所述第一流体为液体时，所述热泵的输入端设有输送泵，用于加快所述第一流体向所述热泵流动的速度；

所述第一流体为气体时，所述热泵的输入端设有风扇，用于加快所述第一流体向所述热泵流动的速度。

可选的，所述第一热交换器包括热管或管式热交换器或板式热交换器。

可选的，所述冷源包括：

第二流体，与所述工质不相通；

第二热交换器，包括相互隔开的两个腔，其中一个腔与所述动力循环回路连通，以供所述工质流过；

制冷机组，所述制冷机组的输出端与所述第二热交换器的另一腔连通，所述制冷机组用于提取所述工质的热量，并将该热量释放至所述第二流体。

可选的，所述第二流体为自然环境中的流体或者是其他可获得的低温液体或气体，例如工业制造或者日常生活中产生的废液或废气。

可选的，所述冷源还包括喷淋装置，用于对所述制冷机组的冷凝器进行降温。

可选的，所述第二热交换器包括热管或管式热交换器或板式热交换器。

可选的，当所述热源包括第一流体以及用于提取所述第一流体的热量的热泵时：所述热源和冷源之间设有供所述第一流体流过的第一管路，所述第一管路供所述第一流体流出所述热源后、作为所述第二流体流入所述冷源。

可选的，所述热源和冷源之间设有供所述第二流体流过的第二管路，所述第二管路供所述第二流体流出所述冷源后、作为所述第一流体的补充流入所述热源。

可选的，所述被驱动部具有供所述工质通过的入口和出口；所述第一压力容器、所述被驱动部、所述第二压力容器三者分别通过第一单向支路、第二单向支路连通，每一单向支路供所述工质从所述入口向所述出口流通；所述工质根据所述压力差交替地在所述第一单向支路、第二单向支路中通过。

可选的，所述第一单向支路、第二单向支路中分别设有控制阀，以控制对应支路的通断。

可选的，所述被驱动器为发电装置或动力传递装置。

可选的，所述第一压力容器、第二压力容器中分别设有压力传感器，用于检测对应压力容器的内部压力，并将检测到的压力信号输出。

可选的，还包括控制装置，用于接收所述压力传感器输出的所述压力信号，并根据所述压力信号发出第一指令或第二指令；

所述第一指令控制所述热源向所述第一压力容器内的工质提供热能，控制所述冷源对所述第二压力容器内的工质进行冷却；

所述第二指令控制所述热源向所述第二压力容器内的工质提供热能，控制所述冷源对所述第一压力容器内的工质进行冷却。

可选的，所述第一压力容器、第二压力容器分别具有多个，多个所述第一压力容器与多个第二压力容器一一对应并形成多组；同一时间段，所述热源、所述冷源作用于至少一组压力容器。

可选的，不同时间段，所述热源、所述冷源作用于不同组的压力容器。

可选的，所述低沸点工质包括：氢气、氮气、氧气、臭氧、二氧化碳、一氧化碳、二氧化氮、氯化氢、硫化氢、溴气、氨气、甲烷、乙烷、乙烯、乙炔、氯气、氦气、氖气、氩气、氪气、氙气、氡气、氘气、一氧化氮、一氧化二氮、氟气、氟化硼、乙硼烷、空气。

本发明实施例还提供一种上述任一项所述超临界流体动力系统的控制方法，其包括：

初始时刻，控制所述热源向所述第一压力容器、所述第二压力容器中的工质提供热能，将所述动力循环回路中的工质转化为超临界流体；

获取所述第一压力容器、第二压力容器中的升压速率，或者获取所述第一压力容器、第二压力容器中的压力，当所述升压速率小于预设速率时，或所述压力大于预设压力时：

控制所述热源继续向其中一个压力容器中的工质提供热能，或者控制所述冷源对另一个压力容器中的工质进行冷却，以在所述第一压力容器、第二压力容器之间形成压力差；

或者，控制所述热源继续向所作用的压力容器中的工质提供热能，并且控制所述冷源同时对另一个压力容器中的工质进行冷却，以在所述第一压力容器、第二压力容器之间形成压力差。

可选的，在形成所述压力差的过程中，所述被驱动部与所述第一压力容器、第二压力容器之间的通路导通，使得所述工质从一个压力容器经过所述被驱动部向另一个压力容器流动；

或者，在形成所述压力差的过程中，所述被驱动部与所述第一压力容器、第二压力容器之间的通路断开，当所述压力差达到预设压力差时，所述通路导通。

可选的，当所述工质从一个压力容器经过所述被驱动部向另一个压力容器流动时，所述控制方法还包括：

获取所述第一压力容器内的第一压力，以及所述第二压力容器内的第二压力；

比较所述第一压力和所述第二压力的差值：当所述差值小于预设差值时，控制所述热源、冷源中的一个停止，另一个交换所作用的压力容器，以形成反向压力差；或者，控制所述热源、冷源相互交换所作用的压力容器，以形成反向压力差。

可选的，当所述工质从一个压力容器经过所述被驱动部向另一个压力容器流动时，所述控制方法还包括：

获取所述第一压力容器、第二压力容器内的压力变化率：所述压 力变化率小于预设变化率时，控制所述热源、冷源中的一个停止，另一个交换所作用的压力容器，以形成反向压力差；或者，控制所述热源、冷源相互交换所作用的压力容器，以形成反向压力差。

可选的，所述热源包括热泵，所述冷源包括制冷机组，当所述工质从一个压力容器经过所述被驱动部向另一个压力容器流动时，所述控制方法还包括：

获取所述热泵、所述制冷机组中至少一个的实际的消耗功率；当所述消耗功率大于预设功率时，控制所述热源、冷源中的一个停止，另一个交换所作用的压力容器，以形成反向压力差；或者，控制所述热源、冷源相互交换所作用的压力容器，以形成反向压力差。

与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下优点：

本发明的超临界流体动力系统中，动力循环回路包括相互连通的第一压力容器、第二压力容器，两压力容器之间可经过被驱动部相互连通，每一压力容器中的超临界流体态的工质可通过热源加热以升温增压，或通过冷源冷却以降温降压。本发明利用超临界流体态工质的压力随着温度的变化而变化且相差巨大的自然规律，将超临界流体态工质与热源进行热交换，对一个压力容器中进行升温增压，而后通过冷源对另一个压力容器进行降温降压，从而在第一压力容器、第二压力容器之间形成压力差，并利用该压力差使工质在两压力容器之间流动并流过被驱动部，以向被驱动部提供动力，以供发电或其他所需。

本动力系统通过对第一压力容器和第二压力容器中工质的加热、冷却以形成压力差，通过交替热源、冷源作用的压力容器来替代传统增压泵，可以在两者之间循环制造压力差，实现动力的再循环。

进一步地，热源采用具有高能效比的热泵，冷源采用具有高能效比的制冷机组，从而节省能耗，同时形成更高的压力差以提供更大的动力。由于采用了热泵、制冷机组和超临界流体技术相结合的方式，克服了增压与降压两端可能存在的温差不大或者气温、水温可能发生 变化等不利条件因素影响，与现有技术相比，本动力系统不受任何外界环境影响，可以全天候不间断提供动力。

附图说明

图1是本发明实施例中超临界流体动力系统的结构框图；

图2是本发明实施例中控制装置与各电气设备的结构框图；

图3是本发明一个变形例中超临界流体动力系统的结构框图；

图4是本发明另一个变形例中超临界流体动力系统的结构框图；

图5是本发明又一个变形例中超临界流体动力系统的结构框图。

具体实施方式

为了解决上述现有技术存在的问题，本发明旨在提供一种超临界流体动力循环系统，特别是一种超临界流体发电系统，其中的工质优选为在常温下就能处于超临界流体态的低沸点工质。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。

本发明实施例提供一种超临界流体动力系统，参照图1所示，包括填充有工质的动力循环回路10，工质在动力循环回路10中流动时始终为超临界流体。也就是说，当工质在动力循环回路10中运转时，其应始终呈超临界流体态。

这里先对名词“超临界流体”以及“工质”做简单解释。

超临界流体，是指压力和温度同时超过临界压力(pc)和临界温度(Tc)的流体叫超临界流体(supercritical fluid，简称SCF)。物质要根据温度和压力的不同，呈现出液体、气体、固体等状态变化。在温度高于某一数值时，任何大的压力均不能使该物质由气相转化为液相，此时的温度即被称之为临界温度Tc；而在临界温度时，气体能 被液化的最低压力称为临界压力Pc。在临界点附近，会出现流体的密度、粘度、溶解度、热容量、介电常数等所有流体的物性发生急剧变化的现象。当物质所处的温度高于临界温度，压力大于临界压力时，该物质处于超临界状态。

工质，指的是能够实现热能和机械能相互转化的媒介物质。

继续参照图1，动力循环回路10包括：第一压力容器11、第二压力容器12，以及被驱动部13，被驱动部13设于第一压力容器11、第二压力容器12之间，并同时与第一压力容器11、第二压力容器12连通。

本发明的超临界流体动力系统还包括热源20、冷源30，分别用于升高或降低第一压力容器11、第二压力容器12中工质的温度和压力。热源20、冷源30相互配合，使得第一压力容器11、第二压力容器12中的一个增压、一个降压，以在第一压力容器11、第二压力容器12之间形成压力差。工质在压力差的作用下在第一压力容器11、第二压力容器12之间流动，并流经被驱动部13，以向被驱动部13提供动力。

更具体的，热源20用于向第一压力容器11、第二压力容器12的其中一个中的工质提供热能，以增加对应压力容器中的压力，热源20输出的温度大于工质的临界温度，以将工质加热至使其温度超过临界温度，使得对应压力容器中的压力升高。冷源30用于对第一压力容器11、第二压力容器12的另一个中的工质进行冷却，以减小对应压力容器中的压力。

从上述描述可以看出：(1)热源20的作用是增压，增加对应压力容器中工质的压力，在热源20的作用下，动力循环回路10中的工质将呈现为超临界流体态，随着热源20的持续作用，对应压力容器中工质的压力将持续升高，直至工质的温度与热源20的温度相等。在系统正常运行时(不包括系统初始化阶段)，动力循环回路10内的 最低工作压力大于工质的临界压力，此处动力循环回路10内的最低工作压力可以是预先给定的，也可以是由热源20对工质进行加热后达到的，这意味着，第一压力容器11、第二压力容器12以及各个连接管路的抗压能力都必须高于工质的临界压力。(2)冷源30的作用是降压，降低对应压力容器中工质的压力，随冷源30的持续作用，对应压力容器中工质的压力将持续降低，直至工质的温度与冷源30的温度相等。

工质在压力差的作用下从一个压力容器流向另一个压力容器并流经被驱动部13时，形成用于驱动被驱动部13工作的动力。其中，被驱动部13可以是动力转化装置或者动力传递装置。动力转化装置可以是发电装置，例如液压发电机或气压发电机等。动力传递装置可以是任何一种用于传递动力的装置，例如当超临界流体动力系统用于船舶时，动力传递装置可以是螺旋桨。

本实施例中，被驱动部13设置为发电装置，使得超临界流体动力系统形成为超临界流体发电系统。当超临界流体态的工质的密度接近液体时，发电装置优选为液压发电机。当超临界流体态的工质的密度接近气体时，发电装置优选为气压发电机，并且其中至少包括汽轮机。

由此可见，本发明利用超临界流体态工质的压力随着温度的变化而变化且相差巨大的自然规律，将超临界流体态工质与热源进行热交换，对一个压力容器中进行升温增压，而后通过冷源对另一个压力容器进行降温降压，从而在第一压力容器、第二压力容器之间形成压力差，并利用该压力差使工质在两压力容器之间流动并流过被驱动部，以向被驱动部提供动力。

同时，通过对第一压力容器和第二压力容器的加热、冷却以形成压力差，可以节约能耗；通过交替热源、冷源作用的压力容器，可以在两者之间循环制造压力差，来替代传统增压泵的功能，实现动力的再循环。

如图1，作为被驱动部13的液压或气压发电机具有供工质流入的入口、供工质流出的出口。如图1，当工质流经液压或气压发电机时，工质在液压或气压发电机中的流向是单一的，也就是说，工质必须始终从液压或气压发电机的入口流入、从出口流出。那么，在第一压力容器11、被驱动部13、第二压力容器12之间，则需要有两条单向支路。如果被驱动部13中设有换向装置，或者被驱动部13本身不区分入口和出口，则在第一压力容器11、第二压力容器12之间只设置一条通路，该通路经过被驱动部。

具体地，第一压力容器11、被驱动部13、第二压力容器12三者分别通过第一单向支路101、第二单向支路102连通，每一单向支路供工质从液压或气压发电机的入口向出口流通。

工质根据压力差交替地在第一单向支路101、第二单向支路102中通过：当第一压力容器11的压力大于第二压力容器12的压力时，工质从第一压力容器11经由第一单向支路101流向第二压力容器12；反之，则工质从第二压力容器12经由第二单向支路102流向第一压力容器11。也就是说，同一时间段，工质只能在其中一条的单向支路中通过，不能同时通过两条单向支路。当被驱动部13不工作或者工作条件不满足时，工质在任一单向支路中通过。

其中，第一单向支路101、第二单向支路102中分别设有控制阀，以控制对应支路的通断。定义第一单向支路101中的控制阀为第一控制阀V1、第二单向支路102中的控制阀为第二控制阀V2。当第一控制阀V1打开时，第一单向支路101导通、当第二控制阀V2打开时，第二单向支路102导通。由于第一单向支路101、第二单向支路102交替通断，则第一控制阀V1、第二控制阀V2不同时开启。也就是说，第一控制阀V1、第二控制阀V2中的一个开启时，另一个不开启。当不需要被驱动部13工作或者不满足工作条件时，第一控制阀V1、第二控制阀V2均关闭。

其中，第一控制阀V1、第二控制阀V2可以是能够控制管路单 向导通的单向阀或者其他任何一种能够控制管路通断的阀门。并且，第一控制阀V1、第二控制阀V2的数量可以是一个或者多个，本实施例中，第一控制阀V1、第二控制阀V2分别有两个，其中两个第一控制阀V1分别设于第一单向支路101在第一压力容器11与被驱动部13之间的部分、以及被驱动部13和第二压力容器12之间的部分中。两个第二控制阀V2分别设于第二单向支路102在第一压力容器11与被驱动部13之间的部分、以及被驱动部13和第二压力容器12之间的部分中。

需要注意的是，如前所述，“工质在动力循环回路10中流动时始终为超临界流体”，这里指的是整个超临界流体动力系统处于正常运行时，工质始终呈超临界流体态，并不包括系统在初始化阶段或停止状态下工质的状态。在初始化阶段或停止状态时工质可以低于临界温度和临界压力，即呈非超临界流体态。

还需要注意，工质可以在热源20的作用下成为超临界流体，在冷源30的作用下，对应压力容器中工质的温度和压力都将降低，但不宜降至临界温度和临界压力以下，冷源30所作用的压力容器中的工质仍然为超临界流体，以保证超临界流体动力系统在工作时，动力循环回路10中的工质始终呈超临界流体态。

其中，对于动力循环回路10中的工质，理论上来说，只要动力循环回路10以及热源20的条件能够将工质的温度和压力升高至临界温度和临界压力之上、工质可以为任何工质。但是考虑到能效比问题，本实施例中动力循环回路10中的工质优先选用低沸点工质。其中低沸点工质的临界温度为Tc：Tc≤100℃。优先的，低沸点工质的临界温度为Tc：-272℃≤Tc≤100℃，低沸点工质可以是满足该温度条件的任何气体，例如氢气、氮气、氧气、臭氧、二氧化碳、一氧化碳、二氧化氮、氯化氢、硫化氢、溴气、氨气、甲烷、乙烷、乙烯、乙炔、氯气、氦气、氖气、氩气、氪气、氙气、氡气、氘气、一氧化氮、一氧化二氮、氟气、氟化硼、乙硼烷、空气等。最优选的，低沸点的工 质在常温下就能处于超临界状态，即其临界温度小于常温的温度。

进一步地，在系统正常运行的情况下，热源20用于交替地向第一压力容器11、第二压力容器12中的工质提供热能；冷源30用于交替地对第一压力容器11、第二压力容器12中的工质进行冷却。也就是说，系统正常运行时(不包括系统初始化阶段)，在同一时间段，无论是热源20还是冷源30，都不能同时作用于第一压力容器11、第二压力容器12，而只能作用于其中之一。

如图1所示，如果热源20作用于第一压力容器11，则冷源30只能作用于第二压力容器12；反之，如果热源20作用于第二压力容器12，则冷源30只能作用于第一压力容器11。这样，第一压力容器11、第二压力容器12中，一个中的压力升高、另一个中的压力降低，形成压力差，那么，当被驱动部13与第一压力容器11、第二压力容器12之间的通道打开时，工质就能在压力差的作用下经过被驱动部13从高压区域向低压区域流动，以向被驱动部13提供动力，驱动其中的液压或气压发电机发电。

本实施例中，热源20、冷源30同时作用于不同的压力容器，可以在较短的时间内在第一、第二压力容器之间形成较大的压力差，以向作为被驱动部13的液压或气压发电机提供较大的动力，满足较大的动力需求。

在其他变形例中，根据所需动力大小的不同，例如被驱动部13为其他动力传递装置，也可以设置：当热源20作用于其中一个压力容器时，冷源30不工作，仅凭借其中一个压力容器中压力的升高来形成压力差，这种形式尤其适用于当第一、第二压力容器中的压力均处于较低值、且具有较高的升压速率的情况；或者，也可以设置：当冷源30作用于其中一个压力容器时，热源20不工作，仅凭借其中一个压力容器中压力的降低来形成压力差，这种形式尤其适用于当第一、第二压力容器中的压力均处于较高值、且具有较高的降压速率的情况。

其中，每一压力容器可以各自配备热源20、冷源30(图4)，或者，第一压力容器11、第二压力容器12共用热源20或共用冷源30，或者同时共用热源20和冷源30。

本实施例中，采用共用热源20和冷源30的方式。

进一步地，继续参照图1，动力循环回路10包括第一加热支路103、第二加热支路104。第一加热支路103的两端分别与第一压力容器11连通，第二加热支路104的两端分别与第二压力容器12连通。第一加热支路103、第二加热支路104分别经过热源20。

其中，工质也填充于第一加热支路103、第二加热支路104中，第一加热支路103中的工质可与第一压力容器11中的工质进行交换，第二加热支路104中的工质可与第二压力容器12中的工质进行交换。第一加热支路103经过热源20后，其中的工质温度升高、压力升高，并朝向压力相对较低的第一压力容器11流动，以与第一压力容器11中的工质完成交换，最终使得第一压力容器11中工质的温度和压力升高；同样的，第二加热支路104经过热源20后与第二压力容器12中的工质完成交换，最终使得第二压力容器12中的温度和压力升高。

超临界流体动力系统正常运行时，第一加热支路103、第二加热支路104不同时导通。第一加热支路103、第二加热支路104中分别设有控制阀，用于控制对应支路在需要热能时导通，在不需要热能时断开。

如图1，定义第一加热支路103中的控制阀为第三控制阀V3、第二加热支路104中的控制阀为第四控制阀V4。当第三控制阀V3打开时，第一加热支路103导通；当第四控制阀V4打开时，第二加热支路104导通。由于热源20交替作用于第一压力容器11、第二压力容器12，则第三控制阀V3、第四控制阀V4不同时开启。也就是说，第三控制阀V3、第四控制阀V4中的一个开启时，另一个不开启。

其中，第三控制阀V3、第四控制阀V4可以任何一种能够控制管路通断的阀门。并且，第三控制阀V3、第四控制阀V4的数量可以是一个或者多个。本实施例中，第三控制阀V3、第四控制阀V4分别有两个，其中两个第三控制阀V3分别设于第一加热支路103在第一压力容器11流向热源20的部分、以及在热源20流向第一压力容器11的部分中。两个第四控制阀V4分别设于第二加热支路104在第二压力容器12流向热源20的部分、以及在热源20流向第二压力容器12的部分中。

进一步地，第一加热支路103、第二加热支路104中分别设有输送泵，并在对应支路需要热能时工作，在不需要热能时停止。

具体地，如图1，定义第一加热支路103中的输送泵为第一输送泵P1、第二加热支路104中的输送泵为第二输送泵P2。第一输送泵P1、第二输送泵P2能够分别提高对应加热支路中工质的流动速度，以加快对应压力容器中工质的升温、升压速率。

由于超临界流体动力系统正常运行时，第一加热支路103、第二加热支路104不同时导通，则第一输送泵P1、第二输送泵P2也不同时工作。

其中，第一输送泵P1、第二输送泵P2可以是现有技术的任何一种输送泵。

如前所述，第一压力容器11、第二压力容器12共用冷源30。如图1，动力循环回路10包括第一冷却支路105、第二冷却支路106。第一冷却支路105的两端分别与第一压力容器11连通，第二冷却支路106的两端分别与第二压力容器12连通；第一冷却支路105、第二冷却支路106分别经过冷源30。

其中，工质也填充于第一冷却支路105、第二冷却支路106中，第一冷却支路105中的工质可与第一压力容器11中的工质进行交换，第二冷却支路106中的工质可与第二压力容器12中的工质进行交换。 第一冷却支路105经过冷源30后，其中的工质温度降低、压力降低，并与压力相对较高的第一压力容器11之间形成工质的相对流动，以与第一压力容器11中的工质完成交换，最终使得第一压力容器11中工质的温度和压力降低；同样的，第二冷却支路106经过冷源30后与第二压力容器12中的工质完成交换，最终使得第二压力容器12中的温度和压力降低。

超临界流体动力系统正常运行时，第一冷却支路105、第二冷却支路106不同时导通。第一冷却支路105、第二冷却支路106中分别设有控制阀，用于控制对应支路在需要冷却时导通，在不需要冷却时断开。

如图1，定义第一冷却支路105中的控制阀为第五控制阀V5、第二冷却支路106中的控制阀为第六控制阀V6。当第五控制阀V5打开时，第一冷却支路105导通；当第六控制阀V6打开时，第二冷却支路106导通。由于冷源30交替作用于第一压力容器11、第二压力容器12，则第五控制阀V5、第六控制阀V5不同时开启。也就是说，第五控制阀V5、第六控制阀V6中的一个开启时，另一个不开启。

其中，第五控制阀V5、第六控制阀V6可以任何一种能够控制管路通断的阀门。并且，第五控制阀V5、第六控制阀V6的数量可以是一个或者多个。本实施例中，第五控制阀V5、第六控制阀V6分别有两个，其中两个第五控制阀V5分别设于第一冷却支路105在第一压力容器11流向冷源30的部分、以及在冷源30流向第一压力容器11的部分中。两个第六控制阀V6分别设于第二冷却支路106在第二压力容器12流向冷源30的部分、以及在冷源30流向第二压力容器12的部分中。

本实施例中所有的控制阀，包括第一至第六控制阀，均可以为电磁阀或者气动阀。当选用气动阀时，必须配备能够产生高压气体的装置，以推动控制阀的开闭。其中，电磁阀所需电力以及产生高压气体 的装置的电力则可以由作为被驱动部13的发电装置提供。

进一步地，第一冷却支路105、第二冷却支路106中分别设有输送泵，并在对应支路需要冷却时工作，在不需要冷却时停止。

具体地，如图1，定义第一冷却支路105中的输送泵为第三输送泵P3、第二冷却支路106中的输送泵为第四输送泵P4。第三输送泵P3、第四输送泵P4能够分别提高对应冷却支路中工质的流动速度，以加快对应压力容器中工质的降温、降压速率。

由于超临界流体动力系统正常运行时，第一冷却支路105、第二冷却支路106不同时导通，则第三输送泵P3、第四输送泵P4也不同时工作。

其中，第三输送泵P3、第四输送泵P4可以是现有技术的任何一种输送泵。

在其他变形例中，第一压力容器11、第二压力容器12也可以分别配备热源20、冷源30。其中热源20、冷源30可以设于对应的压力容器内，或者设于对应的压力容器外。但需要能够满足对压力容器中工质的升温增压或降温降压要求。

下面介绍热源20、冷源30的种类和结构。

其中，热源20可以是自然界中自然存在的本身具有热能的自然介质，此处定义为第一自然介质，也可以包括能够将低位热能转化为高位热能的机械设备，例如热泵，或者也可以是能够发生氧化反应产生热量的物质；或者热源也可以是其他可获得的含有废热的液体或气体，例如工业制造或者日常生活中产生的废液或废气。

冷源30可以是自然界中自然存在的本身具有较低温度的自然介质，此处定义为第二自然介质，也可以包括有制冷功能的机械设备，例如制冷机组；或者，冷源也可以是其他可获得的低温液体或气体，例如工业制造或者日常生活中产生的废液或废气。

本实施例中，热源20包括热泵、冷源30包括制冷机组，以提高热源20的加热效率，以及冷源30的冷却效率。具体介绍如下。

(1)热源

热源20包括：

第一流体20a，与工质不相通；

第一热交换器21，包括相互隔开的两个腔(图中未示出)，其中一个腔与动力循环回路连通，以供工质流过；

热泵22，热泵22的输出端与第一热交换器21的另一腔连通，热泵22用于提取第一流体20a的热量，并将该热量输出至另一腔内，以与工质进行热交换。同时，第一流体20a被提取热量后，温度降低、并从热泵22流出，如图1中标号20a'所示。

其中，热泵22可以是现有技术或将来技术制造的任何一种热泵。

其中，第一热交换器21可以为任一种热交换器，例如可以包括热管式或者管式或者板式热交换器。

第一热交换器21可以是独立的热交换器。或者，第一热交换器21也可以兼作热泵22的冷凝器，那么热泵22从外界的第一流体20a提取热能后转移至自身的冷凝器即第一热交换器21，并在第一热交换器21内与工质进行热交换，以使工质增压。需要注意的是，在正常工作时，在第一热交换器21内的工质的温度应始终高于其临界温度，否则工质就可能无法始终处于超临界流体态。

第一流体20a为自然环境中的流体，例如江河湖泊、溪流等淡水或者海洋水体，或者空气。或者，第一流体20a也可以是其他可获得的含有废热的液体或气体，例如工业制造或者日常生活中产生的废液或废气。

当第一流体20a为液体时，热泵22的蒸发器优选为板式热交换 器，但也可以为任一种热交换器，例如热管式或者管式热交换器等。此时如图1，第一流体20a为液体时，热泵22的输入端还可以设有输送泵23，用于加快第一流体20a向热泵22流动的速度。

当第一流体20a为空气或其他气体时，热泵22的蒸发器优选为翅片式热交换器，但也可以为任一种热交换器，例如热管式或者管式热交换器等。第一流体20a为气体时，热泵22的输入端还可以设有风扇(例如叶轮机、鼓风机等，图中未示出)，用于加快第一流体20a向热泵22流动的速度。

(2)冷源

冷源30包括：

第二流体30a，与工质不相通；

第二热交换器31，包括相互隔开的两个腔(图中未示出)，其中一个腔与动力循环回路连通，以供工质流过；

制冷机组32，制冷机组32的输出端与第二热交换器31的另一腔连通，制冷机组32用于提取工质散发至第二热交换器31中的热量，以对工质进行制冷，并将该热量释放至第二流体30a，由第二流体30a将热量带走。同时，第二流体30a吸收了热量后，温度升高、并从制冷机组32流出，如图1中标号30a'所示。

其中，制冷机组32可以是现有技术或将来技术制造的任何一种制冷机组。

其中，第二热交换器31可以为任一种热交换器，例如可以包括热管式或者管式或者板式热交换器。

第二热交换器31可以为独立的热交换器。或者，第二热交换器31也可以兼作制冷机组32的蒸发器，制冷机组32向外界的第二流体30a排出热能后将液化的冷媒直接在第二热交换器31内蒸发制冷，通过与第二热交换器31内的工质进行热交换，以使工质降压。其需 要注意的是，在第二热交换器31中的工质的温度始终高于或等于临界温度，否则工质就可能无法始终处于超临界流体态。

第二流体30a为自然环境中的流体，例如江河湖泊、溪流等淡水或者海洋水体，或者空气。或者，第二流体30a也可以是其他可获得的低温液体或气体，例如工业制造或者日常生活中产生的废液或废气。

当第二流体30a为空气或其他气体时，制冷机组32的冷凝器优选为带风扇的翅片式热交换器。当第二流体30a为液体时，制冷机组32的冷凝器优选为板式热交换器。

如图1，冷源30还包括喷淋装置33，用于对制冷机组32的冷凝器进行降温，以降低制冷机组32工作时所需的功率。

由于第一流体20a流出热泵22时、温度降低，而冷源30所需的第二流体30a的温度越低越好；同时，由于第二流体30a流出制冷机组32时、温度升高，而热源20所需的第一流体20a的温度越高越好，则在一些变形例中，如图3所示，可以作如下设置：

热源20和冷源30之间设置供第一流体20a流过的第一管路41，第一管路41供第一流体20a流出热源20后、作为第二流体30a流入冷源，其中，第二流体30a可以直接从热泵22流出的第一流体20a处获得，或者热泵22流出的第一流体20a可以作为第二流体30a的补充；同时热源20和冷源30之间设有供第二流体30a流过的第二管路42，第二管路42供第二流体30a流出冷源30后、作为第一流体20a的补充流入热源20。这样可以减小热泵和制冷机组的工作负荷，提高整个系统工作的能效比。

由此可见，本发明利用超临界流体态工质的压力随着温度的变化而变化且相差巨大的自然规律，将超临界流体态工质通过热源20与第一流体20a(例如常温空气或江河湖泊等液体)进行热交换，从而在密闭的第一压力容器11中发生增压现象，而后通过冷源30对与第 一压力容器11连通的第二压力容器12进行降温，从而利用第一压力容器11与第二压力容器12之间的压力差向它们之间的被驱动部13提供动力，使得发电装置发电，完成了整个发电过程。并且，通过热源、冷源交替作用的压力容器，可以实现发电的再循环。

本发明中，通过利用热泵、制冷机组对第一压力容器11和第二压力容器12的加热、冷却来形成压力差的方式，与传统利用饱和蒸气压原理即反复气化再液化来形成压力差的方式相比，能效比更高，能显著节省能耗，同时能够形成更高的压力差来向被驱动部13提供动力。

这里需要说明三点内容：

第一，由于本发明的第一流体20a、第二流体30a主要针对空气和江河湖海的水源，故工质一般选用在常温下就能处于超临界状态的物质。科学原理上，对于这种常温下处于超临界状态的物质来说，其自身汽化潜能和液化潜能已经基本消失，可避免无休止的汽化和液化过程中耗费大量的能量；

第二，由于工质采用在常温下就能够处于超临界状态的物质，没有了汽化潜能和液化潜带来的能量损耗，使得原本在汽化和液化潜能面前显得微不足道的热泵和制冷机组的能效比有了用武之地，在热源20中配置热泵22，以及在冷源30中配置制冷机组32，可以人为增加在第一压力容器11、第二压力容器12之间的温差和压力差，从而提升向被驱动部13提供动力的能力，当被驱动部13为发电装置时，可以显著提高其发电能力，同时具备良好的经济性，可以用于不间断发电。

第三，当前技术水平下，热泵的能效比能够高至约9.0。本发明利用热泵的高能效比，通过对工质进行加热增压的方式来实现在压力容器中形成高压区，相比于现有的利用饱和蒸气压原理即反复气化再液化形成压差的方式，可节省巨大能耗。

进一步地，本实施例中，第一压力容器11、第二压力容器12中分别设有压力传感器，用于检测对应压力容器的内部压力，并将检测到的压力信号输出。如图1，标号S1表示设于第一压力容器11中的压力传感器，定义为第一压力传感器，标号S2表示设于第二压力容器12中的压力传感器定义为第二压力传感器。

其中，第一压力传感器S1、第二压力传感器S2可以是现有技术的任何一种压力传感器。

结合图2所示，本发明实施例的超临界流体动力系统还包括控制装置50，用于接收第一压力传感器S1、第二压力传感器S2输出的压力信号，并根据压力信号发出第一指令或第二指令，用于控制热源20、冷源30以及动力循环回路10的工作。

控制装置50发出的第一指令控制热源20向第一压力容器11内的工质提供热能，控制冷源30对第二压力容器12内的工质进行冷却。这里包含三层意思：控制装置50的第一指令可以只控制热源20向第一压力容器11内的工质提供热能，或者只控制控制冷源30对第二压力容器12内的工质进行冷却；或者在控制热源20向第一压力容器11内的工质提供热能的同时，还控制冷源30对第二压力容器12内的工质进行冷却。

控制装置50发出的第二指令控制热源20向第二压力容器12内的工质提供热能，控制冷源30对第一压力容器11内的工质进行冷却。这里包含三层意思：控制装置50的第二指令可以只控制热源20向第二压力容器12内的工质提供热能，或者只控制冷源30对第一压力容器11内的工质进行冷却；或者在控制热源20向第二压力容器12内的工质提供热能的同时，还控制冷源30对第一压力容器11内的工质进行冷却。

动力循环回路10中的各个电气设备如各个控制阀、各个输送泵，以及热源20、冷源30中的各个电气设备均于控制装置50以有线或 者无线方式耦合连接，用于接收控制装置50发出的指令，并根据收到的指令进行工作。

本实施例中，控制装置50发出第一指令时，热源20、冷源30同时工作。此时动力循环回路10中各部件的状态如下：第一单向支路101、第一加热支路103以及第二冷却支路106导通(其中第一单向支路的导通可能还需满足其他条件，例如压力差达到设定值)；第二单向支路102、第二加热支路104以及第一冷却支路105关闭。即：第一控制阀V1、第三控制阀V3、第六控制阀V6开启；第二控制阀V2、第四控制阀V4、第五控制阀V5关闭。此时，第一压力容器11中的工质在热源20的作用下升温增压，第二压力容器12中的工质在冷源30的作用下降温降压。从而，工质可由第一单向支路101从第一压力容器11流向第二压力容器12，以向被驱动部13提供动力。

控制装置50发出第二指令时，热源20、冷源30同时工作。此时动力循环回路10中各部件的状态如下：第一单向支路101、第一加热支路103以及第二冷却支路106关闭；第二单向支路102、第二加热支路104以及第一冷却支路105导通(其中第二单向支路的导通可能还需满足其他条件，例如压力差达到设定值)。即：第一控制阀V1、第三控制阀V3、第六控制阀V6关闭；第二控制阀V2、第四控制阀V4、第五控制阀V5开启。此时，第二压力容器12中的工质在热源20的作用下升温增压，第一压力容器11中的工质在冷源30的作用下降温降压。从而，工质可由第二单向支路102从第二压力容器12流向第一压力容器11，以向被驱动部13提供动力。

其中，作为被驱动部13的液压或气压发电机还可以与热泵22、制冷机组32、第一热交换器21、第二热交换器31、第一至第四输送泵、第一至第六控制阀以及控制装置等电气设备电连接，以向其供电。

其中，作为被驱动部13的液压或气压发电机可以是现有技术的任何一种发电机，包括交流发电机或直流发电机。

基于上述结构，下面选取本动力系统的其中一种工作方式来阐述本发明的工作原理：

一、初始化阶段

(1)在系统启动前先将整个动力循环回路10抽成真空，再向动力循环回路10中注入工质，工质填充于各个单向支路、加热支路、冷却支路以及第一压力容器11、第二压力容器12。填充时，工质可以为临界温度以下的气液混合态，也可以直接为超临界流体态。然后，控制装置50控制热源20中各电气设备，以及第一加热支路103、第二加热支路104中对应的各个控制阀和各个输送泵开启，控制冷源30中的各电气设备，以及第一冷却支路105、第二冷却支路106中的各个控制阀和各个输送泵关闭。

(2)在外接电源的暂时性启动下，第一热交换器21、热泵22、输送泵23以及第一输送泵P1、第二输送泵P2开始运转。对于第一热交换器21与动力循环回路10连通的腔，其中的工质通过热泵22、输送泵23与第一流体20a进行热交换后开始升温、增压(如果工质初始状态为气液混合态，则其通过不断受热升至临界温度以上转变为超临界流体态后开始升温增压)。

经过升温增压的工质在第一输送泵P1、第二输送泵P2的作用下通过第一加热支路103、第二加热支路104源源不断输送至第一压力容器11、第二压力容器12内，第一压力容器11、第二压力容器12工质再通过第一加热支路103、第二加热支路104向第一热交换器21回补直至所有工质完全为超临界流体态。

(3)当第一压力容器11、第二压力容器12中的压力不再上升、或压力大于预设压力、或升压速率小于预设速率时，控制装置50控制热源20及第一加热支路103、第二加热支路104关闭，之后控制装置50控制第二热交换器31、制冷机组32、喷淋装置33以及第二冷却支路106中的各个控制阀和第四输送泵P4开启，对于第二热交 换器31与动力循环回路10连通的腔，其中的工质的热量通过第二热交换器31、制冷机组32与外界的第二流体30a进行交换达到冷却降压，而后在第四输送泵P4的作用下通过第二冷却支路106输送至第二压力容器12内，第二压力容器12内的工质再在第四输送泵P4的作用下、通过第二冷却支路106向第二热交换器31回补工质，直至压力不再下降或压力小于预设压力、或降压速率小于预设速率。

(4)控制装置50控制冷源30关闭，同时控制第二冷却支路106中的各个控制阀和输送泵关闭，至此整个系统完成初始阶段的准备工作，并且在第一压力容器11、第二压力容器12内储存具有不同压力差的工质，为推动被驱动部13的工作做好了准备。

二、正常运行时的周期循环

控制装置50控制热源20、冷源30启动，第一单向支路101、第一加热支路103、第二冷却支路106导通，各导通支路中的输送泵工作。

由于第一压力容器11与第二压力容器12的温差造成压力差，第一压力容器内11的高压工质开始通过第一单向支路101进入被驱动部13并做功发电，之后进入第二压力容器12。

对于所述被驱动部13因所述第一压力容器11与第二压力容器12的压差逐渐变小而产生电压或电流不稳的现象可采用具有稳压功能或稳流功能的发电机解决或在本动力系统外增设稳压器或稳流器。

当第一压力容器11和第二压力容器12之间的压力差小于预设压力差(基本达到平衡)时，控制装置50切换各部件的开闭状态：第一单向支路101、第一加热支路103、第二冷却支路106断开，各断开支路中的输送泵停止工作，第二加热支路104、第一冷却支路105导通，各导通支路中的输送泵工作。

于是从热源20通过第一热交换器21输入的热量开始加热第二压 力容器12内的工质使其增压，同时冷源30开始通过第二热交换器31冷却第一压力容器11内工质使其降压，此刻被驱动部13可以暂时停止工作、整个装置的电力由外部提供(也可以整个系统内部增设蓄电池来提供)。

当第一压力容器11和第二压力容器12之间的压力差大于预设压力差时，控制装置50控制第二单向支路102导通，第二压力容器12内的高压工质开始通过第二单向支路102进入被驱动部13做功后进入第一压力容器11。

对于所述被驱动部13因所述第二压力容器12与第一压力容器11的压差逐渐变小而产生电压或电流不稳的现象可采用具有稳压功能或稳流功能的发电机解决或在本动力系统外增设稳压器或稳流器。

当第一压力容器11和第二压力容器12之间的压力差小于预设压力差(基本达到平衡)时，控制装置50切换各部件的开闭状态：第二单向支路102、第二加热支路104、第一冷却支路105断开，各断开支路中的输送泵停止工作，第一加热支路103、第二冷却支路106导通，各导通支路中的输送泵工作。

于是从热源20通过第一热交换器21输入的热量开始加热第一压力容器11内的工质使其增压，同时冷源30开始通过第二热交换器31制冷第二压力容器内12工质使其降压，此刻被驱动部13可以暂时停止工作，整个系统的电力需要外部提供(也可以整个系统内部增设蓄电池来提供)。当第一压力容器11内工质的压力不再上升，第二压力容器12内工质的压力不再下降时系统一个周期循环结束，开始进入下一个工作循环，至此，本动力系统正常运转。

关于本发明的技术效果的说明：

由于超临界技术属于最新领域，目前通过普通查询很难查到临界温度处于零下270度(含)至零上1000度之间(含)的物质在超临界状态下的密度温度压力表，只能通过查询相关物质的饱和温度压力 表来推算大致的范围。以其中的二氧化碳为例(CO₂)为例，通过已知的二氧化碳饱和温度压力表可以查到：二氧化碳的临界温度是零上31摄氏度，此时的饱和蒸汽压与零上30摄氏度相比有0.165MPa(A)的压力差，由此可以推算只要超临界二氧化碳流体的密度大于其在零上31摄氏度饱和蒸气的密度，那么每升高1摄氏度就能产生至少0.165MPa(A)的压力差。

本发明中，通过热泵22、制冷机组32的作用，即使在第一流体20a和第二流体30a没有温差，也能够在第一压力容器11和第二压力容器12之间产生至少10摄氏度以上的温差(依据比泽尔制冷技术中国有限公司提供的制冷参数得出)，那么本动力系统就至少可以产生1.65MPa(A)的压力差用于发电，从而使得本动力系统具有实用性。而且，这仅仅是在二氧化碳的密度只相当于其在零上31摄氏度饱和蒸气压密度时的情况，事实上本动力系统可以采用更高密度(理论上可无上限)的超临界二氧化碳流体，那么每一摄氏度变化带来的压力差将更为巨大。从而为用最小温差产生更多电力提供了广阔的可行性。

需要注意的是，以上仅仅是以二氧化碳(CO₂)为具体举例说明，该逻辑同样可以适用于本发明所述的所有临界温度处于零下272度(含)至零上100度之间(含)的物质。所述临界温度处于零下272度(含)至零上100度之间(含)的物质范围众多难以一一列举，可能还有新物质不断被创造出来，但如前所述，至少包括氢气、氮气、氧气、臭氧、二氧化碳、一氧化碳、二氧化氮、氯化氢、硫化氢、溴气、氨气、甲烷、乙烷、乙烯、乙炔、氯气、氦气、氖气、氩气、氪气、氙气、氡气、氘气、一氧化氮、一氧化二氮、氟气、氟化硼、乙硼烷、空气等临界温度在100摄氏度以下的冷媒。其中，工质可以是上述物质中的一种，或者为多种的组合。在实际产业化应用中可根据具体情况选用，基本选用原则是：(1)该物质在本发明的动力循环回路中运转时始终处于超临界状态，(2)相同温差对应的压力差越大越 好。

本发明还可以有其他实施方式，在一个变形例中，参照图5，其中为了清楚显示，图5中未示出第一流体20a、第二流体30a。在该变形例中，第一压力容器11、第二压力容器12分别具有多个，多个第一压力容器11与多个第二压力容器12一一对应并形成多组。同一时间段，热源20、冷源30作用于至少一组压力容器。其中，每组压力容器之间的各个支路、控制阀的配备可以参照本实施例。并且，热源和冷源之间也可以设置第一管路41、第二管路42，供第一流体、第二流体交换流通。

如图5所示的变形例中，第一压力容器11、第二压力容器12分别具有两个，形成两组压力容器。每组压力容器分别配备有热源20、冷源30，当一组热源、冷源工作时，另一组热源、冷源则可以停机休息，这样可以延长设备的使用寿命，也方便设备的保养和维修，同时还可以保证整个动力循环回路10不间断运行。并且，在各控制阀切换工作时，可能会对液压或气压发电机的稳定运转产生冲击，因此通过多组压力容器交替进行切换可以减少对液压或气压发电机的冲击。

当压力容器的数目多于两组时，同一时间段，热源20、冷源30作用于不同组的压力容器，例如可以使得各组压力容器轮流运作，提高工作效率。另外，如果场地和设备条件允许，所有的压力容器也可以共用热源20、冷源30，或者其中几组压力容器共用热源20、冷源30。

特别说明，本实施例的超临界流体动力系统可以用在各种环境中。在具有自然温差的特殊环境中，如前所述，热源、冷源的至少其中之一可以由存在于自然环境中的自然介质来代替。以下例举一些示例：

第一例：本动力系统可以适用于具有温差的室内、室外环境。例 如夏天时，室外温度较高，而室内一般由于利用空调进行制冷而使得室内温度显著低于室外温度，那么，室内空气可以作为冷源，室外空气可以作为热源；在冬天时则相反，室外温度较低，而室内一般由于取暖而使得室内温度显著高于室外温度，那么，室内空气可以作为热源，室外空气可以作为冷源。

第二例：本动力系统可以适用于沙漠环境。沙漠环境中，在白天，空气中的温度显著高于一定深度下的地下环境的温度，那么，空气可以作为热源、地下环境可以作为冷源；在晚上，空气中的温度显著低于地下环境的温度，那么空气可以作为冷源、地下环境可以作为热源。

第三例：本动力系统可以适用于极地环境。极地环境，例如北极或南极，冰上温度处于零下极低值，而冰下水的温度则不小于零度，那么，冰上环境中的空气可以作为冷源，冰下环境中的水可以作为热源。

在上述示例中，热源、冷源中仍然可以进一步设置热泵、制冷机组，以提高系统的运行效率。

需要注意的是，当本动力系统也同样适用于无温差的环境中。例如，在第一流体和第二流体的温度相等的情况下，可以通过热泵和制冷机组的工作产生人造温差，且由于热泵和制冷机组的能效比原理使得本动力系统的发电可产生富余，从而能够对外输出。这是依据比泽尔制冷技术中国有限公司提供的制冷参数得出，当然由于发电设备的重要性，本动力系统还可以选用更高能效比的产品以获得更多的电力输出。

综上所述，本发明能够利用常温下处于超临界流体态的低沸点工质对常温的敏感性，辅以热泵及制冷机组来人为的制造或扩大温差，从而产生足够的压力差用以发电，进而可以有效地从空气、湖泊、江河中源源不断的提取能量，具备了可以全天候使用的性能。当然，如果第一流体、第二流体本身就具有温差则更有利于本发明装置的发电 效率，而且第一流体、第二流体温差越大越好。

比如在冬季的中国东北、西伯利亚、北冰洋或者类似的严寒环境，在江河湖海的表面覆盖有厚冰层的环境下，冰层上温度处于零下几十摄氏度，但冰层下面的水温却在0摄氏度左右，甚至更高。那么冰层下的水就与冰层上的空气就形成了巨大的温差。利用本动力系统足以产生为人类生产生活所需要的电力。

又比如在严酷的沙漠地带，空气可能达到40摄氏度以上，如果有地下水，地下水的温度则远低于40摄氏度，利用空气和地下水的温差也可以发电。

再比如假设海洋和海面上的空气有温差，那么利用本装置可以为船舶的航行提供动力，实现真正的零污染和零排放。

本发明实施例还提供一种上述任一项超临界流体动力系统的控制方法，该控制方法包括：

初始时刻，控制热源20向第一压力容器11、第二压力容器12中的工质提供热能，将动力循环回路中的工质转化为超临界流体，这个过程即前述的系统初始化阶段；在初始时刻，第一压力容器11和第二压力容器12内部容置有工质，该工质可以为临界温度以下的气液混合态，也可以直接为超临界流体态。此时控制装置50控制热源20开启、第一加热支路103、第二加热支路104导通，将第一压力容器11、第二压力容器12中的压力升至预设压力。初始化阶段的完成以全部的工质都转变为超临界状态为准。

获取第一压力容器11、第二压力容器12中的升压速率，或者获取第一压力容器11、第二压力容器12中的压力，当升压速率小于预设速率时，或压力大于预设压力时：

控制热源20向其中一个压力容器中的工质提供热能，或者控制冷源30对另一个压力容器中的工质进行冷却，以在第一压力容器11、 第二压力容器12之间形成压力差；或者，

控制热源20继续向其中一个压力容器中的工质提供热能，并且控制冷源30同时对另一个压力容器中的工质进行冷却，以在第一压力容器11、第二压力容器12之间形成压力差。

进一步地，在形成压力差的过程中，被驱动部与第一压力容器11、第二压力容器12之间的通路导通，使得工质从一个压力容器经过被驱动部13向另一个压力容器流动。也就是说，在形成压力差的过程中，第一压力容器11、第二压力容器12之间导通，工质同时从高压区向低压区流动，被驱动部13被驱动运行。

或者，在形成压力差的过程中，被驱动部与第一压力容器11、第二压力容器12之间的通路断开，当压力差达到预设压力差时，通路导通。也就是说，在形成压力差的过程中，第一压力容器11、第二压力容器12断开，工质不流动，被驱动部13暂时停止；等到压力差达到预设压力差时，第一压力容器11、第二压力容器12导通，工质从高压区向低压区流动，被驱动部13被驱动运行。这种方式尤其适用于压力容器有多组的情况，此时热源、冷源可以轮流作用至各组压力容器，各组压力容器中的第一压力容器11、第二压力容器12轮流导通，轮流向被驱动部13提供动力，实现整个系统的无间断运行。

进一步地，当工质从一个压力容器经过被驱动部13向另一个压力容器流动时，控制方法还包括：

获取第一压力容器11内的第一压力，以及第二压力容器12内的第二压力；

比较第一压力和第二压力的差值：

当差值小于预设差值时，控制热源20、冷源30中的一个停止，另一个交换所作用的压力容器，以形成反向压力差；或者，

控制热源20、冷源30相互交换所作用的压力容器，以形成反向 压力差，然后在其他条件满足时(例如反向压力差达到预定值时)，使得工质反向流动。

在向被驱动部13提供动力的过程中，由于工质从高压区向低压区的流动，第一压力容器11、第二压力容器12之间的压力差会越来越小，工质在两者之间的流动速度会越来越慢，当压力差小于预设差值时，则认定其能提供的动力不足，因此需要重新在第一压力容器11、第二压力容器12之间形成压力差。如果热源继续作用至原压力容器，由于原压力容器的温度已经处于较高值，那么使其继续升温增压将使得热源消耗的功率增大，同样的如果冷源继续作用至原压力容器，将使得冷源消耗的功率增加，这将导致整个系统输出功率与输入功率的比值降低，不能满足能效比的要求。

因此，较为优选的方式是，热源、冷源交换原先作用的压力容器，在第一压力容器11、第二压力容器12形成反向压力差，这样可以充分利用各个压力容器的升温增压空间和降温降压空间，提高能效比。

在一个变形例中，上述控制方法在判断是否需要控制热源、冷源交换作用的压力容器时，可以通过检测各压力容器中的压力变化率来判断，具体如下：

当工质从一个压力容器经过被驱动部13向另一个压力容器流动时，获取第一压力容器11、第二压力容器12内的压力变化率：压力变化率小于预设变化率时，控制热源20、冷源30中的一个停止，另一个交换所作用的压力容器，以形成反向压力差；或者，控制热源20、冷源30相互交换所作用的压力容器，以形成反向压力差。然后，在其他条件满足时(例如反向压力差达到预定值时)，使得工质反向流动。

在另一个变形例中，上述控制方法在判断是否需要控制热源、冷源交换作用的压力容器时，还可以通过检测热泵22、制冷机组32向动力循环系统输出的实际的消耗功率(即单位时间耗电量)来判断， 具体如下：

当工质从一个压力容器经过被驱动部13向另一个压力容器流动时，获取热泵、制冷机组中至少一个的消耗功率；当消耗功率大于预设功率时，控制热源20、冷源30中的一个停止，另一个交换所作用的压力容器，以形成反向压力差；或者，控制热源20、冷源30相互交换所作用的压力容器，以形成反向压力差。以形成反向压力差。然后，在其他条件满足时(例如反向压力差达到预定值时)，使得工质反向流动。

虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims (41)

1. 一种超临界流体动力系统，其特征在于，包括填充有工质的动力循环回路，所述工质在所述动力循环回路中流动时始终为超临界流体；

   所述动力循环回路包括：第一压力容器、第二压力容器，以及被驱动部，所述被驱动部设于所述第一压力容器、第二压力容器之间，并同时与所述第一压力容器、第二压力容器连通；

   所述超临界流体动力系统还包括热源、冷源；

   所述热源用于向所述第一压力容器、第二压力容器的其中一个中的工质提供热能，以增加对应压力容器中的压力，所述热源输出的温度大于所述工质的临界温度；

   所述冷源用于对所述第一压力容器、第二压力容器的另一个中的工质进行冷却，以减小对应压力容器中的压力；

   所述热源、冷源相互配合以在所述第一压力容器、第二压力容器之间形成压力差；

   所述工质在所述压力差的作用下在所述第一压力容器、第二压力容器之间流动，并流经所述被驱动部，以向所述被驱动部提供动力。
2. 如权利要求1所述的超临界流体动力系统，其特征在于，所述热源用于交替地向所述第一压力容器、第二压力容器中的工质提供热能；

   所述冷源用于交替地对所述第一压力容器、第二压力容器中的工质进行冷却。
3. 如权利要求1所述的超临界流体动力系统，其特征在于，所述工质为低沸点工质。
4. 如权利要求3所述的超临界流体动力系统，其特征在于，所述低 沸点工质的临界温度为Tc：Tc≤100℃。
5. 如权利要求3所述的超临界流体动力系统，其特征在于，所述低沸点工质的临界温度为Tc：-272℃≤Tc≤100℃。
6. 如权利要求1所述的超临界流体动力系统，其特征在于，所述动力循环回路内的压力大于所述工质的临界压力。
7. 如权利要求1所述的超临界流体动力系统，其特征在于，所述第一压力容器、第二压力容器共用所述热源。
8. 如权利要求7所述的超临界流体动力系统，其特征在于，所述动力循环回路包括第一加热支路、第二加热支路；

   所述第一加热支路的两端分别与所述第一压力容器连通，所述第二加热支路的两端分别与所述第二压力容器连通；

   所述第一加热支路、第二加热支路分别经过所述热源。
9. 如权利要求8所述的超临界流体动力系统，其特征在于，所述第一加热支路、第二加热支路中分别设有控制阀，用于控制对应支路在需要热能时导通，在不需要热能时断开。
10. 如权利要求8所述的超临界流体动力系统，其特征在于，所述第一加热支路、第二加热支路中分别设有输送泵，并在对应支路需要热能时工作，在不需要热能时停止。
11. 如权利要求1-10中任一项所述的超临界流体动力系统，其特征在于，所述热源为第一自然介质。
12. 如权利要求1所述的超临界流体动力系统，其特征在于，所述第一压力容器、第二压力容器共用所述冷源。
13. 如权利要求12所述的超临界流体动力系统，其特征在于，所述动力循环回路包括第一冷却支路、第二冷却支路；

    所述第一冷却支路的两端分别与所述第一压力容器连通，所述第二冷却支路的两端分别与所述第二压力容器连通；

    所述第一冷却支路、第二冷却支路分别经过所述冷源。
14. 如权利要求13所述的超临界流体动力系统，其特征在于，所述第一冷却支路、第二冷却支路中分别设有控制阀，用于控制对应支路在需要冷却时导通，在不需要冷却时断开。
15. 如权利要求13所述的超临界流体动力系统，其特征在于，所述第一冷却支路、第二冷却支路中分别设有输送泵，并在对应支路需要冷却时工作，在不需要冷却时停止。
16. 如权利要求1-10或12-15中任一项所述的超临界流体动力系统，其特征在于，所述冷源为第二自然介质。
17. 如权利要求1所述的超临界流体动力系统，其特征在于，所述第一压力容器、第二压力容器分别配备所述热源、冷源。
18. 如权利要求17所述的超临界流体动力系统，其特征在于，所述热源、冷源设于对应的压力容器内，或者设于对应的压力容器外。
19. 如权利要求1所述的超临界流体动力系统，其特征在于，所述热源包括：

    第一流体，与所述工质不相通；

    第一热交换器，包括相互隔开的两个腔，其中一个腔与所述动力循环回路连通，以供所述工质流过；

    热泵，所述热泵的输出端与所述第一热交换器的另一腔连通，所述热泵用于提取所述第一流体的热量，并将该热量输出至所述另一腔内，以与所述工质进行热交换。
20. 如权利要求19所述的超临界流体动力系统，其特征在于，所述第一流体为自然环境中的流体。
21. 如权利要求19所述的超临界流体动力系统，其特征在于，所述第一流体为液体时，所述热泵的输入端设有输送泵，用于加快所述第一流体向所述热泵流动的速度；

    所述第一流体为气体时，所述热泵的输入端设有风扇，用于加快所述第一流体向所述热泵流动的速度。
22. 如权利要求19所述的超临界流体动力系统，其特征在于，所述第一热交换器包括热管式或管式或板式热交换器。
23. 如权利要求1或19所述的超临界流体动力系统，其特征在于，所述冷源包括：

    第二流体，与所述工质不相通；

    第二热交换器，包括相互隔开的两个腔，其中一个腔与所述动力循环回路连通，以供所述工质流过；

    制冷机组，所述制冷机组的输出端与所述第二热交换器的另一腔连通，所述制冷机组用于提取所述工质的热量，并将该热量释放至所述第二流体。
24. 如权利要求23所述的超临界流体动力系统，其特征在于，所述第二流体为自然环境中的流体。
25. 如权利要求23所述的超临界流体动力系统，其特征在于，所述冷源还包括喷淋装置，用于对所述制冷机组的冷凝器进行降温。
26. 如权利要求23所述的超临界流体动力系统，其特征在于，所述第二热交换器包括热管式或管式或板式热交换器。
27. 如权利要求23所述的超临界流体动力系统，其特征在于，当所述热源包括第一流体以及用于提取所述第一流体的热量的热泵时：

    所述热源和冷源之间设有供所述第一流体流过的第一管路，所述第一管路供所述第一流体流出所述热源后、作为所述第二流体流入所 述冷源。
28. 如权利要求27所述的超临界流体动力系统，其特征在于：

    所述热源和冷源之间设有供所述第二流体流过的第二管路，所述第二管路供所述第二流体流出所述冷源后、作为所述第一流体的补充流入所述热源。
29. 如权利要求1所述的超临界流体动力系统，其特征在于，所述被驱动部具有供所述工质通过的入口和出口；

    所述第一压力容器、所述被驱动部、所述第二压力容器三者分别通过第一单向支路、第二单向支路连通，每一单向支路供所述工质从所述入口向所述出口流通；

    所述工质根据所述压力差交替地在所述第一单向支路、第二单向支路中通过。
30. 如权利要求29所述的超临界流体动力系统，其特征在于，所述第一单向支路、第二单向支路中分别设有控制阀，以控制对应支路的通断。
31. 如权利要求29所述的超临界流体动力系统，其特征在于，所述被驱动器为发电装置或动力传递装置。
32. 如权利要求1所述的超临界流体动力系统，其特征在于，所述第一压力容器、第二压力容器中分别设有压力传感器，用于检测对应压力容器的内部压力，并将检测到的压力信号输出。
33. 如权利要求32所述的超临界流体动力系统，其特征在于，还包括控制装置，用于接收所述压力传感器输出的所述压力信号，并根据所述压力信号发出第一指令或第二指令；

    所述第一指令控制所述热源向所述第一压力容器内的工质提供热能，控制所述冷源对所述第二压力容器内的工质进行冷却；

    所述第二指令控制所述热源向所述第二压力容器内的工质提供热能，控制所述冷源对所述第一压力容器内的工质进行冷却。
34. 如权利要求23所述的超临界流体动力系统，其特征在于，所述第一压力容器、第二压力容器分别具有多个，多个所述第一压力容器与多个第二压力容器一一对应并形成多组；

    同一时间段，所述热源、所述冷源作用于至少一组压力容器。
35. 如权利要求34所述的超临界流体动力系统，其特征在于，不同时间段，所述热源、所述冷源作用于不同组的压力容器。
36. 如权利要求3-5中任一项所述的超临界流体动力系统，其特征在于，所述低沸点工质包括：氢气、氮气、氧气、臭氧、二氧化碳、一氧化碳、二氧化氮、氯化氢、硫化氢、溴气、氨气、甲烷、乙烷、乙烯、乙炔、氯气、氦气、氖气、氩气、氪气、氙气、氡气、氘气、一氧化氮、一氧化二氮、氟气、氟化硼、乙硼烷、空气。
37. 一种权利要求1-36中任一项所述超临界流体动力系统的控制方法，其特征在于，包括：

    初始时刻，控制所述热源向所述第一压力容器、所述第二压力容器中的工质提供热能，将所述动力循环回路中的工质转化为超临界流体；

    获取所述第一压力容器、第二压力容器中的升压速率，或者获取所述第一压力容器、第二压力容器中的压力，当所述升压速率小于预设速率时，或所述压力大于预设压力时：

    控制所述热源继续向所作用的压力容器中的工质提供热能，或者控制所述冷源对另一个压力容器中的工质进行冷却，以在所述第一压力容器、第二压力容器之间形成压力差；或者，

    控制所述热源继续向所作用的压力容器中的工质提供热能，并且控制所述冷源同时对另一个压力容器中的工质进行冷却，以在所述第 一压力容器、第二压力容器之间形成压力差。
38. 如权利要求37所述的控制方法，其特征在于，在形成所述压力差的过程中，所述被驱动部与所述第一压力容器、第二压力容器之间的通路导通，使得所述工质从一个压力容器经过所述被驱动部向另一个压力容器流动；或者，

    在形成所述压力差的过程中，所述被驱动部与所述第一压力容器、第二压力容器之间的通路断开，当所述压力差达到预设压力差时，所述通路导通。
39. 如权利要求38所述的控制方法，其特征在于，当所述工质从一个压力容器经过所述被驱动部向另一个压力容器流动时，所述控制方法还包括：

    获取所述第一压力容器内的第一压力，以及所述第二压力容器内的第二压力；

    比较所述第一压力和所述第二压力的差值：

    当所述差值小于预设差值时，控制所述热源、冷源中的一个停止，另一个交换所作用的压力容器，以形成反向压力差；

    或者，控制所述热源、冷源相互交换所作用的压力容器，以形成反向压力差。
40. 如权利要求38所述的控制方法，其特征在于，当所述工质从一个压力容器经过所述被驱动部向另一个压力容器流动时，所述控制方法还包括：

    获取所述第一压力容器、第二压力容器内的压力变化率：

    所述压力变化率小于预设变化率时，控制所述热源、冷源中的一个停止，另一个交换所作用的压力容器，以形成反向压力差；或者，

    控制所述热源、冷源相互交换所作用的压力容器，以形成反向压 力差。
41. 如权利要求38所述的控制方法，其特征在于，所述热源包括热泵，所述冷源包括制冷机组，当所述工质从一个压力容器经过所述被驱动部向另一个压力容器流动时，所述控制方法还包括：

    获取所述热泵、所述制冷机组中至少一个的实际消耗功率；

    当所述消耗功率大于预设功率时，控制所述热源、冷源中的一个停止，另一个交换所作用的压力容器，以形成反向压力差；或者，

    控制所述热源、冷源相互交换所作用的压力容器，以形成反向压力差。

Images