熱力學(xué)循環(huán)主要包括熱機(jī)循環(huán)和熱泵循環(huán)。熱機(jī)循環(huán)將輸入的部分熱量轉(zhuǎn)化為輸出的機(jī)械功，熱泵循環(huán)正相反，它通過輸入機(jī)械功將熱量從低溫傳向高溫。迄今，所有發(fā)電應(yīng)用都是郎肯循環(huán)，包括太陽熱能、生物質(zhì)能、火力、核能等。有機(jī)郎肯循環(huán)(0rganic Rankine Cycle)，簡(jiǎn)稱ORC，是低溫發(fā)電技術(shù)。其原理與郎肯循環(huán)相同，只不過郎肯循環(huán)使用的介質(zhì)是水，ORC使用的是低沸點(diǎn)有機(jī)物，可以利用低溫?zé)嵩窗l(fā)電。

卡諾理論認(rèn)為熱機(jī)循環(huán)效率只與兩個(gè)熱源的熱力學(xué)溫度有關(guān)，與工質(zhì)性質(zhì)無關(guān)。提高熱機(jī)效率在于提高T1、降低T2、減少散熱、漏氣、摩擦等不可逆損耗。卡諾熱機(jī)理論效率公式ηc=1-T2/T1。由于低溫?zé)嵩赐ǔＪ黔h(huán)境溫度，現(xiàn)代熱電廠采取單方向提高T1，用過熱蒸汽推動(dòng)汽輪機(jī)，向超超臨界要效率。同樣，利用低溫?zé)嵩吹腛RC，也傾向利用盡可能高的T1溫度。迄今，有報(bào)道的ORC，最低的T1溫度為73℃，是在美國(guó)阿拉斯加運(yùn)行的地?zé)釞C(jī)組。這樣低的T1溫度顯然與當(dāng)?shù)氐牡铜h(huán)境溫度有關(guān)。

我于前期發(fā)表的“冷電與卡諾熱機(jī)效率公式”一文中詳細(xì)介紹了降低T2對(duì)于提高熱機(jī)效率的重要意義。根據(jù)熱力學(xué)第二定律,在相同的高、低溫?zé)嵩礈囟萒1與T2之間工作的一切循環(huán)中,以卡諾循環(huán)的熱效率為最高,稱為卡諾定理?？ㄖZ定理無疑是正確的，因?yàn)檫^去的100多年里，沒有人對(duì)它發(fā)起過成功的挑戰(zhàn)。然而，卡諾定理成立是有條件的，即熱機(jī)的T2溫度不低于攝氏零度。如果我們將制冷循環(huán)應(yīng)用于發(fā)電，就可以明確無誤揭示卡諾循環(huán)的熱效率并非最高。

一，傳統(tǒng)熱力學(xué)循環(huán)的弊端

這里所提到的傳統(tǒng)熱力學(xué)循環(huán)特指在攝氏零度以上的熱力學(xué)循環(huán)。

從過程上看，熱機(jī)循環(huán)和熱泵循環(huán)十分相似，它們都有一個(gè)吸熱過程(鍋爐或蒸發(fā)器);一個(gè)膨脹過程(汽輪機(jī)或膨脹閥)，一個(gè)放熱過程(冷凝器)，一個(gè)壓縮過程(壓縮機(jī)或工質(zhì)泵)。熱機(jī)循環(huán)，化石能源燃燒提供熱能給鍋爐產(chǎn)生蒸汽推動(dòng)汽輪機(jī)，大部分熱沒有轉(zhuǎn)化為功而白白排放掉。熱機(jī)循環(huán)冷凝熱一般是熱功轉(zhuǎn)換熱利用的150%，這可以解釋為什么熱機(jī)效率難以提高。同樣，熱泵循環(huán)投入機(jī)械功，工質(zhì)從蒸發(fā)器吸熱，冷凝器排熱，吸熱和排熱等量，只是品位不同而已。盡管熱泵的COP大于1，但功的輸出不可能大于輸入。顯然，這兩種循環(huán)均不能有效利用熱。

熱力學(xué)第二定律又稱熵增定律，表述為：隨時(shí)間進(jìn)行，一個(gè)孤立體系中的熵總是不會(huì)減少。簡(jiǎn)單的說，熱不能自發(fā)的從冷處轉(zhuǎn)到熱處，而不引起其他變化。任何高溫物體在不受熱的情況下，都會(huì)逐漸冷卻。這條定律說明第二類永動(dòng)機(jī)不存在。除非系統(tǒng)開放，引入負(fù)熵流。

二，負(fù)熵流和制冷循環(huán)

熱機(jī)循環(huán)和熱泵循環(huán)是開放系統(tǒng)，它們從外界吸熱，包括化石能源、核能和環(huán)境溫度，做功后將冷凝熱排放。問題是這種循環(huán)沒有造成使負(fù)熵流進(jìn)入系統(tǒng)的條件。

我們知道，熵增越小、損失越小，效率越高。通俗的說焓值越大，熵值越小。反之，熵越小，焓越大。制冷循環(huán)產(chǎn)生的低于攝氏零度的低溫可以理解為負(fù)熵，這意味著系統(tǒng)循環(huán)過程中焓變最大，熱利用效率最高。而產(chǎn)生的負(fù)熵環(huán)境為引入負(fù)熵流創(chuàng)造了條件。

節(jié)流膨脹是制冷的手段之一，指較高壓力下的流體(氣、液或兩相)經(jīng)節(jié)流閥向較低壓力方向運(yùn)動(dòng)，遇到局部阻力造成較大壓降的過程。節(jié)流膨脹消耗工質(zhì)內(nèi)能，對(duì)外輸出功，造成工質(zhì)壓力、溫度降低，焓值減小。工質(zhì)減少能量增加的吸熱能力稱為膨脹制冷量。膨脹制冷量等于工質(zhì)膨脹過程減小的焓值。節(jié)流膨脹是液化過程。

在膨脹制冷的過程中，沒有顯熱出現(xiàn)，內(nèi)能是以膨脹功的形式是釋放的。它釋放的如此徹底，以致產(chǎn)生難以置信的低溫-負(fù)熵。負(fù)熵是最大的能量。根據(jù)熱力學(xué)第二定律，熱會(huì)自發(fā)的(或被迫的)向冷處轉(zhuǎn)移，釋放能量。這就是負(fù)熵的能量。只要從外界流入的負(fù)熵流足夠大，就可以抵消系統(tǒng)自身的熵產(chǎn)生，使系統(tǒng)的總熵減少，形成并維持一個(gè)低熵的非平衡態(tài)的有序結(jié)構(gòu)。

制冷循環(huán)應(yīng)用于發(fā)電，其熱效率包括以下幾個(gè)方面：

1，制冷過程可回收的膨脹功，依據(jù)不同工質(zhì)，可高達(dá)壓縮功的40%;

2，引入負(fù)熵流產(chǎn)生的能量，該能量相當(dāng)于冷與環(huán)境溫度的溫差;

3，因T2降低(更接近絕對(duì)零度)提高的熱機(jī)效率。

以上三項(xiàng)合計(jì)，制冷循環(huán)應(yīng)用于發(fā)電的熱效率超過80%，高于所有的傳統(tǒng)熱力學(xué)循環(huán)。具體實(shí)現(xiàn)的技術(shù)方法，請(qǐng)見本人在能源思考2014第4期發(fā)表的文章“二氧化碳-人類未來能源解決之道?”。

更加重要的意義在于制冷循環(huán)產(chǎn)生的負(fù)熵環(huán)境，使地球地表以上200千米，從對(duì)流層、平流層、中間層直到暖層所有的空間能量，即太陽慷慨施與地球的能量，得以全部為我們所利用。從這個(gè)角度出發(fā)，我們的確不應(yīng)為熱機(jī)的效率高低而計(jì)較。因?yàn)?，這個(gè)能源資源對(duì)于人類來說無限大，它大到可以使未來的人類走出太陽系。

三，第三次工業(yè)革命的發(fā)端

關(guān)于第三次工業(yè)革命的討論永遠(yuǎn)是令人振奮的。大家的共識(shí)是互聯(lián)網(wǎng)+分布式可再生能源就是第三次工業(yè)革命的標(biāo)志。為此，人們將期待的目光投向光伏技術(shù)，想象著摩爾定律在光伏技術(shù)上再現(xiàn)。這實(shí)在是一種妄想。在愛因斯坦的光量子假說被證實(shí)時(shí)，就已經(jīng)明確了光伏技術(shù)的局限性，因?yàn)?，只有紫色光譜才可能產(chǎn)生光電效應(yīng)。光伏技術(shù)的硬約束在于必須通去過增加受光面積才能獲得更多的太陽能。從哲學(xué)上思考，這是一種倒退。與其用硅來鋪滿地球表面獲得太陽能，還不如葉綠素，畢竟郁郁蔥蔥的植物孕育著盎然生機(jī)，而冰冷的玻璃則沒有任何生命的氣息。

工業(yè)革命的200多年來，燃燒煤炭、石油、天然氣推動(dòng)了人類的工業(yè)化進(jìn)程，但卻向地球大氣排放了太多的二氧化碳，阻止了熱量從地球上空散去，導(dǎo)致地球溫度災(zāi)難性的轉(zhuǎn)變。根據(jù)科學(xué)家的觀點(diǎn)，地球溫度上升3.5℃，將導(dǎo)致70%的動(dòng)植物物種滅絕，上升6℃將導(dǎo)致人類文明消亡，屆時(shí)地球只適合微生物茍活。最近的4.5億年里，地球上已發(fā)生了五次物種滅絕事件，每次毀滅都需要1000萬年才能恢復(fù)生物物種的多樣性。過度消耗化石能源是人類背負(fù)的熵賬單，已經(jīng)到了要我們買單的時(shí)刻。

制冷循環(huán)應(yīng)用于發(fā)電，引入負(fù)熵流，就是將地球過剩的熱轉(zhuǎn)化為有用功而不產(chǎn)生新的熱，這是使地球環(huán)境重新恢復(fù)有序的熵減過程。當(dāng)你我中的多數(shù)人，或者這個(gè)社會(huì)的決策者清醒的意識(shí)到這個(gè)問題的時(shí)候，就是第三次工業(yè)革命的發(fā)端。

它距離我們只有一步之遙。

邱紀(jì)林

2014年7月23日