不受地理位置限制的地热和太阳能联合发电系统-智慧能源

  地热在开发中由于不产生CO2和其他有害气体,被称为清洁能源.然而由于地热开发必须抽取大量地下热水,因此会带来一些环境问题,如:地震、地面沉降、地热水资源衰减、地热水有害成分污染、热污染等.因此有些学者反对地热发电,认为地热发电对环境是灾难性的.我国是地热资源相对丰富的国 家,按照温度分布,已发现的高温(>150℃ )地热资源主要分布在西藏、云南、四川和台湾等地;而中温(150～90℃)和低温(90～20℃,有称低至15℃)地热资源则分布甚广(耿莉萍,1998).目前地热发电仅 限于西藏羊八井等高温地热资源地区.

 

  太阳能是非常清洁的能源,利用太阳能发电既不产生CO2和其他有害气体,也不产生其他环境问题.我国太阳能辐射年总量大约在3300～8300MJ/平方米之间.6000MJ/m2 等值线从内蒙古自治区东部至青藏高原东侧,将全国分成西北和东南两部分.受气候影响,西北地区太阳能资源丰富,东 南部地区太阳能资源较贫乏(赵媛和赵慧,1998).目前,我国太阳能发电采用的是光伏发电技术,由于成本高,且受气候限制,没有大规模应用,仅限于西北部偏远地区供电. 本文提出了一种结合太阳能热发电和热水型地 热发电技术的闭式循环联合发电系统,可以避免地热发电造成环境污染和克服地热发电、太阳能发电受地理位置限制等缺点.

 

  1 地热、太阳能联合发电系统模型及其特点

 

  1.1 系统模型及功能解释

 

  此系统是结合太阳能热发电和热水型地热发电技术的特点而提出来的,系统工作原理如图1所示.系统主要由4部分组成,即地热采集部分、太阳能采集部分、储能部分和中低温ORC(organic2rankine2cycle)发电部分.本系统地下部分全井下套管,流体在系统中不与外界环境接触,因此是一闭式循环系统.系统工作模式分为白天和晚上2种:白天,低温载热流体注入地下,在水平井段吸收地下岩层的热量,第一次被加热,然后流经集热器,集热器将太阳能转换为热能,对载热流体进行第二次加热,载热流体最后流入ORC发电.白天多余的热量被储能器 储存;晚上,低温载热流体注入地下,在水平井段吸收地下岩层的热量,第一次被加热,然后流经储能器,储能器释放热能,对载热流体进行第二次加热,载热流体最后流入ORC发电.

 

  1.2 系统特点

 

  (1)系统是双源二级循环发电系统.循环流体在2个部分都吸热:一是通过太阳能集热器在白天吸收太阳能;二是通过流经地下岩层时吸收岩层的热 量.ORC是一个二级发电系统,回流流体可再次流入ORC进行发电,直到温度低于发电要求.

 

  (2)系 统白天通过太阳能和地热能联合发电,载热流体温度较高,发电量大,能满足白天用电量大的需求;系统晚上通过地热和储能器释放热能发电,载热流体温度较白天要低,发电量较白天少,但是也可以提供 稳定的发电量满足夜间对电能的需求.

 

  (3)系统载热流体的温度是可以控制的,它通过利用热能储能器来实现,因此可以实现稳定的电能生产,也能应对突发需要.

 

  (4)由于利用地热对系统进行了第一次加热,提高了太阳能集热器入口流体的温度,因而可以减少集热器规模,降低土地占用量.同时,流体可经太阳能集热器二次加热,提高温度,因此可以减少地热水平井的长度,降低地热井的开发风险.

 

  (5)本系统是闭式系统,地下部分钻孔完全下入套管,当岩石和载热流体之间存在温度梯度时,载热流体将被加热,因此不受地热水的资源量和温度的限制;在循环 的载热流体和岩石之间没有任何物质交换,岩石仅 仅释放了热量,从而使系统不受地质构造和水质的影响,降低了系统对设备的要求,提高了设备和系统的使用寿命.本系统是一闭式循环系统,不抽取地下水,不压裂岩层,不排放任何物质到环境中,对环境无任何影响,另外本系统利用的太阳能和地热能都是可再生非化石能源,因此是一个环境友好的系统.

 

  (6)系统通过联合太阳能和地热来加热流体,并采用中低温ORC发电,对太阳能辐射强度和地温梯度无过高要求,一般位置都可应用,克服了太阳能和地热能发电受地理位置限制的缺点,是一种全新的不受地理位置限制的太阳能、地热能联合发电系统.2 可行性探讨 本系统涉及的关键技术有:地热采集(主要是钻井和完井技术)、太阳能采集、储能、ORC发电和载热流等技术.

 

  2.1 钻井和完井技术

 

  2.1.1 钻井技术

 

  随着自动控制钻井技术、地下测 量技术和大位移井技术的发展,钻进水平位移为10000m的井是可能的.目前所钻大位移水平井水平延伸距离最大的是英国的WytchFarm油田的1M216SPZ井,水平位移达10728m(卢林松,2004). 钻进过程中的摩擦和扭矩对钻进能力、钻孔的质量有非常大的影响.模拟计算显示,同样的钻孔深度,如果能避免孔壁接触,在垂直的钻孔段,作用在钻头上的摩擦和扭矩大概能够减少20%.同样的载荷下,应用自动控制的垂直钻井技术可比传统的钻井技术多钻1000m垂深. 应用悬链线技术对井身剖面结构进行优化后,8.1/2″ (215.9mm)的钻孔在同样的载荷下能提高10%的水平位移,8.1/2″ (215.9mm)和12.1/4″(311.1mm)钻孔优化的稳斜角均为79°,14.3/4″(374.6mm)钻孔优化的稳斜角为78°.钻孔直径和 所钻水平位移的关系如表1所示(Wolff,H.,2004. UntersuchungeinesUntert??gigGeschlossenenGeother2mischenW??rmetauscherszurstandortunabh??ngigen,umweltschonendenBereitstellungregenerativerEnergie,Berlin).为使本系统水平井有较大的传热面积,本系统的钻孔直径可选12.1/4″或14.3/4″.

 

  2.1.2 地下连接技术

 

  两井的地下连接是钻井和完井技术的难点,可以利用随钻测量技术(MWD)来确定钻孔的位置,利用电磁探测技术或声波探测技术来导向,完井时还要采用分支井技术和膨胀管技术.如使用RIGSTM系统定位的方向误差小于5°;使用矢量磁力公司的“RangingTechnologien”导向可达范围为20m;使用ScientificDrillingInter2national公司的MagTracTM导向可达范围大约为 8m;BakerOil公司的StackableSplitterSystem分 支井技术可以在一个系统中实现多个分支井;膨胀套管悬挂器FORMlockTM可以应用于对接部分的 完井,也可用于易漏易塌井段的完井.

 

  2.1.3  固井水泥

 

  为提高系统效率,在水平吸热井段采用导热系数较高的水泥,提高载热流体的温度;在垂直井段(特别是在载热流体上升井段)采用导热系数较低的水泥,减少载热流体的热损失.G级油井 水泥加入了石英粉、石英灰、石墨、改性石墨、玻璃纤维、碳化硅、碳纤维等配置,其导热系数达到1.68～2W/mK(Schmid,2004);在H级油井水泥中加入漂珠,在G级油井水泥中加入硅粉等,其导热系数 可分别达0.4W/mK(Smith,1990)和0.33W/mK(Santoyoetal.,2001).通过使用导热水泥和隔热水泥,流体能从地热井中多吸收10%左右的能量.

 

  2.2 太阳能采集对太阳能进行采集必须使用集热器,集热方式主要有平板型和聚焦型2种:

 

  (1)平板型集热器吸收 太阳辐射的面积与采集太阳辐射的面积相同,能够利用太阳辐射中的直射辐射和散射辐射,集热温度较低,集热温度一般在80～100℃之间,在太阳能热水器上应用很广.平板型集热器所占空间大,集热温度偏低,尤其是需要有一定的流量时,集热温度更 低,ORC发电要求入口温度高于80℃,因此平板型集热器不能满足ORC发电的要求.

 

  (2)聚光集热器能将阳光会聚在面积较小的吸热面上,可获得较高温度,但只能利用直射辐射,且需要跟踪太阳,主要用于太阳能热能发电.太阳能热能发电主要有3种形式:塔式电站、碟式电站和槽式电站(Kalo,2004;Sen,2004).

 

  综上所述,聚焦型集热器所占面积小,集热温度高,其中的槽式聚光集热系统投资较少,经济效益最好(Triebetal.,1997).从国内外技术和我国经济情况来看,槽式聚光集热系统比较适合本系统.

 

  2.3 载热流体

 

  载热流体将地层热能携带到地表,或通过集热器吸收太阳能,然后在ORC进行热交换.选择载热 流体时,除了热传导系数和热容量外,还要考虑其与 环境的相容性,无污染,并且无腐蚀性. 最基本的载热流体为水,本系统为闭式循环, 流体与外界无接触,使用蒸馏水,可减少水垢产生, 导热系数比较高,水的导热系数在38℃时为 0.54W/mK,加入乙二醇可提高抗冻性. 导热油是一种比较好的载热流体,其导热系数 较大,导热油在200℃时的导热系数为0.44W/mK,比热高、热效率高;无毒或很少有毒性,无刺激性气味,对人体无害;无污染,腐蚀性较小,且可减少水垢产生.在允许的使用温度范围内,提供良好的热稳定性和抗氧化安定性(夏丽萍和黄萍,1997).美国LUZ国际公司的太阳能发电系统采用的便是合成油作为传热介质(葛新石,1994).柏林工业大学对丙烷、异丁烷、异戊烷、戊烷、异己烷、己烷、R11等可直接汽化的工质进行了研究.以上所考虑的原料,工质完全气化是不可能的,最多可获得40%蒸气,大部分工质未汽化,效率非常低.基于目前的技术异丁烷和R11基本上可以使用,但是还是存在一些缺点.综上所述,依照目前的技术和经济情况,地热载热流体可选择水;ORC一级循环工质为水,二级循环工质为异丁烷;槽式聚焦系统载热流体可选水或油.

 

  2.4 ORC ORC是一种中低温发电系统,本系统选用的一级工质为水,二级循环工质为异丁烷,通过水加热异丁烷,使异丁烷汽化,推动涡轮机发电.ORC的最低入口流体工作温度为80℃.ORC的工作效率随温度的升高而增加.通过模拟计算,温度和效率的关系如图2所示(图中虚线为平均效率)(Wolff,2004),流量、温度和功率的关系如图3所示(郑秀华等,2004). 因此,要得到较高的电能,必须尽量提高ORC图2 ORC设备的效率Fig.2EfficiencyofORCequipment 的入口流体温度和流量.

 

  本系统白天利用太阳能来高载热流体的温度,进而提系统高效率,产生更多 的电能.ORC白天效率最大能达20%,晚上效率最 大能达12%.

 

  2.5 储能系统

 

  储能是本系统关键的一环.储能器白天可以把 剩余的热能储存起来,晚上可以释放出热量;或是晴天把热能储存起来,阴天再释放出来,这样就可以对系统流体的热量进行补充,满足发电的要求,储能器起到了调节负荷、降低设备容量和投资成本、提高能源利用效率和设备利用率的作用.目前储能方式主要有3种方式:显热贮存、潜热贮存和化学贮存(Faridetal.,2004;Azpiazuetal.,2003). 1988年10月,卢兹公司在加州召开的一次学术研讨会上讨论了适合中温太阳能热电站的储能系统,评价认为化学反应储能系统的储能密度比显热储能和潜热储能大一个数量级,而且显示出良好的性价比,因此被卢兹公司确定为首选对象.显热贮存的温度较低,如应用于本系统,则效率 较低.潜热贮存(相变储能)价格昂贵,不宜用于大规模工程.因此,对本系统而言,化学贮热较好。

 

  通过以上研究,本系统在理论上基本是可行的. 今后要进一步进行深入的研究.对于地热系统:进一步优化导热和隔热水泥的配方;确定2个钻孔连接的测量和导向钻进程序;完井的连接细节研究;岩石力学研究.对于载热流体:进一步深入研究和优化载热流体;完善载热流体计算模型.对于太阳能热能转换:确定槽式聚焦镜的大小和数量;建立太阳能热能转换模型等.对于ORC:对循环流体进行优化,提高发电效率.对于储能系统:确定化学配方,对化学储能作进一步的研究.对整个系统:要进行优化,提高工作效率;对整个系统经济可行性进行具体详细的研究.

 

  3 结论

 

  本系统是一闭循环系统,对环境无污染,不受地理位置限制,使太阳能发电和地热发电能很好地融 为一体,提供稳定的发电量,同时也降低了系统风险,提高了可靠性和发电效率,延长了系统的使用寿命.不受地理位置限制的地热、太阳能联合发电系统可以为我国东南部经济发达地区中小城市的电能供给提供一种可靠来源。