不受地理位置限制的地熱和太陽能聯合發電系統-智慧能源

  地熱在開發中由于不產生CO2和其他有害氣體,被稱為清潔能源.然而由于地熱開發必須抽取大量地下熱水,因此會帶來一些環境問題,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.因此有些學者反對地熱發電,認為地熱發電對環境是災難性的.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℃,有稱低至15℃)地熱資源則分布甚廣(耿莉萍,1998).目前地熱發電僅 限于西藏羊八井等高溫地熱資源地區.

 

  太陽能是非常清潔的能源,利用太陽能發電既不產生CO2和其他有害氣體,也不產生其他環境問題.我國太陽能輻射年總量大約在3300～8300MJ/平方米之間.6000MJ/m2 等值線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,西北地區太陽能資源豐富,東 南部地區太陽能資源較貧乏(趙媛和趙慧,1998).目前,我國太陽能發電采用的是光伏發電技術,由于成本高,且受氣候限制,沒有大規模應用,僅限于西北部偏遠地區供電. 本文提出了一種結合太陽能熱發電和熱水型地 熱發電技術的閉式循環聯合發電系統,可以避免地熱發電造成環境污染和克服地熱發電、太陽能發電受地理位置限制等缺點.

 

  1 地熱、太陽能聯合發電系統模型及其特點

 

  1.1 系統模型及功能解釋

 

  此系統是結合太陽能熱發電和熱水型地熱發電技術的特點而提出來的,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、太陽能采集部分、儲能部分和中低溫ORC(organic2rankine2cycle)發電部分.本系統地下部分全井下套管,流體在系統中不與外界環境接觸,因此是一閉式循環系統.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,然后流經集熱器,集熱器將太陽能轉換為熱能,對載熱流體進行第二次加熱,載熱流體最后流入ORC發電.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,然后流經儲能器,儲能器釋放熱能,對載熱流體進行第二次加熱,載熱流體最后流入ORC發電.

 

  1.2 系統特點

 

  (1)系統是雙源二級循環發電系統.循環流體在2個部分都吸熱:一是通過太陽能集熱器在白天吸收太陽能;二是通過流經地下巖層時吸收巖層的熱 量.ORC是一個二級發電系統,回流流體可再次流入ORC進行發電,直到溫度低于發電要求.

 

  (2)系 統白天通過太陽能和地熱能聯合發電,載熱流體溫度較高,發電量大,能滿足白天用電量大的需求;系統晚上通過地熱和儲能器釋放熱能發電,載熱流體溫度較白天要低,發電量較白天少,但是也可以提供 穩定的發電量滿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,它通過利用熱能儲能器來實現,因此可以實現穩定的電能生產,也能應對突發需要.

 

  (4)由于利用地熱對系統進行了第一次加熱,提高了太陽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,流體可經太陽能集熱器二次加熱,提高溫度,因此可以減少地熱水平井的長度,降低地熱井的開發風險.

 

  (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,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 的載熱流體和巖石之間沒有任何物質交換,巖石僅 僅釋放了熱量,從而使系統不受地質構造和水質的影響,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系統,不抽取地下水,不壓裂巖層,不排放任何物質到環境中,對環境無任何影響,另外本系統利用的太陽能和地熱能都是可再生非化石能源,因此是一個環境友好的系統.

 

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

 

  2.1 鉆井和完井技術

 

  2.1.1 鉆井技術

 

  隨著自動控制鉆井技術、地下測 量技術和大位移井技術的發展,鉆進水平位移為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). 鉆進過程中的摩擦和扭矩對鉆進能力、鉆孔的質量有非常大的影響.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,應用自動控制的垂直鉆井技術可比傳統的鉆井技術多鉆1000m垂深. 應用懸鏈線技術對井身剖面結構進行優化后,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)鉆孔優化的穩斜角均為79°,14.3/4″(374.6mm)鉆孔優化的穩斜角為78°.鉆孔直徑和 所鉆水平位移的關系如表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

 

  兩井的地下連接是鉆井和完井技術的難點,可以利用隨鉆測量技術(MWD)來確定鉆孔的位置,利用電磁探測技術或聲波探測技術來導向,完井時還要采用分支井技術和膨脹管技術.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 支井技術可以在一個系統中實現多個分支井;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 太陽能采集對太陽能進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 太陽輻射的面積與采集太陽輻射的面積相同,能夠利用太陽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,集熱溫度更 低,ORC發電要求入口溫度高于80℃,因此平板型集熱器不能滿足ORC發電的要求.

 

  (2)聚光集熱器能將陽光會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,主要用于太陽能熱能發電.太陽能熱能發電主要有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,經濟效益最好(Triebetal.,1997).從國內外技術和我國經濟情況來看,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,或通過集熱器吸收太陽能,然后在ORC進行熱交換.選擇載熱 流體時,除了熱傳導系數和熱容量外,還要考慮其與 環境的相容性,無污染,并且無腐蝕性. 最基本的載熱流體為水,本系統為閉式循環, 流體與外界無接觸,使用蒸餾水,可減少水垢產生, 導熱系數比較高,水的導熱系數在38℃時為 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℃時的導熱系數為0.44W/mK,比熱高、熱效率高;無毒或很少有毒性,無刺激性氣味,對人體無害;無污染,腐蝕性較小,且可減少水垢產生.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國際公司的太陽能發電系統采用的便是合成油作為傳熱介質(葛新石,1994).柏林工業大學對丙烷、異丁烷、異戊烷、戊烷、異己烷、己烷、R11等可直接汽化的工質進行了研究.以上所考慮的原料,工質完全氣化是不可能的,最多可獲得40%蒸氣,大部分工質未汽化,效率非常低.基于目前的技術異丁烷和R11基本上可以使用,但是還是存在一些缺點.綜上所述,依照目前的技術和經濟情況,地熱載熱流體可選擇水;ORC一級循環工質為水,二級循環工質為異丁烷;槽式聚焦系統載熱流體可選水或油.

 

  2.4 ORC ORC是一種中低溫發電系統,本系統選用的一級工質為水,二級循環工質為異丁烷,通過水加熱異丁烷,使異丁烷汽化,推動渦輪機發電.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.通過模擬計算,溫度和效率的關系如圖2所示(圖中虛線為平均效率)(Wolff,2004),流量、溫度和功率的關系如圖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能來高載熱流體的溫度,進而提系統高效率,產生更多 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

 

  儲能是本系統關鍵的一環.儲能器白天可以把 剩余的熱能儲存起來,晚上可以釋放出熱量;或是晴天把熱能儲存起來,陰天再釋放出來,這樣就可以對系統流體的熱量進行補充,滿足發電的要求,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、潛熱貯存和化學貯存(Faridetal.,2004;Azpiazuetal.,2003). 1988年10月,盧茲公司在加州召開的一次學術研討會上討論了適合中溫太陽能熱電站的儲能系統,評價認為化學反應儲能系統的儲能密度比顯熱儲能和潛熱儲能大一個數量級,而且顯示出良好的性價比,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)價格昂貴,不宜用于大規模工程.因此,對本系統而言,化學貯熱較好。

 

  通過以上研究,本系統在理論上基本是可行的. 今后要進一步進行深入的研究.對于地熱系統:進一步優化導熱和隔熱水泥的配方;確定2個鉆孔連接的測量和導向鉆進程序;完井的連接細節研究;巖石力學研究.對于載熱流體:進一步深入研究和優化載熱流體;完善載熱流體計算模型.對于太陽能熱能轉換:確定槽式聚焦鏡的大小和數量;建立太陽能熱能轉換模型等.對于ORC:對循環流體進行優化,提高發電效率.對于儲能系統:確定化學配方,對化學儲能作進一步的研究.對整個系統:要進行優化,提高工作效率;對整個系統經濟可行性進行具體詳細的研究.

 

  3 結論

 

  本系統是一閉循環系統,對環境無污染,不受地理位置限制,使太陽能發電和地熱發電能很好地融 為一體,提供穩定的發電量,同時也降低了系統風險,提高了可靠性和發電效率,延長了系統的使用壽命.不受地理位置限制的地熱、太陽能聯合發電系統可以為我國東南部經濟發達地區中小城市的電能供給提供一種可靠來源。