空氣能發(fā)電與應用技術

空氣能發(fā)電與應用技術調研報告【摘要】空氣能發(fā)電是一種利用太陽能產生動力的發(fā)電方法，與水力發(fā)電方法類似，它們都是利用中間媒體客服工作介質重力而升至高空，利用工作介質自重壓力產生的勢能推動工作輪機發(fā)電。空氣能資源豐富，容易獲得，不需鍋爐，不需找燃料，不需遷居移民，不存在環(huán)境污染。它是取換煤電站，消除大氣污染和溫室效應的綠色環(huán)保能源工程。另一方面，通過產品性能、制造成本、使用成本、產品開發(fā)難度等因素的簡單分析，提醒人們對開發(fā)地能利用產品應持慎重態(tài)度，指出了空氣能熱泵產品的研究和發(fā)展仍有很大空間?！娟P鍵詞】空氣能空氣源空氣能發(fā)電轉換技術熱泵空氣能熱泵熱水器學號：PB07203167專業(yè)：凝聚態(tài)物理姓名：劉亞明關于空氣能發(fā)電與應用技術的調研報告前言全世界范圍內比以往更加關注能源、環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展的問題，而且中國由于以燃煤為主的能源結構已經造成了極為嚴重的大氣污染，因此，要實現(xiàn)經濟的可持續(xù)發(fā)展，必須盡可能多地利用清潔的可再生能源。目前能夠被利用的再生能源有太陽能、風能、地熱能和空氣能源。在地能與空氣能源中，又以地熱能源倍受各國政府的推崇。太陽能源作為制熱產品具有很大的優(yōu)勢，作為制冷能源會有一定的難度，太陽能源除了受日照強度的影響外，更有一個將熱能轉化為電能并貯存的問題，這個轉化和貯存除了成本極大外，能耗損失是其重要原因之一。不僅如此，太陽能源也受空氣溫度和日照的影響，在北方，冬季日照短氣溫低，需要增加很大的吸熱板管，成本和占地面積大，所以目前大多數(shù)是將太陽能產品作為熱泵產品、電熱產品及其它自然能源產品的輔助設備被接受。地能源由于其恒溫效果使它成為高能位冷熱源。在夏季，地能的低溫（相對空氣溫度而言）使它成為制冷設備的高能位冷源；在冬季，地能的高溫（相對空氣溫度而言）使它成為制熱設備的高能位熱源。從理論上看，地能是比空氣能更理想的能源。實際應用上，空氣能的利用率遠遠超過了太陽能。普及率極高的空氣能源空調器的利用就是最為顯著的例證。盡管在目前各國都把開發(fā)地能源作為首推節(jié)能產品的情況下，地能的利用與空氣能的利用比例并沒有發(fā)生根本性的變化。根據空氣源應用技術的研發(fā)與考查的相關資料，地能熱泵系統(tǒng)經過多年的研究，在技術上已經非常成熟，空氣能仍有很大的發(fā)展空間，空氣能并不比地能遜色?？諝饽馨l(fā)電與應用技術概述空氣能發(fā)電是一種利用太陽能產生動力的發(fā)電方法。它是在大地表面豎設一座由地面至高空的管道系統(tǒng)，以大地表面空氣為工作介質，利用地球引力講空氣壓縮，利用太陽的光和熱加熱空氣，使管內空氣獲得能量，產生熱膨脹力，與管外空氣柱壓力產生的浮舉力共同作用到管道系統(tǒng)內部，克服管內空氣重力和驅動管內空氣輪發(fā)電機組旋轉發(fā)電。空氣能發(fā)電與水力發(fā)電方法類似，它們都是利用中間媒體客服工作介質重力而升至高空，利用工作介質自重壓力產生的勢能推動工作輪機發(fā)電。不同之處是工作介質不同，一個是液態(tài)、一個是氣態(tài)。由于地表空氣溫度永遠高于高空溫度，使管內地面熱壓空氣永遠流向高空，并膨脹做功。又由于管外空氣在建立空氣柱高度（位能）H和利用大流量Q方面，不受自然條件限制，其資源利用前景遠遠超過水力發(fā)電。因此，在爭取能流密度方面，并不亞于水力發(fā)電。利用這一優(yōu)勢，可在人類居住的地方，只要有太陽、有大氣，不論晴天下雨，不管白天黑夜，總有熱壓空氣上升，推動輪機旋轉發(fā)電。在平原地區(qū)利用鋼塔扶架樹立管道，高山地區(qū)利用山坡架設管道。一般高度H=100～500m范圍內，可獲100～350000kW的功率。山坡架管可以更高一些，越高越好。空氣能資源豐富，容易獲得，整個地表都是。它不需鍋爐、不需找燃料、不開地礦、不建大壩、不需遷居移民、沒有核輻射傷害人類與動物，不存在環(huán)境污染。它是取換煤電站，消除大氣污染和溫室效應的綠色環(huán)保能源工程。是地球上最豐富、最清潔、最安全、最低廉、最永久的發(fā)電方法。另一種空氣能利用的方法就是空氣源熱泵技術?？諝庠礋岜眉夹g是基于逆卡諾循環(huán)原理建立起來的一種節(jié)能、環(huán)保制熱技術?？諝庠礋岜孟到y(tǒng)通過自然能（空氣蓄熱）獲取低溫熱源，經系統(tǒng)高效集熱整合后成為高溫熱源，用來?。ü┡蚬獰崴?，整個系統(tǒng)集熱效率甚高。熱泵有4大優(yōu)點：第一是節(jié)能，有利于能源的綜合利用；第二點是利與環(huán)境保護；第三點是冷熱結合，設備利用率高，節(jié)省投資；第四點因為它是電驅動，所以調控比較方便。因此，熱泵備受各國科學家的關心。熱泵技術是21世紀的一個能源轉換新技術，能通過熱泵的形式，提高能效的利用。能效的利用有兩個含義，從環(huán)境角度來講，可以減少溫室氣體的排放，減少對環(huán)境的有害的因素；從另外一個方面來說，就是解決電力高空負荷的一項技術。目前，熱泵技術主要應用于空氣能熱泵熱水器，以下將會介紹空氣能熱泵熱水器（空氣源熱泵熱水器）的工作原理。相對世界熱泵的發(fā)展，中國熱泵的研究工作起步約晚20-30年左右。新中國成立后，隨著工業(yè)建設新高潮的到來，熱泵技術才開始引入中國。進入21世紀后，由于中國沿海地區(qū)的快速城市化、人均GDP的增長、2008年北京奧運會和2010年上海世博會等因素拉動了中國空調市場的發(fā)展，促進了熱泵在中國的應用越來越廣泛，熱泵的發(fā)展十分迅速，熱泵技術的研究不斷創(chuàng)新。從2001年熱泵起步開始，經過5年的培育，中國熱泵行業(yè)開始從導入期轉入成長期。熱泵行業(yè)快速發(fā)展，一方面得益于能源緊張使得熱泵節(jié)能優(yōu)勢越來越明顯，另一方面與多方力量的加入推動行業(yè)技術創(chuàng)新有很大關系?？諝饽軣岜脽崴鞴ぷ髟碓谧匀唤缰?，水總由高處流向低處，熱量也總是從高溫傳向低溫。但人們可以用水泵把水從低處提升到高處，從而實現(xiàn)水由低處向高處流動。熱泵同樣可以把熱量從低溫傳遞到高溫，所以熱泵實質上是一種能量提升裝置，熱泵的作用是從周圍環(huán)境中吸取熱量，并把它傳遞給被加熱的對象（溫度較高的物體）。其工作原理與家用空調、電冰箱等制冷機的工作原理相同，都是按照逆卡諾循環(huán)工作的，通過流動媒體(以前一般為氟利昂，現(xiàn)天上由替代氟利昂所代替)在蒸發(fā)器、壓縮機，冷凝器和膨脹閥等部品中的氣相變化(沸騰和凝結)的循環(huán)來將低溫物體的熱量傳遞到高溫物體中去；所不同的只是工作溫度范圍不一樣。具體工作過程如下：①過熱液體媒體在蒸發(fā)器內吸收低溫物體的熱量，蒸發(fā)成氣體媒體。②蒸發(fā)器出來的氣體媒體液壓縮機的壓縮，變?yōu)楦邷馗邏旱臍怏w媒體。③高溫高壓的氣體媒體在冷凝器中將熱能釋放給給高溫物體、同時自身變?yōu)楦邏阂后w媒體。④高壓液體媒體在膨脹閥中減壓，再變?yōu)檫^熱液體媒體，進入蒸發(fā)器，循環(huán)最初的過程熱泵是以冷凝器放出的熱量來供熱的制冷系統(tǒng)，它被形象的稱為“熱量倍增器”。熱泵在工作時，把環(huán)境介質中儲存的能量QA在蒸發(fā)器中加以吸收；它本身消耗一部分能量，即壓縮機耗電QB；通過工作介質循環(huán)系統(tǒng)在冷凝器中進行放熱QC，QC=QA+QB，由此可以看出，熱泵輸出的能量為壓縮機做的功QB和熱泵從環(huán)境中吸收的熱量QA；因此，采用熱泵技術可以節(jié)約大量的電能，這是傳統(tǒng)熱水器所不能企及的。目前在市場上廣泛出現(xiàn)的家用冷暖空調器上，就已經廣泛地應用了熱泵制熱，其制熱系數(shù)已高達3以上。目前市場上熱泵熱水器種類很多，主要有太陽能助推型、水源和空氣源三種系列。太陽能助推式熱泵是熱泵與太陽能技術結合使用的一種熱泵技術；水源熱泵是利用一定溫度的水源(20℃以上)作為熱源以制冷劑為媒介，將水源中的熱量吸收后經壓縮機壓縮制熱，通過熱交換器與冷水交換熱量以達到取暖和制取熱水的目的,水源熱泵必須有一定溫度和流量的水源；空氣源熱泵以水源熱泵類似方法從空氣獲得熱量來加熱水。三種熱泵中，空氣源熱泵受到的條件限制最小，發(fā)展空間最大，因此本文著重對空氣源熱泵熱水器進行分析討論。熱泵熱水器的基本原理：它主要是由壓縮機、熱交換器、軸流風扇、保溫水箱、水泵、儲液罐、過濾器、電子膨脹閥和電子自動控制器等組成。接通電源后，軸流風扇開始運轉，室外空氣通過蒸發(fā)器進行熱交換，溫度降低后的空氣被風扇排出系統(tǒng)，同時，蒸發(fā)器內部的工質吸熱汽化被吸入壓縮機，壓縮機將這種低壓工質氣體壓縮成高溫、高壓氣體送入冷凝器，被水泵強制循環(huán)的水也通過冷凝器，被工質加熱后送去供用戶使用，而工質被冷卻成液體，該液體經膨脹閥節(jié)流降溫后再次流入蒸發(fā)器，如此反復循環(huán)工作，空氣中的熱能被不斷“泵”送到水中，使保溫水箱里的水溫逐漸升高，最后達到55℃左右，正好適合人們洗浴，這就是空氣源熱泵熱水器的基本工作原理。空氣源熱泵傳熱工質是一種特殊物質，常壓下其沸點為零下40℃,凝固點為零下100℃以下，該物質冷的時候是液體，但很容易被蒸發(fā)成氣體，反之亦然。在實際運行中，空氣源熱泵中傳熱工質的蒸發(fā)極限溫度為零下20℃左右，因此5℃的環(huán)境溫度對如此低的溫度也是“熱”的，甚至下雪的溫度，比如說0℃，相比之下也是熱的，因此，仍可交換一些熱能。隨著經濟的快速發(fā)展與人們生活品位的提高，生活用熱水已成為人們的生活必需品，然而傳統(tǒng)的熱水器（電熱水器，燃油、氣熱水器）具有能耗大、費用高、污染嚴重等缺點；而節(jié)能環(huán)保型太陽能熱水器的運行又受到氣象條件的制約。空氣源熱泵的供熱原理與傳統(tǒng)的太陽能熱水器截然不同，空氣源熱泵以空氣、水、太陽能等為低溫熱源，空氣源熱泵以電能為動力從低溫側吸取熱量來加熱生活用水，熱水通過循環(huán)系統(tǒng)直接送入用戶作為熱水供應或利用風機盤管進行小面積采暖?？諝庠礋岜脤⑹悄壳皩W校宿舍、酒店、洗浴中心等場所的大、中、小熱水集中供應系統(tǒng)的最佳解決方案.空氣能應用中的優(yōu)缺點分析空氣能是目前再生能源中應用最廣的能源之一，在空調器和熱泵熱水器中應用已遍及全世界的各個角落。盡管如此，由于空氣能受環(huán)境氣象條件的變化影響，其應用范圍受到一定限制，特別是熱泵產品，其應用范圍幾乎過不了黃河?？諝饽軕弥械膯栴}分析如下：圖1濕空氣的焓-濕圖空氣中的熱焓隨溫度的降低而降低空氣的熱焓本身隨溫度變化，溫度越高空氣中的熱焓越高，溫度越低空氣中的熱焓越低。長江地區(qū)冬季低溫約0℃左右，空氣中的熱焓為7.653kJ/kg；北京地區(qū)冬季氣溫最低達-10℃，空氣中熱焓下降到-9.3kJ/kg左右；東北地區(qū)冬季低溫達-22℃左右，空氣中熱焓只有-22.2kJ/kg左右。表1不同溫度下濕空氣的焓干球溫度℃濕球溫度℃空氣熱焓kJ/kg352680.2271953.8151336.74111.130-17.65-5-7-1.89-10-12.4-9.3-22-25-22.2從圖1“濕空氣焓-濕圖”中可以看出，0℃等濕球溫度線以下的空氣熱焓都小于0kJ/kg；從表1不同溫度下濕空氣的焓中可看出，空氣中的熱焓隨溫度的降低而降低。這就是空氣源熱泵空調器和熱泵熱水器難以進入北方地區(qū)的主要原因之一。空氣中的熱焓隨水蒸氣的含量減少而降低空氣中的熱焓除了隨空氣溫度變化外，也隨其水蒸氣的含量變化而變化。表2為環(huán)境溫度27℃時，隨相對濕度(水蒸氣含量)的不同空氣中的熱焓變化。表227℃干球溫度時不同相對濕度的濕空氣熱焓干球溫度℃相對濕度%空氣熱焓KJ/kg2710084.6279079.1278073.2277067.3276061.4275055.7274049.9273044.2271032.9從表2中可以看出，在相同干球溫度下，相對濕度越低，濕空氣的熱焓越低；相對濕度越高，濕空氣的熱焓越高。越是寒冷地區(qū)，空氣中的含濕量越低，相對濕度越低，空氣中的熱焓也越低。北方地區(qū)冬季不僅干球溫度低，而且相對濕度也低，所以北方地區(qū)冬季空氣的熱焓相對南方地區(qū)更低，這也是空氣源熱泵空調器和熱泵熱水器難以進入北方地區(qū)的原因之二。熱泵機換熱器結霜降低傳熱效果由于熱泵機在空氣溫度低于0℃條件下運行時，其蒸發(fā)溫度會更低，空氣中的水蒸氣會結成霜附著在蒸發(fā)器的管道和散熱片上，管道和散熱片上的霜會越積越多，最終會堵死蒸發(fā)器的風道，霜層成為散熱器的一道絕熱層，管內熱焓通過銅管、鋁箔傳給霜層再由霜層以自然對流方式傳給空氣，使強迫空氣對流換熱變?yōu)樽匀粚α骱蛯醾鳠岱绞?。銅管的導熱系數(shù)是109W/（m?k），霜的導熱系數(shù)是0.106W/（m?k），空氣的導熱系數(shù)是0.024W/（m?k），很明顯，霜的傳熱效果只有銅的0.097%，大大降低了傳熱效果。根據空氣流速的不同，強迫對流傳熱方式的傳熱量是自然對流傳熱方式的幾倍、幾十倍甚至幾百倍。由于北方冬季空氣溫度都會低于0℃，結霜是空氣源熱泵空調器和熱泵熱水器難以進入北方地區(qū)的原因之三?？諝饽塬@取容易，取之不盡與地能源相比，空氣能源獲取方便，且獲取成本低?？諝庠矗ㄐ顭幔┛照{熱泵熱水器吸收空氣熱源中的熱量，按勞倫茲循環(huán)原理，夏季，利用較少電能將室內較高溫度的空氣熱源的熱量，“搬”到具有蓄熱功能的水箱中加熱熱水，從而降低了室內空氣的溫度，也達到了對房間“制冷降溫”的目的；冬季，利用少量的電能將較低溫度的室外空氣熱源的熱量，“搬”到具有蓄熱功能的水箱中加熱冷水獲得較高溫度的熱水并貯存后再到較低溫度的房間加熱房間空氣，使工質冷凝；春秋季不用空調時，可利用谷電采用熱泵技術單獨對具有蓄熱功能的水箱中的生活用水進行加熱?？照{熱水器利用制冷工質（R417A或R22）在不同壓力下的蒸發(fā)和冷凝的相態(tài)變化，吸收常溫熱源空氣中的熱量，通過空氣或水作為傳熱和儲熱的介質，降低或提高介質的溫度，供人們調節(jié)房間空氣溫濕度和提供日常洗浴、洗頭、洗衣、洗菜、洗碗、洗手等生活用熱水。圖3所示為空氣源空調熱泵熱水器的工作原理圖。從原理圖可以看出，制冷工質液體通過空氣換熱器吸收空氣中的熱量，蒸發(fā)后吸入壓縮機壓縮成高溫高壓的氣體，傳送到熱水器和室內空氣換熱器放出熱量，加熱冷水和室內空氣，熱水通過洗浴或洗碗等后，最終熱量仍回到較低的環(huán)境空氣中，熱量取之于空氣又回到空氣，不斷循環(huán)使用，因此空氣能源是再生能源，且永遠取之不盡，用之不完。圖3空氣源熱泵熱水器制熱空調器制冷原理圖整個空調熱泵熱水器由一個壓縮機、二個空氣換熱器、一個殼管式、板式或套管式換熱器、一個節(jié)流系統(tǒng)、一個水泵和二個風機及結構系統(tǒng)組成。結構簡單，成本低。更重要的是夏季使用時，系統(tǒng)中吸熱和放熱雙向效應都得到了應用，綜合能效比極高。其它季節(jié)使用時，雖然只是單向效應的使用，只要空氣溫度高于7℃，其制熱時的性能系數(shù)也不低，是一種成本低的節(jié)能產品。但環(huán)境溫度低于7℃時其制熱效果較差，低于-5℃時其制熱效果極差，甚至不能正常運行。人們對熱泵產品認識不足目前已經被采用的空氣能熱泵產品有熱泵空調器和熱泵熱水器。對于熱泵空調器而言，目前還只能在黃河以南地區(qū)可以使用，使用效果在長江以南為佳。由于熱泵空調器的制冷量和制熱量與環(huán)境溫度有極大的關系，環(huán)境溫度越低，制冷效果越好，制熱效果越差；環(huán)境溫度越高，制熱效果越好，制冷效果越差。所以在選擇空氣源熱泵空調器時在南方（廣東?。?，應以所需冷量為主，在廣東省以北的地區(qū)應以所需制熱量為主。一般情況人們通常都是以所需制冷量為主來選擇空氣源熱泵機的，因此大多都會認為熱泵機冬季制熱量不足。在北方地區(qū)，不采取一定措施空氣源熱泵機無法正常使用在我國黃河以南地區(qū)，空氣源熱泵機可以通過增加熱負荷的方法進行使用，但在黃河以北地區(qū)即使增加熱負荷，在-5℃以下環(huán)境溫度天氣使用時，其性能系數(shù)已經低于1.9W/W，節(jié)能的優(yōu)勢不大。在我國東北地區(qū)，環(huán)境空氣溫度通常低于-15℃以下，因此空氣源熱泵機已不能正常工作了?？諝庠礋岜卯a品進入北方市場的探索空氣源熱泵產品要進入北方市場必須解決以下問題：制熱量不足問題?？諝獾臒犰孰S環(huán)境溫度的降低而降低。在空氣溫度較低的情況下，由于空氣中的熱焓低，空氣源熱泵產品從低環(huán)境溫度的空氣中獲得的能量自然就低，這是空氣源熱泵機的最大缺陷?？諝庠礋岜脵C蒸發(fā)溫度低又是其冬季不能進入北方市場的關鍵問題。低溫時的結霜問題。低環(huán)境溫度時，空氣源熱泵機的空氣換熱器結霜后，不僅僅是減少空氣通風量的問題，由于霜層附著在翅片上，增加了空氣換熱器內外傳熱的熱阻，進一步降低了空氣換熱器吸放熱量的效果。通常熱泵機的空氣換熱器翅片間距只有1.3～2.2mm，水珠的直徑也恰好在這個范圍，極易形成冰橋，逐漸堵死通風通道，大大減少空氣通風量。目前熱泵產品大都采用親水膜或斥水膜鋁箔作為熱泵機蒸發(fā)器的翅片，可大大延緩蒸發(fā)器被堵死的情況，但對于我國北方極寒地區(qū)，附著在翅片上的水膜仍能結成冰霜附著在翅片上，冰層逐漸加厚從而堵死空氣通道，不能徹底解決空氣通風量減少問題。3、設備成本問題。從使用成本看，應該首推太陽能，它可以不消耗其它輔助能源直接加熱熱水或空氣而被使用，它的能效比為無窮大，但太陽能的使用具有一定的局限性，只能作為地能、空氣能和其它能源的輔助能源，這里不作詳細的論述。地能或空氣能都有一個能效比和性能系數(shù)問題，能效比和性能系數(shù)越大其使用成本則越低，使用價值就越大。地能中以深地能源最為穩(wěn)定，在可以使用的范圍內，能效比和性能系數(shù)都較高，地表能源和空氣能源的平均使用成本較深地能源大，但一次性投入的設備及安裝工程成本費較深地能源低很多。結論和建議經過相關文獻資料的調查研究與分析，可以得出以下結論和建議：1、普通空氣源熱泵產品在0℃以下地區(qū)制熱效果極差，不加以改進無法進入北方地區(qū)。當空氣的熱焓下降時，可以通過增加空氣的通風量加以補充。如果環(huán)境溫度為-10℃時，增加1倍的空氣通風量其制熱能力即可達到7℃時的熱量，但空氣源熱泵空調器的性能系數(shù)會有所下降。2、空氣源熱泵產品采用增大風量和少結霜或不結霜技術可以進入環(huán)境溫度高于-5℃的地區(qū)，效果與地熱源熱泵產品相差不大。增加通風量和增大蒸發(fā)器傳熱面積后，結霜情況有所改善，但還是有較嚴重的結霜現(xiàn)象，只能通過一定的方法將結霜程度控制在一定范圍內。目前還沒有較好地解決辦法，期待專業(yè)工作人員的進一步研發(fā)。3、空氣源與廢熱水源綜合利用的熱泵產品不受環(huán)境溫度的限制可進入北方地區(qū)，這種產品具有制造成本低，使用成本更低的高效節(jié)能效果，具有較大的發(fā)展空間。一般空氣源熱泵機很難進入北方市場