專利名稱：將低溫?zé)崮苻D(zhuǎn)化為電的有效方法和設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明大體涉及將低溫?zé)崮苻D(zhuǎn)化為電的領(lǐng)域，以及更具體地，將來自 太陽能的熱轉(zhuǎn)化為電。
背景技術(shù)：
目前用于將太陽能轉(zhuǎn)化為電的技術(shù)一般屬于光電或聚光太陽能發(fā)電 這兩類中的一種。美國(guó)能源部門現(xiàn)在認(rèn)可聚光太陽能發(fā)電的三種主要類 型一一拋物槽型、能量塔型或者斯特林碟型(Stirling dish)。自所有這些 技術(shù)產(chǎn)生的電成本一般過高而在效用率方面不能成功地使用于自由市場(chǎng)， 并且因此財(cái)政刺激通常對(duì)于將采用的技術(shù)具有要求。光電系統(tǒng)利用固態(tài)半導(dǎo)體將太陽能直接轉(zhuǎn)化為電，并且通常與本文中 描述的電流系統(tǒng)無關(guān)。聚光太陽能發(fā)電技術(shù)歸于熱技術(shù)類別下。三種聚光太陽能發(fā)電技術(shù)一般通過利用反射鏡或者反射表面將太陽 輻射反射到接收器或聚集器(concentrator)。對(duì)于每種技術(shù)，聚集器的結(jié) 構(gòu)可以不同，但是一般所有都在高溫條件下工作，這可能產(chǎn)生保養(yǎng)問題和 密封故障。拋物槽型目前已經(jīng)獲得了高度的成功，在美國(guó)具有350MW峰值容量 的已安裝基站。拋物槽型的聚集器又兩個(gè)密封在兩端的同軸管組成。兩個(gè)管之間的間隙很小以最小化熱損失。內(nèi)管填充有一般在664。K下工作的傳 熱流體。然而，這種管的制備相當(dāng)昂貴并且過去具有高的密封故障率。因?yàn)樵谝陨咸峒暗娜N聚光技術(shù)中，太陽輻射是在收集時(shí)聚集的，所 以工作流體必須在收集時(shí)刻處于高的工作溫度。這樣的高溫一般導(dǎo)致更高的熱損失，這就迫使必須使用更加昂貴和復(fù)雜的收集器(collector)和熱 存儲(chǔ)單元。高溫還可能使得熱存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜和昂貴。


圖1A為利用熱源和冷源產(chǎn)生電的系統(tǒng)的示意性布局圖； 圖1B為圖1系統(tǒng)的示意性原理框圖；圖2A為圖1的示意性加熱設(shè)備，在該樣例中其為太陽能收集器；圖2B示出了圖2的示例性太陽能收集器的橫截面剖視圖；圖3示出了用于圖2太陽能收集器的示例性玻璃器件(glazing element);圖4A示出了圖2的示例性太陽能收集器器件； 圖4B示出了擠壓件(extrusion )截面部分；圖5示出了通過抽吸設(shè)備(pumpingdevice)連接至熱的熱貯存器(hot thermal reservoir)的太陽能收集器陣列的示例性原理圖；圖6示出了圖1的示意性熱的熱量存儲(chǔ)設(shè)備(hot thermal storage device ) ，圖7A示出了用于向整個(gè)熱的熱量存儲(chǔ)設(shè)備提供均衡熱量分布或溫度 的一種示例性結(jié)構(gòu)；圖7B示出了用于向整個(gè)熱的熱量存儲(chǔ)i殳備提供均衡熱量分布或溫度 的另一示例性結(jié)構(gòu)；圖7C示出了用于在熱的熱量存儲(chǔ)的液相和汽相之間提供均衡熱量的 示例性結(jié)構(gòu)；圖8示出了圖5的利用兩個(gè)熱的熱貯存器的可選方法；圖9示出了熱動(dòng)雙回路熱泵(heat actuated dual loop heat pump)的示 例性部件；圖IOA示出了示意性浮式活塞；圖IOB示出了示意性活塞壁單元；圖11示出了示意性熱交換單元；圖12示出了熱泵回路的示意性結(jié)構(gòu)圖；圖13示出了示例性熱機(jī)循環(huán)或熱機(jī)回路的熱力學(xué)性質(zhì)；圖14示出了示例性熱機(jī)循環(huán)的壓力-容積圖；圖15示出了示例性熱機(jī)循環(huán)的壓力-溫度圖；圖16示出了示例性熱機(jī)循環(huán)的溫度-熵圖；圖17示出了示例性熱機(jī)循環(huán)的溫度-熵圖；圖18示出了示例性內(nèi)部熱泵循環(huán)的壓力-容積圖；圖19示出了示例性內(nèi)部熱泵循環(huán)的溫度-熵圖；圖20示出了示意性熱壁(thermal wall)分布圖；圖21示出了示意性水平控制結(jié)構(gòu)；圖22示出了用于可選實(shí)施例的熱動(dòng)雙回路聚集器的示例性部件；圖23示出了熱機(jī)循環(huán)的可選實(shí)施例的壓力-容積圖；圖24示出了用于可選實(shí)施例的示意性熱機(jī)活塞；圖25示出了熱泵循環(huán)的可選實(shí)施例的壓力-容積圖；圖26示出了將熱能轉(zhuǎn)化為電的示例性過程的流程圖；圖27示出了熱4幾循環(huán)的示例性過程的流程圖；圖28示出了圖27熱才;L循環(huán)等溫膨脹的示例性過程的流程圖；圖29示出了圖27熱機(jī)循環(huán)等熵膨脹的示例性過程的流程圖；圖30示出了圖27熱機(jī)循環(huán)等容壓縮的示例性過程的流程圖；圖31示出了圖27熱機(jī)循環(huán)等溫壓縮的示例性過程的流程圖；圖32示出了圖27熱機(jī)循環(huán)等熵壓縮的示例性過程的流程圖；圖33示出了熱泵循環(huán)的示例性過程的流程圖；圖34示出了圖33熱泵循環(huán)的等熵壓縮的示例性過程的流程圖；圖35示出了圖33熱泵循環(huán)的等溫壓縮的示例性過程的流程圖；圖36示出了圖33熱泵循環(huán)的等熵膨脹的示例性過程的流程圖；圖37示出了圖33熱泵循環(huán)的等溫膨脹的示例性過程的流程圖；圖38示出了可用于執(zhí)行圖1和la系統(tǒng)的一部分的示例性處理器系統(tǒng) 的結(jié)構(gòu)圖。
具體實(shí)施方式
本系統(tǒng)利用雙回路U形、局部方形或者其他適當(dāng)形狀的熱動(dòng)液體活 塞式熱泵，其中一個(gè)垂直分支部分包括熱機(jī)回3各部分，而另一垂直分支部 分包括熱泵回路部分。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)理解，本文中所描述的熱 泵有時(shí)稱為壓縮機(jī)。垂直分支部分的頂部包括蒸汽。每個(gè)垂直分支部分和 水平部分的底部包括液態(tài)水，其頂部一般為通常由諸如鋁或鋼鐵的固體材 料構(gòu)建而成的浮式活塞。系統(tǒng)在共振或接近共振時(shí)工作。共振發(fā)生在液態(tài)水質(zhì)量和活塞質(zhì)量的 動(dòng)能、因?yàn)橹亓蛞簤簤侯^而產(chǎn)生的勢(shì)能以及存儲(chǔ)在每個(gè)垂直分支部分頂 部蒸汽中的勢(shì)能之間。除了其他優(yōu)勢(shì)外，共振允許蒸汽進(jìn)入具有很少或沒 有節(jié)流閥的熱機(jī)。熱機(jī)部分利用熱動(dòng)力循環(huán)工作，并從自然熱源或廢熱源中汲取熱量， 一般從太陽能中汲取。 一般為水的液態(tài)或蒸汽形式的流體在太陽能收集器 和熱機(jī)之間傳輸成為熱機(jī)回路的一部分。熱泵回路包括以上描述的熱泵和蒸汽渦輪機(jī)，其連接至發(fā)電機(jī)并驅(qū)動(dòng) 發(fā)電機(jī)。過熱蒸汽形式的水從熱泵的出口傳送至蒸汽渦輪機(jī)的入口，通過 蒸汽渦輪機(jī)，并從蒸汽渦輪機(jī)排送回?zé)岜玫娜肟?。蒸汽和液態(tài)水貯存器一般用于太陽能收集器和熱機(jī)之間。蒸汽貯存器 一般還用于熱泵和蒸汽渦輪機(jī)之間以使來自往復(fù)熱動(dòng)液體活塞式熱泵的蒸汽流平靜。兩個(gè)回路可以完全在大氣壓力或低于大氣壓力下工作。該特征結(jié)合標(biāo) 準(zhǔn)以下的熱動(dòng)液體活塞式熱泵的布置可允許低成本材料的使用，例如，具 有良好的耐壓強(qiáng)度但很差的抗張強(qiáng)度的混凝土。總的來說，所描述的系統(tǒng)展示了一種不同的太陽能發(fā)電技術(shù)，其不使 用反射表面來聚集太陽輻射。盡管以術(shù)語太陽能描述本文中所描述的設(shè)備和方法，但本領(lǐng)域的普通 技術(shù)人員應(yīng)該理解該設(shè)備和方法可以與任何熱源一起使用。例如，系統(tǒng)可 以與來自地?zé)豳Y源的低溫?zé)嵋黄鹗褂?。?yōu)選地，在高于環(huán)境溫度或干擾溫度(rejection temperature )至少60°C的溫度下的熱量是有效的。該方法可 以在低于該情況的溫度下使用，但是可能具有降低的效率。圖1A為利用熱源和冷源發(fā)電的系統(tǒng)10的示意性實(shí)施例。圖1B為系 統(tǒng)10的示意性原理框圖。系統(tǒng)IO使用加熱設(shè)備100加熱流體15，接著， 流體15通過熱的抽吸i殳備200抽吸至熱的熱量存儲(chǔ)i殳備250。系統(tǒng)10還 -使用冷卻設(shè)備300冷卻與加熱的流體15相同材料的流體20,在其冷卻后， 流體20通過冷的抽吸系統(tǒng)400抽吸進(jìn)冷的熱量存儲(chǔ)i殳備450中。該實(shí)施例利用兩個(gè)熱量存儲(chǔ)系統(tǒng)(熱的和冷的)250、 450，但是還可 以使用利用多個(gè)熱量存儲(chǔ)系統(tǒng)或不使用熱量存儲(chǔ)系統(tǒng)的可選系統(tǒng)。該實(shí)施 例利用太陽能作為熱源。因?yàn)樘柲苁菙鄶嗬m(xù)續(xù)的，所以如果利用熱量存 儲(chǔ)，系統(tǒng)可以更加有效地工作。如果利用持續(xù)熱源，例如，地?zé)峄蚬I(yè)廢熱，那么就可以省去熱量存 儲(chǔ)系統(tǒng)250。來自熱的熱量存儲(chǔ)設(shè)備250的熱的流體15傳送至聚集器700，并且 來自冷的熱量存儲(chǔ)設(shè)備450的冷的流體20用于傳送來自聚集器700的熱， 這樣就冷卻了聚集器700。來自聚集器700的冷的流體20還會(huì)被傳送至 冷的熱量存儲(chǔ)設(shè)備450。聚集器700將流體714加熱至比存儲(chǔ)于熱的熱量存儲(chǔ)設(shè)備250中的流 體15更高的溫度。該高溫流體714接著傳送進(jìn)電轉(zhuǎn)爐(electric converter)600，在一個(gè)實(shí)施例中其為蒸汽渦輪機(jī)，類似于傳統(tǒng)的蒸汽發(fā)電廠中所使 用的類型。被電轉(zhuǎn)爐600拒絕的流體714返回至聚集器700，在聚集器700 中流體714的溫度和壓力得到增加。聚集器700由來自熱的熱量存儲(chǔ)設(shè)備 250的熱驅(qū)動(dòng)或啟動(dòng)。在示意性實(shí)施例中，存儲(chǔ)在熱的熱量存儲(chǔ)設(shè)備250、 冷的熱量存儲(chǔ)設(shè)備450中的流體15和用于聚集器700和電轉(zhuǎn)爐600中的 流體716均為液體或蒸汽形式的水。在所公開系統(tǒng)10的一個(gè)實(shí)施方式中，熱能聚集是在接近使用的時(shí)候 才進(jìn)行，而不是在收集的時(shí)候進(jìn)行。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)該理解，盡 管依然使用本文中7>開的熱動(dòng)雙回路液體活塞式熱泵以及蒸汽渦輪機(jī)方 法和裝置，但還可以使用圖1A和1B中所示器件的很多不同變更和結(jié)構(gòu)。轉(zhuǎn)向圖1A和1B，系統(tǒng)10的示意性實(shí)施例將太陽能轉(zhuǎn)化為電，并且 在該樣例中，可在24小時(shí)期間提供平均20MW的電功率。系統(tǒng)10的尺 寸主要基于商用電轉(zhuǎn)爐600的有效性，在該樣例中，電轉(zhuǎn)爐600為20MW 的蒸汽渦輪機(jī)發(fā)電機(jī)組，該發(fā)電機(jī)組可以自例如Dresser-Rand的蒸汽渦輪 機(jī)制造商處購(gòu)買。在該實(shí)施例中，加熱設(shè)備100包括覆蓋大約600英畝的 一系列大約400000個(gè)太陽能收集器。在這樣的實(shí)施例中，熱的熱量存儲(chǔ) 設(shè)備250和冷的熱量存儲(chǔ)設(shè)備450包括填充有諸如液態(tài)水和/或蒸汽或水 汽的流體15、 20的單獨(dú)的隔熱混凝土存儲(chǔ)容器。混凝土存儲(chǔ)容器可以以 一定形式構(gòu)造從而最小化熱損失。在該實(shí)施例中，聚集器700包括24個(gè) 通常U型管熱動(dòng)液體活塞式熱泵，這些熱泵供給有來自太陽能的熱，在 該樣例中，每個(gè)熱泵能夠提供足夠的蒸汽以產(chǎn)生大約850千瓦的電。在一個(gè)樣例中，應(yīng)該理解系統(tǒng)10可以在任何時(shí)4吳工作，例如，舉例 來說，在電力需求較高時(shí)期而不是連續(xù)的24小時(shí)期間，在這樣的情況下， 對(duì)于相同的峰值輸出電平來說，可以只需要較少的太陽能收集器和熱存 儲(chǔ)。在該樣例下，加熱設(shè)備100包括一系列太陽能收集器。在圖2A中示 出了示意性的單個(gè)太陽能收集器，在圖2B中示出了相同的太陽能收集器 的橫截面部分。如本領(lǐng)域所公知的，收集器可以為簡(jiǎn)單的平板類型。然而， 因?yàn)闊崮芫奂l(fā)生在使用時(shí)，而不是收集時(shí)，所以收集器一般可以由相對(duì)的低成本、低溫材料制成。運(yùn)行時(shí)，來自熱源的輻射如陽光通過玻璃器件106。玻璃器件106可 以為例如簡(jiǎn)單的玻璃塊。在該樣例中，玻璃器件106包括雙面聚碳酸酯擠 壓<牛(twin wall polycarbonate extrusion),例》口目前大量制備來用于溫室 的擠壓件類型。圖3中示出了玻璃器件106的橫截面。玻璃器件106的一 個(gè)示例性尺寸為4.5mm厚x 52英寸寬x 148英寸長(zhǎng)。雙面結(jié)構(gòu)可以有利 于降低熱輻射和對(duì)流損耗。在太陽輻射通過玻璃器件106之后，其一直繼續(xù)直到碰觸到圖2B中 所示的收集器器件104。收集器器件104吸收輻射，并因此升高溫度。在 典型的平板收集器中，收集器器件104由銅構(gòu)成。再次，因?yàn)榫奂谑褂?時(shí)進(jìn)行，所以收集器器件104可以由任何材料制成，包括更低成本材料， 例如黑聚丙烯。圖4A中示出了示例性收集器器件104。收集器器件104 可以類似于通常用于加熱游泳池的聚丙烯型太陽能收集器。示例性收集器 器件104包括在圖4B中以橫截面示出的擠壓件112，其在每端連接至集 管110。 一端的集管110具有進(jìn)口 114,而相對(duì)的集管110具有出口 116。 收集器器件104的內(nèi)部填充有集熱流體118，在該實(shí)施例中，流體18是 主要為液態(tài)的水。在該樣例中，收集器器件104可以為48英寸寬125英 尺長(zhǎng)，空載情況下重量大約為220英鎊，并且將具有大約48加倫的流體 容量。圖2A的太陽能收集器還可以包括置于收集器外罩102和收集器器件 104之間的隔熱層108。層108可以防止熱從收集器器件104損失。隔熱 層108可以由適于工作溫度的任何適當(dāng)?shù)母魺岵牧现瞥?。隔熱?08、收集器器件104以及玻璃器件106由收集器外罩102支 撐。在該實(shí)施例中，收集器外罩102由混凝土構(gòu)建而成。圖1B中所示的熱的抽吸設(shè)備200包括任何類型的泵，其可以在商業(yè) 上以各種形式獲得。熱的熱量存儲(chǔ)設(shè)備250可以為任何類型的貯存器，例如，能夠?qū)⑺?持在大約100°C、將大氣壓保持在O,lMPa的貯存器。熱量存儲(chǔ)設(shè)備250 可以將貯存器中的熱損失最小化并可基本上阻止空氣進(jìn)入貯存器。在該實(shí)施例中，如圖6所示，熱的熱量存儲(chǔ)設(shè)備250由混凝土251和絕熱體252 構(gòu)成。在一個(gè)樣例中，如圖7A所示，熱的熱量存儲(chǔ)設(shè)備250配備有抽吸 設(shè)備254和管道系統(tǒng)256，以便在整個(gè)5&存器中維持相對(duì)恒定均衡的熱量 分布。在圖7B所示的另一樣例中，熱的熱量存儲(chǔ)設(shè)備250配備有熱傳遞 設(shè)備260，包括由諸如銅的材料構(gòu)成的、維持整個(gè)5&存器相對(duì)恒定溫度的 熱交換器261。在圖7C所示的再一實(shí)施例中，液態(tài)水118從熱的熱量存 儲(chǔ)設(shè)備250的底部流體257中通過抽吸設(shè)備254抽出，并被抽吸通過管道 系統(tǒng)256,并接著噴射進(jìn)熱的熱量存儲(chǔ)設(shè)備250的蒸汽部分以將液相和汽 相維持在相同的溫度。
在該樣例中，單個(gè)貯存器保存溫度大約100。C、 714000立方米的水， 24小時(shí)后95。C。作為樣例，貯存器高20米、直徑213米。
冷的熱量存儲(chǔ)設(shè)備450可以是與熱的熱量存儲(chǔ)設(shè)備250類型類似的容 器。在該樣例中，冷的熱量存儲(chǔ)設(shè)備450可以存儲(chǔ)大約37。C、 0.0062MPa 的液態(tài)和汽態(tài)水。
業(yè)上可獲得的各種類型的泵和管道以及適于控制以上所述溫度和壓力的 材料。
如圖9所示，該樣例中的聚集器700包括熱動(dòng)液體活塞式熱泵792。 例如，聚集器700可以以U形、方形或其他適當(dāng)形狀構(gòu)成。聚集器700 包括形成內(nèi)部U形腔的聚集器壁702。聚集器壁702可構(gòu)造成具有沿著管 長(zhǎng)度基本相同的直徑。在該樣例中，聚集器壁702以混凝土構(gòu)成并且大約 150mm厚。U管的內(nèi)徑大約10m。垂直分支部分大約35m長(zhǎng)，水平分支 部分大約10m長(zhǎng)。此外，在該樣例中，垂直熱機(jī)790的垂直分支部分 (vertical leg) 709的高度比垂直熱泵分支部分713低0.3m。
如果需要，垂直分支部分709、 713的上部可以由與U管的下部不同 的材料制成。例如，最上面10m可以由鋼鐵構(gòu)成，以最小化混凝土的任 何膨脹和收縮問題。
聚集器700的下部由流體填充，例如液體形式的水，并且包括液體活 塞716。在該實(shí)施例中，液體活塞716具有大約5200立方米的容積和5000000千克的質(zhì)量。熱機(jī)浮式活塞704漂浮在一個(gè)垂直分支部分中的液 體活塞716的頂部，形成熱機(jī)浮式活塞704和聚集器壁702之間的熱機(jī)膨 脹室708。熱泵浮式活塞706漂浮在另一垂直分支部分中的液體活塞716 的頂部，形成熱泵浮式活塞706和聚集器壁702之間的熱泵膨脹室712。 熱機(jī)膨脹室708可填充有熱機(jī)流體710。熱泵膨脹室712可填充有熱泵流 體714。
熱才幾浮式活塞704和熱泵浮式活塞706的構(gòu)造可以相同。此外，熱初』 浮式活塞704可以構(gòu)造成例如使得曝露于熱機(jī)膨脹室壁(heat engine expansion chamber wall) 709的熱質(zhì)量最小4匕。
如圖IOA所示，熱機(jī)浮式活塞704具有活塞頂部構(gòu)件760，其包括熱 機(jī)膨脹室708的底壁?；钊敳繕?gòu)件760之下是一層活塞隔熱材料762。 活塞隔熱材料762可以為足夠的厚度和隔熱值以降低通過活塞頂部構(gòu)件 760的熱損失?；钊魺岵牧?62的密度還可以起到?jīng)Q定熱機(jī)浮式活塞704 漂浮深度的作用。活塞隔熱材料762之下為活塞密封構(gòu)件764，其用于密 封由活塞密封構(gòu)件764和活塞頂部構(gòu)件760形成的腔。多個(gè)活塞垂直支架 766可以在活塞頂部構(gòu)件760和活塞密封構(gòu)件764之間延伸，以支持它們 承受壓力。在該實(shí)施例中，活塞頂部構(gòu)件760、活塞密封構(gòu)件764以及活 塞垂直支架766由鋁制成。這些構(gòu)件一起形成活塞頂部組件759。
活塞頂部組件759連接至活塞結(jié)構(gòu)768，在該樣例中，其大約10米 高。多個(gè)活塞壁單元770固定至活塞結(jié)構(gòu)768的周圍，在熱機(jī)膨脹室壁 (heat engine expansion chamber wall) 709和液體活塞716的在熱機(jī)浮式 活塞704內(nèi)的部分之間提供熱障。
圖10B中更詳細(xì)地示出了活塞壁單元770的樣例?；钊趩卧?70 包括壁構(gòu)件772和密封板778。壁構(gòu)件772可以為包括外壁774和一系列 支撐肋776的單個(gè)單元。在該樣例中，外壁774和支撐肋776的壁厚大約 為2mm。進(jìn)一步地，在該樣例中，壁構(gòu)件772可以由壓鑄鋁構(gòu)成。密封 板778還可以是焊接至壁構(gòu)件772的鋁片以形成充分地氣密。此外，活塞 壁單元770的內(nèi)部可以是空氣或真空以減少熱傳遞。另外，活塞壁單元 770的內(nèi)部可》真充有閉孑L防水材料(closed cell water resistant material)。在該樣例中，活塞壁單元770中的每個(gè)大約為300mm x 300mm x 15mm厚， 但是可以為如期望的任何適當(dāng)?shù)某叽?。此外，在該樣例中，使用大約3500 個(gè)活塞壁單元770來構(gòu)建每個(gè)熱機(jī)浮式活塞704。然而，本領(lǐng)域的技術(shù)人 員應(yīng)理解，可使用任何數(shù)量的活塞壁單元770，或者可選地，可以將任何 適當(dāng)?shù)臒嵴嫌迷跓崤蛎浭冶?09和熱機(jī)浮式活塞704之間?？梢栽诮M裝期 間將橡膠密封件780置于活塞壁單元770之間，以基本上防止水從熱機(jī)膨 脹室壁709和熱機(jī)浮式活塞704之間的間隙流入熱機(jī)浮式活塞704的內(nèi) 部。
在熱機(jī)浮式活塞704的外徑和聚集器壁702的內(nèi)徑之間，熱機(jī)浮式活 塞704可提供例如大約2mm的小間隙。如上所論述，該間隙可以影響系 統(tǒng)的效率。
如圖11所示，排出閥722和管道系統(tǒng)732將熱機(jī)膨脹室708連接至 熱交換器室726。排出閥722可控制來在循環(huán)的適當(dāng)時(shí)刻打開或關(guān)閉。如 下所述，熱交換器724封裝在熱交換器室726中。熱交換器724可以是本 領(lǐng)域的普通技術(shù)人員所公知的標(biāo)準(zhǔn)熱交換器。可利用來自冷的熱量存儲(chǔ)設(shè) 備450的流體20冷卻熱交換器724。管道系統(tǒng)733和返回泵(return pump ) 730連接熱交換器室726和熱機(jī)膨脹室708以在循環(huán)的適當(dāng)時(shí)刻以薄霧形 式將冷凝水抽回?zé)釞C(jī)膨脹室708中。
管道系統(tǒng)735和抽p及設(shè)備734連接至熱交換器室726的底部。流體 710從熱交換器室726中抽吸，在加熱設(shè)備100中重新加熱，并接著返回 至熱的熱量存儲(chǔ)_沒備250。
圖12示出了用于熱泵792的熱泵循環(huán)中的部件。在該樣例中，熱泵 膨脹室712利用包括熱泵環(huán)境壓力閥(heat pump ambient pressure valve ) 752的管道系統(tǒng)750連接至環(huán)境壓力室550。環(huán)境壓力室550連接至電轉(zhuǎn) 爐600的流體入口，在該情況下，電轉(zhuǎn)爐600為標(biāo)準(zhǔn)的蒸汽渦輪機(jī)。電轉(zhuǎn) 爐600的流體出口連接至真空室560。真空室560通過包括熱泵真空閥754 的管道系統(tǒng)751連接回?zé)岜门蛎浭?12。
圖21示出了一個(gè)致動(dòng)器736和一個(gè)局部密封設(shè)備738,但至少部分 地，可在液體活塞716的周圍附近提供多個(gè)致動(dòng)器736和局部密封設(shè)備738。在該樣例中，致動(dòng)器736在某一高度控制熱機(jī)膨脹室壁709和熱機(jī) 浮式活塞704之間的間隙(g)。 一個(gè)或更多個(gè)密封設(shè)備738的啟動(dòng)使得 液體活塞716的特定圓周范圍的間隙(g)閉合，從而阻止液體活塞716 和膨脹室712之間的流體流動(dòng)。局部密封設(shè)備738的啟動(dòng)和停用具有比例 流量控制閥的效果。
本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)理解，前述示例性裝置和以下處理可由處理 器、控制器和/或類似的計(jì)算設(shè)備控制。各種處理可由機(jī)器可讀指令和/或 程序執(zhí)行。程序可以包含在存儲(chǔ)于例如，快閃存儲(chǔ)器(flash memory)、 CD-ROM、軟盤、硬盤驅(qū)動(dòng)器、數(shù)字通用光盤(digital versatile disk) (DVD) 或與計(jì)算機(jī)相關(guān)聯(lián)的存儲(chǔ)器等有形媒介(tangiblemedium)的軟件中。本 領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)該很容易理解，整個(gè)程序和/或及其部分可以可替 換地以公知方式包含在固件或?qū)Ｓ糜布?dedicated hardware )中(例如， 其可以通過專用集成電路(ASIC)、可編程邏輯器件(PLD)、現(xiàn)場(chǎng)可編 程邏輯器件(FPLD)、可編程邏輯控制器(PLC)、個(gè)人計(jì)算機(jī)(PC)、 離散邏輯等實(shí)現(xiàn))。同樣，以下將要討論的流程圖所描述的機(jī)器可讀指令 中的一些或全部可以手動(dòng)執(zhí)行。進(jìn)一步地，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)該^艮 容易理解，還可以可替換地使用其他方法來執(zhí)行以下所描述的示例性機(jī)器 可讀指令。例如，可以改變各種功能塊的執(zhí)行順序，和/或可以改變、替 換、消除或組合所述塊中的一些。
運(yùn)行時(shí)，本發(fā)明中所公開系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施例將太陽能轉(zhuǎn)化為電。整個(gè) 公開中，能量和功率電平以及計(jì)算一般指24小時(shí)內(nèi)的平均水平。這不同 于按照峰值功率來描述太陽能i殳備的典型實(shí)踐。
當(dāng)太陽照射時(shí)，來自太陽的輻射落于圖2A的玻璃器件106上。因?yàn)?收集器IOO為平板收集器而不是聚光型收集器(concentratingcollector), 收集器100不需要直接的輻射來工作。流體710從熱的熱量存儲(chǔ)設(shè)備250 中經(jīng)由熱的抽吸設(shè)備200通過每個(gè)收集器器件104進(jìn)行循環(huán)，這具有使流 體710溫度升高的效果。在該樣例中，在流體710通過收集器器件104循 環(huán)之后，流體710返回至熱的熱量存儲(chǔ)設(shè)備250。
應(yīng)理解，可使用任何數(shù)量的熱的熱量存儲(chǔ)設(shè)備250,包括例如如圖8所示的一對(duì)熱的熱量存儲(chǔ)設(shè)備。在該類型的系統(tǒng)中，流體710可由第一泵 270抽吸出第一熱的熱量存儲(chǔ)設(shè)備250A，通過加熱設(shè)備IOO，進(jìn)入第二熱 的熱量存儲(chǔ)設(shè)備250B。接著，在使用時(shí)，流體710由第二泵272從第二 熱的熱量存儲(chǔ)設(shè)備250B中抽出，在蒸發(fā)室248中蒸發(fā)，蒸發(fā)室248冷卻 剩余流體710,接著由第三泵274抽回至第 一熱的熱量存儲(chǔ)設(shè)備250A。冷卻系統(tǒng)可以類似形式工作，且可替換地，在該樣例中，系統(tǒng)10在 夜間利用加熱設(shè)備100作為冷卻設(shè)備300。這就消除了需要單獨(dú)的冷卻設(shè) 備300的額外成本，并提供了在環(huán)境溫度低于273。K時(shí)防止冷卻設(shè)備300 結(jié)冰的另外優(yōu)勢(shì)。在圖26中示出了表示執(zhí)行圖1A和1B的系統(tǒng)和/或圖2-25的各種從 屬部件的示例性過程的流程圖。在該樣例中，過程和/或機(jī)器可讀指令包 括用于由處理器、控制器或如上所述的類似的計(jì)算設(shè)備執(zhí)行的程序。圖 26為用于將熱能轉(zhuǎn)化為電的示例性過程2600。通常而言，過程2600通過 一個(gè)或更多個(gè)太陽能收集器100,例如鑒于圖2-4所描述的收集器獲得并 存儲(chǔ)熱能(塊2605)。沒有限制性地，能量收集設(shè)備可包括任何熱源， 包括但不限于地?zé)嵩春凸I(yè)廢熱源。將所獲得和存儲(chǔ)的熱能提供至聚集器 (塊2610)，其包括熱才幾以通過各種熱力學(xué)過程驅(qū)動(dòng)熱機(jī)活塞。熱機(jī)通 過聚集器700的液體活塞716將能量傳送至熱泵792中的熱泵活塞706(塊 2615 )。進(jìn)入熱泵活塞706的該能量傳遞還將能量傳遞進(jìn)發(fā)電單元600(塊 2620)以產(chǎn)生電。熱機(jī)回路熱機(jī)回路的示例性熱力學(xué)循環(huán)以下列方式工作，其基本上不同于典型 的卡諾循環(huán)(Caraotcycle)或蘭金循環(huán)(Rankinecycle)。參照?qǐng)D9和13-16, 液體活塞716和上止點(diǎn)處的熱機(jī)浮式活塞704,入口閥718打開，允許流 體710，例如蒸汽從熱的熱量存儲(chǔ)設(shè)備250流進(jìn)熱機(jī)膨脹室708中。在理 想循環(huán)中，這樣的流動(dòng)以等溫、等壓和等熵形式出現(xiàn)。在實(shí)際循環(huán)中，熱 的熱量存儲(chǔ)設(shè)備250的流體15可能會(huì)在每個(gè)循環(huán)中稍微冷卻，但是出于 理解循環(huán)的目的，這可以忽略。該循環(huán)部分在圖13的等溫膨脹中以過程1 (Process 1)標(biāo)記。過程1開始時(shí)，熱機(jī)流體710包括大約373°K、 0.1008MPa的飽和蒸汽，且熱機(jī)膨脹室708包括大約121m3的容積。在該 循環(huán)階段，熱機(jī)為液體活塞做功。在液體活塞716向下移動(dòng)以使得熱機(jī)膨脹室708從大約121n^膨脹至 大約1571113之后，入口閥718關(guān)閉，開始過程2，等熵膨脹。可利用任何 適當(dāng)?shù)脑O(shè)備感測(cè)該容積變化，這樣的設(shè)備包括例如商業(yè)上可得到的傳感 器，如激光距離測(cè)量傳感器。可替換地，可通過測(cè)量諸如溫度和壓力等過 程參數(shù)來決定過程2的開始。過程2包括熱機(jī)膨脹室708中的熱機(jī)流體 710沿飽和曲線的膨脹。例如，在過程2開始時(shí)，熱機(jī)流體710仍為大約 373。K、 0.1008MPa的飽和蒸汽，但是熱機(jī)膨脹室708的容積已經(jīng)從大約 121m"彭脹至大約157m3。當(dāng)熱機(jī)膨脹室708膨脹時(shí)，熱機(jī)流體710的壓 力和溫度下降，并且熱機(jī)流體710的一部分開始從汽相或蒸汽變化為液態(tài) 水。隨著熱機(jī)膨脹室708繼續(xù)膨脹，溫度和壓力繼續(xù)下降，并且其他蒸汽 也變?yōu)橐簯B(tài)水。在該實(shí)施例中，蒸汽和液相的溫度都以與熱^U彭脹室708 膨脹相同的速率下降。在該循環(huán)階段，熱機(jī)為液體活塞做功?？衫萌舾煞N不同的方法來實(shí)現(xiàn)控制汽相和液相的溫度以相同的速 率下降。在該樣例中，聚集器壁702和熱機(jī)浮式活塞704被維持在飽和點(diǎn) 以上的某一溫度，如在熱量損失分析部分中所描述的，以便液態(tài)水沒有在 其上冷凝的表面并基本上形成霧或懸浮在蒸汽中的液體。在另一樣例中，利用抽吸設(shè)備(未示出)來使液相和汽相維持在相同 的溫度。當(dāng)熱機(jī)浮式活塞704達(dá)到?jīng)_程盡頭時(shí)，熱機(jī)排出閥722打開，將熱機(jī) 膨脹室708連接至位于熱交換器室726中的熱交換器724。在理想循環(huán)中， 熱交換器室726中的熱交換器蒸汽728與熱機(jī)膨脹室708中的熱機(jī)流體 710的溫度和壓力相同。然而，在實(shí)際循環(huán)中，熱機(jī)流體710和熱交換器 蒸汽728的溫度和壓力可能會(huì)稍微不同。當(dāng)熱機(jī)浮式活塞704開始其向上的沖程，即過程3時(shí)，等溫壓縮開始。 在過程3開始時(shí)，熱機(jī)流體710為液體和蒸汽的大約310°K、 0.0062KPa 的混合物，并且熱機(jī)膨脹室708的容積大約為1876m3。熱機(jī)膨脹室708的容積開始降低，壓縮熱機(jī)流體710和熱交換器蒸汽728。當(dāng)蒸汽開始?jí)?縮時(shí)，溫度和壓力逐漸增加并且熱交換器蒸汽728將開始在熱交換器724 上凝結(jié)。很多熱量通過熱交換器724傳送出系統(tǒng)，因此該過程在等溫下進(jìn) 行。在理想循環(huán)中， 一些水從熱交換器室726中傳送，因此該過程還根據(jù) 特定的熵理論等熵地進(jìn)行。因?yàn)樵谠撨^程中有熱量和質(zhì)量傳送出系統(tǒng)，因 此總的熵降低。在過程3中，液體活塞為熱機(jī)做功。當(dāng)在過程3期間傳送了適當(dāng)量的熱和質(zhì)量之后，排出閥722關(guān)閉，使 熱機(jī)膨脹室708與熱交換器室726隔離。在理想循環(huán)中，熱交換器室726 中的冷凝和熱傳遞在這一刻停止，但在實(shí)際循環(huán)中，在排出閥722關(guān)閉后， 仍可以允許冷凝和熱傳遞繼續(xù)進(jìn)行。關(guān)閉排出閥722使得過程4，即等熵 壓縮開始。過程4開始時(shí)，熱機(jī)流體710包括液體和蒸汽的溫度大約 310°K、壓力大約0.0062KPa的混合物，而熱機(jī)膨脹室708具有大約1143m3 的容積。當(dāng)熱機(jī)浮式活塞704繼續(xù)向上時(shí)，熱機(jī)膨脹室708的壓縮繼續(xù)。 在該循環(huán)的此時(shí)刻，熱機(jī)膨脹室708包括液體和蒸汽的混合物。在過程4 期間，液體蒸發(fā)，并且熱機(jī)流體710變?yōu)轱柡驼羝?。這不同于一般的壓縮 過程，在一般的壓縮過程中，液體和蒸汽被壓縮成所得到的流體為包括飽 和液體的流體。該不同點(diǎn)將在后續(xù)段落中進(jìn)行解釋。在圖15中可以注意到，所有四個(gè)熱機(jī)過程均發(fā)生在飽和線上。在實(shí)際過程中，過程4的液態(tài)水可能需要從熱交換器室726中加回到 熱機(jī)膨脹室708中以達(dá)到過程1開始的適當(dāng)條件。這可利用圖11中所示 的返回泵730進(jìn)行。待加回到熱機(jī)膨脹室708的流體710的量可以由熱機(jī) 膨脹室708中所測(cè)量的熱機(jī)流體710的過程條件或通過其他過程參數(shù)來判斷。將前述部分所描述的理想熱機(jī)循環(huán)比作典型的理想卡諾循環(huán)是有說 明性的。卡諾循環(huán)為一種經(jīng)歷兩個(gè)等溫可逆過程和兩個(gè)絕熱可逆過程的循 環(huán)。根據(jù)這個(gè)定義，本文中所公開的理想熱泵循環(huán)為卡諾循環(huán)的一種形式， 因?yàn)槿鐖D16中輕易所視，其具有兩個(gè)等溫可逆過程和兩個(gè)絕熱可逆過程。 然而，本熱機(jī)循環(huán)在若干個(gè)獨(dú)特方面不同于典型的卡諾循環(huán)。典型卡諾循環(huán)包括等熵壓縮過程，在此期間，由蒸汽和液體組成的濕蒸汽被壓縮成飽和液體。該實(shí)施例的熱機(jī)循環(huán)包括等熵壓縮過程，在此期 間，由蒸汽和液體組成的濕蒸汽一直被壓縮，直到液體蒸發(fā)至僅僅留下飽 和蒸汽?？ㄖZ循環(huán)和本熱機(jī)循環(huán)中的下一過程均為增加能量至循環(huán)的過程。在 卡諾循環(huán)中， 一般以熱量形式增加的能量等溫地蒸發(fā)液體，直到僅僅剩余 飽和蒸汽。在本循環(huán)中，僅僅飽和蒸汽出現(xiàn)在能量增加過程的開始時(shí)。在 本循環(huán)中，能量是通過將飽和蒸汽質(zhì)量等溫地加至系統(tǒng)而增加的。典型的卡諾循環(huán)還包括等熵膨脹過程，其以飽和蒸汽開始并冷凝以形 成蒸汽和液體的濕蒸汽混合物。該實(shí)施例的熱機(jī)循環(huán)也包括等熵膨脹過 程，在此過程期間，飽和蒸汽冷凝形成蒸汽和液體的混合物。卡諾循環(huán)的最后過程將熱等溫地從濕蒸汽中除去以獲得與循環(huán)開始 時(shí)相同的蒸汽和液體比例。本發(fā)明的最后過程等溫地除去熱量和液體以獲 得與循環(huán)開始時(shí)相同的蒸汽和液體比例。兩個(gè)循環(huán)之間最顯著和獨(dú)特的不同之處出現(xiàn)在等熵壓縮過程中，其中 典型卡諾循環(huán)以濕蒸汽開始以飽和液體結(jié)束，而本循環(huán)以濕蒸汽開始以飽 和蒸汽結(jié)束。所^^開的過程相對(duì)直觀，因?yàn)閺恼羝揭后w的冷凝一般與壓 縮過程有關(guān)。在本循環(huán)中，壓縮過程必須產(chǎn)生飽和蒸汽以按該過程的等熵性質(zhì)所要求的來保持恒熵。在本實(shí)施例中，壓縮過程開始時(shí)，積J又大約12.5%的濕 蒸汽為液體。該過程開始時(shí)，液體的比熵為大約0.53kJ/kg-K,蒸汽的比 熵為大約8.32kJ/kg-K。壓縮過程結(jié)束時(shí)，液體的比熵為大約1.31 kJ/kg-K， 而蒸汽的比熵為大約7.36 kJ/kg-K。數(shù)量上，使壓縮過程開始和結(jié)束時(shí)的 總熵等于在相之間變化的質(zhì)量的個(gè)別未知數(shù)量的代數(shù)計(jì)算提供了整個(gè)蒸 汽結(jié)果。質(zhì)量上，可以看到，該過程開始時(shí)系統(tǒng)中相對(duì)低百分比的液體驅(qū) 動(dòng)該過程來產(chǎn)生蒸汽。因?yàn)橄到y(tǒng)的主要部分在開始時(shí)由高熵蒸汽組成，所 以將所有蒸汽轉(zhuǎn)化為是該比熵的大約16%的液體不會(huì)是等熵過程。然而，可通過將液體轉(zhuǎn)化為蒸汽來維持恒熵，其中液體熵到蒸汽熵的大約13.9 倍的增加平衡了初始蒸汽質(zhì)量的比熵的大約12%的下降。在具有高初始百分比液體的典型卡諾循環(huán)中，該過程相反。在這種情 況下，利用相同的開始熵值和結(jié)束熵值，如果最終結(jié)果是液體，那么液體的大部分質(zhì)量的比熵增加了大約2.5個(gè)因子。冷凝的蒸汽質(zhì)量的熵降低了 大約6.4個(gè)因子以平衡液體的熵的增加。在典型卡諾循環(huán)的情況下，初始 狀態(tài)主要為液體，這樣的過程不能以蒸汽結(jié)束并維持恒熵，因?yàn)榇蠖鄶?shù)質(zhì) 量的熵會(huì)增加大約13.9個(gè)因子。初始蒸汽的熵的少量降低不可能抵銷這 樣大的增加?？稍趫D17中觀察到此處所公開的理想循環(huán)的另一獨(dú)特特征，圖17示 出了熱機(jī)循環(huán)期間液體和蒸汽質(zhì)量的平均比熵。如圖17所示，熱機(jī)循環(huán) 中質(zhì)量的平均比熵在整個(gè)循環(huán)過程中是恒定的。平均比熵總是等于能量增 加過程中增加至該循環(huán)的蒸汽的比熵。這是可能的，因?yàn)樵谂艧徇^程中低 比熵的液體從系統(tǒng)中排出。隨著熱量排出，高熵蒸汽冷凝為低熵液體，這 具有降低平均比熵的效果。然而，同時(shí)，低熵液體質(zhì)量從系統(tǒng)中排出，這 提高了剩余質(zhì)量的平均比熵，并抵消了之前的效果。不需要在過程4結(jié)束時(shí)蒸發(fā)所有的液態(tài)水。此時(shí)， 一些液態(tài)水可能會(huì) 保留在熱機(jī)膨脹室708中而基本上不會(huì)改變循環(huán)。該實(shí)施例的熱才幾回路的其他示意性熱力學(xué)循環(huán)以下列方式工作，其基 本上不同于典型的卡諾循環(huán)或蘭金循環(huán)，但類似于典型的19世紀(jì)蒸汽機(jī) 循環(huán)。參照?qǐng)D22-24以及流程圖27-32。圖27示出了以上參照?qǐng)D26描述 的熱機(jī)至熱泵能量傳遞(塊2615)的示例性過程的其他明細(xì)。熱機(jī)790 的位置由例如激光距離測(cè)量傳感器檢查以判斷熱機(jī)活塞804是否處于頂 部沖程位置(塊1705 )。如果熱機(jī)活塞804不位于頂部沖程位置(塊2707 )， 那么該示例性過程會(huì)一直等待直到出現(xiàn)頂部沖程。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員 應(yīng)理解，在聚集器活塞的穩(wěn)定諧和工作之前，系統(tǒng)可以以已知狀態(tài)和/或 預(yù)先判斷的活塞位置開始。例如，流體710(例如，蒸汽)可以噴射入聚 集器700 (例如，熱機(jī)790側(cè)或熱泵792側(cè))中以使活塞804、 706定位 在已知啟動(dòng)位置和/或使得活塞804、 706循環(huán)若干個(gè)沖程以使系統(tǒng)啟動(dòng)。 在熱機(jī)790的穩(wěn)定諧和工作期間，熱機(jī)室708可經(jīng)歷等溫膨脹(塊2710 )、 等熵膨脹(塊2715)、等容冷凝(塊2720)、等溫膨脹(塊2725)以及等熵膨脹(塊2730)。當(dāng)熱機(jī)活塞804返回到頂部沖程位置(塊2705) 時(shí)，圖27的過程以諧和方式重復(fù)。參照?qǐng)D28，以液體活塞716和熱機(jī)浮式活塞804處于上止點(diǎn)開始， 入口閥718開啟，允許蒸汽從熱的熱量存儲(chǔ)設(shè)備250流入熱機(jī)膨脹室708 (塊2805)中。在理想循環(huán)中，該流動(dòng)以等溫、等壓和等熵方式發(fā)生。 在實(shí)際循環(huán)中，熱的熱量存儲(chǔ)設(shè)備250的流體15將在每個(gè)循環(huán)期間稍微 冷卻，但出于理解該循環(huán)的目的，可忽略這一點(diǎn)。該循環(huán)部分標(biāo)記為過程 1，圖23中的等溫膨脹。在過程1開始時(shí)，熱機(jī)流體710可以為大約364。K、 大約0.072MPa的飽和蒸汽，而熱機(jī)膨脹室708具有大約0.046m3的容積。 該循環(huán)階段期間，熱機(jī)790為液體活塞716做功。在液體活塞716向下運(yùn)動(dòng)以將熱機(jī)膨脹室708從大約0.0461113膨脹為 大約0.717m3 (2810)之后，入口閥718閉合(塊2905 )，開始過程2， 即等熵膨脹(塊2715 ),如圖27和29所示。該容積變化可以利用商業(yè) 上可得到的傳感器感測(cè)，例如激光距離測(cè)量傳感器?？商鎿Q地，這一點(diǎn)可 通過測(cè)量諸如溫度和壓力等過程參數(shù)來判斷。過程2為熱機(jī)膨脹室708中 的熱機(jī)流體710沿飽和曲線的膨脹。過程2開始時(shí)，熱機(jī)流體710仍為大 約364。K、大約0.072MPa的飽和蒸汽，但熱機(jī)膨脹室708的容積已經(jīng)從 大約0.0461113膨脹至大約0.717m3。隨著熱機(jī)膨脹室708膨脹，熱機(jī)流體 710的壓力和溫度下降，且一部分熱機(jī)流體710開始從蒸汽和/或汽相變?yōu)?液態(tài)水。隨著熱機(jī)膨脹室708繼續(xù)膨脹，溫度和壓力繼續(xù)下降，其他的蒸 汽變?yōu)橐簯B(tài)水。在該樣例中，汽相和液相的溫度以與熱機(jī)膨脹室708膨脹 相同的速率下降。在循環(huán)的該階段，熱機(jī)為液體活塞做功。可利用若干種不同的方法實(shí)現(xiàn)控制汽相和液相的溫度以相同速率下 降。在該樣例中，聚集器壁802和熱機(jī)浮式活塞804維持在飽和點(diǎn)以上的 某一溫度，如在熱損失部分的分析中所描述的，因此液態(tài)水將沒有在其上 冷凝的表面并基本上形成霧或懸浮在蒸汽中的液體(塊2910)。過程2 結(jié)束時(shí)，熱機(jī)流體710處于340。K和大約0.027MPa，熱機(jī)膨脹室708的 容積為大約1.71m3。當(dāng)熱機(jī)浮式活塞804抵達(dá)沖程的底部(塊2915)時(shí)，隨著熱機(jī)排出閥810開啟(塊3005 ),將熱機(jī)膨脹室708連接至冷凝室812，過程3開 始(圖30中所示)。在該樣例中，當(dāng)熱機(jī)排出閥810打開時(shí)，冷凝室812 中的溫度和壓力低于熱機(jī)膨脹室708中的溫度和壓力。冷凝室812中發(fā)生 額外的冷凝，使得熱機(jī)膨脹室708中的溫度和壓力快速降低。其如過程3 所示，以恒定容積冷凝。實(shí)際上，在過程3中容積會(huì)輕微改變，但是容積 的改變與其他過程相比纟艮小。過程3結(jié)束時(shí)，熱機(jī)流體710為大約301。K 以及大約0.0038MPa的飽和蒸汽，熱機(jī)膨脹室708的容積為大約1.71m3。隨著熱機(jī)浮式活塞804由于系統(tǒng)10的慣性力而開始其向上沖程(塊 3010),過程4，即等溫壓縮開始，如圖31所示。在過程4開始時(shí)，熱 機(jī)流體710為液體和蒸汽的大約301。K以及大約0.0038MPa的混合物， 并且熱機(jī)膨脹室708容積為大約1.71m3。熱機(jī)膨脹室708容積開始減小， 壓縮熱機(jī)流體710。隨著蒸汽開始?jí)嚎s，溫度和壓力不斷增加，并且冷凝 室812中的蒸汽開始冷凝。充分的熱量在冷凝過程中被傳送出系統(tǒng)10， 使得該過程等溫地進(jìn)行。在過程4，即等溫壓縮期間，液體活塞為熱機(jī)做 功。過程4結(jié)束時(shí)，熱機(jī)流體為大約301。K、大約0.0038MPa，熱機(jī)膨脹 室708的容積為大約0.646m3 (塊3105 )。當(dāng)適當(dāng)量的熱量和質(zhì)量在過程4期間傳遞之后，排出閥810閉合(塊 3110)，使得熱機(jī)膨脹室708與冷凝室812隔離。排出閥810的閉合使得 過程5，即等熵壓縮開始，如圖32所示。在過程5開始時(shí)，熱機(jī)流體710 包括液體和蒸汽的溫度大約301。K、壓力大約0.0038MPa的混合物，熱機(jī) 膨脹室708容積大約為0.646m3。隨著熱機(jī)浮式活塞804繼續(xù)向上，熱機(jī) 膨脹室708的壓縮繼續(xù)進(jìn)行。在循環(huán)中，此時(shí)熱機(jī)膨脹室708包括液體和 蒸汽的混合物。過程5期間，液體蒸發(fā)并且熱機(jī)流體710開始變?yōu)闇囟却?約364。K、壓力大約0.072MPa的飽和蒸汽(塊3210和3205 )。當(dāng)熱機(jī) 浮式活塞804達(dá)到其沖程頂部時(shí)，如圖27所示，過程以反復(fù)方式重復(fù)?？梢宰⒁獾?，所有四個(gè)熱機(jī)過程均發(fā)生在飽和線上。等熵過程僅僅在 液相和汽相均被考慮時(shí)等熵。每個(gè)單獨(dú)相的熵并不是恒定的。熱泵回路卡諾循環(huán)為經(jīng)歷兩個(gè)等溫可逆過程和兩個(gè)絕熱可逆過程的循環(huán)，熱泵膨月長(zhǎng)室712內(nèi)的熱泵流體714的內(nèi)部熱泵循環(huán)由卡諾循環(huán)組成。該操作的描述在圖33中示出，并且在圖12的熱泵浮式活塞706處于 底部沖程時(shí)開始，其在熱機(jī)浮式活塞804處于頂部沖程的相同時(shí)刻發(fā)生。 在熱泵循環(huán)的所有四個(gè)過程中熱泵流體714為過熱蒸汽。熱泵循環(huán)過程可 包括但不限于等熵壓縮過程(塊3305 )、等溫壓縮過程(塊3310)、等 熵膨脹過程(塊3315)以及等溫膨脹過程(塊3320)。如圖34所示，過程1當(dāng)熱泵浮式活塞706在沖程底部開始(塊3405 ) 并開始向上運(yùn)動(dòng)時(shí)為等熵壓縮，其中在沖程底部熱泵真空閥閉合(塊 3410)。熱泵流體714在大約376。K以及大約0.0193MPa下啟動(dòng)過程l， 熱泵膨脹室712容積大約為1,71m3。隨著熱泵浮式活塞706向上運(yùn)動(dòng)，熱 泵流體714等熵壓縮成溫度大約612。K以及大約0.15MPa，其稍孩i高于大 氣壓力。當(dāng)熱泵膨脹室712達(dá)到大約0.381113的容積時(shí)(塊3415),熱泵壓力 閥752打開(塊3420 )，將熱泵膨脹室712連接至壓力室550。這是過程 2的開始，如圖35所示，其為將蒸汽從熱泵膨脹室712注入壓力室550 的等溫過程(塊3505 )。因?yàn)閴毫κ?50基本上大于熱泵膨脹室712，所 以該過程通過假設(shè)過程2期間壓力室550中的溫度和壓力基本上維持不變 而理想化了。實(shí)際上，聚集器700的多個(gè)單獨(dú)單元，典型的18會(huì)彼此異 相地運(yùn)行，因此會(huì)有些蒸汽的連續(xù)流提供至壓力室550。此外，蒸汽的連 續(xù)流會(huì)從壓力室550中抽回到電轉(zhuǎn)爐600的流體，在該實(shí)施例中，電轉(zhuǎn)爐 600為650kW的蒸汽渦輪機(jī)/發(fā)電機(jī)組。當(dāng)過程2開始時(shí)，熱泵膨脹室712 和壓力室550均為大約612°K以及大約0.15MPa。熱機(jī)浮式活塞804繼續(xù) 向上，直到熱泵膨脹室712的容積為大約0.046m3,此時(shí)，熱機(jī)浮式活塞 804處于沖程的頂部(塊3510)。熱泵膨脹室712的溫度保持在大約612。K 和大約0.15MPa。在沖程頂部，熱泵環(huán)境壓力閥752閉合(塊3605),過程3開始， 如圖36所示。過程3為等熵膨脹。過程3繼續(xù)(塊3610)，直到熱泵膨脹室712達(dá)到大約0.22m3的容積，此時(shí)，熱泵真空閥754開啟(塊3615 )。這啟動(dòng)了過程4，如圖37所示，其為將蒸汽從真空室560注入熱泵 膨脹室712的等溫注入(塊3705 )。對(duì)于該討論來說，和描述過程2的 原因一樣，過程4被理想化了。熱泵膨脹室712以大約376。K的溫度和大 約0.0193MPa開始和結(jié)束過程4。當(dāng)熱機(jī)浮式活塞804達(dá)到底部沖程時(shí)(塊 3710),熱泵真空閥754閉合并且過程1再次開始。熱泵流體714從熱泵膨脹室712流至壓力室550以流入電轉(zhuǎn)爐600的 流體，其中在到電轉(zhuǎn)爐600的流體中其經(jīng)歷了等熵膨脹過程。其以大約 612°K的溫度和大約0.15MPa進(jìn)入到電轉(zhuǎn)爐600的流體中，并且以大約 376。K的溫度和大約0.0193MPa退出，這與壓力室550和真空室560的情 況相同。應(yīng)該易于理解，以上描述的所有熱力學(xué)條件僅僅是可以選擇而不會(huì)改 變熱力學(xué)循環(huán)性質(zhì)的很多條件中的 一組。液體活塞的運(yùn)行液體活塞716和浮式活塞的質(zhì)量在系統(tǒng)10的運(yùn)行中起關(guān)鍵作用。例 如，總質(zhì)量影響系統(tǒng)的共振頻率，因而對(duì)于系統(tǒng)10的循環(huán)時(shí)間可能會(huì)具 有主要影響。Streeter的流體力學(xué)(Fluid Mechanics)在12.1章節(jié)"U管 中的液體振蕩(Oscillation of Liquid in a U tube )"中展示了液體填充U 管的物理反應(yīng)。本系統(tǒng)10的物理性質(zhì)接近于Streeter所描述的系統(tǒng)，但因 為本示例性系統(tǒng)io利用閉合U管并應(yīng)用驅(qū)動(dòng)力而不同。系統(tǒng)10本質(zhì)上 共振于液體活塞716、熱機(jī)浮式活塞704和熱泵浮式活塞706質(zhì)量的動(dòng)能、 液體活塞716、熱才幾浮式活塞704和熱泵浮式活塞706的垂直分支部分的 重力勢(shì)能以及存儲(chǔ)在熱機(jī)流體710和熱泵流體714中的勢(shì)能之間。入口閥 718在適當(dāng)時(shí)間打開和閉合以施加或除去與系統(tǒng)10的固有頻率同相的熱 機(jī)的力。入口閥718上可以不需要節(jié)流閥，因?yàn)橄到y(tǒng)10的性質(zhì)，這去除了任 何相關(guān)聯(lián)的損耗。在由熱機(jī)回路提供的以功的形式輸入系統(tǒng)10的能量和在熱泵回路中以做功形式取得的能量以及損失之間獲得能量平衡。約為15.3%,相對(duì)地卡諾效率為大約16.9%。與卡諾循環(huán)相比，認(rèn)為其他 的損耗與質(zhì)量進(jìn)入和退出本循環(huán)的方式有關(guān)，其利用流進(jìn)和流出系統(tǒng)的熱該效率計(jì)算僅僅針對(duì)于熱動(dòng)雙回路熱泵，并不包括熱泵中的熱損耗、 太陽能收集損耗或者蒸汽渦輪機(jī)600中的損耗。蒸汽渦輪機(jī)600可以大約 83%的效率運(yùn)行。高效率的蒸汽渦輪機(jī)600是普通的，因?yàn)閷?duì)于蒸汽渦輪 機(jī)循環(huán)閉合的熱泵不包括任何熱量注入。熱機(jī)循環(huán)和熱泵循環(huán)期間的熱損耗分析熱才幾流體710在熱機(jī)膨脹室708的熱才幾膨3長(zhǎng)室壁709上的冷凝可導(dǎo)致 熱機(jī)790的效率降低。熱泵流體714在熱泵膨脹室714的熱泵膨脹室壁 713上的冷凝可導(dǎo)致熱泵792的效率降低。液體活塞716從熱泵膨脹室712 的熱泵膨脹室壁713到熱泵流體714的汽化可降低熱泵流體714的質(zhì)量。 壓縮階段中，液體活塞716到熱機(jī)膨脹室708的汽化一般具有更低的影響， 因?yàn)闊釞C(jī)流體710是飽和的，并且汽化在該過程中作為循環(huán)的正常部分發(fā) 生。通過熱機(jī)膨脹室壁709和熱泵膨脹室壁713也可能會(huì)具有熱傳遞損 失。然而，只要冷凝或汽化不出現(xiàn)，這些損耗通常并不顯著。汽化一般不 會(huì)發(fā)生在沖程的頂端處液體活塞的頂部之上，因?yàn)闆]有液體進(jìn)行汽化。可 通過在循環(huán)中將熱機(jī)膨脹室壁709和熱泵膨脹室壁713的溫度維持在最高 壓力點(diǎn)的飽和溫度或超過最高壓力點(diǎn)的飽和溫度來阻止超過該點(diǎn)的液化。 這還可應(yīng)用至熱機(jī)浮式活塞704和熱泵浮式活塞706的上表面。通過在壁 后和活塞頂部下使用充分量的隔熱材料，可降低熱傳遞損耗。在本文中所 描述的示意性實(shí)施例中，壁將維持在至少大約373。K的溫度。振蕩沖程期間液體活塞間歇地接觸熱機(jī)膨脹室壁709和熱泵膨脹室 壁713的損失是熱動(dòng)雙回路液體活塞式熱泵系統(tǒng)中的另一潛在損耗。具有若干種方法來降低損耗，包括將液體抽入和抽出系統(tǒng)10,以及包括隔熱和低熱質(zhì)量的多種方法。在以下段落中將對(duì)一種方法進(jìn)行詳細(xì)描述。系統(tǒng)10的損耗可通過消除或減少循環(huán)期間來自熱機(jī)膨脹室壁709和 熱泵膨脹室壁713的冷凝和汽化而降低。該討論開始將參照熱機(jī)膨脹室壁 709，稍后討論和熱泵膨脹室壁713的不同之處。在循環(huán)的任何時(shí)刻，如 果一個(gè)表面的溫度高于飽和溫度，那么熱機(jī)膨脹室708中的蒸汽就不會(huì)冷 凝在該表面上。在循環(huán)的任何時(shí)刻，如果液體和熱機(jī)膨脹室壁709的鄰才妄 部分的溫度低于飽和溫度，那么液體活塞716中的液體就不會(huì)汽化。因此， 該方法可通過將熱機(jī)膨脹室708的熱機(jī)膨脹室壁709維持在如圖20所示 的大致溫度梯度來減小損耗。在循環(huán)的相同時(shí)刻，液體活塞716頂部水平 面和熱機(jī)膨脹室708的底部的壁溫度可維持在熱才幾流體710的飽和溫度。 這種溫度梯度可經(jīng)由沿著壁長(zhǎng)方向的外部加熱設(shè)備或者通過將壁設(shè)計(jì)成 自然地維持該梯度的方式來維持。因?yàn)檫@個(gè)溫度與壓縮沖程和膨脹沖程的 溫度不同，因此復(fù)雜化了，如在以下若干段落中所討論的。熱機(jī)膨脹室708的壁的熱質(zhì)量通常比位于熱機(jī)膨脹室708和熱機(jī)浮式 活塞704之間的液體活塞716的一部分和熱機(jī)浮式活塞704的外壁的組合 的熱質(zhì)量高很多。降低所描述區(qū)域中的液體活塞716和熱機(jī)浮式活塞704 的質(zhì)量是有利的。這可以任何適當(dāng)?shù)姆绞綄?shí)現(xiàn)，包括例如通過將熱機(jī)膨脹 室708和熱機(jī)浮式活塞704的尺寸和公差制成可提供熱機(jī)膨脹室708和熱 機(jī)浮式活塞704之間的小的間隙并可提供熱機(jī)浮式活塞704上的薄壁。在 該樣例中4吏用2mm左右的間隙。熱才幾浮式活塞704的壁可制成如圖10B 所示的大約2mm左右厚度的壁。當(dāng)液體活塞716處于頂部沖程時(shí)，熱機(jī)浮式活塞704和熱機(jī)膨脹室壁 709之間的液體活塞716頂部的流體的溫度可稍微低于熱機(jī)膨脹室壁709 鄰接部分的溫度。熱量將從熱機(jī)膨脹室壁709流入液體活塞716的鄰接器 件。當(dāng)液體活塞716開始下降時(shí)，該相同器件將鄰接熱機(jī)膨脹室壁709的 更低和更冷的部分。熱量將會(huì)/人液體活塞716的該器件流入熱機(jī)膨脹室壁 709的鄰接器件。因?yàn)闊豳|(zhì)量不同，這一般會(huì)冷卻液體活塞716的器件并 輕微地提高熱機(jī)膨脹室壁709的器件的溫度。該過程可隨著液體活塞716的繼續(xù)下降而繼續(xù)，直到液體活塞716的相同器件在其達(dá)到?jīng)_程底部時(shí)坤皮 完全冷卻。在液體活塞716的向上沖程時(shí)，該過程逆轉(zhuǎn)。當(dāng)液體活塞716的器件 開始升高時(shí)，其將鄰接熱機(jī)膨脹室壁709的更熱的器件。熱量一般會(huì)從熱 機(jī)膨脹室壁709的鄰接器件流入液體活塞716的器件，使得液體活塞716 的溫度升高。這將隨著液體活塞716的上升而繼續(xù)，結(jié)果是，當(dāng)其達(dá)到頂 部沖程時(shí)，液體活塞716的器件將會(huì)幾乎處于熱機(jī)膨脹室壁709的最大溫 度。該過程基本上增加了系統(tǒng)的效率。如果在沖程頂部將熱量增加至液體 活塞716的器件并在沖程底部排出，那么在每個(gè)沖程期間將會(huì)需要將大約 另外5%的熱量增加至系統(tǒng)，即使在熱機(jī)浮式活塞704和熱機(jī)膨脹室壁709 之間具有尺寸為本文中所描述尺寸的十分之一 的間隙。利用本文中所描述的過程，在每個(gè)沖程期間，僅僅很少量的熱量被增 加至系統(tǒng)，因?yàn)檠h(huán)期間，被要求加熱熱機(jī)浮式活塞704和熱機(jī)膨脹室壁 709之間的間隙中的一部分液體活塞716的幾乎所有的熱量在液體活塞 716的器件和熱機(jī)膨脹室壁709之間再循環(huán)。類似的過程發(fā)生于熱機(jī)浮式活塞704的外壁上，其中在每個(gè)循環(huán)期 間，外壁來回地將熱量通過液體活塞716傳遞至熱機(jī)膨脹室壁709。為了利用熱機(jī)完成工作，當(dāng)與膨脹沖程比較時(shí)，對(duì)于給定容積，飽和 溫度和壓力一般較低。如果在整個(gè)循環(huán)中，熱機(jī)浮式活塞704和熱機(jī)膨脹 室壁709之間的間隙中的液體活塞716頂部的高度相對(duì)于熱機(jī)膨脹室壁 709的上表面為恒定的，那么在壓縮沖程中將在熱機(jī)膨脹室壁709上發(fā)生 液化，或者在膨脹沖程中將在熱機(jī)膨脹室壁709上發(fā)生汽化。這對(duì)于降低 系統(tǒng)的效率具有效果。作為結(jié)果，如果循環(huán)期間液體活塞716的頂部高度相對(duì)于熱機(jī)浮式活 塞704變化，那么可替換地，系統(tǒng)IO可以較高的效率運(yùn)行。在圖21中示 出了實(shí)現(xiàn)該情況的一種方法。在壓縮沖程中，局部密封設(shè)備738被致動(dòng)器 736朝向熱機(jī)浮式活塞704移動(dòng)。這減慢了流進(jìn)熱機(jī)浮式活塞704和熱機(jī) 膨脹室壁709之間的間隙的水流，使得液體活塞716的上表面降低。當(dāng)熱機(jī)浮式活塞704靠近沖程頂部時(shí)，局部密封設(shè)備738由致動(dòng)器736移離熱 機(jī)浮式活塞704，允許熱機(jī)浮式活塞704和熱機(jī)膨脹室壁709之間的間隙 中的液體相對(duì)于熱機(jī)浮式活塞704的上表面升高。可利用各種傳感器感測(cè)熱機(jī)浮式活塞704和熱機(jī)膨脹室壁709之間的 液體的高度，例如壓力感測(cè)器。于是，液體的高度可通過在循環(huán)的每個(gè)時(shí) 刻提供局部密封設(shè)備738和熱機(jī)浮式活塞704之間的必要的間隙(g)來 控制。這就允許液體的頂部處于熱機(jī)膨脹室壁709上的正確位置以針對(duì)膨 脹沖程和壓縮沖程將液體頂部的溫度維持在飽和溫度。在系統(tǒng)的熱泵方面，情況類似，但逆轉(zhuǎn)。再次，在熱泵膨脹室壁713 上維持熱梯度，對(duì)應(yīng)于用于熱泵膨脹室712的對(duì)應(yīng)容積的飽和溫度。在這 種情況下，相對(duì)于熱泵浮式活塞706的頂部，液體活塞716的頂部在壓縮 沖程期間維持于較高的水平，而在膨脹沖程期間維持于較低的水平。此外，熱泵792使用過熱蒸汽而不是飽和蒸汽，所以熱泵流體714的 溫度高于飽和溫度。然而，只要能避免不期望的冷凝和蒸發(fā)，熱傳遞系數(shù) 就可以足夠低地使得熱損耗最小化。本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)理解，盡管仍利用熱動(dòng)雙回路液體活塞式熱泵的 概念，但是具有各種方法來最小化本文中所公開裝置的熱損耗。應(yīng)該注意，熱泵膨脹室壁713上的期望的溫度梯度可不同于熱機(jī)膨脹 室壁709上的溫度梯度。以下將公開利用不同的熱機(jī)和熱泵回路工作參數(shù)的聚集器700的可 選實(shí)施例。在該樣例中，在部分循環(huán)期間，熱泵回路工作在大氣壓力之上。該實(shí)施例中的聚集器700包括熱動(dòng)液體活塞式熱泵。如圖22所示， 其以通常的U形、方形或其他合適的形狀的形式構(gòu)建而成。U管包括聚 集器壁802，其形成內(nèi)U形室。聚集器壁802以與沿管的長(zhǎng)度基本相同的 直徑構(gòu)造。在該樣例中，聚集器壁802由鋁構(gòu)成，并且厚度大約為3mm。 U管的內(nèi)徑大約為L(zhǎng)5m。垂直分支部分大約3m長(zhǎng)，而水平分支部分大約 lm長(zhǎng)。垂直熱機(jī)分支部分的高度比垂直熱泵分支部分的高度高1.5m。內(nèi)腔的較低部分填充有液體形式的水，其包括液體活塞716。在該實(shí)施例中，液體活塞容積為大約9立方米，而質(zhì)量大約9000千克。熱機(jī)浮 式活塞804漂浮在一個(gè)垂直分支部分中的液體活塞716的頂部，形成熱機(jī) 浮式活塞804和聚集器壁802之間的熱機(jī)膨脹室708。熱泵浮式活塞706 漂浮在另一分支部分中的液體活塞716的頂部，形成熱泵浮式活塞706和 聚集器壁802之間的熱泵膨脹室712。熱機(jī)膨脹室708填充有熱機(jī)流體 710。熱泵膨脹室712填充有熱泵流體714。熱機(jī)浮式活塞804和熱泵浮式活塞706構(gòu)造成減小曝露于熱機(jī)膨脹室 壁709的熱質(zhì)量。如圖24所示，熱機(jī)浮式活塞804具有活塞頂部構(gòu)件814,其包括熱 機(jī)膨脹室壁708的底壁。活塞頂部構(gòu)件814連接至活塞外壁816，其大約 為lm高。在該樣例中，活塞外壁816由軋制并焊接的大約1.5mm厚的鋁 片構(gòu)成?；钊麅?nèi)壁818也由軋制并焊接的大約1.5mm厚的鋁片構(gòu)成?；?塞外壁816和活塞內(nèi)壁818之間的間隙820提供了聚集器壁802和熱機(jī)浮 式活塞804內(nèi)的一部分液體活塞716之間的熱障。熱機(jī)浮式活塞804設(shè)計(jì) 并構(gòu)造成提供熱機(jī)浮式活塞804的外徑和聚集器壁802的內(nèi)徑之間的大約 2mm的小間隙?；钊芊馊?22可位于熱機(jī)浮式活塞804的頂部附近， 以最小化來自聚集器壁802的冷凝和蒸發(fā)影響。排出閥810可將熱機(jī)膨脹室708連接至冷凝室812。排出閥810可控 制來在循環(huán)的適當(dāng)時(shí)刻開和關(guān)。噴射系統(tǒng)824可位于冷凝室812內(nèi)。當(dāng)排 出閥810打開時(shí)，來自液體活塞716的液體噴射進(jìn)冷凝室812以^吏得熱才幾 流體710冷凝。通過使用傳統(tǒng)的熱交換器或通過使得流體通過液體活塞 716進(jìn)行循環(huán)并在夜間利用例如冷卻設(shè)備300冷卻流體而將熱量從液體活 塞716中排出。圖12示出了用于熱泵循環(huán)中的部件。熱泵膨脹室712通過包括熱泵 壓力閥752的管道系統(tǒng)750連接至壓力室550。壓力室550連4妄至電轉(zhuǎn)爐 600的液體入口 ，在該樣例中，電轉(zhuǎn)爐600為連接至650kW發(fā)電機(jī)的650kW 蒸汽渦輪機(jī)。電轉(zhuǎn)爐600的液體出口連接至真空室560。真空室560通過 包括熱泵真空閥754的管道系統(tǒng)向后連接至熱泵膨脹室712。本系統(tǒng)IO公開了一種雙回路熱動(dòng)液體活塞式熱泵的獨(dú)特組合，其中熱量由諸如太陽能等的自然資源提供，并且其中自熱泵回路輸出的熱蒸 汽， 一般為水蒸汽流入蒸汽渦輪機(jī)-發(fā)電機(jī)組合，并且來自渦輪機(jī)排氣的 較低壓蒸汽流入熱泵。本系統(tǒng)10還公開了一種獨(dú)特的自然熱源熱動(dòng)液體活塞式熱泵，其中熱機(jī)和熱泵在接近大氣壓力或低于大氣壓力下工作，允許利用低成本材料 如具有高耐壓強(qiáng)度但較低抗張強(qiáng)度的混凝土在標(biāo)準(zhǔn)或標(biāo)準(zhǔn)以下構(gòu)建裝置。本系統(tǒng)還公開了一種用于熱動(dòng)液體活塞式熱泵的獨(dú)特的熱力學(xué)循環(huán)。 屬于裝置的熱機(jī)端的獨(dú)特循環(huán)利用蒸汽和液態(tài)水的組合物，并在循環(huán)的膨 脹階段期間冷卻蒸汽和液態(tài)水。熱聚集和壓力聚集是在使用時(shí)進(jìn)行而不是收集時(shí)進(jìn)行。結(jié)果，熱的熱 量存儲(chǔ)處于大氣壓力下或者低于大氣壓力，而熱量存儲(chǔ)的溫度比傳統(tǒng)的太 陽能聚集系統(tǒng)低很多。這還允許利用低成本、高耐壓材料如混凝土構(gòu)建熱 量存儲(chǔ)室。其還允許使用水作為熱量存儲(chǔ)介質(zhì)。在一個(gè)實(shí)施例中，系統(tǒng)中的唯一液體為水，其無危險(xiǎn)無污染。使用的 固體材料也無危險(xiǎn)無污染。因?yàn)榫奂窃谑褂脮r(shí)進(jìn)行而不是收集時(shí)進(jìn)行，所以可利用低成本低溫 度平板收集器收集太陽能。這些收集器可由低成本塑料、混凝土以及標(biāo)準(zhǔn) 隔熱材料制成，所有這些材料可易于以大容積、相對(duì)低成本制備而成。圖38為能夠?qū)崿F(xiàn)本文中公開的設(shè)備和方法的示例性計(jì)算機(jī)系統(tǒng)3800 的結(jié)構(gòu)圖。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)3800可以為例如服務(wù)器、個(gè)人計(jì)算機(jī)、個(gè)人數(shù)字 助理(PDA)或者任何其他類型的計(jì)算設(shè)備。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)3800的最直接的例子包括處理器3810。例如，處理器3810 可由Pentium 系列、Itanium 系列、XScale 系列或者Centrino 系列中 的一個(gè)或更多個(gè)Intel⑧微處理器執(zhí)行。當(dāng)然，其他系列的其他處理器也是 合適的。處理器3810與包括易失存儲(chǔ)器3812和非易失存儲(chǔ)器3814的主存儲(chǔ) 器通過總線3816進(jìn)行通信。易失存儲(chǔ)器3812可由同步動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ) 器(SDRAM)、動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(DRAM)、存儲(chǔ)器總線式動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(RAMBUS Dynamic Random Access Memory) (RDRAM) 和/或任何其他類型的隨機(jī)存取存儲(chǔ)器設(shè)備實(shí)現(xiàn)。非易失存儲(chǔ)器3814可由 快閃存儲(chǔ)器和/或任何其他期望類型的存儲(chǔ)器設(shè)備實(shí)現(xiàn)。對(duì)于主存儲(chǔ)器 3812、 3814的存取一般由存儲(chǔ)控制器(未示出)以傳統(tǒng)方式控制。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)3800還包括傳統(tǒng)的接口電路3818。接口電路3818可由 任何已知的接口標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，例如，以太網(wǎng)接口、通用串行總線(USB)和 /或第三代輸入/輸出(3GIO)接口。一個(gè)或更多的輸入設(shè)備3820連接至接口電路3818。輸入設(shè)備3820 允許用戶將數(shù)據(jù)和命令輸入處理器3810。輸入設(shè)備可由例如鍵盤、鼠標(biāo)、 觸摸屏、跟蹤板(tack-pad)、跟蹤球(tackball)、等位指針(isopoint) 和/或語音識(shí)別系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。一個(gè)或更多輸出設(shè)備3822也連接至接口電路3818。輸出設(shè)備3822 可由例如顯示設(shè)備(例如，液晶顯示器、陰極射線管顯示器(CRT)、打 印機(jī)和/或揚(yáng)聲器)實(shí)現(xiàn)。因此，接口設(shè)備3818—般包括圖形驅(qū)動(dòng)卡。接口電路3818還包括用于將數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)3824 (例如，以太網(wǎng)連接、 數(shù)字用戶線、電話線、同軸線纜、手機(jī)系統(tǒng)等)與外部計(jì)算機(jī)進(jìn)行交換的 通信設(shè)備，例如，調(diào)制解調(diào)器或網(wǎng)絡(luò)接口卡。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)3800還包括用于存儲(chǔ)軟件和數(shù)據(jù)的一個(gè)或更多的大容量 存儲(chǔ)設(shè)備3826。這種大容量存儲(chǔ)設(shè)備3824的樣例包括軟盤驅(qū)動(dòng)器、硬盤 驅(qū)動(dòng)器、光盤驅(qū)動(dòng)器和數(shù)字通用光盤(DVD)驅(qū)動(dòng)。作為在諸如圖38的設(shè)備的系統(tǒng)中執(zhí)行本文中所述的方法和/或裝置的 備選方案，本文中所描述的方法和/或裝置能可選地嵌入在諸如處理器和/ 或ASCI (專用集成電路)的結(jié)構(gòu)中。盡管本文中已經(jīng)描述了某些示例性方法、裝置和制備的產(chǎn)品，本專利 的范圍不受限于此。相反，本發(fā)明覆蓋字面地或等價(jià)的法律原則下清楚地 落于所附權(quán)利要求范圍內(nèi)的方法、裝置和制備的產(chǎn)品。
權(quán)利要求
1.一種將熱能轉(zhuǎn)化為電的熱能系統(tǒng)，其包括發(fā)電單元，其接收熱能以產(chǎn)生電；聚集器，其包括熱機(jī)、液體活塞以及熱泵，其中所述液體活塞可操作地連接至所述熱機(jī)，所述熱泵可操作地連接至所述液體活塞，所述熱機(jī)適合于收集熱能，且所述熱泵可操作地連接至所述發(fā)電單元以給所述發(fā)電單元提供熱量；熱機(jī)浮式活塞，其設(shè)置在所述熱機(jī)中；熱泵浮式活塞，其設(shè)置于所述熱泵中；以及其中，所述熱機(jī)浮式活塞和所述熱泵浮式活塞振蕩。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱能系統(tǒng)，還包括引起所述熱機(jī)浮式活 塞和所述熱泵浮式活塞振蕩的控制器。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱能系統(tǒng)，其中，所述聚集器收集太陽能、 地?zé)崮芑蚬I(yè)廢能中的一種。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱能系統(tǒng)，其中，所述發(fā)電單元包括蒸汽 渦輪機(jī)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的熱能系統(tǒng)，其中，所述聚集器為閉合系統(tǒng)， 所述閉合系統(tǒng)還包括熱機(jī)膨脹室和熱泵膨脹室。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的熱能系統(tǒng)，其中，所述熱機(jī)膨脹室經(jīng)由泵或熱才幾入口閥中的至少一個(gè)而可#:作地連接至熱能源。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的熱能系統(tǒng)，還包括可操作地連接至一冷的 熱量存儲(chǔ)設(shè)備的熱交換器和可操作地連接至一熱的熱量存儲(chǔ)設(shè)備的熱交 換器室。
8. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的熱能系統(tǒng)，其中，所述熱泵膨脹室經(jīng)由熱 泵壓力閥或熱泵真空閥中的至少一個(gè)而可才喿作地連接至所述發(fā)電單元。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱能系統(tǒng)，還包括多個(gè)傳感器或感測(cè)器中的至少一個(gè)以判斷所述熱機(jī)浮式活塞或所述熱泵浮式活塞中的至少一個(gè) 的位置，所述多個(gè)傳感器或感測(cè)器中的所述至少 一個(gè)還檢測(cè)所述熱機(jī)或所 述熱泵中的至少一個(gè)的溫度、壓力或容積。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱能系統(tǒng)，其中，所述熱機(jī)浮式活塞和所述熱泵浮式活塞在共振頻率附近振蕩。
11. 一種將熱能轉(zhuǎn)化為電的方法，其包括 收集熱能；將收集的所述熱能傳遞至聚集器，所述聚集器包括熱機(jī)、液體活塞以 及熱泵；以及引起所述熱機(jī)、所述液體活塞和所述熱泵的振蕩循環(huán)以驅(qū)動(dòng)可操作地 連接至所述熱泵的發(fā)電單元。
12. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中，引起所述熱機(jī)的振蕩循環(huán) 的所述步驟還包括控制熱機(jī)活塞通過等溫膨脹階段、等熵膨脹階段、等 容壓縮階段、等溫壓縮階段或者等熵壓縮階段中的至少一個(gè)。
13. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中，所述等熵膨脹階段還包括 使所述熱機(jī)活塞或所述聚集器的壁中的至少一個(gè)維持在一阻止流體冷凝 的溫度。
14. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中，引起所述熱泵的振蕩循環(huán) 的所述步驟還包括控制熱泵活塞通過等熵壓縮階段、等溫壓縮階段、等 熵膨脹階段、或者等溫膨脹階段中的至少一個(gè)。
15. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中，所述發(fā)電單元在所述等溫 壓縮階段或所述等溫膨脹階段中的至少 一個(gè)期間通過熱泵流體來被驅(qū)動(dòng)。
16. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中，所述熱機(jī)的所述振蕩循環(huán) 包括熱機(jī)活塞的上升和下降，且所述熱泵的所述振蕩循環(huán)還包括熱泵 活塞響應(yīng)于所述熱機(jī)活塞的上升而下降以及響應(yīng)于所述熱機(jī)活塞的下降 而上升中的至少一個(gè)。
17. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中，所述振蕩循環(huán)在共振頻率 附近進(jìn)行。
18. —種產(chǎn)品，其存儲(chǔ)機(jī)器可讀指令，所述存儲(chǔ)機(jī)器可讀指令當(dāng)執(zhí)行 時(shí)使得機(jī)器來收集熱能；將收集的所述熱能傳遞至聚集器，所述聚集器包括熱^L、液體活塞以 及熱泵；以及引起所述熱機(jī)、所述液體活塞以及所述熱泵的振蕩循環(huán)，以驅(qū)動(dòng)可操 作地地連接至所述熱泵的發(fā)電單元。
19. 根據(jù)權(quán)利要求18所述的產(chǎn)品，其中，所述4^器可讀指令使得所 述機(jī)器來控制熱機(jī)活塞通過等溫膨脹階段、等熵膨脹階段、等容壓縮階段、 等溫壓縮階段或者等熵壓縮階段中的至少一個(gè)。
20. 根據(jù)權(quán)利要求19所述的產(chǎn)品，其中，所述機(jī)器可讀指令使得所 述機(jī)器在所述等熵膨脹階段將所述熱機(jī)活塞或所述聚集器的壁中的至少 一個(gè)維持在一阻止流體冷凝的溫度。
21. 根據(jù)權(quán)利要求18所述的產(chǎn)品，其中，所述機(jī)器可讀指令使得所 述機(jī)器來控制熱泵活塞通過等熵壓縮階段、等溫壓縮階段、等熵膨脹階段、 或者等溫膨脹階段中的至少一個(gè)。
22. 根據(jù)權(quán)利要求21所述的產(chǎn)品，其中，所述機(jī)器可讀指令使得所 述機(jī)器在所述等溫壓縮階段或所述等溫膨脹階段中的至少一個(gè)期間通過 熱泵流體來驅(qū)動(dòng)所述發(fā)電單元。
23. 根據(jù)權(quán)利要求18所述的產(chǎn)品，其中，所述機(jī)器可讀指令使得所 述機(jī)器在所述熱機(jī)的所述振蕩循環(huán)期間控制熱機(jī)活塞，所述熱機(jī)活塞上升 和下降，所迷熱泵的所述振蕩循環(huán)還包括熱泵活塞響應(yīng)于所述熱機(jī)活塞 的上升而下降以及響應(yīng)于所述熱才幾活塞的下降而上升中的至少一個(gè)。
24. 根據(jù)權(quán)利要求18所述的產(chǎn)品，其中，所述機(jī)器可讀指令使得所 述機(jī)器在共振頻率附近振蕩。
全文摘要
公開了一種將低溫?zé)崮苻D(zhuǎn)化為電的方法和系統(tǒng)。本文中公開的示例性設(shè)備包括發(fā)電單元、聚集器，其中所述發(fā)電單元接收熱能以產(chǎn)生電，所述聚集器包括熱機(jī)、可操作地連接至熱機(jī)的液體活塞以及可操作地連接至液體活塞的熱泵，熱機(jī)適合于收集熱能，熱泵可操作地連接至發(fā)電單元以提供熱量至發(fā)電單元。本文中公開的示例性設(shè)備還包括設(shè)置在熱機(jī)中的熱機(jī)浮式活塞、設(shè)置在熱泵中的熱泵浮式活塞，且其中熱機(jī)浮式活塞和熱泵浮式活塞振蕩。
文檔編號(hào)B60K16/00GK101218121SQ200680017772
公開日2008年7月9日 申請(qǐng)日期2006年3月23日 優(yōu)先權(quán)日2005年3月23日
發(fā)明者大衛(wèi)·M·貝克 申請(qǐng)人:大衛(wèi)·M·貝克