自蒸汽機問世以來，所有熱機都以環境溫度為低溫熱源。因此，提高熱機效率只能單方向提高高溫熱源溫度。高達600多℃的超超臨界鍋爐已經接近了目前技術允許的極限，繼續這種單方向的努力非但不明智，也不可行。實際上，向降低低溫熱源溫度要效率，不僅投入的能耗相對更小，而且可能實現人類利用環境熱源-太陽輻射能的終極夢想。

以下是筆者探索通過膨脹制冷(降低T2溫度)并藉此利用環境熱源獲得機械能的一些不成熟的認識，集中于“開啟新能源之門-太陽輻射能熱機”一文中。作為筆者前后發表的幾篇關于“冷電”文章的總結篇，希望能夠得到讀者的重視、思考，批評、指正。

一、太陽輻射能

太陽是地球的能源供應者，一小時光照可滿足人類一年的能源需求。太陽能形成水能、風能、潮汐能、生物質能、淺源地熱能?；茉赐瑯觼碜赃h古太陽能。目前，太陽能直接利用有光伏、光熱兩種方法，前者利用光電效應將太陽部分光譜轉換為電力。后者通過熱機將太陽光聚焦后產生的高溫轉換為機械能。這兩種方法受光照時間、能流密度限制，存在不可克服的硬約束，即必須增加采光面積才能獲得更多能量。事實上，沒有光照的時間里，太陽輻射能仍然以熱的形式存在于淺層土壤、水系和大氣中。失去太陽地球表面將降到-200℃。這即是說，我們周圍處處都充滿著能量。但平均20℃的環境熱源(太陽輻射能)為低品位熱，需要找到有效和經濟的利用方法。

二、低溫與機械能

根據熱力學第二定律“不可能把熱從低溫物體傳到高溫物體而不產生其他影響”;“不可能從單一熱源取熱使之完全轉換為有用的功而不產生其他影響”。熱機要利用環境溫度做功須有一個與之形成溫差的低溫環境。制造低溫需要從物體中吸熱。物質的相變過程，如固體融化、液體氣化、固體升華均需吸收熱量，產生低溫。此外，節流膨脹、渦流效應、熱電效應等也能產生低溫。根據能量守恒定律，制造低溫需要消耗能量。

氣體性質與體積、溫度和壓力三要素有關。在空間不變的情況下，提高溫度，氣體的壓強增加。反之降低壓力，溫度下降。如果增大空間(體積變)，氣體的溫度和壓力都會下降。溫度和壓力正相關，與體積負相關。膨脹機節流膨脹指的是較高壓力下的流體(氣、液或兩相)向較低壓力方向運動遇到局部阻力對外輸出功，輸出的功以工質焓值降低為補償。工質減少能量而增加的吸熱能力稱為膨脹制冷量。從這個意義上說，機械能可以源于制冷過程。而變冷的工質可以自發的與環境換熱回補內能(高溫自發向低溫傳熱)。如果一種工質的臨界點在環境溫度區間，膨脹前后的溫差、壓差足夠大，就可以用來獲取太陽輻射能。

三、太陽輻射能熱機與二氧化碳工質

太陽輻射能熱機是利用環境熱源做功的熱機，采用CO2工質。CO2環境友好，臨界溫度低，臨界壓力高。沸點(升華點)低于三相點，膨脹比小、膨脹功大。在環境溫度區間，其飽和蒸發壓是常規工質的10倍。

早在1850年，CO2就成為制冷工質。1920年代應用達到高峰。由于CO2蒸發壓力高，易泄露，氟利昂出現后逐漸停用。近年來，由于發現氟利昂對環境的破壞，氟類制冷劑被廣泛禁用，CO2重獲青睞，在制冷、低溫發電領域得到廣泛應用。

四、運行原理

太陽輻射能熱機采用CO2冷媒，以環境溫度為高溫熱源T1，工質蒸發制冷為低溫熱源T2，通過膨脹機對外輸出功。熱機循環包括以下過程：

蒸發吸熱：液相工質經工質泵入蒸發器從環境吸熱蒸發汽化，壓力增加。工質吸熱對被吸熱對象而言是制冷(蒸發制冷)。

絕熱膨脹：膨脹機膨脹是絕熱過程。由于無法從外界吸熱，做功只能消耗工質自身內能，導致工質壓力、溫度下降。

冷凝放熱：膨脹機排出的氣相工質進入冷凝器，向工質蒸發制冷產生的低溫熱源釋放凝結潛熱液化。

絕熱壓縮：液相工質經工質泵入蒸發器再度與環境換熱回補內能，開始下一循環。

將CO2冷媒蒸發制冷作為太陽輻射能熱機T2，換熱效率成為關鍵。各種換熱器中，板式效率最高，超過90%。最小換熱溫差1℃?？紤]到低溫可能引起結冰堵塞，可采用三套管式逆流換熱器。內套管供工質流動，中間套管為相變區(可充填相變材料)，外套管引入環境熱并串聯冷凝器。工質蒸發導致中間套管發生相變，外套管導入環境熱源與中間套管換熱，獲得的低溫再與膨脹機排出的乏汽換熱，使之冷凝。

五、模擬工況

膨脹機入口環境20℃，出口排氣溫度-56℃(排氣溫度可通過調節膨脹機入口孔徑控制)，CO2在氣液兩相區循環。環境20℃，CO2飽和蒸汽壓5.72兆帕(相當于水270℃的飽和蒸氣壓)，出口排氣-56℃，壓力0.52兆帕。膨脹機進排氣壓差5兆帕，膨脹比10。冷凝后的液相工質經工質泵回到蒸發器再度與環境換熱回補內能，溫度回升到20℃，壓力5.72兆帕，其能量來自環境熱源。

太陽輻射能熱機循環包括兩個制冷過程：工質蒸發制冷和膨脹機膨脹制冷(認識這一點才能理解熱機的熱循環機理)。工質在蒸發端吸熱(潛熱+顯熱)與蒸發制冷等量。由于顯熱部分經膨脹機轉化為功，工質冷凝放熱必然小于蒸發制冷量，即工質冷凝放熱=工質蒸發吸熱(制冷)-膨脹機輸出功轉化熱(Q2=Q1-W)，這與熱泵循環的工質冷凝放熱=蒸發吸熱+壓縮機輸入功轉化熱(Q2=Q1+W)正相反。

液體二氧化碳釋放到常溫、常壓環境會生成干冰(部分CO2大量吸熱造成另一部分CO2凝華)。CO2沸點(升華點)-78.6℃低于熔點(三相點)-56.5℃，升華熱(溶解熱+汽化熱)540KJ/KG大于氣化熱350KJ/KG。這些特性決定了將CO2冷媒蒸發制冷作為熱機T2在理論上是可行的。CO2工質蒸發制冷不僅在熱的總量上大于乏汽的凝結潛熱，而且其絕對溫度也低于乏汽溫度。

壓力與工質潛熱值負相關，增加壓力可以提高工質液化溫度?？紤]到換熱損失，當換熱后的蒸發制冷溫度等于或高于乏汽溫度時，可適度對乏汽加壓。0.8兆帕CO2對應液化溫度為-42℃，1.6兆帕為-25℃。加壓投入的功限于滿足乏汽凝結潛熱的釋放(顯熱回升通過與環境換熱)。投入的壓縮功小于輸出的膨脹功，熱機利用環境熱源可望實現凈輸出。為保證循環各個過程的熱力平衡，太陽輻射能熱機設計為間歇式運行。

六、螺桿機

環境熱源20℃條件下，CO2工質為亞臨界循環，處于氣液兩相狀態，只不過在蒸發端和冷凝端的相比不同。這要求熱機膨脹和壓縮設備能夠適應兩相流。螺桿機是全流動力設備，工質不僅可以為干蒸汽，也可以為二相流，甚至飽和水。螺桿壓縮機和膨脹機(互為反向運動)依靠壓力做功，工質密度決定做功能力，尤其適合高密度的CO2工質。

北京某大學研發的5KW單螺桿膨脹動力機，以壓縮空氣為工質，進氣壓力0.6MPa、轉速3000rpm工況下，總效率66%，汽耗率22.5kg/kW·h，最低排氣溫度-45℃。進氣壓力提高到1.6Mpa,最低排氣溫度-78.63℃，進出口溫差88℃。這表明膨脹機進口壓力越大，轉速越高，溫降、壓降和輸出越大。

七、辯偽

熱力學循環包括熱機循環和熱泵(制冷)循環。熱機循環將輸入的熱部分轉化為功，熱泵循環輸入功將熱從低溫傳向高溫。兩者都包括吸熱(鍋爐/蒸發器)，膨脹(汽輪機/膨脹閥)，放熱(冷凝器)、壓縮(工質泵/壓縮機)過程。

熱機循環投入化石燃料(或利用其它熱源)經鍋爐產生蒸汽推動汽輪機做功，一部分熱釋放給低溫熱源。自蒸汽機問世以來，所有的熱機循環,包括郎肯循環(以水為工質)以及采用低沸點工質的有機郎肯循環均以環境溫度為T2。為提高效率，只能單方向提高T1溫度。熱泵循環投入機械功，將熱從低溫熱源傳到高溫熱源。熱泵不是能量轉換過程，不受能量轉換效率極限限制，而是受逆卡諾循環效率制約。熱泵制熱能效比COP、制冷能效比EER(制熱/制冷量與實際運行功率之比)與環境溫度正相關。美國Waterfurnace7系列熱泵，在國際標準工況20℃時,COP為5.3。隨著技術進步，熱泵效率還會有所提高，更加接近COP15的理論效率。

熱泵采用低沸點工質，借助壓縮機將熱從低溫傳到高溫，制熱的同時制冷。換言之，制冷的同時制熱(例如空調向室內送冷時，向室外排熱)。同時有效利用冷和熱等于將熱泵能效提高1倍，稱為雙向能效(COPThermalCouple)。

熱泵制造的溫差越大，COP越小，反之亦然。熱泵將熱從低溫傳向高溫，逆向傳熱必然要輸入功。太陽輻射能熱機將熱從高溫傳向低溫，自發傳熱自然輸出功。

熱泵循環用膨脹機(同軸連接壓縮機或發電機)代替膨脹閥回收膨脹功，不僅可以減少節流損失，而且會提高工質吸熱/制冷能力，提高綜合能效。空氣從0.6MPa節流到0.1MPa溫降1℃，通過膨脹機節流理論上溫降可達80℃～90℃。因為，膨脹閥節流不輸出功，膨脹機輸出功以工質焓降為代價。

在環境溫度區間，二氧化碳的飽和蒸發壓力遠大于其它常規工質，采用二氧化碳工質節流回收膨脹功具有實質意義。右圖;二氧化碳(R744)與氟利昂(R22)、四氟乙烷(R134a)在環境溫度區間飽和壓力比較。二氧化碳熱泵可回收膨脹功相當于壓縮功的30%-40%。由于其特殊的勞倫曾循環(變溫熱源下的制冷循環)，二氧化碳熱泵可以制造90℃熱水以及較大的溫差。例如，日本Eco-Cute系列熱泵可同時提供-9℃冷(鹽)水和65℃熱水，溫差74℃，單向能效4，雙向8。

卡諾定理指出，在相同的高溫熱源和低溫熱源之間工作的可逆循環，其效率都相等。效率為1的熱機不可能實現。提高熱機效率的途徑在于提高T1或者降低T2。然而，實現同樣效率，選擇提高T1或者降低T2卻有明顯的不同。例如，卡諾熱機理論效率值同為66%，有不同的兩組溫差;T1=20℃、T2=-175℃以及T1=593℃(熱力發電超超臨界溫度)、T2=20℃。前組T1-T2溫差195℃，后組573℃，相差近3倍。出現如此大的差異在于攝氏溫度是建立在熱力學溫度梯度之上。熱機以環境溫度為T2必然要背負熱力學溫度+環境溫度(T=t+273.15K)的包袱。只有將T2溫度降到攝氏零度之下，熱機才會減輕熱力學溫度包袱。利用熱泵循環雙向能效原理，達到相同效率，降低T2比較提高T1所付出的能耗更小。

卡諾熱機理論效率公式η=1-T2/T1，依據上述模擬工況76℃溫差(T1=20℃、T2=-56℃)，太陽輻射能熱機的理論效率26%=[1-(273-56)÷(273+20)]?？紤]到換熱損失及壓縮能耗等因素，效率折扣為60%，熱機實際效率10.4%=26%×40%。太陽輻射能熱機是開放系統，做功熱能來自環境熱源，符合第一定律能量守恒。熱機做功以環境溫降為條件，符合第二定律“熱產生功必然伴隨著熱向冷傳遞”。

歷史上首個成型的第二類永動機(單一熱源取熱)是1881年美國人約翰·嘎姆吉為美國海軍設計的零發動機，這一裝置利用海水的熱量將液氨汽化，推動機械運轉。但是裝置無法持續運轉，因為汽化后的液氨在沒有低溫熱源存在的條件下無法重新液化，因而不能完成循環。零發動機的設計缺陷在于沒有利用工質的雙向能效。能量既不會憑空產生，也不會憑空消滅。液氨(沸點-33℃)從海水吸熱蒸發必然導致局部海水變冷，將被冷卻的海水作為熱機T2，只需投入較少的壓縮功將氨的液化溫度升至T2溫度之上(而非海水溫度之上)就可以實現液化，這與利用液化天然氣LNG冷量降低郎肯循環冷凝溫度的做法如出一轍。零發動機的效率=氨的沸點與海水的溫差-換熱及其它損耗，高于海洋溫差發電。如果用CO2代替氨作為零發動機的冷媒，熱機效率會大幅度提高。CO2的沸點低于熔點，升華熱大于凝結熱，只要將最小換熱溫差控制在10-15度之內(目前換熱技術最小換熱溫差可做到1度)，就無需在冷凝階段投入壓縮功,而只需在壓縮階段投入功。輸入的功已包含在效率折扣中。

八、結論

太陽輻射能熱機以環境溫度為高溫熱源，二氧化碳工質蒸發制冷為低溫熱源，輸出功的同時伴隨制冷(環境熱轉化為功)。在太陽輻射能熱機身上可以看到熱泵循環(雙向能效)的影子。熱機效率與環境溫度正相關(基于-56℃的T2溫度不變)。環境溫度20℃，實際效率約10%，低于光伏。然而與光伏比較，太陽輻射能熱機具有無可比擬的優勢。同光伏一樣，它沒有燃燒過程，排放為零;不同的是太陽輻射能熱機不受光照時間、太陽能流密度和采光面積限制，無需蓄能，且可在發電同時制冷，其綜合能效比高出光伏1-2個數量級。太陽輻射能熱機利用環境熱源實現凈輸出意味著開啟了一扇新能源之門。

太陽輻射能熱機發電伴隨制冷。退一步說，因換熱技術限制熱機不能實現凈輸出，那么作為空調(限于單向制冷)使用，其綜合能效將比現行空調提高80%以上，能耗下降80%-100%，成為真正意義上的零能耗空調?？照{耗電占總電耗的10%，太陽輻射能熱機具有積極的節能意義。