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?zé)崮芎秃Ｋ疅崮艿刃履茉窗l(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(shì)嚴(yán)峻的根本原因在于用能效率低下。我國每噸標(biāo)準(zhǔn)煤的產(chǎn)出效率僅相當(dāng)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(dá)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(jià)值較低，回收技術(shù)相對(duì)落后，回收率和回收價(jià)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(dòng)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(gè)事實(shí)，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(qiáng)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(jī)工質(zhì)循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)

有機(jī)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(jī)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(jī)工質(zhì)在較低的溫度下就能氣化產(chǎn)生較高的壓力，推動(dòng)渦輪機(jī)（透平機(jī)）做功，故有機(jī)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(shí)現(xiàn)有利用價(jià)值的發(fā)電。這項(xiàng)技術(shù)在發(fā)達(dá)國家就是比較先進(jìn)的應(yīng)用技術(shù)，近年來我國有的企業(yè)通過引進(jìn)吸收，也掌握了這項(xiàng)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(jī)循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)

斯特林熱氣機(jī)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(dá)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(chǎng)的低溫蒸汽循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)和有機(jī)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(dá)7.3%，150℃的條件下發(fā)電效率達(dá)13.7%，200℃的條件下發(fā)電效率達(dá)18.4%，250℃的條件下發(fā)電效率達(dá)22.1%，300℃的條件下發(fā)電效率達(dá)25.0%。在這樣的廢熱溫度條件下能達(dá)到這樣的發(fā)電效率是目前可以看到的最好的水平，達(dá)到了從低溫?zé)崮苻D(zhuǎn)化為電能的先進(jìn)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(dòng)機(jī)是將低級(jí)別熱能傳化成機(jī)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(jī)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(shì)，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)都優(yōu)于在用的水蒸汽浪肯循環(huán)系統(tǒng)和當(dāng)前最先進(jìn)的有機(jī)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(shì)。超臨界二氧化碳熱機(jī)是一種平臺(tái)技術(shù)，效率可達(dá)30%。應(yīng)用范圍包括燃?xì)廨啓C(jī)、固定式動(dòng)力發(fā)電機(jī)組、工業(yè)廢熱回收、太陽能熱量、地?zé)岷突旌蟽?nèi)燃機(jī)等的循環(huán)熱能。當(dāng)前，由于機(jī)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(yàn)研發(fā)階段。

技術(shù)實(shí)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(diǎn)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(jī)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(jì)，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?zé)崮芎秃Ｋ疅崮艿刃履茉窗l(fā)電。

本發(fā)明的目的是這樣實(shí)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(jí)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(dòng)納米磁流體循環(huán)，利用磁流體流動(dòng)過程切割磁感線圈從而產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。該裝置成功回避了對(duì)機(jī)械加工和密封要求高度依賴的透平膨脹機(jī)，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(jī)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(jī)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(jì)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(jí)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?jí)毫?-8MPa；

2、制備方法：

①材料混合

將納米級(jí)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(chǔ)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(diǎn)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(jī)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(jī)械加工、密封等連接方便；

④設(shè)備運(yùn)行安靜、平穩(wěn)，適合于對(duì)環(huán)境噪音控制嚴(yán)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(dòng)導(dǎo)軌；

4—磁流體發(fā)電裝置，

4-1—強(qiáng)磁體S極，4-2—強(qiáng)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(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例詳細(xì)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(qiáng)磁體S極4-1、強(qiáng)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(qiáng)磁體S極4-1和強(qiáng)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(dòng)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(qiáng)磁體S極4-1、強(qiáng)磁體N極4-2

強(qiáng)磁體S極4-1、強(qiáng)磁體N極4-2是一種強(qiáng)磁鐵，用來產(chǎn)生強(qiáng)磁場(chǎng)；

*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(dòng)勢(shì)。

*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(xì)銅絲組成的螺旋機(jī)構(gòu)；

其功能是切割磁感線，產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。

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(dòng)的高溫超臨界二氧化碳混相流體的多余熱量進(jìn)一步地向低溫環(huán)境釋放，從而進(jìn)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(dòng)勢(shì)，將電能直接利用或者和電能存儲(chǔ)器連接，存儲(chǔ)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?jí)毫眲∩卟⑴蛎?，同?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(dòng)通過磁流體發(fā)電裝置4，在流動(dòng)過程中納米級(jí)高導(dǎo)磁流體在外加強(qiáng)磁場(chǎng)的作用下匯聚并形成磁力線，并在超臨界的二氧化碳推動(dòng)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(dòng)勢(shì)。