零碳冷力发电机的制作方法

1.本实用新型涉及能源技术领域，具体而言，涉及一种零碳冷力发电机。


背景技术：

2.现在所有发电机都是以燃烧化石燃料产生高温来作为高温热源，同时以环境温度作为低温冷源来将低温乏气冷凝成液体，以保证工质的循环使用，同时将大部分在现行技术条件下没有办法利用的乏气能量排放到环境中，从而获取动力，目前广泛应用的朗肯循环就是这种技术的典型代表，其特征是液体-加压-加温-膨胀作功-乏气-冷凝-液体再次循环，其结果是噢所有发电机燃料的利用效率都只有30％多，并且产生大量碳排放和空气污染，而普遍存在于环境中的清洁的空气和水中的无限热能，却没办法加以利用。
3.在朗肯循环发电机中，其基于的是朗肯循环，由液体加压泵、锅炉、汽轮机和冷凝器四个主要装置组成。工作时，液态工质在泵中被压缩升压；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。再回到液体加压泵中，完成一个循环。
4.1900年普朗克提出了能量的本质是能量子,简称为量子,任何热力学温度绝对0k以上的物体都具有热力学能量,其本质都是量子运动产生的能量.任何单位物质的热力学能量与其热力学温度和比热成正比,同时也等于普朗克能量公式中的能量值；
5.e＝tc＝nhv
6.其中，e为能量，t为热力学温度，c为物质的比热，n-量子的数量，h为普朗克常数，v为量子的频率。
7.由此理论可以看出,我们所处的环境温度都在绝对温度273k附近左右,而我们地球具有无比丰富的物质，特别有随时可得的水和空气以及环境热源,我们是生活在能量的海洋之中,不应该存在任何能源问题,但现实是我们把环境能源称为低品位能源，是无用的能源，把远高于环境温度的能源称之为高品位能源,才是有用的能源,要产生高品位的能源,产生蒸汽，推动汽轮机做功,实现朗肯循环,目前主要由燃烧化石燃料来完成,由于燃烧化石燃料产生的碳排放和空气污染,人类陷入了气候变化的巨大危机，成为全世界最紧迫的问题。
8.如果能利用空气或水中的热力学能源作为高温热源,同时将汽轮机排出的乏气中的低温能量再次利用,就可实现连续循环,达到利用环境能源的目标,彻底解决我们人类发展的根本问题。


技术实现要素：

9.针对现有技术存在问题中的一个或多个，本实用新型提供一种零碳冷力发电机，包括能量采集系统、冷凝-蒸发器、变温装置和朗肯循环汽轮发电机系统，所述能量采集系统用于采集环境中的热能,并供给冷凝-蒸发器中的液态工质，液态工质吸收所述热能后转变为低温蒸汽，所述变温装置用于将冷凝-蒸发器产生的低温蒸汽转变为高温热能，并将高
温热能传递给朗肯循环汽轮发电机系统,同时将汽态工质转化为液态工质返回冷凝-蒸发器；所述朗肯循环汽轮发电机系统用于将变温装置产生的高温热能转换为电能，同时将产生的乏气传送到冷凝-蒸发器进行能量转移后形成低温液体，所述低温液体经加压后与变温装置的高温蒸汽进行热交换后形成高温高压蒸汽,驱动朗肯循环汽轮发电机系统进行热能电能转换的连续循环。
10.可选地，所述朗肯循环汽轮发电机系统包括液体加压泵、汽轮机和发电机，所述液体加压泵的低压端与冷凝-蒸发器连通，所述液体加压泵的高压端与变温装置的低温进口端连通，所述变温装置的低温出口端与汽轮机连通，所述汽轮机的低压输出端与冷凝-蒸发器连通,所述汽轮机和发电机连通。
11.可选地，所述变温装置包括热交换器机构和鼓风机，所述热交换机构具有低压回路和高压回路，所述鼓风机的进口端与所述热交换机构的低压回路连通，所述鼓风机的出口端与所述热交换机构的高压回路连通。
12.可选地，所述热交换机构包括第一热交换器、回热热交换器和第二热交换器，所述回热热交换器、第二热交换器和鼓风机依次串联，所述第一热交换器与第二热交换器并联。
13.可选地，所述变温装置还包括温度调节阀，温度调节阀被配置于鼓风机出口的高压回路上，用于控制鼓风机输出的高温高压蒸汽在第一热交换器和第二热交换器之间的流量分配，控制第一热交换器输出的高温蒸汽温度范围。
14.可选地，所述热交换机构还包括第三热交换器，所述第三热交换器用于增大第二热交换器高温端的高压回路和低压回路的温差。
15.可选地，所述鼓风机和/或第一热交换器和/或第二热交换器和/或第三热交换器设置有保温层。
16.可选地，所述变温装置和朗肯循环汽轮发电机系统采用相同或不同的工质。
17.可选地，所述变温装置和朗肯循环汽轮发电机系统工作温度在260度以下时可选相同的工质,大于260度以上时优选不同的工质，例如，变温装置采用二氧化碳,朗肯循环汽轮发电机系统采用水蒸气。
18.可选地，所述工质包括水、制冷剂r32、氮、二氧化碳和氟利昂中的一种或多种。
19.本实用新型提供零碳冷力发电机，从根本上永恒的解决了人类的能源问题,碳排放和空气污染也同时随之解决,对当今社会的发展具有重大意义。
20.零碳冷力发电机在工作时不断吸收环境中的热量，自然就产生了制冷作用,变温装置只需要花较少的能量就可将低温气体的温度提高,从而可轻松的实现冷，热水、电、暖气、工业蒸汽五联产。
21.整个零碳冷力发电机，没有原材料的进出和污染物的产生,空气和水无处不在，无所不在,并且体积小、重量轻、成本低,可以就地满足绝大多数固定或移动负荷的能源需求,为整个人类社会实现全面电气化提供了充分的基础保证。
附图说明
22.图1是本实用新型所述零碳冷力发电机一个实施例的示意图；
23.图标：1-冷凝-蒸发器，2-变温装置，3-第一热交换器,4-回热热交换器,5-高压回路，6-低压回路，7-第二热交换器，7a-第三热交换器,8-鼓风机,9-温度调节阀10-液体加压
泵,11-汽轮机,12-发电机，13-能量采集系统。
具体实施方式
24.术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
25.在本实用新型的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，若出现术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
26.图1是本实用新型所述零碳冷力发电机一个实施例的示意图，如图1所示，零碳冷力发电机，包括能量采集系统13、冷凝-蒸发器1、变温装置2和朗肯循环汽轮发电机系统，所述能量采集系统用于采集环境中的热能,并供给冷凝-蒸发器中的液态工质，液态工质吸收所述热能后转变为低温蒸汽，所述变温装置用于将冷凝-蒸发器产生的低温蒸汽转变为高温热能，并将高温热能传递给朗肯循环汽轮发电机系统,同时将汽态工质转化为液态工质返回冷凝-蒸发器；所述朗肯循环汽轮发电机系统用于将变温装置产生的高温热能转换为电能，同时将产生的乏气传送到冷凝-蒸发器进行能量转移后形成低温液体，所述低温液体经加压后与变温装置的高温蒸汽进行热交换后形成高温高压蒸汽,驱动朗肯循环汽轮发电机系统进行热能电能转换的连续循环。
27.上述环境热能包括空气、水或其他一切可用的低温环境热能。
28.在一个实施例中，所述朗肯循环汽轮发电机系统包括液体加压泵10、汽轮机11和发电机12，所述液体加压泵的低压端与冷凝-蒸发器连通，所述液体加压泵的高压端与变温装置的低温进口端连通，所述变温装置的低温出口端与汽轮机连通，所述汽轮机的低压输出端与冷凝-蒸发器连通,所述汽轮机和发电机连通。
29.在一个实施例中，所述变温装置包括热交换器机构和鼓风机8，所述热交换机构具有低压回路6和高压回路5，所述鼓风机的进口端与所述热交换机构的低压回路连通，所述鼓风机的出口端与所述热交换机构的高压回路连通。在鼓风机的抽压作用下，低温蒸汽进入热交换机构的低压回路，通过鼓风机加压升温后返回到热交换机构的高压回路，热交换机构的高压回路和低压回路出现温差，高压回路对低压回路进行加热，实现低压回路增焓，高压回路降焓。
30.可选地，所述热交换机构包括第一热交换器3、回热热交换器4和第二热交换器7，所述回热热交换器、第二热交换器和鼓风机依次串联，所述第一热交换器与第二热交换器并联。
31.可选地，所述变温装置还包括温度调节阀9，温度调节阀被配置于变温装置的高压回路中，用于控制鼓风机输出的高温高压蒸汽在第一热交换器和第二热交换器之间的流量分配，从而控制第一热交换器3输出的高温蒸汽温度范围。
32.可选地，所述热交换机构还包括第三热交换器7a，所述第三热交换器用于增大第二热交换器高温端的高压回路和低压回路的温差。
33.可选地，所述鼓风机和/或第一热交换器和/或第二热交换器和/或第三热交换器设置有保温层。
34.除了变温装置外，其他与环境温度相差较大的其他构件也具有保温层。
35.在一个实施例中，变温装置包括蒸发器、回热热交换器、第二热交换器、冷却器和鼓风机，由液体加压泵、加热器、汽轮机、发电机和冷凝器组成汽轮机发电机朗肯循环系统，变温装置的蒸发器与汽轮机发电机朗肯循环系统的冷凝器相结合,构成冷凝-蒸发器，变温装置的冷却器与汽轮机发电机朗肯循环系统的加热器相连，构成第一热交换器，空气或水进入蒸发器,与液态工质进行热交换,空气或水降温变冷,液态工质蒸发,将环境能源变成了低温蒸汽；汽轮机乏气进入蒸发器,与液态工质进行热交换,乏气冷凝成液态,乏气中的能量转变成了低温蒸汽,所以变温装置的蒸发器与朗肯循环的乏气端相连，汽轮机乏气中的潜热转移到蒸发器的液态工质中去了,乏气得到冷凝变成液体；而蒸发器液态工质在乏气潜热的作用下变成低温就构成了冷凝-蒸发器,同时也制造了低温冷源；具有高低压回路的回热热交换器、第二热交换器和鼓风机串联组成,在鼓风机的抽压作用下,低温蒸汽由低压回路进入,经鼓风机加压升温以后返回到高压回路,第二热交换器中高低压回路出现了温差,于是高压回路对低压回路进行加热，实现低压回路等压增焓，高压回路等压降焓,高温蒸汽不断冷却，最后变为液体返回到蒸发器中,反复循环,让热交换器大幅度提高了鼓风机进口回路气体的温度,鼓风机本身只需要很小的势能压缩,就能根据需要大幅度的提高进口蒸汽的温度,从而实现了自反馈热压缩蒸汽升温功能；温度得到提高以后的高温蒸汽,送到与朗肯循环加热器相连的第一热交换器进行热交换,冷却器中的高温蒸汽冷却降温以后,再返回到第二热交换器的低温端，继续被冷凝成为液体,返回到蒸发器中；朗肯循环加热器获得了能量,高压液体变成高温高压蒸汽,为汽轮机的运转提供了能量；冷凝-蒸发器制造了低温冷源,使汽轮机乏气的冷凝温度不受环境温度影响,对水蒸汽系统可以降到接近零度，从而提高汽轮发电机组的发电效率,对氮气系统可以降到零下196℃,为深冷汽轮机的运行创造了条件；变温装置的冷却器将环境热能温度提高以后的高温蒸汽转移给朗肯循环的加热器,为朗肯循环提供了高温热源,使朗肯循环不需要任何化石能源,就实现了将环境热能转变为电能的目标。变温装置能够以1:30-50的能效比，将低温能源提升为高温能源。由于变温装置将系统乏气能量和环境热源从低温提升到高温消耗的功率只有工质潜热功率的5％左右,变温装置消耗的能量主要是用于鼓风机的拖动,鼓风机可以采用单独的电动机拖动,也可采用小型冷力朗肯循环汽轮机拖动,鼓风机工作时消耗的能量,都将转化为变温装置的热量,返回到汽轮机的高温高压回路中,所以鼓风机本质上是不消耗能量的。
36.上述实施例中，能量采集系统吸收外部环境能源,完成能量的采集,回热热交换器和第二热交换器将低温蒸汽提升成高温蒸汽以后,冷却器与高温高压的加热器相连,构成冷却-加热器,即第一热交换器，将高温蒸汽能量传递给汽轮机朗肯循环系统,完美实现将环境能源转变为电能。
37.本实用新型零碳冷力发电机利用变温装置的优点可同时生产制冷、热水、供暖、工业蒸汽和发电五种功能联产。
38.所用的热源可以是绝对零度以上的任何温度的热源，从经济适用方便的角度来讲，热源的流体温度实际上最好不要低于-200℃。
39.变温装置在没有低温冷源的情况下，完成了普通朗肯循环中的冷凝器功能,从而实现了环境热源发电机。利用变温装置蒸发器产生的低温气体远远低于环境温度,(即制冷功能)利用此温度差,不断接收环境热源中的环境能量,作为汽轮机的能量来源，所以称为
环境能源的零碳冷力发电机。
40.在一个实施例中，所述变温装置和朗肯循环汽轮发电机系统工作温度在260℃以下时可选相同的工质,大于260℃以上时优选不同的工质，例如，变温装置采用二氧化碳,朗肯循环汽轮发电机系统采用水蒸气。如果相同称为单工质,如果不同称为双工质,可根据热源温度来选定，如果是常温环境热源如水、空气、地热源、工业废水等情况下,汽轮机和变温装置可以采用相同或不同的工质,汽轮机循环工质可以选用水、制冷剂r32、二氧化碳、氮、各种氟利昂和其他各种制冷剂，变温装置工质可以选用二氧化碳和其他制冷剂，优选二氧化碳、制冷剂r23、r32、氮气。采用不同工质可以优化降低成本,由于朗肯循环和变温装置对材料的要求不一样。
41.在上述各实施例中，优选地，第二热交换器7为等焓热交换器，第三热交换器7a为温差放大热交换器。
42.本实用新型还提供零碳冷力发电机发电的方法，包括：
43.通过能量采集系统采集空气、水或其他一切可用的低温环境热能,并供给冷凝-蒸发器；
44.通过冷凝-蒸发器中的液态工质吸收所述热能后转变为低温蒸汽，并供给变温装置；
45.通过变温装置将冷凝-蒸发器产生的低温蒸汽转变为高温热能，并将高温热能传递给朗肯循环汽轮发电机系统,同时将汽态工质转化为液态工质返回冷凝-蒸发器；
46.通过朗肯循环汽轮发电机系统将变温装置产生的高温热能转换为电能，同时将产生的乏气传送到冷凝-蒸发器进行能量转移后形成低温液体，所述低温液体经加压后与变温装置的高温蒸汽进行热交换后形成高温高压蒸汽,驱动朗肯循环汽轮发电机系统进行热能电能转换的连续循环。
47.可选地，所述将高温热能传递给朗肯循环汽轮发电机系统的步骤包括：
48.通过液体加压泵抽吸冷凝-蒸发器中的低温液体，将低温液体转换为低温高压液体；
49.通过变温装置将低温高压液体转换为高温高压蒸汽；
50.将高温高压蒸汽送至朗肯循环汽轮发电机系统；
51.汽轮发电机产生的低温乏气送至冷凝-蒸发器。
52.在一个实施例中，零碳冷力发电机为10mw冷凝式汽轮发电机，汽轮机的进汽压力3.35兆帕，进气温度435℃,排汽温度35℃,排气压力0.005兆帕；朗肯循环回路采用水作为工质,变温装置回路采用二氧化碳作为工质；15℃的河水流入到冷凝-蒸发器中，与冷凝-蒸发器中的二氧化碳液体进行热交换,温度降到0℃以后排出,二氧化碳液体得到河水的能量以后，将-5℃的液态工质转化为-5℃的低温蒸汽,实现了能量的采集；在变温装置的鼓风机的抽压作用下,-5℃的二氧化碳低温蒸汽由低压回路6进入,经鼓风机8加压升温以后返回到高压回路5,回热热交换器和第二热交换器中高低压回路出现了温差,于是高压回路对低压回路进行加热，实现低压回路等压增焓，高压回路等压降焓,高温蒸汽不断冷却，最后变为液体返回到冷凝-蒸发器中,反复循环,第二热交换器大幅度提高了鼓风机8的低压回路气体的温度,鼓风机8本身只需要很小的势能压缩,就能根据需要大幅度的提高进口蒸汽的温度；温度得到提高以后的高温蒸汽,从鼓风机8的高压回路送到第一热交换器3进行利用
降温以后,再返回到第二热交换器的低温端，继续被冷却成为液体，返回到冷凝-蒸发器中,从而实现了自反馈热压缩蒸汽升温功能；朗肯循环中的汽轮机和发电机开始工作以后,汽轮机排出的乏气,进入到冷凝-蒸发器1中,与二氧化碳液体进行热交换,乏气得到冷凝回到液体加压泵10,得到乏气能量的二氧化碳液体蒸发成-5℃的低温蒸汽,与河水能量在蒸发器1中产生的低温蒸汽一起送入变温装置升温以后再次送入第一热交换器3给汽轮机11提供能量,这样就实现了，只需要单一热源就能进行能量转换；
53.朗肯循环采用水作工质，考虑到高压回路压力损失和温度损失,液体加压泵10将工质从0.1兆帕加压到3.5兆帕,变温装置2将工质加温到450℃，考虑到液体加压泵10和鼓风机8的能耗,机组发电容量取为11300kw；
54.3.35兆帕，435度温度时，水蒸汽的焓值为3306kj/kg；0.005兆帕，35度温度时，水蒸汽的焓值为2565kj/kg,汽轮机工作时产生的理论焓差为3306-2565＝741kj/kg,等熵效率取0.88,汽轮机单位工质做功能力为741*0.88＝652kj/kg,11300千瓦机组，每秒钟所需工质流量为11300/652＝17.5kg,液体加压泵10所需功率p＝35*10*17.5/0.75*102＝80kw,变温装置所需要提升的功率为3306*17.5＝57855kw,系统效率为11300/57855＝0.1953。
55.为了实现发电量1万千瓦的目标,变温装置需要将外部低温热能和汽轮机乏气能量共57855千瓦从-5℃的低温蒸汽提升到450℃的高温蒸汽,变温装置回路采用二氧化碳作工质,二氧化碳液体在3兆帕,-5℃时的蒸发潜热为248kj,所以变温装置每秒钟工质流量为57855/248＝233kg,将3兆帕445℃的二氧化碳气体等熵压缩到450℃，3.1兆帕所需功率为(5kj/kg),233*5＝1166kw；
56.变温装置在没有低温冷源的情况下，完成了普通朗肯循环中的冷凝器功能,从而实现了单一热源发电机。由于利用环境热源作为高温热源,冷凝-蒸发器1产生的低温温度远远低于环境温度,利用此低温气体,产生的温度差,不断接收环境热源中的能量,作为朗肯循环汽轮发电机的能量来源，同时使环境温度降低，实现了制冷功能,所以称为零碳冷力发电机。
57.这里只有单一的热源输入，也只有单一的能量输出，所以称为单一热源环境发电机，其系统效率是100％，虽然朗肯循环的系统效率还不到20％,乏气中残留的热能和变温装置所消耗的能量全部通过变温装置又返回到汽轮机的高温高压端与外部输入的热能一起循环，做不可避免的无用功，在汽轮机11和发电机12中又还原为电能输出了。
58.单机输出功率可以从最小几瓦到几千兆瓦，任何汽轮机、透平机、膨胀机利用本实用新型组成的系统都属于本实用新型的保护范围。
59.实施例2.1000兆瓦超超临界发电机组改造
60.在2021年初，全中国已经投放的1000兆瓦超超临界发电机组，已经有128台,本实施例拟对这种机组进行改造,技术参数如下:
61.进气压力/温度；27mpa/600/600一次中间再热；
62.额定主蒸汽流量:2733.4t/h(额定工况)；
63.排气压力,温度为：5kpa/25；
64.27mpa/600度单位水蒸汽的焓值查物性表下同为3475kj/kg,主蒸汽每秒钟流量2733.4*1000/3600＝759kg,主蒸汽单位时间焓值＝759*3475＝2637525kj/s,系统效率为1000m/2637.525m＝0.379
65.考虑到温差,变温装置需要把-5℃的二氧化碳蒸汽提升到650℃,二氧化碳气体同实施例1蒸发潜热为248kj/kg,所以单位时间内的质量流量为2637525/248＝10635kg/s
66.鼓风机8所需功率n＝10635*5＝53175kw
67.单独选一台60兆瓦的冷力发动机，作为鼓风机8的驱动动力。
68.以上仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。