專利名稱：熱力學(xué)動力轉(zhuǎn)換循環(huán)和使用方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明大體上針對基于熱力循環(huán)的動力產(chǎn)生循環(huán)，且更具體地說，針對用于增加熱 源與散熱片之間的有效熱差的手段和方法以及用于增加能量提取裝置上的壓力差的手 段和方法。
背景技術(shù)：
地?zé)釤岜米鳛榉謩e從地源水通過向外/向內(nèi)熱傳遞提供冷卻或加熱的手段是此項(xiàng)技 術(shù)中眾所周知的。地?zé)釤崃W(xué)動力產(chǎn)生循環(huán)作為產(chǎn)生蒸汽進(jìn)而蒸汽驅(qū)動例如渦輪等能量 提取裝置的手段也是此項(xiàng)技術(shù)中眾所周知的。兩種地?zé)釕?yīng)用均將受益于用于增加熱源與 散熱片之間的溫差的手段。貢德拉赫(Gundlach)的題為"熱能存儲系統(tǒng)(Thermal energy storage system)"的 第16,681,593號美國專利揭示一種熱能存儲系統(tǒng)，其包含用于通過在季節(jié)內(nèi)融化冰和使 水結(jié)冰來循環(huán)地存儲和提取熱能的冰水淺池。'593專利未能實(shí)現(xiàn)循環(huán)利用一天內(nèi)和晝夜 溫度變化作為用于在半連續(xù)基礎(chǔ)上增加系統(tǒng)效率的手段。威林加(Veringa)等人的題為"基于斯特林系統(tǒng)的加熱裝置(Heating installation basedon a Stirling system)"的第6,151,896號美國專利揭示一種具有集成在單個(gè)壓力容器內(nèi)的 斯特林引擎和斯特林型熱泵的加熱裝置。兩個(gè)熱室和兩個(gè)冷室以及其中安裝有活塞使得 其自由振蕩的工作室位于壓力容器內(nèi)部。所述室彼此成流體連通。'896專利未能實(shí)現(xiàn)來 自熱存儲裝置的任何增益或用于增加熱室或冷室的有效溫度的任何手段。'896專利并入 有熱水熱存儲系統(tǒng)僅作為用于利用進(jìn)入熱水中的未轉(zhuǎn)換的熱能而不是將未轉(zhuǎn)換的熱能 耗散到大氣中的手段。
英國環(huán)境能量系統(tǒng)有限公司(Ambient Energy Systems Ltd.)揭示利用兩個(gè)熱存儲系 統(tǒng)結(jié)合傳統(tǒng)的蒸汽壓縮熱泵作為用于利用環(huán)境(也叫作大氣)條件來收集太陽能或?qū)?能耗散到大氣中的手段，但未能實(shí)現(xiàn)與單獨(dú)產(chǎn)生冷卻連同家用熱水或加熱同時(shí)發(fā)生的動 力產(chǎn)生能力。環(huán)境(Ambient)系統(tǒng)利用高表面積"大氣熱交換器"，其是具有低壓力傳 統(tǒng)熱傳送工作流體的固定系統(tǒng)，因此需要過量的泵能量來克服流體摩擦損失。此外，環(huán) 境(Ambient)限于一個(gè)熱力循環(huán)，其是標(biāo)準(zhǔn)熱泵循環(huán)?？R(Kajima)公司也開發(fā) 出一種較不復(fù)雜的系統(tǒng)，其利用單個(gè)熱存儲裝置和環(huán)境熱交換器作為同樣用于增加傳統(tǒng) 熱泵熱力循環(huán)的手段。任一系統(tǒng)均既不預(yù)期也不能夠在同時(shí)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)性能系數(shù)增加的額 外增益的同時(shí)產(chǎn)生能量。
本發(fā)明者不知道揭示使用熱存儲裝置作為增加溫差的手段或利用具有或不具有風(fēng) 道效應(yīng)裝置的大氣熱交換器或利用包含離子性液體或電子化合物/堿金屬化合物溶液的 新穎工作流體作為用于增加壓力差與溫差比率的手段的任何額外專利或參考文獻(xiàn)。
仍需要一種用于將熱能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能/電能以實(shí)現(xiàn)較小(約15開氏度)溫差的高效 的具成本效益的手段或用于有效地增加溫差的手段。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種經(jīng)修改的熱力循環(huán)，其通過使熱源與散熱片之間的溫差和壓力差最 大化來實(shí)現(xiàn)極佳的能量轉(zhuǎn)換效率。所述發(fā)明性設(shè)計(jì)產(chǎn)生的基本益處是熱損失顯著減少以 及在相對較低溫差下提取能量的能力。
本發(fā)明的一個(gè)目的是增加熱源與散熱片之間的溫差。
本發(fā)明的另一目的是將具有整體能量提取能力的吸收熱泵集成到標(biāo)準(zhǔn)蒸汽壓縮熱
泵作為增加總能量轉(zhuǎn)換和冷卻性能系數(shù)的手段。
本發(fā)明的又一目的是利用晝夜溫差作為用于增加熱源與散熱片之間的溫差的手段。 本發(fā)明的再一目的是利用由太陽能收集器或集中器收集的太陽能作為用于增加熱
源與散熱片之間的溫差的手段。本發(fā)明的另一目的是利用動態(tài)可切換熱總線作為用于重新配置流體連通線之間的 熱傳遞的手段。
本發(fā)明的又一目的是在相對較熱的白天從大氣中提取熱能作為增加熱源溫度的手 段，且在相對較涼的夜間從大氣中提取熱能作為減小散熱片溫度的手段，其兩者均利用 熱存儲能力。
本發(fā)明的再一目的是通過減少泵和風(fēng)扇能量來降低輔助支持設(shè)備能量消耗，其包含 分別利用熱驅(qū)動脈沖泵配置、熱管等以及利用穿過大氣熱交換器的風(fēng)道效應(yīng)的手段。
本發(fā)明的說明書內(nèi)所描繪的圖式提供能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的最重要組件的示范性配置。以 下段落中提供對所述圖式的詳細(xì)描述。


圖1A是描繪用于空氣溫度大于地?zé)崴疁囟鹊那樾蔚牧黧w連通線的框圖。 圖1B是描繪用于空氣溫度小于地?zé)崴疁囟鹊那樾蔚牧黧w連通線的框圖。 圖2是描繪用于脈沖泵的流體連通線的框圖。
圖3是描繪用于通過熱力循環(huán)的標(biāo)準(zhǔn)能量提取的流體連通線的框圖。 圖4是描繪用于利用蒸發(fā)器與冷凝器之間的熱管的熱傳遞的流體連通線的框圖。 圖5是描繪用于兩個(gè)熱存儲槽的任一者之間的熱傳遞的流體連通線的框圖。 圖6是描繪穿過具有在兩個(gè)熱存儲槽的任一者之間的切換能力的熱總線的熱傳遞的 框圖。
圖7是大氣熱交換器上的整體風(fēng)道效應(yīng)能力的橫截面圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明大體上針對基于熱力循環(huán)的動力產(chǎn)生循環(huán)，且更具體地說，針對用于增加熱 源與散熱片之間的有效熱差的手段和方法以及用于增加能量提取裝置上的壓力差的手 段和方法。提供一種經(jīng)修改的熱力循環(huán)，其通過使熱源與散熱片之間的溫差和壓力差最 大化來實(shí)現(xiàn)極佳的能量轉(zhuǎn)換效率。所述發(fā)明性設(shè)計(jì)產(chǎn)生的基本益處是熱損失顯著減少以 及在相對較低溫差下提取能量的能力。
術(shù)語"轉(zhuǎn)子馬達(dá)"定義為用于旋轉(zhuǎn)附接到旋轉(zhuǎn)裝置的組件的外部構(gòu)件。
術(shù)語"熱總線"定義為用于以定向方式將熱能從一個(gè)位置傳遞到另一位置的構(gòu)件。
術(shù)語"大氣的"定義為由大氣產(chǎn)生的、依賴于大氣的或來自大氣的。
術(shù)語"風(fēng)道效應(yīng)"定義為用于沿著某一所需路線指引或引導(dǎo)風(fēng)力的構(gòu)件，其優(yōu)選地
8具有集中或放大的影響和較高速度。
術(shù)語"熱驅(qū)動脈沖泵"定義為用于通過與待抽吸的流體的冷卻和冷凝交替而利用周 期性(脈沖)加熱和汽化來產(chǎn)生抽吸動作的構(gòu)件。
術(shù)語"熱力循環(huán)"定義為工作流體經(jīng)歷一系列狀態(tài)變化并最終返回其初始狀態(tài)的過程。
術(shù)語"太陽能"定義為源自太陽的能量，其最經(jīng)常指代輻射光子通過各種各樣的手 段而直接轉(zhuǎn)換為電子或聲子。太陽能還間接轉(zhuǎn)換為額外的能量形式，例如地下水(也叫 作地?zé)崴?的加熱。
術(shù)語"地?zé)?定義為或涉及地球的內(nèi)熱，其受所吸收的太陽能影響。
術(shù)語"離子性液體"定義為作為其中能夠溶解多種有機(jī)和無機(jī)溶質(zhì)的高度溶劑化非 協(xié)調(diào)媒介的液體。其是多種化合物的有效溶劑，且其缺乏可測量的蒸汽壓力使得其成為 揮發(fā)性有機(jī)化合物(VOC)的理想替代品。離子性液體是具有吸引力的溶劑，因?yàn)槠洳?揮發(fā)、不易燃、具有較高熱穩(wěn)定性且制造起來相對較便宜。離子性液體的關(guān)鍵在于其是 液體鹽，這意味著其由以液相存在的鹽組成且必須制造出來；其不僅僅是溶解于液體中 的鹽。通常，離子中的一者或兩者特別大且陽離子具有較低對稱程度，這些因素導(dǎo)致離 子性液體具有減小的晶格能且因此具有較低熔點(diǎn)。
術(shù)語"電子化合物"定義為類似于堿金屬化合物，不同之處只是認(rèn)為陰離子只是局 限于配位陽離子之間的結(jié)晶區(qū)的電子。
術(shù)語"堿金屬化合物"定義為其中陰離子是類型I族(堿性)元素Na、 K、 Rb、 Cs (不存在已知的"鋰化合物")的一類離子性化合物。陽離子是通過較大有機(jī)配位劑配位 的堿性陽離子。所得的化學(xué)形式為A+[配位劑]B-，其中配位劑是穴狀配體、冠醚或氮雜 冠醚。
術(shù)語"納米流體"定義為含有納米級粉末的流體，所述納米級粉末是直徑小于1微
米且優(yōu)選小于IOO納米的粉末。
術(shù)語"超臨界"定義為流體己經(jīng)在高于其臨界溫度和壓力下加以利用的點(diǎn)。
術(shù)語"熱泵"定義為借助包含蒸汽壓縮、吸收和吸附的手段而將從熱源提取的熱能
傳遞到散熱片。
下文參看附圖闡釋根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的熱力學(xué)動力轉(zhuǎn)換裝置。
圖1A和1B是能量轉(zhuǎn)換裝置的主要組件之間的流體連通線的框圖。熱力學(xué)動力轉(zhuǎn)換 裝置是混合地?zé)釤崃ρh(huán)，但除傳統(tǒng)操作溫度外還預(yù)期顯著較低的地源操作溫度，其與 選自由吸收、吸附和蒸汽壓縮熱泵組成的群組的至少一個(gè)其它熱力循環(huán)耦合。圖1A具體描繪熱力學(xué)動力轉(zhuǎn)換裝置，下文中稱為"TPC"。圖1A展示當(dāng)環(huán)境/大氣 溫度大于地源/地?zé)崴疁囟葧r(shí)的配置。參看圖1A，地源水熱能通過地?zé)崂淠?0而傳遞 到熱力循環(huán)中，所述地?zé)崂淠?0更準(zhǔn)確地充當(dāng)蒸發(fā)器。工作流體與高壓活塞泵IO形 成流體連通，所述高壓活塞泵10或者可為熱驅(qū)動脈沖泵、內(nèi)齒輪油泵或?qū)崿F(xiàn)高效抽吸 的額外構(gòu)件。工作流體進(jìn)一步視情況與大氣到液體熱交換器"HX" 20形成流體連通， 作為用于增加工作流體溫度的第一級手段。用于進(jìn)一步增加工作流體溫度的可選(但優(yōu) 選)第二級手段由太陽能輔助的熱源30實(shí)現(xiàn)。此類太陽能輔助的熱源包含太陽能熱收 集器(即，平板、真空管)。另一第三級優(yōu)選為太陽能集中器。所述三個(gè)連續(xù)加熱級的 配置將資本成本和熱損失減到最小。將在工作流體小于熱源溫度的任何點(diǎn)處但優(yōu)選在小 于熱源的最高溫度處集成的額外熱源被集成到所述發(fā)明性TPC中。這些熱源包含廢熱源 和來自包含低質(zhì)量生物燃料源的燃料源的燃燒。工作流體現(xiàn)處于熱力循環(huán)內(nèi)的最高溫度 和壓力下。工作流體與例如詳述的膨脹渦輪40等壓力膨脹器形成直接流體連通。壓力 膨脹器或者可驅(qū)動壓縮機(jī)、熱泵或發(fā)電機(jī)50。膨脹過程的副產(chǎn)物是冷卻能力，其尤其通 過可選的吸收/膨脹冷卻裝置60來實(shí)現(xiàn)。預(yù)期例如過熱降溫器、預(yù)冷器/過冷器等額外組 件作為用于增加壓力差和/或冷卻能力的構(gòu)件。當(dāng)工作流體是超臨界流體時(shí)，這些額外組 件尤其突出。
圖1B描繪當(dāng)環(huán)境空氣溫度小于地源水溫度時(shí)的TPC。主要差別在于，在流體連通 線內(nèi)放置充當(dāng)工作流體的第一加熱級的地?zé)崂淠?0。大氣熱交換器20現(xiàn)充當(dāng)蒸發(fā)器 以便降低工作流體溫度，因此作為散熱片。
圖2描繪TPC內(nèi)的熱驅(qū)動脈沖泵的廣義概念。具體地說， 一系列平行排序的輸入閥 100獲得作為在膨脹渦輪40之前幾乎任何點(diǎn)處來自地?zé)崂淠?0的輸出的工作流體。 輸入閥與脈沖HX室(一個(gè)或多個(gè))90形成流體連通，在所述脈沖HX室90處加熱工 作流體以作為增加工作流體壓力的手段。所得的經(jīng)加熱的工作流體通過利用壓力差來轉(zhuǎn) 移較低壓力工作流體而引起抽吸動作，這受一系列平行輸出閥80控制。
圖3描繪簡化的熱力循環(huán)表示形式，其中工作流體利用通過溫差實(shí)現(xiàn)的壓力差來驅(qū) 動膨脹渦輪40。工作流體接著與由蒸發(fā)器HX 42表示的散熱片形成流體連通，所述蒸 發(fā)器HX42最佳地也是次級熱泵冷凝器，但在熱力循環(huán)內(nèi)充當(dāng)蒸發(fā)器。活塞泵(優(yōu)選為 高壓活塞泵10)控制工作流體的流動，使得將工作流體轉(zhuǎn)移到由冷凝器HX 22表示的 熱源中，所述冷凝器HX22同樣最佳地也是次級熱泵蒸發(fā)器，但在熱力循環(huán)內(nèi)充當(dāng)冷凝 器。
圖4描繪簡化的熱管回路，其還預(yù)期是在最少壓力損失下在相對較長距離上傳遞熱能的任何手段。此熱傳遞本質(zhì)上在由22表示為冷凝器HX的任何熱源與由42表示為蒸 發(fā)器HX的任何散熱片之間發(fā)生。
圖5描繪簡化的回路，由于此回路，可將大氣熱交換器20控制為與相對較冷的熱 存儲槽300和相對較暖的熱存儲裝置310形成流體連通。
圖6描繪簡化的熱總線回路，其利用熱總線的高導(dǎo)熱性和低熱阻構(gòu)件作為在幾乎任 何熱源與散熱片之間傳遞熱能的有效手段。熱總線140可在幾乎任何兩個(gè)組件之間切換， 所述組件在此處展示為由相對較冷的熱存儲槽300和相對較暖的熱存儲槽310表示。切 換手段包含熱二極管或此項(xiàng)技術(shù)中己知的控制高導(dǎo)熱性連同低熱阻與低導(dǎo)熱性連同高 熱阻的所需狀態(tài)之間的熱傳遞的額外方法。
圖7描繪將風(fēng)道效應(yīng)集成到大氣熱交換器中。大氣熱交換器200將其氣流在加速度 下指引到熱交換器中，作為降低風(fēng)扇動力和增加熱傳送的手段。氣流由此項(xiàng)技術(shù)中已知 的一系列風(fēng)道效應(yīng)裝置210引導(dǎo)，所述裝置210優(yōu)選在空氣動力方面經(jīng)優(yōu)化以將表面摩 擦損失減到最小。所述描繪分別作為橫截面圖和俯視圖中的兩者/任一者是準(zhǔn)確的。優(yōu)選 定向是利用太陽能收集器220,其經(jīng)動態(tài)再定位以在例如屋頂結(jié)構(gòu)的示范性結(jié)構(gòu)上起到 風(fēng)道效應(yīng)的次要功能?；蛘?，由230例示的風(fēng)道效應(yīng)裝置由太陽能收集器描繪，所述太 陽能收集器是能夠捲起的柔性襯底。優(yōu)選的太陽能收集器進(jìn)一步能夠升高和擴(kuò)展以滿足 使太陽能收集最大化、使風(fēng)力轉(zhuǎn)換最大化、使在過大風(fēng)力周期期間對風(fēng)力破壞的敏感度 最小化等特定優(yōu)化要求。最后，用于使氣流最大化的手段由通過此項(xiàng)技術(shù)中已知的方法 旋轉(zhuǎn)整個(gè)大氣熱交換器200來實(shí)現(xiàn)，因?yàn)檫\(yùn)動控制是由示范性回轉(zhuǎn)馬達(dá)240實(shí)現(xiàn)的。
所述發(fā)明性能量轉(zhuǎn)換裝置的許多額外特征詳述如下。
熱力學(xué)動力轉(zhuǎn)換裝置可在至少兩個(gè)操作模式之間動態(tài)切換，其中第一模式是當(dāng)?shù)責(zé)?源的溫度低于環(huán)境或熱存儲裝置溫度時(shí)散熱片為所述地?zé)嵩矗蛘叩诙Ｊ绞钱?dāng)?shù)責(zé)嵩?的溫度高于環(huán)境或熱存儲裝置溫度時(shí)熱源為所述地?zé)嵩?。?yōu)選的熱存儲裝置包括至少兩 個(gè)熱存儲槽，所述存儲槽之間的溫差為至少15開氏度。
通過進(jìn)一步包含來自由熱驅(qū)動脈沖泵、熱管、環(huán)形熱管、毛細(xì)熱管、熱總線和熱泵 組成的群組的至少一者而將輔助/輔助能量要求減到最小。
較優(yōu)選的熱存儲槽通過在白天期間經(jīng)由大氣熱交換器中的熱傳送對熱源工作流體 進(jìn)行預(yù)熱而具有增加/較高的溫度。特別優(yōu)選的熱存儲槽通過從太陽能收集裝置注入太陽 能而具有增加/較高的溫度。
所注入的太陽能通過太陽能收集器而實(shí)時(shí)增加熱源溫度，作為用于增加能量轉(zhuǎn)換效 率的手段。進(jìn)一步預(yù)期第一級太陽能收集器包括傳統(tǒng)的平板太陽能收集器和真空太陽能熱管。進(jìn)一步預(yù)期第二級太陽能收集器包括集中的太陽能。由太陽能集中器產(chǎn)生的第二 級在最小熱損失和最大能量效率的情況下實(shí)現(xiàn)較高熱源。太陽能收集器的輸出與選自地 熱或熱存儲裝置工作流體的具有較高溫度的裝置形成流體連通。進(jìn)一步預(yù)期來自緊密接 近的處理的廢熱可形成間接流體連通，使得廢物處理熱量在不超過實(shí)際廢物處理熱量溫 度的情況下在最高熱力循環(huán)溫度下被注入。當(dāng)大氣熱交換器溫度大于地?zé)峄驘岽鎯ρb置工作流體時(shí)，大氣熱交換器形成直接或 間接流體連通，或經(jīng)由作為將熱能傳遞到選自地?zé)峄驘岽鎯ρb置工作流體的較高溫度裝 置中的構(gòu)件的熱總線。或者，當(dāng)大氣熱交換器溫度低于地?zé)峄驘岽鎯ρb置工作流體時(shí)， 大氣熱交換器與選自地?zé)峄驘岽鎯ρb置工作流體的具有較低溫度的裝置形成流體連通。優(yōu)選的大氣熱交換器進(jìn)一步包括選自由作為增強(qiáng)熱傳送的構(gòu)件的風(fēng)道效應(yīng)裝置、作 為使氣流最大化的構(gòu)件的轉(zhuǎn)子馬達(dá)和作為控制太陽能熱增益的構(gòu)件的太陽能屏蔽裝置 組成的群組的至少一個(gè)裝置。風(fēng)道效應(yīng)裝置包含例如風(fēng)成屋頂(Aeolian Roof)的裝置 或此項(xiàng)技術(shù)中用于風(fēng)力集中、風(fēng)力放大和風(fēng)道效應(yīng)的其它已知方法。不依賴于方法，主 要目的是增加風(fēng)速。具有組成風(fēng)道效應(yīng)裝置的較優(yōu)選大氣熱交換器進(jìn)一步包括風(fēng)力轉(zhuǎn)換 器，例如風(fēng)力渦輪。特別優(yōu)選的風(fēng)力轉(zhuǎn)換器經(jīng)水平安裝，使得風(fēng)道效應(yīng)不會干擾太陽能 收集器/集中器。特別優(yōu)選的大氣熱交換器能夠在蒸發(fā)器或冷凝器模式之間動態(tài)切換。 一種此類操作 模式是白天操作，其中大氣熱交換器從大氣中提取熱能。另一種此類操作模式是夜間操 作，其中大氣熱交換器輻射熱能。最佳的切換模式反映包含例如天氣(例如，溫度)、風(fēng)速、濕度等實(shí)時(shí)條件的一系列參數(shù)。將例如可從能量管理系統(tǒng)獲得的歷史主機(jī)操作條 件與所預(yù)計(jì)的天氣預(yù)報(bào)合并的能力使系統(tǒng)能夠在散熱片或熱源之間調(diào)度其操作模式。本發(fā)明的操作模式是合并多元控制系統(tǒng)，其將操作歷史與天氣預(yù)報(bào)結(jié)合以確定包含大氣熱 交換器作為散熱片或熱源操作的時(shí)間的調(diào)度的動態(tài)配置，且借此對散熱片或熱源動態(tài)地改變到達(dá)/來自熱存儲槽、太陽能收集器、太陽能集中器、地?zé)岬叵滤础岜谜舭l(fā)器或 冷凝器的熱傳遞。相當(dāng)大的能量源直接經(jīng)由太陽能收集器/集中器從太陽能收集。太陽能 的收集在很大程度上受包含云層、季節(jié)性、最小與最大溫度(即，晝夜溫度)之間的曰 變化等許多天氣參數(shù)影響。倘若性能系數(shù)在很大程度上通過使溫差最大化來規(guī)定，那么 最佳的是使系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)最大溫差的時(shí)間處操作。然而，對于能量、加熱/冷卻和家用熱水 的需求與能量、加熱/冷卻和家用熱水的供應(yīng)不同步。因此，實(shí)時(shí)確定配置/重新配置熱 能傳遞在滿足處于最高需求狀態(tài)或具有最高經(jīng)濟(jì)成本的資源的實(shí)時(shí)需求或者優(yōu)化固定 時(shí)間周期(例如，每日、每周、每月)內(nèi)的總操作成本之間不斷變化?？刂品桨傅膹?fù)雜性最佳通過組合具有到網(wǎng)絡(luò)資源的直接實(shí)時(shí)通信鏈路的分布式控 制系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)，所述網(wǎng)絡(luò)資源基于歷史和預(yù)報(bào)的操作數(shù)據(jù)結(jié)合歷史和預(yù)報(bào)的天氣數(shù)據(jù)來 確定和變換最佳配置方案。特別優(yōu)選的大氣熱交換器是將選自由結(jié)構(gòu)支架、建筑學(xué)設(shè)計(jì)元件或障壁組成的群組 的功能集成的多功能裝置。大氣熱交換器(尤其是大表面積系統(tǒng))具有例如調(diào)節(jié)共同結(jié) 構(gòu)支架與太陽能收集器/集中器的構(gòu)件。大表面積太陽能收集器還固有地充當(dāng)固有熱總 線，即金屬結(jié)構(gòu)具有較大熱質(zhì)量和較低熱阻。此外，較大熱交換器(尤其是空氣熱交換 器)需要大量氣流。風(fēng)力轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)(例如，風(fēng)力渦輪)也需要大量氣流。因此，優(yōu)選 配置是使得熱交換器(其最終是超臨界薄膜微通道熱交換器)充當(dāng)風(fēng)道效應(yīng)裝置(也叫 作風(fēng)力渦輪、風(fēng)力放大器、風(fēng)力集中器)來引導(dǎo)/指引氣流。此項(xiàng)技術(shù)中已知，靜電場能夠增強(qiáng)熱傳送，因此大表面積大氣熱交換器將大大受益 于此增強(qiáng)。改進(jìn)熱擴(kuò)散的另一手段是通過利用蒸發(fā)冷卻，其包含此項(xiàng)技術(shù)中已知的增加 蒸發(fā)速率的方法(例如，SwirlFlashTM、霧化構(gòu)件、靜電"爆破"力)。氣流溫度變化的 額外益處包含調(diào)節(jié)"煙囪效應(yīng)"的能力，煙囪效應(yīng)是經(jīng)加熱的空氣或氣體由于其與周圍 空氣或氣體相比具有較低密度而在管道或其它垂直通路中(例如，在煙囪、小包圍體或 建筑物中)上升的趨勢。因此，大氣熱交換器將實(shí)際上在大氣熱交換器正作為冷凝器操 作的時(shí)間期間(當(dāng)熱交換器位于風(fēng)力轉(zhuǎn)換器裝置之后時(shí))增加氣流，因此增加由風(fēng)力轉(zhuǎn) 換器產(chǎn)生的能量。進(jìn)一步預(yù)期用于通過例如此項(xiàng)技術(shù)中已知的手段旋轉(zhuǎn)大氣熱交換器或 風(fēng)道效應(yīng)裝置的構(gòu)件(本文中稱為轉(zhuǎn)子馬達(dá))使最大量的氣流能夠穿過大氣熱交換器和 風(fēng)力轉(zhuǎn)換器。這服務(wù)使熱傳送和動力產(chǎn)生最大化的多功能目的。風(fēng)道效應(yīng)的另一優(yōu)點(diǎn)是 作為大多數(shù)空氣熱交換器的必要組件的輔助風(fēng)扇的能量消耗降低?；蛘?，通過太陽能收集器的次要功能來實(shí)現(xiàn)風(fēng)道效應(yīng)。最佳太陽能產(chǎn)生是通過利用 太陽能跟蹤能力來實(shí)現(xiàn)的。利用相同的跟蹤能力使得尤其在減少的太陽能產(chǎn)生時(shí)間期間 能夠重新配置太陽能收集器/集中器，以實(shí)現(xiàn)最佳組合的總凈能產(chǎn)生和消耗。太陽能收集 器/集中器的重要設(shè)計(jì)考慮因素是其經(jīng)受住疾風(fēng)條件的能力，因此跟蹤構(gòu)件還提供使太陽 能收集器上的超過設(shè)計(jì)限度的空氣動力最小化的額外能力。換句話說，在超過預(yù)定限度 的風(fēng)速下，太陽能收集器定位經(jīng)重新配置以保持在大氣熱交換器和太陽能收集器氣流限 度內(nèi)。在大氣熱交換器正在蒸發(fā)器模式下操作的時(shí)間期間，風(fēng)道效應(yīng)裝置可起到提供太 陽能屏蔽的次要功能。在此項(xiàng)技術(shù)中認(rèn)識到，太陽能增益減小了安裝在外部的蒸發(fā)器的 操作效力。進(jìn)一步包含熱泵引入至少一第二熱力循環(huán)，其增加包含動力、家用熱水和冷卻/加熱能力的總體所需輸出。熱泵在整個(gè)系統(tǒng)中提供協(xié)合效應(yīng)。所述發(fā)明性熱力學(xué)動力轉(zhuǎn)換器 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了許多配置。此類配置包含與選自由以下各項(xiàng)組成的群組的至少一者形成間接 流體連通的熱泵冷凝器(a)在冷卻模式下操作時(shí)的太陽能收集器，且太陽能收集器入 口溫度小于冷凝器溫度；(b)在冷卻模式下操作時(shí)的太陽能收集器，且太陽能收集器出 口溫度小于冷凝器溫度；(C)高溫?zé)岽鎯ρb置，其中高溫比在冷卻模式下操作時(shí)的低溫 熱存儲裝置大至少15開氏度，且冷凝器溫度大于高溫?zé)岽鎯ρb置；(d)在冷卻模式下 操作時(shí)的動力轉(zhuǎn)換裝置和高壓側(cè)動力轉(zhuǎn)換裝置，其中高壓側(cè)動力轉(zhuǎn)換裝置的壓力大于低 壓側(cè)動力轉(zhuǎn)換裝置，且高壓側(cè)動力轉(zhuǎn)換裝置溫度小于冷凝器溫度；(e)在冷卻模式下操 作時(shí)的動力轉(zhuǎn)換裝置和低壓側(cè)動力轉(zhuǎn)換裝置，其中低壓側(cè)動力轉(zhuǎn)換裝置的壓力小于高壓 側(cè)動力轉(zhuǎn)換裝置，且低壓側(cè)動力轉(zhuǎn)換裝置溫度小于冷凝器溫度；(f)在加熱模式下操作 時(shí)的太陽能收集器，且太陽能收集器入口溫度小于蒸發(fā)器溫度；(g)在加熱模式下操作 時(shí)的太陽能收集器，且太陽能收集器出口溫度小于蒸發(fā)器溫度；(h)低溫?zé)岽鎯ρb置， 其中低溫比在加熱模式下操作時(shí)的高溫?zé)岽鎯ρb置小至少15開氏度，且蒸發(fā)器溫度小 于低溫?zé)岽鎯ρb置；(i)在加熱模式下操作時(shí)的動力轉(zhuǎn)換裝置和低壓側(cè)動力轉(zhuǎn)換裝置， 其中低壓側(cè)動力轉(zhuǎn)換裝置的壓力小于高壓側(cè)動力轉(zhuǎn)換裝置，且低壓側(cè)動力轉(zhuǎn)換裝置溫度 高于蒸發(fā)器溫度；(j)在加熱模式下操作時(shí)的動力轉(zhuǎn)換裝置和高壓側(cè)動力轉(zhuǎn)換裝置，其 中高壓側(cè)動力轉(zhuǎn)換裝置的壓力大于低壓側(cè)動力轉(zhuǎn)換裝置，且高壓側(cè)動力轉(zhuǎn)換裝置溫度高 于蒸發(fā)器溫度；以及(k)其組合。熱力學(xué)動力轉(zhuǎn)換器循環(huán)與熱泵的集成實(shí)現(xiàn)15開氏度的顯著低溫差以實(shí)現(xiàn)動力產(chǎn)生 和性能系數(shù)增加。用于有效動力產(chǎn)生的最重要設(shè)計(jì)考慮因素之一是溫差與壓力差之間的 比率。所述發(fā)明性能量轉(zhuǎn)換器循環(huán)的重要特征是進(jìn)一歩包含極佳的熱傳送流體。最突出 的是包含選自來自離子性液體、多(離子性液體)聚合體、電子化合物、堿金屬化合物 和納米流體溶液的群組的至少一者的二元工作流體。優(yōu)選的工作流體進(jìn)一步包含超臨界 氣體，較優(yōu)選的超臨界氣體為二氧化碳。特別優(yōu)選的工作流體選自由離子性液體、離子 性液體與多(離子性液體)聚合體的組合組成的群組。特別優(yōu)選的工作流體包括熱傳送 流體，其包括至少一種離子性液體和至少一種多(離子性液體)聚合體。特別優(yōu)選的系統(tǒng)配置是增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)，因此在熱源與散熱片之間在動態(tài)可切換模 式下利用地下水源。地?zé)嵯到y(tǒng)包括(A)能量轉(zhuǎn)換裝置；(B)熱存儲系統(tǒng)；以及(C) 溫度檢測器/控制器，其用于監(jiān)視熱存儲系統(tǒng)和地?zé)嵯到y(tǒng)的入口溫度。在相對較低溫差下產(chǎn)生能量的組合能力是存儲可用能量(尤其是可自由利用的能量 (例如，廢熱、太陽能、包含將能量輻射到天空中的大氣冷卻))的能力的顯著促進(jìn)因素。14組合系統(tǒng)的各種輸出(例如，能量、冷卻/加熱、家用熱水)和用于進(jìn)一步傳遞熱能的各 種各樣的必要組件(例如，太陽能收集器、地源水等)導(dǎo)致對相對較低成本熱存儲槽的 需求增加。最佳熱存儲系統(tǒng)包括至少一個(gè)低溫?zé)岽鎯ρb置和至少一個(gè)熱存儲裝置，其中 所述低溫與高溫之間的溫差最小為15開氏度。地?zé)嵯到y(tǒng)和熱力學(xué)動力轉(zhuǎn)換器循環(huán)兩者通過并入有選自來自由熱驅(qū)動脈沖泵、熱 管、環(huán)形熱管或毛細(xì)熱管、熱總線和熱泵組成的群組的至少一者的另外裝置而實(shí)現(xiàn)凈動 力產(chǎn)生和性能系數(shù)的額外增益。用于減小抽吸和風(fēng)扇能量的額外手段有助于增加總體系 統(tǒng)效力。連續(xù)優(yōu)化方案通過將系統(tǒng)配置動態(tài)地重新配置為用于優(yōu)化大氣熱交換器能量消 耗與輔助動力產(chǎn)生的總計(jì)的手段來實(shí)施。這包含配置地?zé)嵯到y(tǒng)以使其當(dāng)?shù)責(zé)嵩吹臏囟鹊?于環(huán)境或熱存儲裝置溫度時(shí)作為散熱片操作，或當(dāng)?shù)責(zé)嵩吹臏囟雀哂诃h(huán)境或熱存儲裝置 溫度時(shí)作為熱源操作。所述發(fā)明性系統(tǒng)進(jìn)一步預(yù)期包含通過直接集成選自由風(fēng)力渦輪、太陽能收集器和熱 力循環(huán)壓力擴(kuò)展器組成的群組的至少一個(gè)裝置而實(shí)現(xiàn)的額外輔助動力產(chǎn)生設(shè)備。風(fēng)力渦 輪的并入使總體系統(tǒng)能夠產(chǎn)生包含用于控制系統(tǒng)、泵和風(fēng)扇的能量的輔助能量要求的至 少一部分。進(jìn)一步包含熱力循環(huán)壓力擴(kuò)展器(其包含此項(xiàng)技術(shù)中已知的裝置(例如，內(nèi) 齒輪油泵、Ramgen 、 Quasiturbine ))均使得能夠?qū)崿F(xiàn)極佳的能量效率。在當(dāng)前優(yōu)選實(shí)施例的詳細(xì)描述中描述了本發(fā)明的額外特征和優(yōu)點(diǎn)，且從所述詳細(xì)描 述中將了解所述額外特征和優(yōu)點(diǎn)。應(yīng)了解，所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員將了解對本文描述的當(dāng) 前優(yōu)選實(shí)施例的各種變化和修改。可在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下且在不減少 其附隨優(yōu)點(diǎn)的情況下作出此類變化和修改。因此，希望此類變化和修改由所附權(quán)利要求 書涵蓋。
權(quán)利要求
1.一種與至少一個(gè)熱存儲裝置一起操作的熱力學(xué)動力轉(zhuǎn)換裝置，所述熱存儲裝置能夠?qū)崿F(xiàn)以下各項(xiàng)中的至少一者a.增加熱源與散熱片之間的平均溫差；以及b.增加能量效率。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱力學(xué)動力轉(zhuǎn)換裝置，其中所述熱力學(xué)動力轉(zhuǎn)換裝置可在至 少兩種操作模式之間動態(tài)切換，其中在第一模式下，當(dāng)?shù)責(zé)嵩吹臏囟鹊陀诃h(huán)境或熱 存儲裝置溫度時(shí)所述散熱片是所述地?zé)嵩?，且在第二模式下，?dāng)?shù)責(zé)嵩吹臏囟雀哂?環(huán)境或熱存儲裝置溫度時(shí)所述熱源是所述地?zé)嵩础?br> 3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱力學(xué)動力轉(zhuǎn)換裝置，其進(jìn)一步包括至少一個(gè)第一熱存儲槽 和至少一個(gè)第二熱存儲槽，其中所述至少一個(gè)第一熱存儲槽和所述至少一個(gè)第二熱存儲槽具有至少15開氏度的溫差。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱力學(xué)動力轉(zhuǎn)換裝置，其中所述熱力學(xué)動力轉(zhuǎn)換裝置選自由 熱驅(qū)動脈沖泵、熱管、環(huán)形熱管、毛細(xì)熱管、熱總線、熱泵和其組合組成的群組。
5. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的熱力學(xué)動力轉(zhuǎn)換裝置，其中具有較高溫度的所述熱存儲槽被 注入來自太陽能收集裝置的太陽能。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱力學(xué)動力轉(zhuǎn)換裝置，其中所述熱力學(xué)動力轉(zhuǎn)換裝置熱源由 太陽能收集器進(jìn)一步實(shí)時(shí)加熱。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的熱力學(xué)動力轉(zhuǎn)換裝置，其中所述太陽能收集器與選自地?zé)峄?熱存儲裝置工作流體的具有較高溫度的裝置形成流體連通。
8. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的熱力學(xué)動力轉(zhuǎn)換裝置，其進(jìn)一步包括大氣熱交換器。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的熱力學(xué)動力轉(zhuǎn)換裝置，其中當(dāng)所述大氣熱交換器溫度大于地 熱或熱存儲裝置工作流體時(shí)，所述大氣熱交換器與選自地?zé)峄驘岽鎯ρb置工作流體的具有較高溫度的裝置形成流體連通。
10. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的熱力學(xué)動力轉(zhuǎn)換裝置，其中當(dāng)所述大氣熱交換器溫度低于地?zé)峄驘岽鎯ρb置工作流體時(shí)，所述大氣熱交換器與選自地?zé)峄驘岽鎯ρb置工作流體 的具有較低溫度的裝置形成流體連通。
11. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的熱力學(xué)動力轉(zhuǎn)換裝置，其中所述大氣熱交換器選自由作為增 強(qiáng)熱傳送的構(gòu)件的風(fēng)道效應(yīng)裝置、作為使氣流最大化的構(gòu)件的轉(zhuǎn)子馬達(dá)、作為控制 太陽能熱增益的構(gòu)件的太陽能屏蔽裝置和其組合組成的群組。
12. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的熱力學(xué)動力轉(zhuǎn)換裝置，其中所述大氣熱交換器能夠在蒸發(fā)器 或冷凝器模式之間動態(tài)切換。
13. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的熱力學(xué)動力轉(zhuǎn)換裝置，其中所述大氣熱交換器是具有選自由 結(jié)構(gòu)支架、建筑學(xué)設(shè)計(jì)元件和障壁組成的群組的功能的多功能裝置。
14. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的熱力學(xué)動力轉(zhuǎn)換裝置，其中所述大氣熱交換器選自由風(fēng)力轉(zhuǎn) 換器、蒸發(fā)冷卻、靜電熱傳送增強(qiáng)和其組合組成的群組。
15. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的熱力學(xué)動力轉(zhuǎn)換裝置，其中所述風(fēng)力轉(zhuǎn)換器選自由風(fēng)道效 應(yīng)裝置、作為使氣流最大化的構(gòu)件的轉(zhuǎn)子馬達(dá)和其組合組成的群組。
16. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的熱力學(xué)動力轉(zhuǎn)換裝置，其中所述風(fēng)道效應(yīng)裝置由所述太陽 能收集器的次要功能來實(shí)現(xiàn)。
17. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的熱力學(xué)動力轉(zhuǎn)換裝置，其中所述熱泵冷凝器與選自由以下 各項(xiàng)組成的群組的至少一者形成間接流體連通(a)在冷卻模式下操作時(shí)的太陽能 收集器，且太陽能收集器入口溫度小于冷凝器溫度；(b)在冷卻模式下操作時(shí)的太 陽能收集器，且太陽能收集器出口溫度小于冷凝器溫度；(c)高溫?zé)岽鎯ρb置，其 中高溫比在冷卻模式下操作時(shí)的低溫?zé)岽鎯ρb置大至少15開氏度，且冷凝器溫度 大于高溫?zé)岽鎯ρb置；(d)在冷卻模式下操作時(shí)的動力轉(zhuǎn)換裝置和高壓側(cè)動力轉(zhuǎn)換 裝置，其中高壓側(cè)動力轉(zhuǎn)換裝置的壓力大于低壓側(cè)動力轉(zhuǎn)換裝置，且高壓側(cè)動力轉(zhuǎn)換裝置溫度小于冷凝器溫度；(e)在冷卻模式下操作時(shí)的動力轉(zhuǎn)換裝置和低壓側(cè)動 力轉(zhuǎn)換裝置，其中低壓側(cè)動力轉(zhuǎn)換裝置的壓力小于高壓側(cè)動力轉(zhuǎn)換裝置，且低壓側(cè) 動力轉(zhuǎn)換裝置溫度小于冷凝器溫度；(f)在加熱模式下操作時(shí)的太陽能收集器，且 太陽能收集器入口溫度小于蒸發(fā)器溫度；(g)在加熱模式下操作時(shí)的太陽能收集 器，且太陽能收集器出口溫度小于蒸發(fā)器溫度；(h)低溫?zé)岽鎯ρb置，其中低溫比 在加熱模式下操作時(shí)的高溫?zé)岽鎯ρb置小至少15開氏度，且蒸發(fā)器溫度小于低溫 熱存儲裝置；(i)在加熱模式下操作時(shí)的動力轉(zhuǎn)換裝置和低壓側(cè)動力轉(zhuǎn)換裝置，其 中低壓側(cè)動力轉(zhuǎn)換裝置的壓力小于高壓側(cè)動力轉(zhuǎn)換裝置，且低壓側(cè)動力轉(zhuǎn)換裝置溫 度高于蒸發(fā)器溫度；(j)在加熱模式下操作時(shí)的動力轉(zhuǎn)換裝置和高壓側(cè)動力轉(zhuǎn)換裝 置，其中高壓側(cè)動力轉(zhuǎn)換裝置的壓力大于低壓側(cè)動力轉(zhuǎn)換裝置，且高壓側(cè)動力轉(zhuǎn)換 裝置溫度高于蒸發(fā)器溫度；以及(k)其組合。
18. —種地?zé)嵯到y(tǒng)，其包括(A)動力轉(zhuǎn)換裝置；(B)熱存儲系統(tǒng)；以及(C)溫度檢 測器/控制器，其用于監(jiān)視所述熱存儲系統(tǒng)和地?zé)嵯到y(tǒng)的入口溫度。
19. 根據(jù)權(quán)利要求18所述的地?zé)嵯到y(tǒng)，其中所述熱存儲系統(tǒng)包括至少一個(gè)低溫?zé)岽鎯?裝置和至少一個(gè)熱存儲裝置，其中所述低溫與高溫之間的溫差最小為15開氏度。
20. 根據(jù)權(quán)利要求18所述的地?zé)嵯到y(tǒng)，其中所述地?zé)嵯到y(tǒng)利用超臨界壓力制冷流體。
21. 根據(jù)權(quán)利要求18所述的地?zé)嵯到y(tǒng)，其中所述地?zé)嵯到y(tǒng)利用二元工作流體。
22. 根據(jù)權(quán)利要求21所述的地?zé)嵯到y(tǒng)，其中所述二元工作流體選自由離子性液體、多 (離子性液體)聚合體、電子化合物、堿金屬化合物、納米流體溶液和其組合組成 的群組。
23. 根據(jù)權(quán)利要求21所述的地?zé)嵯到y(tǒng)，其中所述地?zé)嵯到y(tǒng)工作流體進(jìn)一步包括至少一 種工作流體，所述工作流體包含選自離子性液體、多(離子性液體)聚合體、電子 化合物、堿金屬化合物、納米流體溶液、超臨界流體和其組合的群組的流體。
24. 根據(jù)權(quán)利要求18所述的地?zé)嵯到y(tǒng)，其中所述地?zé)嵯到y(tǒng)進(jìn)一步包括選自由熱驅(qū)動脈沖泵、熱管、環(huán)形熱管、毛細(xì)熱管、熱總線、熱泵和其組合組成的群組中的至少一 者。
25. 根據(jù)權(quán)利要求18所述的地?zé)嵯到y(tǒng)，其中所述地?zé)嵯到y(tǒng)在地?zé)嵩吹臏囟鹊陀诃h(huán)境或 熱存儲裝置溫度時(shí)作為散熱片操作，且在地?zé)嵩吹臏囟雀哂诃h(huán)境或熱存儲裝置溫度 時(shí)作為熱源操作。
26. —種大氣熱交換器，其包括用于增加能量效率和熱傳送的整體式風(fēng)道效應(yīng)裝置。
27. 根據(jù)權(quán)利要求26所述的大氣熱交換器，其中所述風(fēng)道效應(yīng)裝置可動態(tài)地配置以優(yōu) 化大氣熱交換器能量消耗與輔助動力產(chǎn)生的總計(jì)。
28. 根據(jù)權(quán)利要求26所述的大氣熱交換器，其中所述大氣熱交換器效率通過集成選自 由蒸發(fā)冷卻、太陽能屏蔽和靜電熱傳送增強(qiáng)組成的群組中的至少一個(gè)功能而得以進(jìn) 一步增強(qiáng)。
29. 根據(jù)權(quán)利要求27所述的大氣熱交換器，其中所述輔助動力產(chǎn)生通過集成選自由風(fēng) 力渦輪、太陽能收集器和熱力循環(huán)壓力擴(kuò)展器組成的群組中的至少一個(gè)裝置而實(shí) 現(xiàn)。
30. 根據(jù)權(quán)利要求26所述的大氣熱交換器，其中所述大氣熱交換器降低或消除對用以 實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)氣流以實(shí)現(xiàn)熱傳送的風(fēng)扇能量的要求。
31. 根據(jù)權(quán)利要求26所述的大氣熱交換器，其中所述大氣熱交換器進(jìn)一步包括選自由 熱驅(qū)動脈沖泵、熱管、環(huán)形熱管或毛細(xì)熱管、熱總線、轉(zhuǎn)子馬達(dá)、熱泵和其組合組 成的群組中的至少一者。
32. 根據(jù)權(quán)利要求31所述的地?zé)嵯到y(tǒng)，其中所述地?zé)嵯到y(tǒng)工作流體進(jìn)一步包括至少一 種離子性液體和至少一種多(離子性液體)聚合體。
全文摘要
本發(fā)明揭示一種高效熱力學(xué)動力轉(zhuǎn)換循環(huán)，其以協(xié)合方法使用熱存儲裝置、大氣熱交換器和風(fēng)道效應(yīng)。使用具有地源水、太陽能收集器和熱泵的優(yōu)選配置(其中包含進(jìn)一步優(yōu)選地利用離子性液體或電子化合物溶液作為系統(tǒng)中的工作流體)實(shí)現(xiàn)了最佳總能量效率并使原本不足的熱差能夠有效地產(chǎn)生動力。
文檔編號F03G4/00GK101405505SQ200680049709
公開日2009年4月8日 申請日期2006年12月29日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月29日
發(fā)明者邁克爾·H·古林 申請人:雷克索斯熱離子學(xué)公司