地热发电装备效率（利用分子能储热发电采暖）

世界是由物质组成的。能够保留物质基本属性的最小微粒是分子。它是区别不同物质的最小微粒。分子里面蕴含着很大的能量。

分子由不同的原子组成。原子如水的化学式H2O，即由两个氢原子和一个氧原子构成。CO2二氧化碳由一个碳和两个氧原子组成。

世界上的万千种物质都由不同的原子组合而成。原子总共有118种元素，每种元素都有不同的化学特性。原子是参加化学反应的最小微粒，不可再分。

但是原子从物理上可以再分。原子由原子核和外层电子组成。电子围绕原子核做高速运转。外围电子的层数不同和电子个数不同就构成了不同的原子。

原子核带正电荷，电子带负电荷。原子核又由带正电的质子和中性的中子组成。同种电荷相互排斥，不同种电荷相互吸引。质子和中子还可以继续再分。质子由上、下夸克组成。上、下夸克纠缠在一起。科学研究到目前为止，已经发现的微观世界的最小微粒就是夸克了。

宏观世界一般指肉眼能够观察到的物质，也就是大千世界了。微观世界人的肉眼看不到。需要借助显微镜才能看到。

宏观世界的物质是由运动着的分子构成。分子和分子之间有距离。有距离就有能量存在。距离的大小跟自身的温度有关。

按照现代量子力学理论，把分子、原子、质子、中子、夸克这些微粒统称为量子。量子之间存在着万有引力，又由于量子一直做高速运转。所以就有离心力。离心力和（向心力）万有引力大小相等方向相反。处于一种平衡状态。

但是，如果温度发生了变化，分子之间的距离就会发生改变。温度升高距离增大。分子的距离产生的势能增加。势能蕴含在分子内部，所以称为内能。分子势能不直接与其它物体发生能量交换。

分子一直做无规则的高速运转，运动着的分子具有动能，动能跟温度直接相关。温度升高动能增加，温度降低动能减小。动能是显能。能够与别的物体发生能量交换。

分子能是分子动能与势能之和。分子间距离的大小决定了物质的形态。分子间距离小，分子密度就大，物质就以固态存在。吸收热量后，分子距离增大，距离增大到一定程度称为临界状态（相变）就会变为液态。相变的时候，分子只吸收热能但是温度不变化。

比如冰在零度的时候，一克冰化成水需要吸收333焦耳的热量。而水升高一度只需要4.2焦耳的热量。也就是说一克冰化成水需要的热量是一克水上升一度需要的热量的80倍。也就是说发生相变的能量可以把一克水的温度提高80度。或者说，冰-水相变热是普通物理热的80倍。

液体继续加热到了液-汽相变临界点，就会发生相变成为汽体状态。例如，水加热到100℃，到了水的沸点，就会变成水蒸气。100℃是水液汽液-汽状态变化的临界温度。相变需要吸收大量的热量。

物质在不同状态蕴含的能量不同。汽态大于液体，液体大于固态。总体来说，物质有如下这些能量表现方式：

1、机械能也称物理能（动能，势能）

机械能包括动能与势能，凡是运动的物体都有动能。而势能分为重力势能和弹性势能。我们把动能、重力势能和弹性势能统称为机械能。决定动能的是质量与速度；决定重力势能的是质量和高度；决定弹性势能的是劲度系数与形变量。

2、分子能

分子能由内能也称势能或潜能与外能也称动能（显能）构成。分子的热运动形成动能。分子间距离的增大使势能增大。二者都和温度成正比。但分子能的能量跟温度的变化成指数级变化。这是分子能比普通物理能储热能力高几十倍的根本原因。

3、光能

光能是光子运动对应的能量形式，光能是由太阳、蜡烛等发光物体所释放出的一种能量形式，光能是一种可再生性能源。

4、磁能

泛指与磁相联系的能量，严格地说应指磁场能。只要通过线圈的磁通量发生改变就会产生磁感应电动势。输入机械能就可以发电（发电机）。输入电能就可以输出机械能（电动机）。

5、电能

电能，是指使用电以各种形式做功(即产生能量)的能力。电能既是一种经济、 实用、清洁且容易控制和转换的能源形态。电能可以转换成机械能（电动机），也可以转换成热能（电热器）

6、化学能

化学能是一种很隐蔽的能量，它不能直接用来做功，只有在发生化学反应的时候才可以释放出来，变成热能或者其他形式的能量。

7、核能

核能（或称原子能）是通过核反应从原子核释放的能量，符合爱因斯坦的质能方程E=mc² ，其中E=能量，m=质量，c=光速

19世纪中叶，能量转化和守恒原理得到了科学界的普遍承认。这一原理指出:自然界的一切物质都具有能量，对应于不同的运动形式,能量也有不同的形式，如机械运动的动能和势能，热运动的动能和势能，电磁运动的电磁能，化学反应的化学能等。

当运动形式发生变化或运动量发生转移时，能量也从一种形式转化为另一种形式，从一个系统传递给另一个系统；转化和传递中总能量始终不变。 如核能、风能、海洋温差能、水能、太阳能、电能、氢能、地热能、潮汐能、生物质能等等它们都以不同的方式而存在。

随着量子力学的发展，爱因斯坦提出质能转换理论。（牛顿定律解释不了微观世界的现象）能量守恒定律改为质能守恒定律。原子能爆炸就是放射性物质原子核改变了质量才释放出巨大的能量。原子能是包晗在原子核中的能量，分子能是包晗在分子内的能量。原子能能量是普通物理能的千万倍，分子能能量是普通物理能的几十倍。

所以，利用分子能储存能量比物理方法储存能量要高效的多。具体来说就是相变能。只要想办法让介质达到超临界的状态就可以储能。例如，水蒸气在密闭容器加热，容器内压强增加，水蒸气就进入超临界状态（饱和水蒸气），只要继续加热，温度和压强就会接着增加。超临界水蒸气能量的增加则是按照指数增加。（水加热是物理加热增加的热能只是跟温度成正比）。

二氧化碳代替水蒸气作为介质发电就是利用这个原理。由于二氧化碳的熔点比较低，（熔点-56.6℃，沸点-78.5℃）。所以在高温高压下（超临界状态）储热能力非常高。本来，发电厂是利用燃气汽轮机组（或者蒸气汽轮机组）发电。就是用燃烧的高温气流推动涡轮机，把热能转变成机械能，然后通过发电机转变成电能。二氧化碳可以满足涡轮机对气流的要求，在压强达到30兆帕的情况下，温度才600℃左右。通过加热，温度还可以提高，压强相应更大。目前已经可以加热到1000℃以上，对应的压强超过30兆帕。二氧化碳做介质的最优性能是在这个温度压强条件下可以保持相当长的时间，不掉压，不降温。保证了冲击涡轮机的压力，同时保证了温度下降很少。因为二氧化碳液罐里储存着足够的能量。系统在高温高压状态下运行，只需要少量的煤炭消耗就可以维持。

二氧化碳发电省却了水蒸气冷却成饱和水时带走的大量热能。没有了热量损失，热效率当然就高。

简单来说，就是通过燃烧（最好是利用低谷富余电）加热二氧化碳高压罐储存热能。当高压罐的能量足够大时，能量已经储存好了。而且可以长期保存。加热和使用可以脱节，晚上利用谷底富余电储能，白天发电就可以减少煤炭燃烧。还可以保证发电机组满负荷发电。

这种情况也适合于采暖。如果还有水蒸气的需要，只要把高压罐里的二氧化碳引到换热器，就可以使水循环系统的水加热成水蒸气。

前面说过，加热储能无论使用什么能源供给都可以。除了燃烧煤炭等化学能，风能、太阳能、谷电都可以。这样就可以把零散的、断续的、不稳定的电能都可以储存起来。发电或者采暖的时候，不管有没有正在输入的能量。只要高压罐里有压力（温度和压力是对应的），就可以向外输出热能。非常灵活方便，二氧化碳是在封闭系统里面循环。对环境没有任何影响。二氧化碳高效，就可以把设备体积做的很小。二氧化碳发电不占地方，省去了冷却塔大片的用地，也省去了用水冷却。避免了冷却水带走的大量热量损失。

二氧化碳工序非常简单，加热高压罐，自动流出高压高温汽体。全过程不用冷却，水循环系统产生水蒸气就等于冷却了。如果没有能量输出（不发电时），高压罐的能量几乎不损失。想什么时候用就可以什么时候用。想马上发电放出来马上就可以带动涡轮机运行。连预热都不用。

采暖与此同理。太阳能加二氧化碳是采暖最好的方式。以前介绍的熔融盐储热跟这个原理完全相同。因为二氧化碳就是熔融盐的一种。因为储存的能量只能用热量输出，只有发电厂才有条件把热能转换成机械能带动发电机发电。所以采暖使用更加广泛。凡是需要热能的地方，只要建一个高压罐即可。用所有可用的电能加热高压罐，就把能量储存在高压罐里了。采暖的时候只要把二氧化碳放出接入热交换器，控制二氧化碳的流量就可以调节需要的温度。达到采暖的目的。无论环境天寒地冻都不受影响。尤其是适合北方寒冷地区。

所以，二氧化碳的开发利用将具有巨大的经济效益和社会效益。