本發(fā)明涉及低溫余熱發(fā)電領(lǐng)域，尤其涉及一種基于二氧化碳基納米混相高導(dǎo)磁流體的低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)；具體涉及工業(yè)廢熱排放大的行業(yè)如水泥、鋼鐵、熱電、陶瓷和有色金屬等領(lǐng)域的低品味熱源發(fā)電，也包括利用太陽能、地熱能和海水熱能等新能源發(fā)電。
背景技術(shù)：
目前，主流的發(fā)電方式為基于煤炭和天然氣等化石燃料的火電，但化石燃料作為一種非可再生能源，終有耗盡的一天。目前，一種非常有前景的方案是利用低品位熱源來發(fā)電。工業(yè)廢熱排放大的行業(yè)如水泥、鋼鐵、熱電、陶瓷和有色金屬等，這些行業(yè)不但是廢熱的排放大戶，而且也是室溫氣體排放的主要行業(yè)。
目前我國能源形勢嚴峻的根本原因在于用能效率低下。我國每噸標準煤的產(chǎn)出效率僅相當于日本的10.3％、美國的28.6％。我國工業(yè)用能中近60～65%的能源轉(zhuǎn)化為余熱資源。目前余熱利用最多的國家是美國，它的利用率達60%，歐洲的利用率是50%，我們國家只有30%。就廢熱（余熱）利用現(xiàn)狀來看，我國還有很大的利用空間。目前國內(nèi)工業(yè)企業(yè)的350℃以下的低溫余熱占余熱總量的60%以上，因其利用價值較低，回收技術(shù)相對落后，回收率和回收價值低，且投資收回期長（6～7年）而被大多數(shù)企業(yè)放棄。
我國的水泥、鋼鐵和陶瓷等高耗能產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，帶動了高、中溫余熱發(fā)電的快速發(fā)展，已經(jīng)形成了比較完備的產(chǎn)業(yè)，但低溫余熱發(fā)電則剛剛開始。隨著世界范圍內(nèi)的能源緊缺，各國正致力于節(jié)能和減排，力爭可持續(xù)地發(fā)展。基于能源緊缺的這樣一個事實，低溫余熱利用的問題成了越來越重要的能源努力方向，各國都在加強這方面的投入和研究，希望獲得更大和更多的收益。
目前，低溫余熱發(fā)電技術(shù)主要包括以下幾種：
1、有機工質(zhì)循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)
有機工質(zhì)循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)是區(qū)別于傳統(tǒng)的以水（蒸汽）為循環(huán)工質(zhì)的發(fā)電系統(tǒng)，采用有機工質(zhì)（如R123、R245fa、R152a、氯乙烷、丙烷、正丁烷和異丁烷等）作為循環(huán)工質(zhì)的發(fā)電系統(tǒng)，由于有機工質(zhì)在較低的溫度下就能氣化產(chǎn)生較高的壓力，推動渦輪機（透平機）做功，故有機工質(zhì)循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)可以在煙氣溫度200℃左右，水溫在80℃左右實現(xiàn)有利用價值的發(fā)電。這項技術(shù)在發(fā)達國家就是比較先進的應(yīng)用技術(shù)，近年來我國有的企業(yè)通過引進吸收，也掌握了這項技術(shù)，也有較優(yōu)秀的產(chǎn)品在國內(nèi)外應(yīng)用。
2、斯特林熱氣機循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)
斯特林熱氣機循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)是利用低溫余熱發(fā)電的廢熱回收裝置，可回收100℃至300℃的廢熱，能達到20%的發(fā)電效率。從數(shù)據(jù)來看，其發(fā)電效率優(yōu)于目前市場的低溫蒸汽循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)和有機工質(zhì)發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電效率，該系統(tǒng)在100℃的廢熱條件下發(fā)電效率達7.3%，150℃的條件下發(fā)電效率達13.7%，200℃的條件下發(fā)電效率達18.4%，250℃的條件下發(fā)電效率達22.1%，300℃的條件下發(fā)電效率達25.0%。在這樣的廢熱溫度條件下能達到這樣的發(fā)電效率是目前可以看到的最好的水平，達到了從低溫熱能轉(zhuǎn)化為電能的先進的技術(shù)水平。在低溫到中等溫度（100～300℃）范圍內(nèi)，斯特林發(fā)動機是將低級別熱能傳化成機械或電力的最佳選擇。
3、超臨界二氧化碳循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)
超臨界二氧化碳發(fā)電系統(tǒng)是超臨界二氧化碳液體為郎肯循環(huán)系統(tǒng)的工質(zhì)，以二氧化碳透平專用渦輪機為核心技術(shù)的最新余熱發(fā)電技術(shù)。此發(fā)電系統(tǒng)在余熱發(fā)電方面有較寬泛的應(yīng)用優(yōu)勢，各項技術(shù)指標都優(yōu)于在用的水蒸汽浪肯循環(huán)系統(tǒng)和當前最先進的有機浪肯循環(huán)系統(tǒng)，特別是在發(fā)電效率和設(shè)備體積方面有著明顯的優(yōu)勢。超臨界二氧化碳熱機是一種平臺技術(shù)，效率可達30%。應(yīng)用范圍包括燃氣輪機、固定式動力發(fā)電機組、工業(yè)廢熱回收、太陽能熱量、地熱和混合內(nèi)燃機等的循環(huán)熱能。當前，由于機械加工與密封等方面的技術(shù)限制，我國在超臨界二氧化碳透平循環(huán)發(fā)電方面還處于試驗研發(fā)階段。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的就在于克服現(xiàn)有技術(shù)存在的缺點和不足，提供一種基于二氧化碳基納米混相高導(dǎo)磁流體的低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)；該系統(tǒng)能提高低溫余熱利用效率，回收利用更低溫度范圍內(nèi)的工業(yè)廢熱，并直接將熱能轉(zhuǎn)化為電能，去除“熱能-機械能-電能”能量轉(zhuǎn)化模式的中間轉(zhuǎn)化環(huán)節(jié)；該系統(tǒng)具備更高效的能量轉(zhuǎn)化率，更低的低溫余熱利用范圍，更簡單緊湊的結(jié)構(gòu)設(shè)計，除了能利用水泥、鋼鐵、熱電、陶瓷和有色金屬等領(lǐng)域的低品味熱源發(fā)電，也能利用太陽能、地熱能和海水熱能等新能源發(fā)電。
本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的：
本發(fā)明同以往低溫余熱發(fā)電明顯不同，既不同于二氧化碳透平循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)，也不同于一般磁流體發(fā)電裝置。本發(fā)明結(jié)合了納米技術(shù)、二氧化碳利用技術(shù)和磁流體技術(shù)，成功開發(fā)了二氧化碳基納米高導(dǎo)磁流體，一方面能夠利用超臨界二氧化碳優(yōu)良的傳質(zhì)傳熱物理特性，為低溫余熱發(fā)電裝置提供優(yōu)良熱循環(huán)的工介；另一方面，納米級磁流體與超臨界的二氧化碳形成混相高導(dǎo)磁流體，在超臨界二氧化碳熱循環(huán)過程中推動納米磁流體循環(huán)，利用磁流體流動過程切割磁感線圈從而產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。該裝置成功回避了對機械加工和密封要求高度依賴的透平膨脹機，一方面，直接將熱能轉(zhuǎn)化為電能，少了二氧化碳透平所需要經(jīng)歷的熱能-機械能-電能這一過程，從而可以極大地提高熱-電轉(zhuǎn)化效率；另一方面，不需要復(fù)雜的透平膨脹機制造過程，而且磁流體發(fā)電安靜、高效，結(jié)構(gòu)簡單，從而能夠大大地提高環(huán)境適應(yīng)性和經(jīng)濟性。
具體地說：
一、基于二氧化碳基納米混相高導(dǎo)磁流體的低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)（簡稱系統(tǒng)）
本系統(tǒng)包括閥門、低溫余熱吸熱器、超臨界二氧化碳流動導(dǎo)軌、磁流體發(fā)電裝置、散熱器、太陽能吸熱裝置、罐體、二氧化碳基納米混相高導(dǎo)磁流體和太陽能；
其位置和連接關(guān)系是：
低溫余熱吸熱器、超臨界二氧化碳流動導(dǎo)軌、磁流體發(fā)電裝置、散熱器和太陽能吸熱裝置依次連接形成閉合整體；罐體通過閥門與超臨界二氧化碳流動導(dǎo)軌相連通；
在罐體內(nèi)封裝有二氧化碳基納米混相高導(dǎo)磁流體
太陽能吸熱裝置吸收太陽能。
二、二氧化碳基納米混相高導(dǎo)磁流體及其制備方法
1、二氧化碳基納米混相高導(dǎo)磁流體
二氧化碳基納米混相高導(dǎo)磁流體的組分講按質(zhì)量百分比，超臨界二氧化碳：納米級金屬磁流體：二氧化碳增稠劑：分散劑：穩(wěn)定劑：油基液為40%：30%：5%：3%：2%：20%；
超臨界二氧化碳設(shè)置初始壓力為5-8MPa；
2、制備方法：
①材料混合
將納米級金屬磁流體、二氧化碳增稠劑、分散劑、穩(wěn)定劑和油基液按照預(yù)定比例混合均勻，并存儲在罐體7內(nèi)；
②注入超臨界的二氧化碳
注入超臨界的二氧化碳至預(yù)定壓力；
③混合流體
待混合均勻后即得二氧化碳基納米混相高導(dǎo)磁流體。
本發(fā)明具有下列優(yōu)點和積極效果：
①利用超臨界的二氧化碳作為循環(huán)工介，其優(yōu)異的物理特性使得該系統(tǒng)可回收利用的低溫余熱溫度范圍更低，發(fā)電效率更高；
②利用二氧化碳基納米混相磁流體的發(fā)電方式，直接將熱能轉(zhuǎn)化為電能，同以往熱能-機械能-電能的轉(zhuǎn)化方式更加直接和高效；
③利用磁流體發(fā)電方式，結(jié)構(gòu)簡單，機械加工、密封等連接方便；
④設(shè)備運行安靜、平穩(wěn)，適合于對環(huán)境噪音控制嚴格的區(qū)域。
附圖說明
圖1是本系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖中：
1—閥門；
2—低溫余熱吸熱器；
3—超臨界二氧化碳流動導(dǎo)軌；
4—磁流體發(fā)電裝置，
4-1—強磁體S極，4-2—強磁體N極，4-3—第1電極，4-4—第2電極，
4-5—導(dǎo)軌接頭，4-6—磁感應(yīng)線圈；
5—散熱器；
6—太陽能吸熱裝置；
7—罐體；
A—二氧化碳基納米混相高導(dǎo)磁流體；
B—太陽能。
具體實施方式
下面結(jié)合附圖和實施例詳細說明：
一、系統(tǒng)
1、總體
本系統(tǒng)包括閥門1、低溫余熱吸熱器2、超臨界二氧化碳流動導(dǎo)軌3、磁流體發(fā)電裝置4、散熱器5、太陽能吸熱裝置6、罐體7、二氧化碳基納米混相高導(dǎo)磁流體A和太陽能B；
其位置和連接關(guān)系是：
低溫余熱吸熱器2、超臨界二氧化碳流動導(dǎo)軌3、磁流體發(fā)電裝置4、散熱器5和太陽能吸熱裝置6依次連接形成閉合整體；罐體7通過閥門1與超臨界二氧化碳流動導(dǎo)軌3相連通；
在罐體7內(nèi)封裝有二氧化碳基納米混相高導(dǎo)磁流體A
太陽能吸熱裝置6吸收太陽能B。
2、功能部件
1）閥門1
閥門1是一種常用的高壓閥門；
其功能是控制二氧化碳基納米高導(dǎo)磁流體罐體7與超臨界二氧化碳流動導(dǎo)軌3的連通狀態(tài)。
2）低溫余熱吸熱器2
低溫余熱吸熱器2是一種銅制導(dǎo)熱器件，用來吸收和傳導(dǎo)熱源的熱量；
其功能是將外界低溫余熱傳導(dǎo)給內(nèi)部超臨界二氧化碳基納米混相高導(dǎo)磁流體。
3）超臨界二氧化碳流動導(dǎo)軌3
超臨界二氧化碳導(dǎo)軌3是一種由不銹鋼材質(zhì)或者鋁合金材質(zhì)制作而成的耐高壓管道；
其功能是封裝并導(dǎo)流高壓超臨界二氧化碳混相高導(dǎo)磁流體。
4）磁流體發(fā)電裝置4
磁流體發(fā)電裝置4包括強磁體S極4-1、強磁體N極4-2、第1電極4-3、第2電極4-4、導(dǎo)軌接頭4-5和磁感應(yīng)線圈4-6；
其位置和連接關(guān)系是：
在互相平行的強磁體S極4-1和強磁體N極4-2之間設(shè)置有磁感應(yīng)線圈4-6；
在磁感應(yīng)線圈4-6的兩端分別連接有第1電極4-3和第2電極4-4；
導(dǎo)軌接頭4-5連接于超臨界二氧化碳導(dǎo)軌3與磁感應(yīng)線圈4-6之間。
其功能是將高速流動的超臨界二氧化碳納米混相高導(dǎo)磁流體內(nèi)能經(jīng)過切割磁感應(yīng)線圈4-6而轉(zhuǎn)化為電能輸出。
*強磁體S極4-1、強磁體N極4-2
強磁體S極4-1、強磁體N極4-2是一種強磁鐵，用來產(chǎn)生強磁場；
*第1電極4-3、第2電極4-4
第1電極4-3、第2電極4-4由銅片組成；
其功能是作為電極，收集感應(yīng)電動勢。
*導(dǎo)軌接頭4-5
導(dǎo)軌接頭4-5是一種連接頭；其功能是將磁流體發(fā)電裝置4與超臨界二氧化碳導(dǎo)軌3連接起來。
*磁感線圈4-6
磁感線圈4-6是由細銅絲組成的螺旋機構(gòu)；
其功能是切割磁感線，產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。
5）散熱器5
散熱器5是一種銅制導(dǎo)熱器件，用來向低溫環(huán)境釋放熱量；
其功能是將高速流動的高溫超臨界二氧化碳混相流體的多余熱量進一步地向低溫環(huán)境釋放，從而進一步地降低自身溫度和壓力。
6）太陽能吸熱裝置6
太陽能吸收裝置6是一種用來吸收太陽能的吸熱材料；
其功能是吸收太陽能，從而使得其溫度升高，并將高溫傳導(dǎo)給超臨界二氧化碳。
7）罐體7
罐體7是一種耐高壓不銹鋼密封罐體；
其功能是封裝二氧化碳基納米混相高導(dǎo)磁流體A。
二、本系統(tǒng)的使用方法
①將封裝二氧化碳基納米混相高導(dǎo)磁流體A的罐體7經(jīng)過閥門1和低溫余熱吸熱器2連接到超臨界二氧化碳導(dǎo)軌3，打開閥門1，向罐體7注入二氧化碳基納米混相高導(dǎo)磁流體A，直至預(yù)定壓力，關(guān)閉閥門1；
②將外界低溫余熱同吸熱器2連接，或者將太陽能B經(jīng)太陽能吸收裝置6回收；
③將散熱器5同外界低溫環(huán)境連通，從而將多余熱量通過散熱器5向外界放熱；
④在磁流體發(fā)電裝置4形成感應(yīng)電動勢，將電能直接利用或者和電能存儲器連接，存儲電能。
三、本系統(tǒng)的工作原理
將預(yù)先制備好的二氧化碳基納米混相高導(dǎo)磁流體A注入超臨界二氧化碳導(dǎo)軌3，二氧化碳基納米混相高導(dǎo)磁流體A經(jīng)過低溫余熱吸熱器2或者太陽能吸收裝置6后，溫度升高，從而使得超臨界的二氧化碳壓力急劇升高并膨脹，同經(jīng)過散熱器5而冷凝的超臨界的二氧化碳形成壓力差，超臨界的二氧化碳快速流動通過磁流體發(fā)電裝置4，在流動過程中納米級高導(dǎo)磁流體在外加強磁場的作用下匯聚并形成磁力線，并在超臨界的二氧化碳推動力作用下切割磁感應(yīng)線圈4-6，從而在電極4-3和電極4-4之間形成感應(yīng)電動勢。