不受地理位置限制的地熱和太陽(yáng)能聯(lián)合發(fā)電系統-智慧能源

  地熱在開(kāi)發(fā)中由于不產(chǎn)生CO2和其他有害氣體,被稱(chēng)為清潔能源.然而由于地熱開(kāi)發(fā)必須抽取大量地下熱水,因此會(huì )帶來(lái)一些環(huán)境問(wèn)題,如:地震、地面沉降、地熱水資源衰減、地熱水有害成分污染、熱污染等.因此有些學(xué)者反對地熱發(fā)電,認為地熱發(fā)電對環(huán)境是災難性的.我國是地熱資源相對豐富的國 家,按照溫度分布,已發(fā)現的高溫(>150℃ )地熱資源主要分布在西藏、云南、四川和臺灣等地;而中溫(150～90℃)和低溫(90～20℃,有稱(chēng)低至15℃)地熱資源則分布甚廣(耿莉萍,1998).目前地熱發(fā)電僅 限于西藏羊八井等高溫地熱資源地區.

 

  太陽(yáng)能是非常清潔的能源,利用太陽(yáng)能發(fā)電既不產(chǎn)生CO2和其他有害氣體,也不產(chǎn)生其他環(huán)境問(wèn)題.我國太陽(yáng)能輻射年總量大約在3300～8300MJ/平方米之間.6000MJ/m2 等值線(xiàn)從內蒙古自治區東部至青藏高原東側,將全國分成西北和東南兩部分.受氣候影響,西北地區太陽(yáng)能資源豐富,東 南部地區太陽(yáng)能資源較貧乏(趙媛和趙慧,1998).目前,我國太陽(yáng)能發(fā)電采用的是光伏發(fā)電技術(shù),由于成本高,且受氣候限制,沒(méi)有大規模應用,僅限于西北部偏遠地區供電. 本文提出了一種結合太陽(yáng)能熱發(fā)電和熱水型地 熱發(fā)電技術(shù)的閉式循環(huán)聯(lián)合發(fā)電系統,可以避免地熱發(fā)電造成環(huán)境污染和克服地熱發(fā)電、太陽(yáng)能發(fā)電受地理位置限制等缺點(diǎn).

 

  1 地熱、太陽(yáng)能聯(lián)合發(fā)電系統模型及其特點(diǎn)

 

  1.1 系統模型及功能解釋

 

  此系統是結合太陽(yáng)能熱發(fā)電和熱水型地熱發(fā)電技術(shù)的特點(diǎn)而提出來(lái)的,系統工作原理如圖1所示.系統主要由4部分組成,即地熱采集部分、太陽(yáng)能采集部分、儲能部分和中低溫ORC(organic2rankine2cycle)發(fā)電部分.本系統地下部分全井下套管,流體在系統中不與外界環(huán)境接觸,因此是一閉式循環(huán)系統.系統工作模式分為白天和晚上2種:白天,低溫載熱流體注入地下,在水平井段吸收地下巖層的熱量,第一次被加熱,然后流經(jīng)集熱器,集熱器將太陽(yáng)能轉換為熱能,對載熱流體進(jìn)行第二次加熱,載熱流體最后流入ORC發(fā)電.白天多余的熱量被儲能器 儲存;晚上,低溫載熱流體注入地下,在水平井段吸收地下巖層的熱量,第一次被加熱,然后流經(jīng)儲能器,儲能器釋放熱能,對載熱流體進(jìn)行第二次加熱,載熱流體最后流入ORC發(fā)電.

 

  1.2 系統特點(diǎn)

 

  (1)系統是雙源二級循環(huán)發(fā)電系統.循環(huán)流體在2個(gè)部分都吸熱:一是通過(guò)太陽(yáng)能集熱器在白天吸收太陽(yáng)能;二是通過(guò)流經(jīng)地下巖層時(shí)吸收巖層的熱 量.ORC是一個(gè)二級發(fā)電系統,回流流體可再次流入ORC進(jìn)行發(fā)電,直到溫度低于發(fā)電要求.

 

  (2)系 統白天通過(guò)太陽(yáng)能和地熱能聯(lián)合發(fā)電,載熱流體溫度較高,發(fā)電量大,能滿(mǎn)足白天用電量大的需求;系統晚上通過(guò)地熱和儲能器釋放熱能發(fā)電,載熱流體溫度較白天要低,發(fā)電量較白天少,但是也可以提供 穩定的發(fā)電量滿(mǎn)足夜間對電能的需求.

 

  (3)系統載熱流體的溫度是可以控制的,它通過(guò)利用熱能儲能器來(lái)實(shí)現,因此可以實(shí)現穩定的電能生產(chǎn),也能應對突發(fā)需要.

 

  (4)由于利用地熱對系統進(jìn)行了第一次加熱,提高了太陽(yáng)能集熱器入口流體的溫度,因而可以減少集熱器規模,降低土地占用量.同時(shí),流體可經(jīng)太陽(yáng)能集熱器二次加熱,提高溫度,因此可以減少地熱水平井的長(cháng)度,降低地熱井的開(kāi)發(fā)風(fēng)險.

 

  (5)本系統是閉式系統,地下部分鉆孔完全下入套管,當巖石和載熱流體之間存在溫度梯度時(shí),載熱流體將被加熱,因此不受地熱水的資源量和溫度的限制;在循環(huán) 的載熱流體和巖石之間沒(méi)有任何物質(zhì)交換,巖石僅 僅釋放了熱量,從而使系統不受地質(zhì)構造和水質(zhì)的影響,降低了系統對設備的要求,提高了設備和系統的使用壽命.本系統是一閉式循環(huán)系統,不抽取地下水,不壓裂巖層,不排放任何物質(zhì)到環(huán)境中,對環(huán)境無(wú)任何影響,另外本系統利用的太陽(yáng)能和地熱能都是可再生非化石能源,因此是一個(gè)環(huán)境友好的系統.

 

  (6)系統通過(guò)聯(lián)合太陽(yáng)能和地熱來(lái)加熱流體,并采用中低溫ORC發(fā)電,對太陽(yáng)能輻射強度和地溫梯度無(wú)過(guò)高要求,一般位置都可應用,克服了太陽(yáng)能和地熱能發(fā)電受地理位置限制的缺點(diǎn),是一種全新的不受地理位置限制的太陽(yáng)能、地熱能聯(lián)合發(fā)電系統.2 可行性探討 本系統涉及的關(guān)鍵技術(shù)有:地熱采集(主要是鉆井和完井技術(shù))、太陽(yáng)能采集、儲能、ORC發(fā)電和載熱流等技術(shù).

 

  2.1 鉆井和完井技術(shù)

 

  2.1.1 鉆井技術(shù)

 

  隨著(zhù)自動(dòng)控制鉆井技術(shù)、地下測 量技術(shù)和大位移井技術(shù)的發(fā)展,鉆進(jìn)水平位移為10000m的井是可能的.目前所鉆大位移水平井水平延伸距離最大的是英國的WytchFarm油田的1M216SPZ井,水平位移達10728m(盧林松,2004). 鉆進(jìn)過(guò)程中的摩擦和扭矩對鉆進(jìn)能力、鉆孔的質(zhì)量有非常大的影響.模擬計算顯示,同樣的鉆孔深度,如果能避免孔壁接觸,在垂直的鉆孔段,作用在鉆頭上的摩擦和扭矩大概能夠減少20%.同樣的載荷下,應用自動(dòng)控制的垂直鉆井技術(shù)可比傳統的鉆井技術(shù)多鉆1000m垂深. 應用懸鏈線(xiàn)技術(shù)對井身剖面結構進(jìn)行優(yōu)化后,8.1/2″ (215.9mm)的鉆孔在同樣的載荷下能提高10%的水平位移,8.1/2″ (215.9mm)和12.1/4″(311.1mm)鉆孔優(yōu)化的穩斜角均為79°,14.3/4″(374.6mm)鉆孔優(yōu)化的穩斜角為78°.鉆孔直徑和 所鉆水平位移的關(guān)系如表1所示(Wolff,H.,2004. UntersuchungeinesUntert??gigGeschlossenenGeother2mischenW??rmetauscherszurstandortunabh??ngigen,umweltschonendenBereitstellungregenerativerEnergie,Berlin).為使本系統水平井有較大的傳熱面積,本系統的鉆孔直徑可選12.1/4″或14.3/4″.

 

  2.1.2 地下連接技術(shù)

 

  兩井的地下連接是鉆井和完井技術(shù)的難點(diǎn),可以利用隨鉆測量技術(shù)(MWD)來(lái)確定鉆孔的位置,利用電磁探測技術(shù)或聲波探測技術(shù)來(lái)導向,完井時(shí)還要采用分支井技術(shù)和膨脹管技術(shù).如使用RIGSTM系統定位的方向誤差小于5°;使用矢量磁力公司的“RangingTechnologien”導向可達范圍為20m;使用ScientificDrillingInter2national公司的MagTracTM導向可達范圍大約為 8m;BakerOil公司的StackableSplitterSystem分 支井技術(shù)可以在一個(gè)系統中實(shí)現多個(gè)分支井;膨脹套管懸掛器FORMlockTM可以應用于對接部分的 完井,也可用于易漏易塌井段的完井.

 

  2.1.3  固井水泥

 

  為提高系統效率,在水平吸熱井段采用導熱系數較高的水泥,提高載熱流體的溫度;在垂直井段(特別是在載熱流體上升井段)采用導熱系數較低的水泥,減少載熱流體的熱損失.G級油井 水泥加入了石英粉、石英灰、石墨、改性石墨、玻璃纖維、碳化硅、碳纖維等配置,其導熱系數達到1.68～2W/mK(Schmid,2004);在H級油井水泥中加入漂珠,在G級油井水泥中加入硅粉等,其導熱系數 可分別達0.4W/mK(Smith,1990)和0.33W/mK(Santoyoetal.,2001).通過(guò)使用導熱水泥和隔熱水泥,流體能從地熱井中多吸收10%左右的能量.

 

  2.2 太陽(yáng)能采集對太陽(yáng)能進(jìn)行采集必須使用集熱器,集熱方式主要有平板型和聚焦型2種:

 

  (1)平板型集熱器吸收 太陽(yáng)輻射的面積與采集太陽(yáng)輻射的面積相同,能夠利用太陽(yáng)輻射中的直射輻射和散射輻射,集熱溫度較低,集熱溫度一般在80～100℃之間,在太陽(yáng)能熱水器上應用很廣.平板型集熱器所占空間大,集熱溫度偏低,尤其是需要有一定的流量時(shí),集熱溫度更 低,ORC發(fā)電要求入口溫度高于80℃,因此平板型集熱器不能滿(mǎn)足ORC發(fā)電的要求.

 

  (2)聚光集熱器能將陽(yáng)光會(huì )聚在面積較小的吸熱面上,可獲得較高溫度,但只能利用直射輻射,且需要跟蹤太陽(yáng),主要用于太陽(yáng)能熱能發(fā)電.太陽(yáng)能熱能發(fā)電主要有3種形式:塔式電站、碟式電站和槽式電站(Kalo,2004;Sen,2004).

 

  綜上所述,聚焦型集熱器所占面積小,集熱溫度高,其中的槽式聚光集熱系統投資較少,經(jīng)濟效益最好(Triebetal.,1997).從國內外技術(shù)和我國經(jīng)濟情況來(lái)看,槽式聚光集熱系統比較適合本系統.

 

  2.3 載熱流體

 

  載熱流體將地層熱能攜帶到地表,或通過(guò)集熱器吸收太陽(yáng)能,然后在ORC進(jìn)行熱交換.選擇載熱 流體時(shí),除了熱傳導系數和熱容量外,還要考慮其與 環(huán)境的相容性,無(wú)污染,并且無(wú)腐蝕性. 最基本的載熱流體為水,本系統為閉式循環(huán), 流體與外界無(wú)接觸,使用蒸餾水,可減少水垢產(chǎn)生, 導熱系數比較高,水的導熱系數在38℃時(shí)為 0.54W/mK,加入乙二醇可提高抗凍性. 導熱油是一種比較好的載熱流體,其導熱系數 較大,導熱油在200℃時(shí)的導熱系數為0.44W/mK,比熱高、熱效率高;無(wú)毒或很少有毒性,無(wú)刺激性氣味,對人體無(wú)害;無(wú)污染,腐蝕性較小,且可減少水垢產(chǎn)生.在允許的使用溫度范圍內,提供良好的熱穩定性和抗氧化安定性(夏麗萍和黃萍,1997).美國LUZ國際公司的太陽(yáng)能發(fā)電系統采用的便是合成油作為傳熱介質(zhì)(葛新石,1994).柏林工業(yè)大學(xué)對丙烷、異丁烷、異戊烷、戊烷、異己烷、己烷、R11等可直接汽化的工質(zhì)進(jìn)行了研究.以上所考慮的原料,工質(zhì)完全氣化是不可能的,最多可獲得40%蒸氣,大部分工質(zhì)未汽化,效率非常低.基于目前的技術(shù)異丁烷和R11基本上可以使用,但是還是存在一些缺點(diǎn).綜上所述,依照目前的技術(shù)和經(jīng)濟情況,地熱載熱流體可選擇水;ORC一級循環(huán)工質(zhì)為水,二級循環(huán)工質(zhì)為異丁烷;槽式聚焦系統載熱流體可選水或油.

 

  2.4 ORC ORC是一種中低溫發(fā)電系統,本系統選用的一級工質(zhì)為水,二級循環(huán)工質(zhì)為異丁烷,通過(guò)水加熱異丁烷,使異丁烷汽化,推動(dòng)渦輪機發(fā)電.ORC的最低入口流體工作溫度為80℃.ORC的工作效率隨溫度的升高而增加.通過(guò)模擬計算,溫度和效率的關(guān)系如圖2所示(圖中虛線(xiàn)為平均效率)(Wolff,2004),流量、溫度和功率的關(guān)系如圖3所示(鄭秀華等,2004). 因此,要得到較高的電能,必須盡量提高ORC圖2 ORC設備的效率Fig.2EfficiencyofORCequipment 的入口流體溫度和流量.

 

  本系統白天利用太陽(yáng)能來(lái)高載熱流體的溫度,進(jìn)而提系統高效率,產(chǎn)生更多 的電能.ORC白天效率最大能達20%,晚上效率最 大能達12%.

 

  2.5 儲能系統

 

  儲能是本系統關(guān)鍵的一環(huán).儲能器白天可以把 剩余的熱能儲存起來(lái),晚上可以釋放出熱量;或是晴天把熱能儲存起來(lái),陰天再釋放出來(lái),這樣就可以對系統流體的熱量進(jìn)行補充,滿(mǎn)足發(fā)電的要求,儲能器起到了調節負荷、降低設備容量和投資成本、提高能源利用效率和設備利用率的作用.目前儲能方式主要有3種方式:顯熱貯存、潛熱貯存和化學(xué)貯存(Faridetal.,2004;Azpiazuetal.,2003). 1988年10月,盧茲公司在加州召開(kāi)的一次學(xué)術(shù)研討會(huì )上討論了適合中溫太陽(yáng)能熱電站的儲能系統,評價(jià)認為化學(xué)反應儲能系統的儲能密度比顯熱儲能和潛熱儲能大一個(gè)數量級,而且顯示出良好的性?xún)r(jià)比,因此被盧茲公司確定為首選對象.顯熱貯存的溫度較低,如應用于本系統,則效率 較低.潛熱貯存(相變儲能)價(jià)格昂貴,不宜用于大規模工程.因此,對本系統而言,化學(xué)貯熱較好。

 

  通過(guò)以上研究,本系統在理論上基本是可行的. 今后要進(jìn)一步進(jìn)行深入的研究.對于地熱系統:進(jìn)一步優(yōu)化導熱和隔熱水泥的配方;確定2個(gè)鉆孔連接的測量和導向鉆進(jìn)程序;完井的連接細節研究;巖石力學(xué)研究.對于載熱流體:進(jìn)一步深入研究和優(yōu)化載熱流體;完善載熱流體計算模型.對于太陽(yáng)能熱能轉換:確定槽式聚焦鏡的大小和數量;建立太陽(yáng)能熱能轉換模型等.對于ORC:對循環(huán)流體進(jìn)行優(yōu)化,提高發(fā)電效率.對于儲能系統:確定化學(xué)配方,對化學(xué)儲能作進(jìn)一步的研究.對整個(gè)系統:要進(jìn)行優(yōu)化,提高工作效率;對整個(gè)系統經(jīng)濟可行性進(jìn)行具體詳細的研究.

 

  3 結論

 

  本系統是一閉循環(huán)系統,對環(huán)境無(wú)污染,不受地理位置限制,使太陽(yáng)能發(fā)電和地熱發(fā)電能很好地融 為一體,提供穩定的發(fā)電量,同時(shí)也降低了系統風(fēng)險,提高了可靠性和發(fā)電效率,延長(cháng)了系統的使用壽命.不受地理位置限制的地熱、太陽(yáng)能聯(lián)合發(fā)電系統可以為我國東南部經(jīng)濟發(fā)達地區中小城市的電能供給提供一種可靠來(lái)源。