地?zé)?/a>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?zé)衢_(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?zé)崴Y源衰減、地?zé)崴?/a>有害成分污染、熱污染等.因此有些學(xué)者反對(duì)地?zé)岚l(fā)電,認(rèn)為地?zé)岚l(fā)電對(duì)環(huán)境是災(zāi)難性的.我國(guó)是地?zé)豳Y源相對(duì)豐富的國(guó) 家,按照溫度分布,已發(fā)現(xiàn)的高溫(>150℃ )地?zé)豳Y源主要分布在西藏、云南、四川和臺(tái)灣等地;而中溫(150～90℃)和低溫(90～20℃,有稱(chēng)低至15℃)地?zé)?/a>資源則分布甚廣(耿莉萍,1998).目前地?zé)?/a>發(fā)電僅 限于西藏羊八井等高溫地?zé)豳Y源地區(qū).

 

  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(guó)太陽(yáng)能輻射年總量大約在3300～8300MJ/平方米之間.6000MJ/m2 等值線從內(nèi)蒙古自治區(qū)東部至青藏高原東側(cè),將全國(guó)分成西北和東南兩部分.受氣候影響,西北地區(qū)太陽(yáng)能資源豐富,東 南部地區(qū)太陽(yáng)能資源較貧乏(趙媛和趙慧,1998).目前,我國(guó)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(guī)模應(yīng)用,僅限于西北部偏遠(yuǎn)地區(qū)供電. 本文提出了一種結(jié)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(tǒng),可以避免地?zé)岚l(fā)電造成環(huán)境污染和克服地?zé)岚l(fā)電、太陽(yáng)能發(fā)電受地理位置限制等缺點(diǎn).

 

  1 地?zé)?/a>、太陽(yáng)能聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)模型及其特點(diǎn)

 

  1.1 系統(tǒng)模型及功能解釋

 

  此系統(tǒng)是結(jié)合太陽(yáng)能熱發(fā)電和熱水型地?zé)岚l(fā)電技術(shù)的特點(diǎn)而提出來(lái)的,系統(tǒng)工作原理如圖1所示.系統(tǒng)主要由4部分組成,即地?zé)岵杉糠帧⑻?yáng)能采集部分、儲(chǔ)能部分和中低溫ORC(organic2rankine2cycle)發(fā)電部分.本系統(tǒng)地下部分全井下套管,流體在系統(tǒng)中不與外界環(huán)境接觸,因此是一閉式循環(huán)系統(tǒng).系統(tǒng)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(zhuǎn)換為熱能,對(duì)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(chǔ)能器 儲(chǔ)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(chǔ)能器,儲(chǔ)能器釋放熱能,對(duì)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(tǒng)特點(diǎn)

 

  (1)系統(tǒng)是雙源二級(jí)循環(huán)發(fā)電系統(tǒng).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(jí)發(fā)電系統(tǒng),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(tǒng)白天通過(guò)太陽(yáng)能和地?zé)崮?/a>聯(lián)合發(fā)電,載熱流體溫度較高,發(fā)電量大,能滿足白天用電量大的需求;系統(tǒng)晚上通過(guò)地?zé)岷蛢?chǔ)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(wěn)定的發(fā)電量滿足夜間對(duì)電能的需求.

 

  (3)系統(tǒng)載熱流體的溫度是可以控制的,它通過(guò)利用熱能儲(chǔ)能器來(lái)實(shí)現(xiàn),因此可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的電能生產(chǎn),也能應(yīng)對(duì)突發(fā)需要.

 

  (4)由于利用地?zé)釋?duì)系統(tǒng)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(guī)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?zé)崴?/a>平井的長(zhǎng)度,降低地?zé)峋?/a>的開(kāi)發(fā)風(fēng)險(xiǎn).

 

  (5)本系統(tǒng)是閉式系統(tǒng),地下部分鉆孔完全下入套管,當(dāng)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?zé)崴?/a>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(tǒng)不受地質(zhì)構(gòu)造和水質(zhì)的影響,降低了系統(tǒng)對(duì)設(shè)備的要求,提高了設(shè)備和系統(tǒng)的使用壽命.本系統(tǒng)是一閉式循環(huán)系統(tǒng),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(duì)環(huán)境無(wú)任何影響,另外本系統(tǒng)利用的太陽(yáng)能和地?zé)崮?/a>都是可再生非化石能源,因此是一個(gè)環(huán)境友好的系統(tǒng).

 

  (6)系統(tǒng)通過(guò)聯(lián)合太陽(yáng)能和地?zé)醽?lái)加熱流體,并采用中低溫ORC發(fā)電,對(duì)太陽(yáng)能輻射強(qiáng)度和地溫梯度無(wú)過(guò)高要求,一般位置都可應(yīng)用,克服了太陽(yáng)能和地?zé)崮馨l(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?zé)崮?/a>聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng).2 可行性探討 本系統(tǒng)涉及的關(guān)鍵技術(shù)有:地?zé)岵杉?主要是鉆井和完井技術(shù))、太陽(yáng)能采集、儲(chǔ)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)

 

  隨著自動(dòng)控制鉆井技術(shù)、地下測(cè) 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(guó)的WytchFarm油田的1M216SPZ井,水平位移達(dá)10728m(盧林松,2004). 鉆進(jìn)過(guò)程中的摩擦和扭矩對(duì)鉆進(jìn)能力、鉆孔的質(zhì)量有非常大的影響.模擬計(jì)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(yīng)用自動(dòng)控制的垂直鉆井技術(shù)可比傳統(tǒng)的鉆井技術(shù)多鉆1000m垂深. 應(yīng)用懸鏈線技術(shù)對(duì)井身剖面結(jié)構(gòu)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(wěn)斜角均為79°,14.3/4″(374.6mm)鉆孔優(yōu)化的穩(wěn)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(tǒng)水平井有較大的傳熱面積,本系統(tǒng)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(cè)量技術(shù)(MWD)來(lái)確定鉆孔的位置,利用電磁探測(cè)技術(shù)或聲波探測(cè)技術(shù)來(lái)導(dǎo)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(tǒng)定位的方向誤差小于5°;使用矢量磁力公司的“RangingTechnologien”導(dǎo)向可達(dá)范圍為20m;使用ScientificDrillingInter2national公司的MagTracTM導(dǎo)向可達(dá)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(tǒng)中實(shí)現(xiàn)多個(gè)分支井;膨脹套管懸掛器FORMlockTM可以應(yīng)用于對(duì)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(tǒng)效率,在水平吸熱井段采用導(dǎo)熱系數(shù)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(dǎo)熱系數(shù)較低的水泥,減少載熱流體的熱損失.G級(jí)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(dǎo)熱系數(shù)達(dá)到1.68～2W/mK(Schmid,2004);在H級(jí)油井水泥中加入漂珠,在G級(jí)油井水泥中加入硅粉等,其導(dǎo)熱系數(shù) 可分別達(dá)0.4W/mK(Smith,1990)和0.33W/mK(Santoyoetal.,2001).通過(guò)使用導(dǎo)熱水泥和隔熱水泥,流體能從地?zé)峋?/a>中多吸收10%左右的能量.

  (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(yīng)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(tǒng)投資較少,經(jīng)濟(jì)效益最好(Triebetal.,1997).從國(guó)內(nèi)外技術(shù)和我國(guó)經(jīng)濟(jì)情況來(lái)看,槽式聚光集熱系統(tǒng)比較適合本系統(tǒng).

 

  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(dǎo)系數(shù)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(tǒng)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(dǎo)熱系數(shù)比較高,水的導(dǎo)熱系數(shù)在38℃時(shí)為 0.54W/mK,加入乙二醇可提高抗凍性. 導(dǎo)熱油是一種比較好的載熱流體,其導(dǎo)熱系數(shù) 較大,導(dǎo)熱油在200℃時(shí)的導(dǎo)熱系數(shù)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(duì)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(nèi),提供良好的熱穩(wěn)定性和抗氧化安定性(夏麗萍和黃萍,1997).美國(guó)LUZ國(guó)際公司的太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)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(duì)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(jì)情況,地?zé)彷d熱流體可選擇水;ORC一級(jí)循環(huán)工質(zhì)為水,二級(jí)循環(huán)工質(zhì)為異丁烷;槽式聚焦系統(tǒng)載熱流體可選水或油.

 

  2.4 ORC ORC是一種中低溫發(fā)電系統(tǒng),本系統(tǒng)選用的一級(jí)工質(zhì)為水,二級(jí)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(jī)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(jì)算,溫度和效率的關(guān)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(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(shè)備的效率Fig.2EfficiencyofORCequipment 的入口流體溫度和流量.

 

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

 

  2.5 儲(chǔ)能系統(tǒng)

 

  儲(chǔ)能是本系統(tǒng)關(guān)鍵的一環(huán).儲(chǔ)能器白天可以把 剩余的熱能儲(chǔ)存起來(lái),晚上可以釋放出熱量;或是晴天把熱能儲(chǔ)存起來(lái),陰天再釋放出來(lái),這樣就可以對(duì)系統(tǒng)流體的熱量進(jìn)行補(bǔ)充,滿足發(fā)電的要求,儲(chǔ)能器起到了調(diào)節(jié)負(fù)荷、降低設(shè)備容量和投資成本、提高能源利用效率和設(shè)備利用率的作用.目前儲(chǔ)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(chǔ)能系統(tǒng),評(píng)價(jià)認(rèn)為化學(xué)反應(yīng)儲(chǔ)能系統(tǒng)的儲(chǔ)能密度比顯熱儲(chǔ)能和潛熱儲(chǔ)能大一個(gè)數(shù)量級(jí),而且顯示出良好的性價(jià)比,因此被盧茲公司確定為首選對(duì)象.顯熱貯存的溫度較低,如應(yīng)用于本系統(tǒng),則效率 較低.潛熱貯存(相變儲(chǔ)能)價(jià)格昂貴,不宜用于大規(guī)模工程.因此,對(duì)本系統(tǒng)而言,化學(xué)貯熱較好。

 

  通過(guò)以上研究,本系統(tǒng)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(duì)于地?zé)嵯到y(tǒng):進(jìn)一步優(yōu)化導(dǎo)熱和隔熱水泥的配方;確定2個(gè)鉆孔連接的測(cè)量和導(dǎo)向鉆進(jìn)程序;完井的連接細(xì)節(jié)研究;巖石力學(xué)研究.對(duì)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(jì)算模型.對(duì)于太陽(yáng)能熱能轉(zhuǎn)換:確定槽式聚焦鏡的大小和數(shù)量;建立太陽(yáng)能熱能轉(zhuǎn)換模型等.對(duì)于ORC:對(duì)循環(huán)流體進(jìn)行優(yōu)化,提高發(fā)電效率.對(duì)于儲(chǔ)能系統(tǒng):確定化學(xué)配方,對(duì)化學(xué)儲(chǔ)能作進(jìn)一步的研究.對(duì)整個(gè)系統(tǒng):要進(jìn)行優(yōu)化,提高工作效率;對(duì)整個(gè)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)可行性進(jìn)行具體詳細(xì)的研究.

 

  3 結(jié)論

 

  本系統(tǒng)是一閉循環(huán)系統(tǒng),對(duì)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?zé)岚l(fā)電能很好地融 為一體,提供穩(wěn)定的發(fā)電量,同時(shí)也降低了系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn),提高了可靠性和發(fā)電效率,延長(zhǎng)了系統(tǒng)的使用壽命.不受地理位置限制的地?zé)帷⑻?yáng)能聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)可以為我國(guó)東南部經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)中小城市的電能供給提供一種可靠來(lái)源。