[发明专利]利用空气能，太阳能发电，海水淡化的方法及装置

摘要

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。

主权项

1.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。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：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。