[发明专利]环境能动力汽车

说明书

技术领域

本发明涉及一种利用环境能量(太阳辐射热)驱动汽车等动力装置的方法。

背景技术

环境能动力汽车的效率高达80％，两倍于现行的石化燃料(汽柴油)、电动、气动以及其它混合动力汽车，这听起来象天方夜谭，因为所有动力装置的能量转换效率都已基本确定。然而，制造这种高效节能的汽车并非不可能，不违反热力学，增加的能量来自环境(太阳辐射热)。理解这一点需要了解热泵工作原理。

热泵是一种独特的能源利用模式，用少量电能作为驱动能源，可以从低温热源成倍的吸收低品位热能给高温热源。热泵运行不是能量转换过程，不受能量转换效率极限的限制。热泵制造的热量是它从环境搬运的热量与消耗能量的和。环境温度零摄氏度，热泵制热能效比COP为4，即产生4份热量中3份来自环境，1份来自输入电能。热泵另一个重要功能为同步制冷热，同时利用冷和热能效比等于提高1倍，称冷热双向能效。

能够利用环境能量放大制热和制冷能力的热泵始终未能用于动力装置。近年来，在二氧化碳跨临界制冷循环中，针对CO₂临界温度低，临界压力高，节流损失大的情况(二氧化碳临界温度31.1℃，压力7.3兆帕。三相点-56.6℃，常压下沸点-78.5℃)，用膨胀机替代膨胀阀，不仅回收了30％左右的压缩功(来自压缩机和环境共同的能量)，而且大幅度提高了热泵制冷能力。理论上，膨胀机输出的功等于系统新增的制冷量，输出的功越多，工质的制冷能力越强、温降越大。例如，空气从0.6兆帕通过膨胀机膨胀到0.1兆帕理论温降可达80℃-90℃，通过膨胀阀节流温降只有1℃，原因在于前者输出功。

带膨胀机的超临界二氧化碳制冷循环输出功的同时改善热泵效率成为共识，这项技术已应用于制冷节能，做法是将膨胀机与压缩机同轴连接以回收节流损失。超临界二氧化碳膨胀机膨胀可以将工质温度降到-70℃以致更低，这个低温冷量可以作为嵌套的以环境为高温热源的有机郎肯循环的低温热源。

环境能动力汽车的动力循环既非热机循环，也非热泵循环。同热泵一样，它可以从环境吸热，其大部分能量来自环境，小部分来自电能(压缩机耗能)。同热机一样，它可以将从外界吸收的热转化为功输出。它以环境为高温热源，以工质从环境吸热蒸发致冷为冷却介质。压缩机只需将工质温度压缩到冷却介质而非环境温度之上即可实现工质潜热的释放，从而减少了压缩机功耗。

环境能动力汽车运行原理同气动汽车相近，两者都依靠压缩气体减压膨胀作功。气动汽车以压缩空气为动力源，通过压缩气体膨胀推动活塞运动为汽车提供动力，说到底气动汽车是电动汽车，因为空气压缩完全依靠电力。行程200公里的气动汽车储气罐容量300升、压力30兆帕，气动发动机进口的工作压力一般为1兆帕，出口压力0.2兆帕。

气动汽车多采用活塞式发动机。因为压缩气体膨胀过程如果能从环境得到能量，就可以提高压缩气体的火用效率。从环境吸收的热越多，越接近理想的等温状态。而绝热膨胀工质无法从外界吸热。

发明内容

环境能动力汽车的动力循环包括蒸发、冷凝、膨胀、压缩全过程。液态二氧化碳工质通过蒸发器从环境吸热获得内能蒸发，蒸发产生的冷量(蒸发致冷)作为冷却介质进入冷凝器。工质内能经气动发动机或膨胀机转换为功。完成做功释放了内能的工质，与环境换热回温后经压缩机压缩进入冷凝器向蒸发致冷放热冷凝。冷凝后的高压液态工质经膨胀机(阀)减压为低温、低压湿蒸汽进入蒸发器，开始新一轮循环。

由于各种原因，实际过程理想等温膨胀不可实现。活塞式发动机有限的气缸容积以及换热时间影响了膨胀气体从环境吸热，造成低至-15摄氏度的低温尾气排放。残压和冷量排放造成的气动发动机效率损失高达40％以上。

用膨胀机替代气动发动机是一个可行的选择。绝热膨胀无法从外界吸热的劣势可以得到部分补偿，具体方法是将膨胀机膨胀产生的低温作为嵌套的以环境为高温热源的有机郎肯循环的低温热源。环境能动力汽车膨胀机膨胀嵌套有机郎肯循环模拟运行过程见附图1。

理想绝热过程实际同样无法实现。选择活塞式气动发动机亦或膨胀机要综合考虑效率、可靠性以及经济性指标。无论采用活塞式发动机还是膨胀机，环境能动力汽车都在COP大于1的基础上运行的，并且利用了冷热双向能效(制冷剂从环境吸热是环境增加的吸热能力，见空调工作原理)。