自蒸汽機問世以來，所有熱機都以環(huán)境溫度為低溫?zé)嵩?。因此，提高熱機效率只能單方向提高高溫?zé)嵩礈囟?。高達600多℃的超超臨界鍋爐已經(jīng)接近了目前技術(shù)允許的極限，繼續(xù)這種單方向的努力非但不明智，也不可行。實際上，向降低低溫?zé)嵩礈囟纫?，不僅投入的能耗相對更小，而且可能實現(xiàn)人類利用環(huán)境熱源-太陽輻射能的終極夢想。

以下是筆者探索通過膨脹制冷(降低T2溫度)并藉此利用環(huán)境熱源獲得機械能的一些不成熟的認(rèn)識，集中于“開啟新能源之門-太陽輻射能熱機”一文中。作為筆者前后發(fā)表的幾篇關(guān)于“冷電”文章的總結(jié)篇，希望能夠得到讀者的重視、思考，批評、指正。

一、太陽輻射能

太陽是地球的能源供應(yīng)者，一小時光照可滿足人類一年的能源需求。太陽能形成水能、風(fēng)能、潮汐能、生物質(zhì)能、淺源地?zé)崮??；茉赐瑯觼碜赃h古太陽能。目前，太陽能直接利用有光伏、光熱兩種方法，前者利用光電效應(yīng)將太陽部分光譜轉(zhuǎn)換為電力。后者通過熱機將太陽光聚焦后產(chǎn)生的高溫轉(zhuǎn)換為機械能。這兩種方法受光照時間、能流密度限制，存在不可克服的硬約束，即必須增加采光面積才能獲得更多能量。事實上，沒有光照的時間里，太陽輻射能仍然以熱的形式存在于淺層土壤、水系和大氣中。失去太陽地球表面將降到-200℃。這即是說，我們周圍處處都充滿著能量。但平均20℃的環(huán)境熱源(太陽輻射能)為低品位熱，需要找到有效和經(jīng)濟的利用方法。

二、低溫與機械能

根據(jù)熱力學(xué)第二定律“不可能把熱從低溫物體傳到高溫物體而不產(chǎn)生其他影響”;“不可能從單一熱源取熱使之完全轉(zhuǎn)換為有用的功而不產(chǎn)生其他影響”。熱機要利用環(huán)境溫度做功須有一個與之形成溫差的低溫環(huán)境。制造低溫需要從物體中吸熱。物質(zhì)的相變過程，如固體融化、液體氣化、固體升華均需吸收熱量，產(chǎn)生低溫。此外，節(jié)流膨脹、渦流效應(yīng)、熱電效應(yīng)等也能產(chǎn)生低溫。根據(jù)能量守恒定律，制造低溫需要消耗能量。

氣體性質(zhì)與體積、溫度和壓力三要素有關(guān)。在空間不變的情況下，提高溫度，氣體的壓強增加。反之降低壓力，溫度下降。如果增大空間(體積變)，氣體的溫度和壓力都會下降。溫度和壓力正相關(guān)，與體積負相關(guān)。膨脹機節(jié)流膨脹指的是較高壓力下的流體(氣、液或兩相)向較低壓力方向運動遇到局部阻力對外輸出功，輸出的功以工質(zhì)焓值降低為補償。工質(zhì)減少能量而增加的吸熱能力稱為膨脹制冷量。從這個意義上說，機械能可以源于制冷過程。而變冷的工質(zhì)可以自發(fā)的與環(huán)境換熱回補內(nèi)能(高溫自發(fā)向低溫傳熱)。如果一種工質(zhì)的臨界點在環(huán)境溫度區(qū)間，膨脹前后的溫差、壓差足夠大，就可以用來獲取太陽輻射能。

三、太陽輻射能熱機與二氧化碳工質(zhì)

太陽輻射能熱機是利用環(huán)境熱源做功的熱機，采用CO2工質(zhì)。CO2環(huán)境友好，臨界溫度低，臨界壓力高。沸點(升華點)低于三相點，膨脹比小、膨脹功大。在環(huán)境溫度區(qū)間，其飽和蒸發(fā)壓是常規(guī)工質(zhì)的10倍。

早在1850年，CO2就成為制冷工質(zhì)。1920年代應(yīng)用達到高峰。由于CO2蒸發(fā)壓力高，易泄露，氟利昂出現(xiàn)后逐漸停用。近年來，由于發(fā)現(xiàn)氟利昂對環(huán)境的破壞，氟類制冷劑被廣泛禁用，CO2重獲青睞，在制冷、低溫發(fā)電領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

四、運行原理

太陽輻射能熱機采用CO2冷媒，以環(huán)境溫度為高溫?zé)嵩碩1，工質(zhì)蒸發(fā)制冷為低溫?zé)嵩碩2，通過膨脹機對外輸出功。熱機循環(huán)包括以下過程：

蒸發(fā)吸熱：液相工質(zhì)經(jīng)工質(zhì)泵入蒸發(fā)器從環(huán)境吸熱蒸發(fā)汽化，壓力增加。工質(zhì)吸熱對被吸熱對象而言是制冷(蒸發(fā)制冷)。

絕熱膨脹：膨脹機膨脹是絕熱過程。由于無法從外界吸熱，做功只能消耗工質(zhì)自身內(nèi)能，導(dǎo)致工質(zhì)壓力、溫度下降。

冷凝放熱：膨脹機排出的氣相工質(zhì)進入冷凝器，向工質(zhì)蒸發(fā)制冷產(chǎn)生的低溫?zé)嵩瘁尫拍Y(jié)潛熱液化。

絕熱壓縮：液相工質(zhì)經(jīng)工質(zhì)泵入蒸發(fā)器再度與環(huán)境換熱回補內(nèi)能，開始下一循環(huán)。

將CO2冷媒蒸發(fā)制冷作為太陽輻射能熱機T2，換熱效率成為關(guān)鍵。各種換熱器中，板式效率最高，超過90%。最小換熱溫差1℃?？紤]到低溫可能引起結(jié)冰堵塞，可采用三套管式逆流換熱器。內(nèi)套管供工質(zhì)流動，中間套管為相變區(qū)(可充填相變材料)，外套管引入環(huán)境熱并串聯(lián)冷凝器。工質(zhì)蒸發(fā)導(dǎo)致中間套管發(fā)生相變，外套管導(dǎo)入環(huán)境熱源與中間套管換熱，獲得的低溫再與膨脹機排出的乏汽換熱，使之冷凝。

五、模擬工況

膨脹機入口環(huán)境20℃，出口排氣溫度-56℃(排氣溫度可通過調(diào)節(jié)膨脹機入口孔徑控制)，CO2在氣液兩相區(qū)循環(huán)。環(huán)境20℃，CO2飽和蒸汽壓5.72兆帕(相當(dāng)于水270℃的飽和蒸氣壓)，出口排氣-56℃，壓力0.52兆帕。膨脹機進排氣壓差5兆帕，膨脹比10。冷凝后的液相工質(zhì)經(jīng)工質(zhì)泵回到蒸發(fā)器再度與環(huán)境換熱回補內(nèi)能，溫度回升到20℃，壓力5.72兆帕，其能量來自環(huán)境熱源。

太陽輻射能熱機循環(huán)包括兩個制冷過程：工質(zhì)蒸發(fā)制冷和膨脹機膨脹制冷(認(rèn)識這一點才能理解熱機的熱循環(huán)機理)。工質(zhì)在蒸發(fā)端吸熱(潛熱+顯熱)與蒸發(fā)制冷等量。由于顯熱部分經(jīng)膨脹機轉(zhuǎn)化為功，工質(zhì)冷凝放熱必然小于蒸發(fā)制冷量，即工質(zhì)冷凝放熱=工質(zhì)蒸發(fā)吸熱(制冷)-膨脹機輸出功轉(zhuǎn)化熱(Q2=Q1-W)，這與熱泵循環(huán)的工質(zhì)冷凝放熱=蒸發(fā)吸熱+壓縮機輸入功轉(zhuǎn)化熱(Q2=Q1+W)正相反。

液體二氧化碳釋放到常溫、常壓環(huán)境會生成干冰(部分CO2大量吸熱造成另一部分CO2凝華)。CO2沸點(升華點)-78.6℃低于熔點(三相點)-56.5℃，升華熱(溶解熱+汽化熱)540KJ/KG大于氣化熱350KJ/KG。這些特性決定了將CO2冷媒蒸發(fā)制冷作為熱機T2在理論上是可行的。CO2工質(zhì)蒸發(fā)制冷不僅在熱的總量上大于乏汽的凝結(jié)潛熱，而且其絕對溫度也低于乏汽溫度。

壓力與工質(zhì)潛熱值負相關(guān)，增加壓力可以提高工質(zhì)液化溫度?？紤]到換熱損失，當(dāng)換熱后的蒸發(fā)制冷溫度等于或高于乏汽溫度時，可適度對乏汽加壓。0.8兆帕CO2對應(yīng)液化溫度為-42℃，1.6兆帕為-25℃。加壓投入的功限于滿足乏汽凝結(jié)潛熱的釋放(顯熱回升通過與環(huán)境換熱)。投入的壓縮功小于輸出的膨脹功，熱機利用環(huán)境熱源可望實現(xiàn)凈輸出。為保證循環(huán)各個過程的熱力平衡，太陽輻射能熱機設(shè)計為間歇式運行。

六、螺桿機

環(huán)境熱源20℃條件下，CO2工質(zhì)為亞臨界循環(huán)，處于氣液兩相狀態(tài)，只不過在蒸發(fā)端和冷凝端的相比不同。這要求熱機膨脹和壓縮設(shè)備能夠適應(yīng)兩相流。螺桿機是全流動力設(shè)備，工質(zhì)不僅可以為干蒸汽，也可以為二相流，甚至飽和水。螺桿壓縮機和膨脹機(互為反向運動)依靠壓力做功，工質(zhì)密度決定做功能力，尤其適合高密度的CO2工質(zhì)。

北京某大學(xué)研發(fā)的5KW單螺桿膨脹動力機，以壓縮空氣為工質(zhì)，進氣壓力0.6MPa、轉(zhuǎn)速3000rpm工況下，總效率66%，汽耗率22.5kg/kW·h，最低排氣溫度-45℃。進氣壓力提高到1.6Mpa,最低排氣溫度-78.63℃，進出口溫差88℃。這表明膨脹機進口壓力越大，轉(zhuǎn)速越高，溫降、壓降和輸出越大。

七、辯偽

熱力學(xué)循環(huán)包括熱機循環(huán)和熱泵(制冷)循環(huán)。熱機循環(huán)將輸入的熱部分轉(zhuǎn)化為功，熱泵循環(huán)輸入功將熱從低溫傳向高溫。兩者都包括吸熱(鍋爐/蒸發(fā)器)，膨脹(汽輪機/膨脹閥)，放熱(冷凝器)、壓縮(工質(zhì)泵/壓縮機)過程。

熱機循環(huán)投入化石燃料(或利用其它熱源)經(jīng)鍋爐產(chǎn)生蒸汽推動汽輪機做功，一部分熱釋放給低溫?zé)嵩?。自蒸汽機問世以來，所有的熱機循環(huán),包括郎肯循環(huán)(以水為工質(zhì))以及采用低沸點工質(zhì)的有機郎肯循環(huán)均以環(huán)境溫度為T2。為提高效率，只能單方向提高T1溫度。熱泵循環(huán)投入機械功，將熱從低溫?zé)嵩磦鞯礁邷責(zé)嵩?。熱泵不是能量轉(zhuǎn)換過程，不受能量轉(zhuǎn)換效率極限限制，而是受逆卡諾循環(huán)效率制約。熱泵制熱能效比COP、制冷能效比EER(制熱/制冷量與實際運行功率之比)與環(huán)境溫度正相關(guān)。美國Waterfurnace7系列熱泵，在國際標(biāo)準(zhǔn)工況20℃時,COP為5.3。隨著技術(shù)進步，熱泵效率還會有所提高，更加接近COP15的理論效率。

熱泵采用低沸點工質(zhì)，借助壓縮機將熱從低溫傳到高溫，制熱的同時制冷。換言之，制冷的同時制熱(例如空調(diào)向室內(nèi)送冷時，向室外排熱)。同時有效利用冷和熱等于將熱泵能效提高1倍，稱為雙向能效(COPThermalCouple)。

熱泵制造的溫差越大，COP越小，反之亦然。熱泵將熱從低溫傳向高溫，逆向傳熱必然要輸入功。太陽輻射能熱機將熱從高溫傳向低溫，自發(fā)傳熱自然輸出功。

熱泵循環(huán)用膨脹機(同軸連接壓縮機或發(fā)電機)代替膨脹閥回收膨脹功，不僅可以減少節(jié)流損失，而且會提高工質(zhì)吸熱/制冷能力，提高綜合能效?？諝鈴?.6MPa節(jié)流到0.1MPa溫降1℃，通過膨脹機節(jié)流理論上溫降可達80℃～90℃。因為，膨脹閥節(jié)流不輸出功，膨脹機輸出功以工質(zhì)焓降為代價。

在環(huán)境溫度區(qū)間，二氧化碳的飽和蒸發(fā)壓力遠大于其它常規(guī)工質(zhì)，采用二氧化碳工質(zhì)節(jié)流回收膨脹功具有實質(zhì)意義。右圖;二氧化碳(R744)與氟利昂(R22)、四氟乙烷(R134a)在環(huán)境溫度區(qū)間飽和壓力比較。二氧化碳熱泵可回收膨脹功相當(dāng)于壓縮功的30%-40%。由于其特殊的勞倫曾循環(huán)(變溫?zé)嵩聪碌闹评溲h(huán))，二氧化碳熱泵可以制造90℃熱水以及較大的溫差。例如，日本Eco-Cute系列熱泵可同時提供-9℃冷(鹽)水和65℃熱水，溫差74℃，單向能效4，雙向8。

卡諾定理指出，在相同的高溫?zé)嵩春偷蜏責(zé)嵩粗g工作的可逆循環(huán)，其效率都相等。效率為1的熱機不可能實現(xiàn)。提高熱機效率的途徑在于提高T1或者降低T2。然而，實現(xiàn)同樣效率，選擇提高T1或者降低T2卻有明顯的不同。例如，卡諾熱機理論效率值同為66%，有不同的兩組溫差;T1=20℃、T2=-175℃以及T1=593℃(熱力發(fā)電超超臨界溫度)、T2=20℃。前組T1-T2溫差195℃，后組573℃，相差近3倍。出現(xiàn)如此大的差異在于攝氏溫度是建立在熱力學(xué)溫度梯度之上。熱機以環(huán)境溫度為T2必然要背負熱力學(xué)溫度+環(huán)境溫度(T=t+273.15K)的包袱。只有將T2溫度降到攝氏零度之下，熱機才會減輕熱力學(xué)溫度包袱。利用熱泵循環(huán)雙向能效原理，達到相同效率，降低T2比較提高T1所付出的能耗更小。

卡諾熱機理論效率公式η=1-T2/T1，依據(jù)上述模擬工況76℃溫差(T1=20℃、T2=-56℃)，太陽輻射能熱機的理論效率26%=[1-(273-56)÷(273+20)]。考慮到換熱損失及壓縮能耗等因素，效率折扣為60%，熱機實際效率10.4%=26%×40%。太陽輻射能熱機是開放系統(tǒng)，做功熱能來自環(huán)境熱源，符合第一定律能量守恒。熱機做功以環(huán)境溫降為條件，符合第二定律“熱產(chǎn)生功必然伴隨著熱向冷傳遞”。

歷史上首個成型的第二類永動機(單一熱源取熱)是1881年美國人約翰·嘎姆吉為美國海軍設(shè)計的零發(fā)動機，這一裝置利用海水的熱量將液氨汽化，推動機械運轉(zhuǎn)。但是裝置無法持續(xù)運轉(zhuǎn)，因為汽化后的液氨在沒有低溫?zé)嵩创嬖诘臈l件下無法重新液化，因而不能完成循環(huán)。零發(fā)動機的設(shè)計缺陷在于沒有利用工質(zhì)的雙向能效。能量既不會憑空產(chǎn)生，也不會憑空消滅。液氨(沸點-33℃)從海水吸熱蒸發(fā)必然導(dǎo)致局部海水變冷，將被冷卻的海水作為熱機T2，只需投入較少的壓縮功將氨的液化溫度升至T2溫度之上(而非海水溫度之上)就可以實現(xiàn)液化，這與利用液化天然氣LNG冷量降低郎肯循環(huán)冷凝溫度的做法如出一轍。零發(fā)動機的效率=氨的沸點與海水的溫差-換熱及其它損耗，高于海洋溫差發(fā)電。如果用CO2代替氨作為零發(fā)動機的冷媒，熱機效率會大幅度提高。CO2的沸點低于熔點，升華熱大于凝結(jié)熱，只要將最小換熱溫差控制在10-15度之內(nèi)(目前換熱技術(shù)最小換熱溫差可做到1度)，就無需在冷凝階段投入壓縮功,而只需在壓縮階段投入功。輸入的功已包含在效率折扣中。

八、結(jié)論

太陽輻射能熱機以環(huán)境溫度為高溫?zé)嵩矗趸脊べ|(zhì)蒸發(fā)制冷為低溫?zé)嵩?，輸出功的同時伴隨制冷(環(huán)境熱轉(zhuǎn)化為功)。在太陽輻射能熱機身上可以看到熱泵循環(huán)(雙向能效)的影子。熱機效率與環(huán)境溫度正相關(guān)(基于-56℃的T2溫度不變)。環(huán)境溫度20℃，實際效率約10%，低于光伏。然而與光伏比較，太陽輻射能熱機具有無可比擬的優(yōu)勢。同光伏一樣，它沒有燃燒過程，排放為零;不同的是太陽輻射能熱機不受光照時間、太陽能流密度和采光面積限制，無需蓄能，且可在發(fā)電同時制冷，其綜合能效比高出光伏1-2個數(shù)量級。太陽輻射能熱機利用環(huán)境熱源實現(xiàn)凈輸出意味著開啟了一扇新能源之門。

太陽輻射能熱機發(fā)電伴隨制冷。退一步說，因換熱技術(shù)限制熱機不能實現(xiàn)凈輸出，那么作為空調(diào)(限于單向制冷)使用，其綜合能效將比現(xiàn)行空調(diào)提高80%以上，能耗下降80%-100%，成為真正意義上的零能耗空調(diào)。空調(diào)耗電占總電耗的10%，太陽輻射能熱機具有積極的節(jié)能意義。