CN101429879A - 由日光通量和地冷驱动的发电系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及由日光通量和地冷驱动的发电系统。具体地，提供了一种采用日光热通量产生电力的系统。所述系统包括加热子系统和冷却环路。冷却环路使冷却剂循环通过热交换器，并通过已经由加热子系统加热的膨胀的第二制冷剂加热所述冷却剂。冷却环路包括以深度D埋置在地层中的管。土壤围绕管的长度L，包围材料限定和保持径向土壤环区宽度δ_s，径向土壤环区宽度δ_s从管径向延伸到从管的轴线A径向度量的周界半径r_∞的外周界。径向土壤环区宽度δ_s可保持在k_s/h_s－r_o。管的长度L可等于mc_p/2π{(0.5469/k_f)＋(1/k_p)ln(r_o/r_i)＋(1/k_s)[1＋ln(r_∞/r_o)]}其中， r_∞＝k_s/h_s。深度D可等于

，其中，α＝exp[(2πk_pL/mc_p)－ln(r_o/r_i)]。

Description

由日光通量和地冷驱动的发电系统

技术领域

本发明涉及一种需要常年地热散热器的用于产生电力的系统。

背景技术

电力可通过使用日光热通量而产生。一种用于以这种方式产生电力的已知循环是兰金循环。其四个必要部件是泵、热源、涡轮和冷凝器。处于此循环外部的第五个部件是发电机，其使用涡轮的功输出产生电力。

在兰金循环中，通过交替蒸发和冷凝工作流体(通常为水)来产生动力。流体被限制在封闭环路中并反复地从液态变为气态又从气态变为液态而重复使用。

已知的是，提供一种设置在地面上的加热子系统(热源)用于产生热能和用于使流体循环，以传送由加热子系统产生的热能。还已知的是，将加热子系统与涡轮、发电机、和冷却环路(冷凝器)相结合，其中，冷却环路用于使具有热导率k_f和比定压热容c_p的冷却剂以质量流速m循环通过冷却环路并用于从流体中移走热能。

冷却环路可包括由具有热导率k_p的材料制成的管，用于将热能散逸到地层(ground)中，其中，所述管具有轴线A、长度L和外侧半径为r_o且内侧半径为r_i的圆形横截面。已知的是，将管沿水平方向以深度D埋置在地层中，并以热导率为k_s的土壤围绕一定长度的管。土壤具有混合于其中的空气气体和水汽，空气气体和水汽组合限定对土壤特定的土壤传热系数h_s。还已知的是，管的制造材料具有的热导率k_p小于土壤的热导率k_s。

类似的系统在Lambert的美国专利5,634,515中公开，其中，教示了一种包括设置在地层中的多个热交换环路的地热传热系统。

发明内容

本发明提供了这样一种系统，其包括将围绕管的长度L的土壤包围的包围材料，以限定和保持具有宽度δ_s的径向土壤环区，径向土壤环区围绕管并从管径向延伸到具有从轴线A径向度量的周界半径r_∞的外周界。

通过利用包围材料来提供沿管的长度L且围绕该管的恒定径向土壤环区宽度δ_s，沿管的长度L的传热将因而恒定。进一步地，径向土壤环区宽度δ_s可被优化以提供从管到土壤中的最大传热。

附图说明

通过参照以下结合各附图进行的详细描述，本发明的其他优点将被更好地理解并更易于被认识，其中：

图1是具有加热环路和发电环路的本发明一个实施例的示意图，其中示出了制冷剂的流动和冷却剂的流动；

图2是具有加热环路的本发明一个实施例的示意图，其中示出了制冷剂和冷却剂的流动；

图3是具有圆形横截面的管的横截视图；和

图4是具有星形横截面的管的横截视图。

具体实施方式

本发明涉及需要常年地热散热器的用于发电的任意系统。参照附图，用于产生电力的系统的实施例总体上在图1中显示。所述系统包括冷却环路20和加热子系统22，加热子系统22具有加热环路24和发电环路26。

加热环路24使第一制冷剂沿加热环路24循环，并包括多个日光收集器28、第一热交换器30、和第一制冷剂泵32。日光收集器28收集太阳产生的热能。第一制冷剂通过日光收集器28并吸收热能。结果，热能使液态形式的第一制冷剂蒸发为气态形式的第一制冷剂。在此，气态形式的第一制冷剂具有第一高压。作为示例，第一制冷剂可为水。

第一热交换器30与日光收集器28连通，并从来自日光收集器28的气态形式的第一制冷剂中移走热能。这样，气态形式的第一制冷剂冷凝，以形成液态形式的第一制冷剂，液态形式的第一制冷剂然后通过第一制冷剂泵32被泵送回到日光收集器28，从而完成加热环路24。

发电环路26使第二制冷剂循环通过第一热交换器30，并且与气态形式的第一制冷剂为错流(cross current)方式且具有传热关系。结果，热能从气态形式的第一制冷剂传输到液态形式的第二制冷剂，从而蒸发第二制冷剂，这样形成气态形式的第二制冷剂。在此，气态形式的第二制冷剂具有第二高压。作为示例，第二制冷剂可为R-134a。

发电环路26包括涡轮34、发电机36、第二热交换器38、和第二制冷剂泵40。涡轮34接收第二高压气态形式的第二制冷剂并使其膨胀。这样，产生机械功。发电机36连接到涡轮34，用于通过由涡轮24产生的机械功产生电力。

第二热交换器38从涡轮34接收膨胀的第二制冷剂，并从中移走热能。这样，膨胀的第二制冷剂冷凝，以形成液态形式的第二制冷剂，液态形式的第二制冷剂然后通过第二制冷剂泵40被泵送回到第一热交换器30，从而完成发电环路26。

冷却环路20使液态形式的冷却剂循环通过第二热交换器38，并与膨胀的气态形式的第二制冷剂为错流方式且具有传热关系。结果，热能从膨胀的第二制冷剂传输到冷却剂，从而加热冷却剂，这样形成被加热的液态形式的冷却剂。冷却剂的热导率为k_f，比定压热容为c_p。冷却剂以质量流速m循环。

冷却环路20包括通流器(plenum)42、管44和冷却剂泵46。通流器42接收并储存来自第二热交换器38的被加热的冷却剂。管44具有轴线A、长度L、和外侧半径为r_o且内侧半径为r_i的圆形横截面，如图3中所示。外侧半径r_o被度量为从轴线A沿径向至管44的外边缘，而内侧半径为r_i被度量为从轴线A沿径向至管44的内边缘。外侧半径r_o和内侧半径r_i之差为管44的厚度。由于被加热的冷却剂流过管44，因而热能从被加热的冷却剂中移走并散入地层中。这样，冷却剂被冷却，从而形成冷却的液态形式的冷却剂，冷却的液态形式的冷却剂然后通过冷却剂泵46被泵送回到第二热交换器38，从而完成冷却环路20。

管44由热导率为k_p的材料制成，并沿水平方向以深度D埋置在地层中。作为示例，管44可由聚氯乙烯(PVC)制成。

土壤围绕管44的长度L。土壤具有热导率k_s和宽度为δ_s的径向土壤环区，径向土壤环区从管44径向延伸至从轴线A径向度量的周界半径r_∞的外周界，如图3中所示。如果土壤的热导率k_s大于或等于管44的材料的热导率k_p，则从冷却剂到围绕管44的土壤的散热率将较高。作为示例，具有低于土壤热导率k_s的热导率k_p的PVC管44将比具有高于土壤热导率k_s的热导率k_p的铁管44更有效地散热。

土壤具有混合于其中的空气气体和水汽。空气气体和水汽组合限定了土壤传热系数h_s。

土壤通过沿管44的长度L包围土壤的包围材料48而在管44的长度周围保持就位。这样，包围材料48包容围绕管44的土壤并且使围绕管44的径向土壤环区宽度δ_s保持恒定。如果没有包围材料48，则土壤将会下沉或以其他方式移动，从而使围绕管44的径向土壤环区宽度δ_s变化。包围材料48可为现有技术中已知的任何土木工程织物。

最佳的径向土壤环区宽度δ_s等于周界半径r_∞减去外侧半径r_o，即，δ_s＝r_∞-r_o。从散热的角度来看，周界半径r_∞的最佳值由以下关系给定：r_∞＝k_s/h_s。应注意的是，周界半径r_∞的最佳值与内侧半径r_i和外侧半径r_o无关。以k_s/h_s替换r_∞，则最佳的径向土壤环区宽度δ_s等于k_s/h_s-r_o。

在操作中，管44可通过以下方式埋置：挖掘适合的沟渠，将平坦包围材料48铺设在沟渠底部，在包围材料48顶部上填充土壤以实现围绕管44下半部的适合的径向土壤环区宽度δ_s，在土壤中铺设管44，在管44顶部上填充土壤以实现围绕管44上半部的适合的径向土壤环区宽度δ_s，使包围材料48包围管44，并将包围材料48固定就位。

管44的最佳长度L通过以下公式给定：

$L==\frac{m{c}_p}{2\mathrm{\π}}\{\frac{0.5469}{k_f}+\frac{1}{k_p}\ln \left(\frac{r_o}{r_i}\right)+\frac{1}{k_s}[1+\ln \left(\frac{r_{\∞}}{r_o}\right)]\},$

其中，r_∞＝k_s/h_s。

管44埋置在地层中的最佳深度D通过以下公式给定：

$D=r_o(\sqrt{{\mathrm{\α}}^2-\mathrm{\α}+1}-\mathrm{\α}),$

其中，

$\mathrm{\α}=\exp [\frac{2\mathrm{\π}{k}_{p}L}{{\mathrm{mc}}_p}-\ln \left(\frac{r_o}{r_i}\right)].$

在这一最佳深度D，地层温度常年最低。这样，最佳深度D将对管44传送的冷却剂形成最有效的冷却。作为示例，管44可埋置的最佳深度D大约为6英尺。

这种地冷系统的最佳深度D不同于地热系统的最佳深度。在地热系统中，所希望的是，利用具有较高温度的地层。典型地，地层的地热温度梯度使得地层温度随深度增加而升高。因此，地热系统的传热装置可以比本发明的管44更深地埋置在地层中。更具体地，地热系统的传热装置将埋置在地表下20英尺。进一步地，地热系统的传热装置将沿竖直方向埋置。

可替代地，管44可具有星形的横截面，如图4中所示。这样，管44的表面积增加，由此增加从冷却剂到土壤的散热。包围材料48可以包容围绕管44的土壤，以使围绕星形管44的径向土壤环区宽度δ_s保持不变。在这种情况下，土壤环区宽度δ_s将从星形管44的外侧径向延伸到周界半径r_∞。相应地，可具有公式将径向土壤环区宽度δ_s、长度L和深度D与所述或其他横截面的尺度相关联，从而使径向土壤环区宽度δ_s、长度L和深度D最优化。

在第一实施例中，工作流体，即，通过冷却环路20冷却的流体(在这种情况下为第二制冷剂)，通过第一热交换器30被间接加热。换句话说，第二制冷剂并未通过日光收集器28被直接加热。使用第一热交换器30加热第二制冷剂是有利的，这是因为其减少了系统中制冷剂的总量。

如图2中所示，替代性的第二实施例可具有一种系统，其包括仅具有加热环路24的加热子系统22(即，没有发电环路26)和冷却环路20。在这种实施例中，工作流体，即，通过冷却环路20冷却的流体，由日光收集器28直接加热。

加热环路24使第一制冷剂沿其循环，并包括多个日光收集器28、涡轮34、发电机36、第一热交换器30和第一制冷剂泵32。日光收集器28收集由太阳产生的热能。第一制冷剂通过日光收集器28并吸收热能。结果，热能使液态形式的第一制冷剂蒸发为气态形式的第一制冷剂。在此，气态形式的第一制冷剂具有第一高压。作为示例，第一制冷剂可为R-134a。

涡轮34接收第一高压的气态形式的第一制冷剂并使其膨胀。这样，产生机械功。发电机36连接到涡轮34以通过由涡轮34产生的机械功产生电力。

第一热交换器30从涡轮34接收膨胀的第一制冷剂并从中移走热能。这样，膨胀的第一制冷剂冷凝，由此形成液态形式的第二制冷剂，其然后通过第一制冷剂泵32被泵送回到日光收集器28，从而完成加热环路24。

冷却环路20使液态形式的冷却剂循环通过第一热交换器30，并相对于膨胀的第一制冷剂采用错流方式且具有传热关系。结果，热能从膨胀的第一制冷剂传输到冷却剂，从而加热冷却剂，这样形成被加热的液态形式的冷却剂。冷却剂具有热导率k_f和比定压热容c_p。冷却剂以质量流速m循环。

冷却环路20包括通流器42、管44、和冷却剂泵46。通流器42接收并储存来自第一热交换器30的加热的冷却剂。管44具有轴线A、长度L、和外侧半径为r_o且内侧半径为r_i的圆形横截面，如图3中所示。外侧半径r_o被度量为从轴线A沿径向至管44的外边缘，而内侧半径为r_i被度量为从轴线A沿径向至管44的内边缘。外侧半径r_o和内侧半径r_i之差为管44的厚度。管44将热能从通流器42中的被加热的冷却剂中移走并将热能散入地层中。这样，冷却剂被冷却，从而形成冷却的液态形式的冷却剂，冷却的液态形式的冷却剂然后通过冷却剂泵46被泵送回到第一热交换器30，从而完成冷却环路20。

虽然已经参照示例性实施例对本发明进行了描述，但本领域技术人员应理解的是，在不背离本发明范围的情况下，可进行各种变化，并可将实施例中的各元件替换为等同物。此外，在不背离本发明基本范围的情况下，可对本发明的教示进行多种修改以适应于具体情况或材料。因此，本发明并不仅限于预想作为执行本发明最佳方式而公开的具体实施例，而是，本发明将包括处于所附权利要求书的范围内的所有实施例。

Claims (12)

1.一种用于产生电力的系统，包括：

加热子系统，其设置在地面上，用于产生热能并用于使至少一种流体循环以传送由所述加热子系统产生的热能，

冷却环路，用于使具有热导率k_f和比定压热容c_p的冷却剂以质量流速m循环通过所述冷却环路，并用于从具有轴线、长度L和横截面的含流体的管中移走热能，以将热能散入地层中，

所述管沿水平方向以深度D埋置在地层中，

土壤，其围绕所述管的所述长度L且具有热导率k_s，

所述管由具有小于所述土壤的热导率k_s的热导率k_p的材料制成，

所述土壤具有混合于其中的空气气体和水汽，所述空气气体和所述水汽组合限定了土壤传热系数h_s，和

包围材料，其将围绕所述管的所述长度L的所述土壤包围，用于限定和保持径向土壤环区，所述径向土壤环区具有围绕所述管并从所述管径向延伸到具有周界半径r_∞的外周界的宽度δ_s，所述周界半径r_∞从所述轴线A径向度量。

2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述管的所述横截面为圆形，且这一圆形横截面具有外侧半径r_o和内侧半径r_i，其中径向土壤环区宽度δ_s从所述管的所述外侧半径r_o径向延伸到所述外周界。

3.根据权利要求1所述的系统，其中，所述管的所述横截面为星形。

4.根据权利要求2所述的系统，其中，所述径向土壤环区宽度δ_s等于k_s/h_s-r_o。

5.根据权利要求2所述的系统，其中，所述长度L等于：

$\frac{{\mathrm{mc}}_p}{2\mathrm{\π}}\{\frac{0.5469}{k_f}+\frac{1}{k_p}\ln \left(\frac{r_o}{r_i}\right)+\frac{1}{k_s}[1+\ln \left(\frac{r_{\∞}}{r_o}\right)]\},$ 其中，r_∞＝k_s/h_s。

6.根据权利要求5所述的系统，其中，所述深度D等于：

$r_o(\sqrt{{\mathrm{\α}}^2-\mathrm{\α}+1}-\mathrm{\α}),$ 其中， $\mathrm{\α}=\exp [\frac{{2\mathrm{\πk}}_{p}L}{{\mathrm{mc}}_p}-\ln \left(\frac{r_o}{r_i}\right)].$

7.根据权利要求6所述的系统，其中，所述加热子系统包括用于使第一制冷剂循环的加热环路，所述加热环路具有：

多个日光收集器，用于收集由太阳产生的热能，以将液态形式的所述第一制冷剂蒸发为具有第一高压的气态形式的第一制冷剂；和

第一热交换器，其与所述日光收集器连通，用于从所述气态形式的第一制冷剂中移走热能，从而使所述气态形式的第一制冷剂冷凝以产生液态形式的第一制冷剂；和

第一制冷剂泵，用于将所述液态形式的第一制冷剂从所述第一热交换器泵送到所述日光收集器。

8.根据权利要求7所述的系统，其中，所述加热子系统包括发电环路，用于使液态形式的第二制冷剂相对于所述气态形式的第一制冷剂采用错流方式且具有传热关系地循环通过所述第一热交换器，用于从所述气态形式的第一制冷剂传输热能以蒸发所述第二制冷剂，从而产生具有第二高压的气态形式的第二制冷剂，所述发电环路具有：

涡轮，用于接收所述具有第二高压的气态形式的第二制冷剂并使该第二制冷剂膨胀以产生机械功；和

发电机，其连接到所述涡轮以通过由所述涡轮产生的机械功产生电力；和

第二热交换器，其从所述涡轮接收所述膨胀的第二制冷剂，用于从所述膨胀的第二制冷剂中移走热能，从而冷凝所述膨胀的第二制冷剂以产生液态形式的第二制冷剂；和

第二制冷剂泵，其将在所述发电环路中的所述第二制冷剂从所述第二热交换器泵送到所述第一热交换器。

9.根据权利要求8所述的系统，其中，所述冷却环路使液态形式的冷却剂相对于所述膨胀的气态形式的第二制冷剂采用错流方式且具有传热关系地循环通过所述第二热交换器，用于从所述膨胀的第二制冷剂中吸取热能以加热所述冷却剂，从而形成被加热的液态形式的冷却剂，所述冷却环路具有：

通流器，用于接收和储存所述被加热的冷却剂并用于将所述被加热的冷却剂供应到所述管；和

冷却剂泵，用于将在所述冷却环路中的所述冷却剂从所述管泵送到所述第二热交换器。

10.根据权利要求1所述的系统，其中，所述加热子系统包括用于使第一制冷剂循环的加热环路，所述加热环路具有：

多个日光收集器，用于收集由太阳产生的热能，以将液态形式的所述第一制冷剂蒸发为具有第一高压的气态形式的第一制冷剂；和

涡轮，用于接收所述具有第一高压的气态形式的第一制冷剂并使该第一制冷剂膨胀以产生机械功；和

发电机，其连接到所述涡轮以通过由所述涡轮产生的机械功产生电力；和

第一热交换器，其与所述日光收集器连通，用于从所述膨胀的气态形式的第一制冷剂中移走热能，从而冷凝所述膨胀的气态形式的第一制冷剂以产生液态形式的第一制冷剂；和

第一制冷剂泵，用于将所述液态形式的第一制冷剂从所述第一热交换器泵送到所述日光收集器。

11.根据权利要求10所述的系统，其中，所述冷却环路使液态形式的冷却剂相对于所述膨胀的气态形式的第一制冷剂采用错流方式且具有传热关系地循环通过所述第一热交换器，用于从所述膨胀的第一制冷剂中吸取热能以加热所述冷却剂，从而形成被加热的液态形式的冷却剂，所述冷却环路具有：

通流器，用于接收和储存所述被加热的冷却剂并用于将所述被加热的冷却剂供应到所述管；和

冷却剂泵，用于将在所述冷却环路中的所述冷却剂从所述管泵送到所述第一热交换器。

12.一种用于产生电力的系统，包括：

加热子系统，其设置在地面上，并包括用于使第一制冷剂循环的加热环路，所述加热环路具有：

多个日光收集器，用于收集由太阳产生的热能，以将液态形式的所述第一制冷剂蒸发为具有第一高压的气态形式的第一制冷剂；和

第一热交换器，其与所述日光收集器连通，用于从所述气态形式的第一制冷剂中移走热能，从而冷凝所述气态形式的第一制冷剂以产生液态形式的第一制冷剂；和

第一制冷剂泵，用于将所述液态形式的第一制冷剂从所述第一热交换器泵送到所述日光收集器；

所述加热子系统包括发电环路，用于使液态形式的第二制冷剂相对于所述气态形式的第一制冷剂采用错流方式且具有传热关系地循环通过所述第一热交换器，用于从所述气态形式的第一制冷剂传送热能以蒸发所述第二制冷剂，从而产生具有第二高压的气态形式的第二制冷剂，所述发电环路具有：

涡轮，用于接收所述具有第二高压的气态形式的第二制冷剂并使该第二制冷剂膨胀以产生机械功；和

发电机，其连接到所述涡轮以通过由所述涡轮产生的机械功产生电力；和

第二热交换器，其从所述涡轮接收所述膨胀的第二制冷剂，用于从所述膨胀的第二制冷剂中移走热能，从而冷凝所述膨胀的第二制冷剂以产生液态形式的第二制冷剂；和

第二制冷剂泵，其将在所述发电环路中的所述第二制冷剂从所述第二热交换器泵送到所述第一热交换器；

冷却环路，用于使具有热导率k_f和比定压热容c_p的液态形式的冷却剂以质量流速m循环通过所述第二热交换器，且相对于所述膨胀的气态形式的第二制冷剂采用错流方式且具有传热关系，用于从所述膨胀的第二制冷剂中吸取热能以加热所述冷却剂，从而形成被加热的液态形式的冷却剂，所述冷却环路包括：

通流器，用于接收和储存所述被加热的冷却剂；和

管，其包括轴线、长度L和具有外侧半径r_o和内侧半径r_i的圆形横截面，用于将热能从所述通流器的被加热的冷却剂中移走并散入地层中，从而产生冷却的液态形式的冷却剂；和

冷却剂泵，用于将在所述冷却环路中的所述冷却剂从所述管泵送到所述第二热交换器；

所述管沿水平方向以深度D埋置在地层中，

土壤，其围绕所述管的所述长度L且具有热导率k_s，

所述管由具有小于所述土壤的热导率k_s的热导率k_p的材料制成，

所述土壤具有混合于其中的空气气体和水汽，所述空气气体和所述水汽组合限定土壤传热系数h_s，

包围材料，其将围绕所述管的所述长度L的所述土壤包围，用于限定和保持径向土壤环区，所述径向土壤环区具有围绕所述管并从所述管径向延伸到周界半径r_∞的外周界的宽度δ_s，所述周界半径r_∞从所述轴线A径向度量，

所述径向土壤环区宽度δ_s＝k_s/h_s-r_o，

所述长度 $L=\frac{{\mathrm{mc}}_p}{2\mathrm{\π}}\{\frac{0.5469}{k_f}+\frac{1}{k_p}\ln \left(\frac{r_o}{r_i}\right)+\frac{1}{k_s}[1+\ln \left(\frac{r_{\∞}}{r_o}\right)]\},$ 其中，r_∞＝k_s/h_s，和

所述深度 $D=r_o(\sqrt{{\mathrm{\α}}^2-\mathrm{\α}+1}-\mathrm{\α}),$ 其中 $\mathrm{\α}=\exp [\frac{{2\mathrm{\πk}}_{p}L}{{\mathrm{mc}}_p}-\ln \left(\frac{r_o}{r_i}\right)],.$

Images