基于地热能的热力耦合发电系统的制作方法

1.本发明涉及地热能发电技术领域，具体涉及一种基于地热能的热力耦合发电系统。


背景技术：

2.地热能是储量丰富的清洁能源，尤其是干热岩资源温度高，储量是世界能源的1/6，干热岩高效发电是清洁能源发展的重要方向之一。地热发电当前最突出的问题就是发电效率低。
3.现有的地热发电技术是先将高温地热通过介质换热装置将热量取到地面，再将热能转换机械能发电。一方面由于存在地温梯度，取热过程不可避免的造成热损失；另一方面热能转换成机械能的过程效率低，导致发电能力不足。现有的热伏发电技术对井下热量利用不足，对透平发电模块设计不足，没有实现地上发电系统与地下原位发电高效耦合，导致能量损失很大。


技术实现要素：

4.因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中的地热发电对井下热量利用不足的缺陷，从而提供一种充分利用井下热量的基于地热能的热力耦合发电系统。
5.为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于地热能的热力耦合发电系统，包括：传热模块，形成有温差区域，所述传热模块内适于通入工质以与所述传热模块进行热交换；第一发电子系统，设于所述温差区域以利用温差发电；第二发电子系统，与所述传热模块连接以接收所述传热模块的地热能并发电；第三发电子系统，包括余热回收模块和余热发电模块，所述余热回收模块与所述第二发电子系统连接以接收所述第二发电子系统产生的余热，所述余热发电模块通过余热回收管路与所述余热回收模块连接以发电，且所述第三发电子系统与所述传热模块连接以向所述传热模块输送降低温度后的工质。
6.作为优选，所述传热模块包括：传热储层；热管，一端与所述传热储层连接，所述热管内适于通入工质；其中，所述热管的相对两端形成第一温差区，所述第一温差区设有第一热源发电模块；环绕所述热管形成第二温差区，所述第二温差区设有第二热源发电模块，所述温差区域包括所述第一温差区和所述第二温差区，所述第一发电子系统包括所述第一热源发电模块和所述第二热源发电模块。
7.作为优选，所述传热储层主要由裂隙网和导热介质构成，所述导热介质呈固体颗粒状，所述导热介质注入裂隙网的缝隙形成所述传热储层。
8.作为优选，所述导热介质的材料为金属。
9.作为优选，所述第一热源发电模块包括：第一热伏板，设于所述热管的顶端；第二热伏板，设于所述热管的底端，所述第二热伏板与所述第一热伏板通过导电线连接。
10.作为优选，所述第一热伏板和所述第二热伏板均设有保温层。
11.作为优选，所述第二热源发电模块包括第三热伏板，所述第三热伏板环绕所述热
管设置。
12.作为优选，所述余热发电模块包括第四热伏板，所述第四热伏板与环境温度形成温差以发电。
13.作为优选，所述热管主要由不锈钢外壳和烧结不锈钢管芯组成。
14.作为优选，所述热管的外壁贴合有保温材料层。
15.作为优选，所述热管的顶部设有蒸汽出口，所述热管的底部设有回液口，所述第二发电子系统与所述蒸汽出口连接以接收地热能，所述回液口与所述第三发电子系统连接以使得回液进入所述热管内。
16.作为优选，所述第二发电子系统包括kalina循环发电系统。
17.作为优选，所述kalina循环发电系统包括：气液分离器，通过第一管与所述传热模块连接，且所述气液分离器通过第二管路与所述余热回收管路连接；透平机，与所述气液分离器；发电机，与所述透平机连接以发电；其中，所述透平机通过第三管与所述余热回收模块连接。
18.作为优选，所述余热回收模块包括通过管路依次连接的余热回收换热器、冷凝器、储液罐和工质泵，所述工质泵通过管路与所述余热回收换热器连接，所述余热回收换热器与所述余热回收管路连接；其中，所述余热回收换热器还与所述第二发电子系统连接以回收发电余热。
19.作为优选，所述余热回收模块还包括混合器，所述混合器设于所述余热回收管路上以混合所述第二发电子系统发电产生的所有余热。
20.作为优选，所述工质为水或氨水。
21.本发明技术方案，具有如下优点：
22.1.本发明提供的基于地热能的热力耦合发电系统，通过在传热模块形成有温差区域，并在温差区域设置第一发电子系统，通过第一发电子系统实现了温差发电，极大地提高了地热原位发电的效率，避免了传统地热发电温差过小导致效率低的问题。
23.2.本发明提供的基于地热能的热力耦合发电系统，通过在裂隙网中注入导热介质，可以强化热管，可起到显著强化作用。
24.3.本发明提供的基于地热能的热力耦合发电系统，通过利用金属材质的导热介质形态及性质稳定的特性，可以起到对裂隙起到强力支撑作用，避免了坍塌引起地震等问题，提高了地热开发的安全性。
25.4.本发明提供的基于地热能的热力耦合发电系统，通过地热多级原位发电联合卡琳娜循环联合发电，提高了发电系统的快速响应能力，保证了系统安全稳定运行，又利用了较高的余热，实现了能量梯级利用，提高了发电效率。
附图说明
26.为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
27.图1为本发明的实施方式中提供的基于地热能的热力耦合发电系统原理图；
28.图2为本发明的实施方式中提供的基于地热能的热力耦合发电系统的传热储层的示意图；
29.图3为本发明的实施方式中提供的基于地热能的热力耦合发电系统的第一热源发电模块的结构示意图；
30.图4为本发明的实施方式中提供的基于地热能的热力耦合发电系统的热管的结构示意图。
31.附图标记说明：
32.1-传热模块；11-传热储层；13-热管；131-蒸汽出口；133-回液口；2-第一发电子系统；21-第一热源发电模块；211-第一热伏板；213-第二热伏板；215-保温层；23-第二热源发电模块；3-第二发电子系统；31-气液分离器；33-透平机；35-发电机，37-控制阀；4-第三发电子系统；41-余热回收模块；411-余热回收换热器；413-冷凝器；415、储液罐；417-工质泵；419-混合器；43-余热发电模块；5-第一管；6-第二管；7-第三管。
具体实施方式
33.下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
34.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
35.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
36.此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
37.实施例1
38.如图1所示的基于地热能的热力耦合发电系统的一种具体实施方式，该基于地热能的热力耦合发电系统包括：传热模块1、第一发电子系统2、第二发电子系统3和第三发电子系统4，传热模块1形成有温差区域，传热模块1内适于通入工质以与传热模块1进行热交换，第一发电子系统2设于温差区域以利用温差发电，第二发电子系统3与传热模块1连接以接收传热模块1的地热能并发电，第三发电子系统4包括余热回收模块41和余热发电模块43，余热回收模块41与第二发电子系统3连接以接收第二发电子系统3产生的余热，余热发电模块43通过余热回收管路与余热回收模块41连接以发电，且第三发电子系统4与传热模块1连接以向传热模块1输送降低温度后的工质。
39.上述的基于地热能的热力耦合发电系统利用地热原位发电和热热循环发电原理，
形成三个发电子系统，三个发电子系统分别发电后并联接入电网。其中，第一发电子系统2为热源发电子系统，位于地下，第二发电子系统3为高温发电子系统，第三发电子系统4为低温发电子系统，第二发电子系统3和第三发电子系统4均位于地上。因此，实现了地上发电系统与地下原位发电的高效耦合，充分利用了井下热量，减少了能量损失。
40.具体地，上述的传热模块1形成有温差区域，通过在温差区域设置第一发电子系统2，使得第一发电子系统2可以利用温差进行发电。当向传热模块1通入工质，工质与传热模块1进行热交换后，工质在传热模块1内产生高温蒸汽，高温蒸汽进入第二发电子系统3，使得第二发电子系统3发电，第二发电子系统3发电后会产生余热，余热进入第三发电子系统4，使得第三发电子系统4利用余热发电，利用余热发电后，工质的温度进一步降低，温度降低的工质再回到传热模块1进入循环，提高了地热能的利用率。
41.进一步地，工质为水或氨水。其中，可根据传热模块1的温度选择匹配的工质，此工质为相变工质，相变工质也是后面高温发电子系统的工质。工质从传热模块1吸热并蒸发成蒸汽。热源温度取180℃，工质采用氨水，如果热源温度高于180℃，可考虑采用工质水，发电效率将更大。
42.进一步地，继续结合图1所示，传热模块1包括传热储层11和热管13，热管13的一端与传热储层11连接，热管13内适于通入工质；其中，热管13的相对两端形成第一温差区，第一温差区设有第一热源发电模块21；环绕热管13形成第二温差区，第二温差区设有第二热源发电模块23，温差区域包括第一温差区和第二温差区，第一发电子系统2包括第一热源发电模块21和第二热源发电模块23。
43.上述的热管13设于井内，热管13的底部贴近传热模块1，形成高温端，热管13的顶部远离热管13的底部，形成冷端，冷端贴于热管13的顶部近地面处，在冷端与热端之间形成了第一温差区，通过在第一温差区设置第一热源发电模块21发电，属于地热原位发电。另外，环绕热管13，贴近热管管壁为冷端，远离热管管壁并与井壁相接触形成热端，这就形成了第二温差区，通过在第二温差区设置第二热源发电模块23，属于在井内原位发电。通过采用第一热源发电模块21和第二热源发电模块23，利用热管13的顶部和底部形成的温差进行发电，极大地提高了地热原位发电的效率，避免了传统地热发电温差过小导致效率低的问题。
44.进一步地，如图2所示，传热储层11主要由裂隙网和导热介质构成，导热介质呈固体颗粒状，导热介质注入裂隙网的缝隙形成传热储层11。
45.上述的导热介质为固体颗粒，能够强化传热效果，将高导热介质颗粒注入干热岩裂缝中，使得导热介质既是导热材料，导热介质强化热管13相当于热管的翅片，起到了显著的强化作用，提高了传热效率；同时，导热介质也是裂缝支撑剂，提高了安全性。
46.更进一步地，导热介质的材料为金属，金属材料的导热介质的形态及性质更稳定，可以进一步提高传热储层11的结构稳定性，能够对裂隙起到增加强有力的支撑作用，可避免坍塌引起地震等问题，提高了地热开发的安全性。其中，导热介质可以为含有金属粉末氧化铝、非金属石墨的高导热灌浆材料。
47.进一步地，如图3所示，第一热源发电模块21包括：第一热伏板211和第二热伏板213，第一热伏板211设于热管13的顶端，第二热伏板213设于热管13的底端，第二热伏板213与第一热伏板211通过导电线连接。
48.上述的第一热源发电模块21采用热伏发电，热管13的顶部低温作为第一热伏板211的冷源，热管13的底部高温作为第二热伏板213的热源，第一热伏板211与第二热伏板213通过导电线组成回路，形成高温差热伏发电。
49.更进一步地，如图3所示，第一热伏板211和第二热伏板213均设有保温层215。保温层215均设置在靠近热管13的一侧面上，能够形成最大温差，从而可以提高发电效率。
50.进一步地，第二热源发电模块23包括第三热伏板，第三热伏板环绕热管13设置。
51.上述的第三热伏板通过将热伏发电片置于热管13的管壁，冷端贴近热管管壁，热端远离热管管壁并与井壁相接触，在井里原位发电，进一步利用地热能进行原位发电，提高了对地热能的利用效率。
52.进一步地，余热发电模块43包括第四热伏板，第四热伏板与环境温度形成温差以发电。
53.上述的余热发电模块43为热伏发电组件，是热伏地面发电，第二发电子系统3发电后产生的余热的温度还是比较高，第四热伏板利用余热作为热源发电，可达到进一步充分利用地热能的目的。
54.进一步地，热管13主要由不锈钢外壳和烧结不锈钢管芯组成，能够增加热管13内的换热效率，且使得热管13具有防腐性能。
55.更进一步地，如图4所示，热管13的外壁贴合有保温材料层15，进一步提供了热管13内的换热效率。其中，保温材料层15可以为聚丙烯复合材料、保温棉等。
56.进一步地，如图4所示，热管13的顶部设有蒸汽出口131，热管13的底部设有回液口133，第二发电子系统3与蒸汽出口131连接以接收地热能，回液口133与第三发电子系统4连接以使得回液进入热管13内。
57.上述的热管13与井壁之间存在有缝隙，回液口133与缝隙连通，第三发电子系统4发电后，工质的温度进一步降低，温度降低后的工质通过热管13与井壁之前的缝隙进入回液口133后与热管13进行热交换，完成了工质的循环利用。蒸汽出口131可通过管路与第二发电子系统3连接，工质在热管13内进行热交换后形成蒸汽，蒸汽从蒸汽出口131进入第二发电子系统3，作为第二发电子系统3的热源进行发电。
58.进一步地，第二发电子系统3包括kalina循环发电系统。由于传热储层11的高温取热模块的设计合理，从传热储层11取上的温度较高，因此，可以采用适合中高温发电的卡琳娜循环发电系统作为高温发电子系统。
59.第一发电子系统2形成了地热多级原位发电，第一发电子系统2联合kalina循环循环进行联合发电，既提高了发电系统的快速响应，又保证了系统安全稳定运行，又利用了较高的余热，实现了能量梯级利用，提高了发电效率。
60.具体地，kalina循环发电系统包括：气液分离器31、透平机33和发电机35，气液分离器31与透平机33之间的管路上还设有控制阀37，控制阀37可控制进入透平机33的蒸汽的流量，气液分离器31通过第一管5与传热模块1连接，使得高温蒸汽从蒸汽出口131进入气液分离器31，高温蒸汽在输送过程中会部分的发生冷凝，因此，气液分离器31对高温蒸汽进行气液分离，使得进入透平机33的气体能够充分做功。气液分离器31通过第二管6与余热回收管路连接，使得气液分离器31分离出的高温液体通过第二管6进入余热回收管路。透平机33与气液分离器31连接，发电机35与透平机33连接以发电；其中，透平机33做功后，工质的温
度会进一步降低，因此，透平机33通过第三管7与余热回收模块41连接，使得参与透平机33做功后产生的液体进入余热回收模块41。上述的气液分离器31的工质来自热源发电子系统，经过气液分离器31分离出来的干蒸汽驱动透平机33做功，带动发电机35发电。
61.进一步地，余热回收模块41包括通过管路依次连接的余热回收换热器411、冷凝器413、储液罐415和工质泵417，工质泵417通过管路与余热回收换热器411连接，余热回收换热器411与余热回收管路连接；其中，余热回收换热器411还与第二发电子系统3连接以回收发电余热。
62.进一步地，余热回收模块41还包括混合器419，混合器419设于余热回收管路上以混合第二发电子系统3发电产生的所有余热。
63.经过气液分离器31分离出来的氨水温度很高，可作为低温发电子系统中的余热发电模块43的热源。经透平机33做功后的氨气的温度较高，此处通过低温的余热回收换热器411利用余热加热冷凝的氨水，最后将余热利用后的氨水经过冷凝器413彻底冷却，进入到储液罐415中，通过工质泵417将冷却的氨水送入到余热回收换热器411中预热，最后与经过气液分离器31分离出来的高温氨水进入混合器419，充分混合的氨水作为余热发电模块43的热源，环境温度作为余热发电模块43的冷源，完成低温差发电，经过余热发电模块43发电后的氨水温度进一步降低，回到热管13中，经回液口133进入热管13的底部，完成一个循环。
64.本技术中的基于地热能的热力耦合发电系统，也是一种基于热伏技术的增强型地热原位发电系统，包括地热传热模块1、热伏发电模块、热管13、卡琳娜循环联合发电模块。热伏发电模块分三部分，第一部分是高温差热伏发电模块，也就是第一发电子系统2，其中，热伏的热端贴于井口中心远离热管底部，处于温度最高的位置，冷端贴于热管顶部近地面处，属于地热原位发电；第二部分是将热伏发电片置于热管管壁，冷端贴近热管管壁，热端远离热管管壁与井壁相接触，在井里原位发电，形成了第二发电子系统3，第三部分是热伏地面发电，利用热管接近地面段作为热源，kalina循环的冷凝端作为冷源，在热伏地上发电后温度仍然高于100℃，再利用余热驱动kalina循环发电，实现能量梯级利用，提高发电效率。三部分热伏发电模块均通过导线接入发电机，kalina循环通过驱动汽轮机带动发电机发电。最后四级发电并联接入电网。
65.显然，上述实施例仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围。

技术特征：
1.一种基于地热能的热力耦合发电系统，其特征在于，包括：传热模块(1)，形成有温差区域，所述传热模块(1)内适于通入工质以与所述传热模块(1)进行热交换；第一发电子系统(2)，设于所述温差区域以利用温差发电；第二发电子系统(3)，与所述传热模块(1)连接以接收所述传热模块(1)的地热能并发电；第三发电子系统(4)，包括余热回收模块(41)和余热发电模块(43)，所述余热回收模块(41)与所述第二发电子系统(3)连接以接收所述第二发电子系统(3)产生的余热，所述余热发电模块(43)通过余热回收管路与所述余热回收模块(41)连接以发电，且所述第三发电子系统(4)与所述传热模块(1)连接以向所述传热模块(1)输送降低温度后的工质。2.根据权利要求1所述的基于地热能的热力耦合发电系统，其特征在于，所述传热模块(1)包括：传热储层(11)；热管(13)，一端与所述传热储层(11)连接，所述热管(13)内适于通入工质；其中，所述热管(13)的相对两端形成第一温差区，所述第一温差区设有第一热源发电模块(21)；环绕所述热管(13)形成第二温差区，所述第二温差区设有第二热源发电模块(23)，所述温差区域包括所述第一温差区和所述第二温差区，所述第一发电子系统(2)包括所述第一热源发电模块(21)和所述第二热源发电模块(23)。3.根据权利要求2所述的基于地热能的热力耦合发电系统，其特征在于，所述传热储层(11)主要由裂隙网和导热介质构成，所述导热介质呈固体颗粒状，所述导热介质注入裂隙网的缝隙形成所述传热储层(11)。4.根据权利要求3所述的基于地热能的热力耦合发电系统，其特征在于，所述导热介质的材料为金属。5.根据权利要求2至4中任一项所述的基于地热能的热力耦合发电系统，其特征在于，所述第一热源发电模块(21)包括：第一热伏板(211)，设于所述热管(13)的顶端；第二热伏板(213)，设于所述热管(13)的底端，所述第二热伏板(213)与所述第一热伏板(211)通过导电线连接。6.根据权利要求5所述的基于地热能的热力耦合发电系统，其特征在于，所述第一热伏板(211)和所述第二热伏板(213)均设有保温层(215)。7.根据权利要求2至4中任一项所述的基于地热能的热力耦合发电系统，其特征在于，所述第二热源发电模块(23)包括第三热伏板，所述第三热伏板环绕所述热管(13)设置。8.根据权利要求2至4中任一项所述的基于地热能的热力耦合发电系统，其特征在于，所述余热发电模块包括第四热伏板，所述第四热伏板与环境温度形成温差以发电。9.根据权利要求2至4中任一项所述的基于地热能的热力耦合发电系统，其特征在于，所述热管(13)主要由不锈钢外壳和烧结不锈钢管芯组成。10.根据权利要求2至4中任一项所述的基于地热能的热力耦合发电系统，其特征在于，所述热管(13)的外壁贴合有保温材料层(15)。11.根据权利要求2至4中任一项所述的基于地热能的热力耦合发电系统，其特征在于，
所述热管(13)的顶部设有蒸汽出口(131)，所述热管(13)的底部设有回液口(133)，所述第二发电子系统(3)与所述蒸汽出口(131)连接以接收地热能，所述回液口(133)与所述第三发电子系统(4)连接以使得回液进入所述热管(13)内。12.根据权利要求1至4中任一项所述的基于地热能的热力耦合发电系统，其特征在于，所述第二发电子系统(3)包括kalina循环发电系统。13.根据权利要求12所述的基于地热能的热力耦合发电系统，其特征在于，所述kalina循环发电系统包括：气液分离器(31)，通过第一管(5)与所述传热模块(1)连接，且所述气液分离器(31)通过第二管(6)与所述余热回收管路连接；透平机(33)，与所述气液分离器(31)；发电机(35)，与所述透平机(33)连接以发电；其中，所述透平机(33)通过第三管(7)与所述余热回收模块(41)连接。14.根据权利要求1至4中任一项所述的基于地热能的热力耦合发电系统，其特征在于，所述余热回收模块(41)包括通过管路依次连接的余热回收换热器(411)、冷凝器(413)、储液罐(415)和工质泵(417)，所述工质泵(417)通过管路与所述余热回收换热器(411)连接，所述余热回收换热器(411)与所述余热回收管路连接；其中，所述余热回收换热器(411)还与所述第二发电子系统(3)连接以回收发电余热。15.根据权利要求14所述的基于地热能的热力耦合发电系统，其特征在于，所述余热回收模块(41)还包括混合器(419)，所述混合器(419)设于所述余热回收管路上以混合所述第二发电子系统(3)发电产生的所有余热。16.根据权利要求1至4中任一项所述的基于地热能的热力耦合发电系统，其特征在于，所述工质为水或氨水。

技术总结
本申请提供了一种基于地热能的热力耦合发电系统，包括：传热模块，形成有温差区域，传热模块内适于通入工质以与传热模块进行热交换；第一发电子系统，设于温差区域以利用温差发电；第二发电子系统，与传热模块连接以接收传热模块的地热能并发电；第三发电子系统，包括余热回收模块和余热发电模块，余热回收模块与第二发电子系统连接以接收第二发电子系统产生的余热，余热发电模块通过余热回收管路与余热回收模块连接以发电，且第三发电子系统与传热模块连接以向传热模块输送降低温度后的工质。通过在温差区域设置第一发电子系统，提高了地热原位发电的效率。高了地热原位发电的效率。高了地热原位发电的效率。


技术研发人员：尹洪梅 尹立坤 杨立明 王子威 范翼帆
受保护的技术使用者：中国长江三峡集团有限公司
技术研发日：2023.03.22
技术公布日：2023/7/6