CN102203522A - 地下自给式地热发电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自给式地热发电机，其包括：锅炉、透平舱、发电机、冷凝器、电线。冷凝器包括配送器腔、外腔、位于腔之间的管道组。冷凝器的外腔包围并冷却透平、发电机和冷凝器部分的选择器。冷凝器冷却并将使用后的蒸汽转化为液体状态，并将其送回锅炉重新加热。在使用这种地热发电机的方法中，地下预先钻好的井中所容纳的高温岩石，将锅炉的水被转化为高压、过热的蒸汽。蒸汽用于发电，该电力通过电线输送到地表。“双循环”发电装置可通过多个热交换器组成的系统使用多台地热发电机。

Description

地下自给式地热发电机

相关申请的交叉引用

本申请是美国专利申请“SELF CONTAINED IN-GROUNDGEOTHERMAL GENERATOR”的部分延续案，该申请的申请人为Nikola Lakic，申请号为11/770543，申请日为2007年6月28日。

技术领域

一般而言，本发明涉及一种地下自给式地热发电机(self-containin-ground geothermal generator)；本发明同时也涉及有效使用地热能量的方法。

现有技术

地热是一种可更新的能源，其可能由起区域地震和山脉升高的地壳活动所产生。取之不尽的地热可以用来进行地热发电。地球的外壳岩石圈由地壳和上地幔组成，在更热和更有弹性的上地幔区域之上、地壳之下的区域，叫做软流圈。地壳的厚度从几英里到大约150英里不等。被地表之下深处的岩浆加热的石头——有时会达到华氏700度——煮沸蓄积在地下储水层里的水。这种由地热加热的水一部分流经地下的断层和裂缝，到达地球表面，形成温泉或者热的间歇喷泉，但是其中的大部分留在地下深处，蓄积在裂缝和岩石的孔洞中。这种热水的自然蓄积叫做地热蓄积库。人们已经通过自然的温泉来体验地热的这种活动。

当前，人们通过钻井到地热蓄积库将热水输送到地表。在地热发电装置，这种热水以管道抽到地表。然后，除掉二氧化硅以后，生成蒸汽并用蒸汽来使透平旋转以产生机械能。连接透平与发电机的轴将机械能转化为电能。用过的地下热水随后沿着注射井返回储积层重新加热，以维持压力并保持储积层的水量。

有三种地热发电装置。人们根据储积层的温度和压力来选择地热发电装置的种类。1、“干”的地热蒸汽库只产生蒸汽和非常少量的水。蒸汽直接以管道抽到“干”的蒸汽发电装置，以提供驱动透平发电机旋转的力。世界上最大的干的蒸汽田位于TheGeysers，其位于旧金山北部大约90英里。The Geysers的发电开始于1960年，该项目是历史上最成功的可替代能源项目。2、主要提供热水的地热蓄积库叫做“地下热水库”，其用于“闪蒸(flash)”能源工厂。温度在华氏300-700度范围内的水通过生产井输送到地表，在生产井中，由于从深层热水库的压力中释放，一些水通过分离装置除掉二氧化硅以后，瞬间进入蒸汽状态。这些蒸汽为透平提供动力。3、温度在华氏250-360度之间的蓄积库由于不够热，不足以瞬间产生足够的蒸汽，但是仍然可以用于在“双循环(binary)”发电装置中发电。在双循环系统中，地下热水经过热交换器，在热交换器中地下热水的热量被转换进第二液体，例如沸点低于水的异戊烷。当受到加热，第二液体瞬间进入蒸汽状态，其如同蒸汽，向四周扩展，并且驱动透平叶片旋转。异戊烷蒸汽随后凝结为液体，并且反复循环利用。在这个封闭回路的循环圈中，不产生排放到空气中的排放物。

其同时被证明是一种相对清洁的能源。几十年来，位于地震和火山区域的超过30个国家已广泛使用地热能源。

发展地热能源受限于地理位置。地热资源限于地壳板块分界线处的浅层地下热水库。世界上的大部分地热资源位于热干岩石之下(3-6英里)，其没有水，但是却有大量的热量。

当前，世界上许多国家关注热干岩石的热量，以满足其未来的能量需求。世界上的一些地区，蒸汽距离地表不像The Geysers那么近，工程师正在进行名为“热干岩石技术”的实验进程。

在热干岩石地热技术中，位于地壳下方深处的高温岩石里并没有蒸汽，因此美国、日本、英国、法国、比利时和澳大利亚的科学家，已经进行实验，通过管道将水送进这些深埋于地下的高温岩石中，以产生更多的热水资源，供地热发电装置使用。最简单的热干岩石能量工厂包括一口注射井和两口生产井。

他们所尝试的是，向下钻一口注射井到岩石，并且沿着注射井、在压力下、注射他们在地表发现的任何水源，希望这些水能穿过位于高温花岗岩中、作为地下热交换器的、形状不一的裂缝，以提供地下水库，然后在周围钻更多的生产井，试着重新获得这些水和蒸汽，并将其泵送到地表，在常规或“双循环”的发电装置中使用。

18世纪燃煤蒸汽发动机的发明彻底改革了工业生产的方式，并打开了铁路和海运的机械运输大门。尽管石油已经代替了煤成为许多设备的燃料，并且往复式引擎已经让位于蒸汽透平，但使用高压、过热水蒸汽的现代蒸汽发动机，仍然是发电和船舶推进装置的主要能源。

主要用于石油工业和地热工厂的现代钻井，使用旋转钻头进行钻井，其深度可以超过38000英尺(12000米)。可以在地球上钻出直径为5-30英寸(13-76cm)的钻井。钻井技术日新月异。

因此，有必要提供一种地热能源领域的装置和方法，其能使用当今的钻井技术，有效地利用地壳中巨大的热量资源。

发明内容

本发明是一种有效利用无限的地热能量供应的新方法。本发明涉及一种地下自给式地热发电机，其利用可更新的地热资源持续产生电能。该发电机不像现有的地热发电装置那样仅限于利用“浅层”的地下热水库。

通过将带有的绳缆发电机降入预先钻好的井中，使其达到指定深度和指定温度，地热能量就变得可控，发电就变成可行。电能是由位于地下装置中的发电机产生，然后通过电缆向上传送到地表。

相对便宜和清洁的电能持续不断地从可更新的地热热源产生，除了家庭和商业的一般用途外，还可以用于制造氢气，氢气可以作为包括自动化工业的许多实际应用中的清洁能源，或者用于为电动车辆的电池充电，并最终替代接近耗尽的、昂贵的、污染严重的石油、煤和其它用于发电的化石燃料，也可以替代产生有毒废弃物的核电站。

地下自给式地热发电机为细长圆柱形，其纵向布置，可随绳缆系统降低到地下深处预先钻好的井中。该自给发电机包括：具有水的锅炉、透平、齿轮箱、发电机、具有管道系统以将水送回锅炉的冷凝器、用于将电能向上传送到地表的电线、冷却系统，其中冷却系统包括一个独立的封闭回路管道系统，其连接于位于地表的热交换器。

地下自给式地热发电机同时具有结构内筒和结构外筒。结构内筒和结构外筒之间的空间以及位于该空间内的多条管道是冷凝器的一部分，冷凝器用于冷却使用后的蒸汽，并将使用后的蒸汽转化为液体状态并将其作为锅炉给水送回锅炉重新加热。

在这种使用地热发电机的方法中，由于位于地面以下的预先钻好的井中的高温岩石的热量，锅炉中的水被转化为高压、过热的蒸汽。该蒸汽被用于发电，所发的电通过电线被向上传送到地表。

冷却系统是一个封闭回路管道，其通过使水在冷凝器的外腔循环来冷却位于结构外筒和结构内筒之间的冷凝器，随后将热量向上传送到地表。位于地表的热量随后在“双循环”发电装置中通过几个热交换器组成的系统进行额外发电。冷凝器的外腔包围并冷却透平和发电机部分。可选地，位于地表的热交换器可用于加热单独的建筑物。

自给地热发电机的冷却系统是一个独立的封闭回路管道系统，其作为一个可选系统，可以修改为热交换器并独立运行。也就是说，其可以使水通过盘管循环(其位于地下，实现热交换器的功能)，代替使水通过位于外筒和内筒之间的冷凝器循环，然后通过热交换器系统在地表交换热量。这两种封闭回路系统(地下自给式地热发电机的冷却系统和地下的独立热交换器)具有至少一个水泵，以通过管线提供液体循环，并降低封闭回路系统下部的流体静压力。

位于地震火山带的许多国家的许多地区，从地表向下相对较短的距离即可到达高温岩石。

将自给地热发电机降低到地下深处的高温岩石。锅炉的底部部分可以具有垂直的锯齿形凹槽(groves)以增加其传导面，进而增加从高温岩石到锅炉内的水的热传导，该热传导生成高压过热的蒸汽，用来驱动透平转动。

透平的轴是固体轴，并且连接于发电机的转子的轴，该转子的轴为圆筒形轴，其在发电机内转动并发电。圆筒形的转子轴允许蒸汽通过并到达冷凝器的配送器(distributor)。圆筒形的转子轴同时可作为次级透平使用。其内壁连接有次级小叶片，该次级小叶片的位置能增加转子的转动。使用之后的蒸汽随后通过管道系统到达冷凝器，在冷凝器中蒸汽冷凝并通过给水水箱作为锅炉给水回到锅炉。这一过程反复进行，并由两套蒸汽控制阀和锅炉给水泵调节，其中蒸汽控制阀和锅炉给水泵可由压力或温度自动启动，或由传感器和位于地表控制室内的电脑电启动。

位于透平和发电机之间的齿轮箱或转换器的目的，为通过改变发电机的转子的方向抵消旋转的透平产生的扭矩(momentum)。这样发电机的转子的旋转方向与主透平相反。

在整个组件降低到井的底部后，地下自给式地热发电机的锅炉通过单独的管道充满水，以减少下降过程中整个组件的重量。相同的管道也用于供应、维持、调节锅炉内的必要水位。

冷凝器包围和冷却除了锅炉之外的透平和电磁发电机，其被热阻绝热层与外部高温岩石的热量隔绝。附加的外围绝热层可以为铝箔。整个地下自给式地热发电机组件可做防锈处理。

组件的锅炉可以注入除了水以外的其它液体，例如沸点低于水的异戊烷，以使设备在较浅的深度和较低的温度发挥作用。

同样，冷凝器的冷却剂可以为除了水以外的其它沸点高于水的液体。

设备的顶部可以加设递升的变压器；或者递升的变压器可以与组件分离，并用单独的绳缆运载，以降低组件的重量。若需要，可增加几台变压器，并设置于必要的距离(高度)。(变压器在图中未示)。在电力被传送到地表以及向家庭和商业送电的输电线路之前，变压器中的电压增加。

如果需要，在锅炉内有一个安全检查阀门，用于在紧急情况例如控制阀故障时，释放蒸汽。

组件的每个部分均有凸出的紧固销，以便于在下降或提升组件的过程中，能用单独的绳缆吊起部分组件，从而降低主绳缆的拉力。

内筒和外筒之间有结构骨架，以提高组件在高压环境下的结构完整性。

在准备下降的过程中，所有的部分可以在地面上焊接或者栓接。

所有的承重绳缆、供水管道、冷却剂管道、控制线路和电线都具有合适的长度，以方便连接和重新连接。

钻井完成之后，长期性或暂时性的塔可以建有滑轮系统，以降低或提升组件。

地热能量的潜力是巨大的。地球具有无限的能量供应。问题在于，直到现在，如何有效利用这种能量。

使用本发明，地下自给式地热发电机，人们将能够利用蕴藏于地壳中的巨大能量资源。

本发明的一个目的是提供相对便宜和清洁的电能的方法，该电能由可更新的地热热源不断生成——不限于“浅层”地下热水库。除了家庭和商业的普通用途，还可以用于制造氢气，氢气可以作为包括自动化工业的许多实际应用中的清洁能源，甚至代替接近耗尽的、昂贵的、污染严重的石油、煤和其它用于发电的化石燃料。也可以代替产生有毒废弃物的核电站。

本发明的另一个目的是提供一种地下自给式地热发电机。

本发明进一步的目的是提供一种地热发电机，其纵向布置，包括具有水的锅炉、透平、发电机、冷凝器，其中冷凝器带有管道系统，以使锅炉给水流回锅炉。

本发明进一步的目的是提供齿轮箱(转换器)，其位于透平和发电机之间，通过改变发电机的转子的方向，使其旋转的方向与主透平的方向相反，以抵消旋转的透平产生的扭矩。

本发明的另一个目的是冷却系统为独立的封闭回路管道，其具有至少两个热交换器：位于井下的第一热交换器和位于地表的第二热交换器。第一热交换器通过使冷水经过冷凝器的外腔循环(冷凝器位于外筒和内筒之间)，从冷凝器吸收热量，然后将热量向上传送到地表，在地表通过为盘管的第二热交换器进行热量交换，然后冷却后的水再次回到冷凝器。

本发明进一步的目的是独立的封闭回路管道，其具有至少一个泵以使水经过系统循环，并降低流体静压力。

本发明进一步的目的是可选的、独立的封闭回路管道，其至少具有两个热交换器：第一个热交换器为位于井下的盘管，第二个热交换器是位于地表的盘管。第一个热交换器通过使冷水经过热交换器(盘管)循环，从周围的高温岩石吸收热量，然后将热量向上传输到地表，在地表热量通过第二热交换器(盘管)进行交换。

本发明进一步的目的是独立的封闭回路管道具有至少一个泵，以使水经过系统进行循环，并降低流体静压力(管道内的速度和压力是常量。P(压力)×V(速度)＝常量。更大的速度＝更小的压力)

本发明进一步的目的是两个封闭回路系统中的每一个(地下自给式地热发电机的冷却系统和独立的地下热交换器)，均提供细长圆柱形的设计，其能在单独的井中发挥作用。

本发明的另一个目的为提供带有冷却腔的结构外筒和结构内筒，冷凝器位于二者之间，其环绕并冷却透平和发电机部分。

本发明进一步的目的是结构外筒和结构内筒设置有结构骨架，以提高组件在高压环境下的结构完整性。

本发明进一步的目的是所有的承重绳缆、供水管道、冷却剂管道、控制电线、电线均具有合适的长度，以能够方便的连接和重新连接绳缆连接平台。

本发明进一步的目的是锅炉的结构外筒具有外部和内部的锯齿形凹槽，以增加传导面，增加从水到锅炉的热传导。

本发明的另一个目的是可以在整个组件降低到井的底部以后，通过单独的软管向地下自给式地热发电机的锅炉注水，以降低下降过程中的整个组件的重量。

本发明的另一个目的是地下自给式地热发电机的锅炉内的必要水位可以通过位于地表的控制室提供并调节。

本发明进一步的目的是冷凝器包围并冷却除了锅炉的整个设备，其被热阻绝热层与外部的高温岩石的热量隔绝。

本发明的另一个目的是组件的每个部分均设有凸出的紧固销，其可以被单独的次绳缆吊起，以在下降或提升组件的过程中，减少主绳缆的拉力。

本发明的一个目的是通过将设备用绳缆降低到预先钻好的井中具有指定温度的指定高度，地热能量变得可控，并能得到相对便宜的电能。

本发明进一步的目的是由位于地下的设备中的发电机发电，并通过电线将所发的电传送到地表。

本发明进一步的目的是如果地热发电装置位于多风区域，组装的塔可以作为风力机平台，

本发明进一步的目的是这种发电的方法可以用于可能发生的地球气候危机，例如冰河世纪中，在使用人造光和热的温室中继续进行的快速农业。

本发明进一步的目的是使用地下自给式地热发电机进行发电的方法可以用于具备地热潜能并且日光不足的其它行星。

本发明的上述以及其它特征和优点，将随着结合附图对本发明的具体实施方式的详细描述更加清楚。

附图说明

以下借助附图进一步说明本发明，其中：

图1是本发明的地下自给式地热发电机的横截面示意图，其显示有主要部分；

图2是本发明中图3所示的地下自给式地热发电机沿着线1-1’的横截面示意图；

图3是本发明中图2所示的地下自给式地热发电机沿着线3-3’的冷凝器配送器的横截面示意图；

图4是本发明中图2所示的地下自给式地热发电机沿着线4-4’的冷凝器和发电机的横截面示意图；

图5是本发明中图2所示的地下自给式地热发电机沿着线5-5’的放大的横截面示意图，其显示了冷凝器和齿轮箱；

图6是本发明中图5沿着线6-6’的横截面示意图；

图7是本发明中图5沿着线7-7’的横截面示意图；

图8是本发明中图5沿着线8-8’的横截面示意图；

图9是本发明中图2沿着线9-9’的冷凝器和透平的横截面示意图；

图10是根据本发明的图2沿着线10-10’的给水水箱和透平的横截面示意图；

图11是根据本发明的图2沿着线11-11’的锅炉的横截面示意图；

图12是根据本发明的地下自给式地热发电机的横截面示意图，其带有包括位于地表的热交换器的主要部分；

图13是根据本发明的可选的独立热交换系统，其带有包括封闭回路管道、一个位于地下深处的热交换器、一个位于地表的热交换器的主要部分；

图14是根据本发明的位于地表的双循环地热发电装置的横截面示意图；

图15是根据本发明可选的位于地表的双循环地热发电装置的横截面示意图；

图16是根据本发明的具有24口井和控制中心的地热发电装置的平面示意图；清楚简要起见，只显示了四分之一发电装置(6口井)的示意图；

图17是根据本发明的图16中所示地热发电装置一部分的放大示意图；

图18是根据本发明的图16和图17中所示一个热交换器箱的平面放大示意图；

图19是根据本发明的图18沿着线19-19’的热交换器箱的放大的横截面示意图；

图20显示了根据本发明的一种用于组装、降低、提升地下自给式地热发电机的可选择的塔的横截面；

图21显示了根据本发明的一种用于组装、降低、提升地下自给式地热发电机的可选择的、安装有风力机的塔的横截面。

具体实施方式

参考图1，地下自给式地热发电机为细长圆柱形，其纵向布置，可随绳缆系统降低到地下深处预先钻好的井中。图中所示为本发明地下自给式地热发电机100的横截面，包括其主要部分。组件100的主要部件有：锅炉120、透平舱130、齿轮箱或者转换器140、发电机150、冷凝器/配送器160、绳缆及管道系统170，其中绳缆和管道系统170包括用于将电能向上输送到地表的电线。

参考图2，其为图1所示的地下自给式地热发电机100沿着图3中线2-2’的放大的横截面示意图。组件100的主要部件有：锅炉120、透平舱130、齿轮箱或者转换器140、发电机150、冷凝器160、绳缆及管道系统170。其中冷凝器160带有配送器腔61和外腔68，外腔68带有管道组系统62，用于将用完的、冷凝后的蒸汽输送回锅炉，作为锅炉给水。

绳缆及管道系统170包括次承重(caring)绳缆74，主承重绳缆75、控制绳缆76、锅炉供水管道121、冷却系统管道72、中心电线77，其中中心电线77用于将电能向上输送到地表。

锅炉120包括具有水箱区域122的下部和具有蒸汽区域124的上部。组件100具有钩孔71，能通过钩子73和绳缆75连接，或者通过滑轮和绳缆组成的系统连接，然后降低到地下深处预先钻好的井里，到达一定的深度，使被地下深处的岩浆加热的岩石煮沸锅炉120下部水箱区域中的水。锅炉120上部蒸汽区域124里的蒸汽同时也被周围的高温岩石加热，生成过热的蒸汽。高压过热蒸汽经过蒸汽控制阀88进入透平舱130，透平舱130具有叶片32，其连接于固体轴34并驱动轴34旋转。透平的固体轴34通过齿轮箱或者转换器140连接于发电机150的圆筒形轴52。来自透平舱的蒸汽通过开口36以及发电机150的圆筒形轴52进入冷凝器160的配送器腔61。使用过的蒸汽随后开始冷凝，并且通过开口63进入管道组62，流回到给水箱110中，然后通过锅炉给水泵112和锅炉给水管道114被泵送到锅炉120中。

这里同时显示了结构外筒90和结构内筒80。冷凝器160的外腔68位于结构外筒90和结构内筒80之间的空间。如上文所述，外腔68内具有管道组62。外筒和内筒之间有结构骨架(rid)85，以在高压环境下提高组件的结构完整性。骨架85上具有用于水循环的孔87(为了图示的清楚简要，骨架85在图1和图2中未示)。

冷却系统是独立的封闭管道回路，其包括至少两个热交换器，第一个在井下，第二个在地表。第一个热交换器通过使冷水经过冷凝器的外腔循环，从冷凝器吸收热量(冷凝器外腔位于外筒和内筒之间)，然后将热量向上输送到地表，在地表热量通过第二热交换器进行交换(第二热交换器是盘管)，然后冷却后的水再次回到冷凝器。

冷却系统包括封闭回路管道72、位于地下深处的第一热交换器(其为冷凝器160的外腔68)、位于地表的第二热交换器(盘管182)。(图12显示了位于地表的盘管182)。

封闭回路管道72通过冷却水泵172和174连接于冷凝器160的外腔68。冷却水泵172通过管道178向外腔68的底部注入冷却后的水。水经过冷凝器160的外腔68循环，使冷凝器冷却。自然上升到外腔68上部的热水，通过水泵174注入管道72的另一端并且被输送到地表，在地表热量通过盘管182进行交换(盘管182是热交换器184的一部分)，然后使冷却后的水流回冷凝器160的外腔68。地表的热量随后通过由几个热交换器组成的系统，用于在“双循环”发电装置进行额外发电。(如图12-19所示)

外腔68为冷凝器160的一部分，其布置的策略为除了冷却冷凝器160，同时还环绕、冷却并防止透平130、齿轮箱/转换器140、电磁发电机150过热。

封闭回路管道72具有至少一个整齐(in line)的水泵172(优选为几个)，以通过管线提供水循环，并降低封闭回路系统中较低部分的流体静压力。如果必要的话，几个封闭回路管道72可以组装到一起以加速冷却和热交换的进程。管道内的速度和压力是常量。P(压力)×V(速度)＝常量。更大的速度＝更小的压力。

作为一种替代的解决方案，冷凝器160的外腔68可由附加的独立盘管(热交换器)以及与图13所示相似的封闭回路系统供水并冷却。

锅炉120的外壁可以具有锯齿形凹槽以增加传导面，并增加向锅炉内的水传导的热量(简要起见，图中未示)。

在地下自给式地热发电机100的整个组件降低到井的底部以后，锅炉120通过管道121充满水，以减少下降过程中组件的重量。图中所示为连接到设备的两条管道121，一条向锅炉120中供应水，另一条用于在充水过程中使空气溢出。管道121的另一个重要目的是供应、保持、调节锅炉120中的必要水位。

组件100的所有主要部件：锅炉120、透平舱130、齿轮箱或转换器140、发电机150、冷凝器/配送器160，可以在下降过程中通过合并同种类的多个部分，组装为指定的长度和体积。该合并过程可为栓接或焊接。

组件每个部分都有伸出的紧固销(holding pin)，以便于用单独的次绳缆74拉动，以降低下降或提升组件过程中主绳缆75的拉力。

冷凝器68位于结构外筒90和结构内筒80之间，包围和冷却除了锅炉120的整个设备，其与高温岩石之间设置有热阻绝热层92(tick layer of heat resistantinsulation)，以隔绝高温岩石产生的外部热量。

若需要，锅炉120具有安全检查阀门126以在控制阀门故障等紧急情况下释放蒸汽。

齿轮箱或者转换器140位于透平130和发电机150之间，其目的是通过改变发电机150的转子54的方向，抵消(neutralize)透平33旋转产生的扭矩。这样发电机150的转子54的旋转方向与透平33相反。

参考图5-8，透平轴34的上端固接于圆盘/平台35，该圆盘/平台35延伸到齿轮箱140的外筒41，透平轴34的上端与齿轮箱140牢固连接，并与轴承42和齿轮组43组成的系统啮合。齿轮箱牢固连接到主结构圆筒80。圆盘/平台35具有几个开口36，用于使蒸汽溢出透平舱。圆盘/平台35同时向上伸成漏斗39状，以使蒸汽集中到发电机150的圆筒形轴52。转子54的圆筒形轴52也用作次级透平。其具有次级小叶片58，该小叶片58连接于内壁并且位于当蒸汽经过时增加转子转动的位置。

圆盘/平台35通过齿轮组43与上方的圆盘/平台37啮合，齿轮组43通过其轴/销44与齿轮箱140的外筒41牢固连接。位于上方的圆盘/平台37也通过轴承46与漏斗39的上部38啮合，通过轴承47与齿轮箱140的外筒41啮合，并且与发电机150的圆筒形轴52固定连接。圆盘/平台35和圆盘/平台37均具有刻槽45，其与齿轮组43啮合并配合(correspond)。

图3是图2沿着线3-3’的冷凝器/配送器的横截面示意图。图3显示了主结构内筒80、结构外筒90、冷凝器/配送器61、冷凝器160的外腔68，其环绕冷凝器/配送器61。这里同时显示了管道组62，其在外腔68内环形排布。用完的蒸汽经过开口63，开口63通向管道组62，管道组62将冷凝后的水送回锅炉120。这里同时显示了将发电机150与冷凝器160分开的固体圆盘/平台94。圆筒形轴52的上端通过轴承96与圆盘/平台94牢固连接并啮合。

这里同时显示了管道178，其在外腔68的底部供给冷却后的水。这里同时显示了锅炉给水管道121，其用于当组件下降到井里以后，将锅炉充满水。这里同时显示了位于外筒和内筒之间的结构骨架85，其用于在高压环境下提高组件的结构完整性。这里同时显示了凸出的紧固销66，其用于在降低或提升组件的过程中，用次绳缆74吊住组件的每个部分，以降低主绳缆75的拉力。

这里同时显示了电线77，其将发电机150发的电向上输送到地表，并进一步输送到输电线路。这里同时显示了热阻绝热层92，其包围除了锅炉120的整个组件。

图4是图2沿着线4-4’的发电机150的横截面示意图。图4同时显示了主结构内筒80、结构外筒90、冷凝器160的外腔68(管道组62在外腔68内环形排布)。这里同时显示了圆筒形轴52、固定在轴52上的发电机150的转子54、固定在主结构内筒80上的发电机150的定子56。这里同时显示了用于吊起每个部分的凸出的紧固销66，但是相对于临近的部分偏移，以使次绳缆74能环绕组件的周围排布。这里同时显示了具有穿孔87的结构骨架85、电线77、锅炉给水管道121、管道178、绝热层92。

图9是图2沿着线9-9’的冷凝器和透平的横截面示意图。

图9同时显示了主结构内筒80、结构外筒90、冷凝器160的外腔68(管道组62在外腔68内环形排布)。同时显示了带有穿孔87的结构骨架85。

这里同时显示了带有叶片32的固体透平轴34、锅炉给水管道121、管道178、绝热层92。这里同时显示了用于吊起每个部分的凸出的紧固销66，但是相对于临近的部分偏移。

图10是图2中的给水水箱和透平沿着线10-10’的横截面示意图。图10同时显示了主结构内筒80和结构外筒90，在这个位置，设置有给水水箱110。这里同时显示了锅炉给水泵112，其位于给水水箱110内，并向锅炉120里注水。这里同时显示了蒸汽控制阀88，其控制蒸汽流进入透平33。这里同时显示了水泵116，其位于透平舱130底部的圆盘/平台82上。水泵116的目的是如果超量的水聚集到透平舱130的底部，则将该超量的水去除，并且将其从管道117中喷到给水水箱110中(清楚简要起见，图2中未示水泵116)。这里同时显示了水泵/阀125和管道121，其供应、维持并调节锅炉120中的必要水位。这里同时显示了透平33的固体轴34，及其轴承84和96，轴34位于轴承84和96上并与圆盘/平台82牢固连接。这里同时显示了绝热层92。

图11是图2中的锅炉沿着线11-11’的横截面示意图。这里显示了锅炉120的外壁/筒128。这里同时显示了前述利用次绳缆吊起组件的每个部分的凸起的紧固销。这里的紧固销66显示为杆65的延伸。杆65上具有孔118，用于将给水管道114导入锅炉120的下部122。

这里同时显示了安全释放阀126和加固板129。

图12是地下自给式地热发电机的横截面示意图，其带有包括位于地表的热交换器的主要部分。图12显示了锅炉120、透平130、齿轮箱140、发电机150、冷凝器160。这里同时显示了冷凝器160的外腔68，其通过分布于其内的冷却管道组62实现热交换器的功能(清楚简要起见，这里未显示管道组62)。这里同时显示了盘管182，其在位于地表的热交换器184内交换热量，热交换器184是双循环地热发电装置180的一部分，双循环地热发电装置180将在附图14中详细介绍。冷凝器160的外腔68(其在组合的下部实现热交换器的功能)与盘管182(其在地表的热交换器184中交换热量)通过封闭回路管道72(其暴晒于阳光中，以避免在传输中丢失热量)连接。这里同时显示了几个水泵172和174，其使水通过封闭回路系统循环。这里同时显示了绳缆连接平台176，其连接了部分管道和绳缆。这里同时显示了主绳缆75和绝热层92。

图13是可选的、独立的热交换系统的横截面示意图。其主要部件包括：封闭回路管道、位于地下深处的第一热交换器、位于地表的第二热交换器。图13显示的是图12所显示的冷却系统的相同部件，即，位于地下深处的第一热交换器、位于地表的第二热交换器、带有几个水泵的封闭回路管道，其中水泵使水经过封闭回路系统循环。

在本实施方式中，代替作为热交换器的外腔68，而使用盘管168作为热交换器。热交换器168包括：狭管189、盘管188、构造管187和平台186。为设备提供动力的构造管187与平台186连接。构造管187的底部有一个开口，用于狭管189伸出；构造管187的顶部有一个开口，用于狭管189伸入。如果需要，构造管187可以有更多穿孔，以减少其自身重量并为狭管189提供更多热量。这里同时显示了构造管187的基座185，其支撑了整个组件。

在地下作为热交换器的盘管168和在地表作为热交换器的盘管182均与封闭回路管道72相连。这里同时显示了几个水泵172和174，其使水通过封闭回路系统循环。来自井内深处高温岩石的热量通过热交换器168被吸收，并且随着管道72(house)向上运送到地表的热交换器184，在这里热量被转换进第二液体，例如沸点低于水的异戊烷。热交换器184是双循环地热工厂180的一部分，双循环地热工厂180将在图14中详细介绍。

这里同时显示了绳缆连接平台176，其连接了绳缆75和管道72的一部分。

图13所示的热交换系统，是地下自给式地热发电机的可选的冷却系统，其也可以作为可选的、独立的热交换系统，其将成为所谓的“热干岩石技术”实验进程的实质改进。

最简单的“热干岩石技术”电力工厂包括一口注射井和两口生产井。科学家们正在尝试向下钻一口注射井到岩石，并且沿着注射井、在压力下，注射他们在地表发现的任何水源，希望这些水能穿过位于花岗岩中、作为地下热交换器、形状不一的裂缝，以形成地下储积层，然后试图在周围钻一些生产井，试着重新获得这些水和蒸汽，并将其泵送到地表，在常规或“双循环”的能源工厂中使用。

双循环装置使用低温但是更普遍的热水资源(华氏100-300度)。热水流经热交换器，该热交换器与具有低沸点(通常是烃例如异丁烷或者异戊烷)的第二流体(所以称“双循环装置”)连接。第二流体蒸发以后，驱动透平旋转，而透平驱动发电机。留下的第二流体通过热交换器回收。地热流体冷凝后回到储积层。

当前的实验“热干岩石技术”是否能如期望般起作用，并且克服以下几个特殊的挑战，还有待观察：1、在没有自然水积累的地区，需要大量水以形成位于地下深处的、人工的地下热水库。2、会不会有大量的水丢失、被吸收进位于不同方向的岩石中。3、如果有的话，多少水能穿过高温岩石中形状不一的缝隙到达生产井。4、如果有的话，多少水能重新获得并泵送到地表，在常规或“双循环”型发电工厂中使用。5、同样，在穿过生产井将水向上泵送到地表的过程中，水将会经过逐渐降温的岩石层和完全经过低温的岩石层；在水上行的过程中，会有多少热量和水丢失、被吸收进岩石中。

图13所示的热交换系统是一个简单的系统，其全程使用相同量的水，因为其是真正的封闭回路系统，不但位于地表的第二(binary)部分是，而且位于地下的部分也是。其不负责用分离器从地热流体中去除二氧化硅和矿物质。

因为水经过盘管和管道循环，所以不会在高温岩石的缝隙中流失水。因为管道是绝缘的，所以上行过程中的热量损失有限。不需要钻几口井(注射井和几口生产井)以发挥作用，每台设备只使用一口井。

图14是双循环地热发电装置180的横截面示意图。其显示的是：热交换器184、透平230、冷凝器260、发电机250。来自地下深处的热水经过封闭回路管道72进入热交换器184内的盘管182，在热交换器184中热量被转换进第二液体，例如沸点低于水的异戊烷。当受到加热，该第二液体瞬间进入蒸汽状态，如同蒸汽，向四周扩散，经过蒸汽管道222和控制阀288，然后驱动透平230旋转。用完的蒸汽在冷凝器260中被冷凝为液体，并通过给水管道214和锅炉给水泵212被泵送回锅炉220。在这个封闭回路循环中，蒸汽反复利用并且没有排放到空气中的排放物。透平230的轴与发电机250的轴相连，驱动发电机250的轴旋转并发电，发电机发的电随后通过电线277到达变压器和输电网络到达用户。(变压器和输电网络未示)

图15是地热发电装置190(不是双循环发电装置)的横截面示意图，作为当来自管道72的水未达到产生蒸汽的温度时的替代解决方案(其可能适用于图13中所示的替代的、独立的热交换系统)。这里显示的是：锅炉220、透平230、冷凝器260及发电机250。来自地下深处的热水经过封闭回路管道72到达锅炉220，在锅炉220里蒸发。随后蒸汽经过蒸汽管道222和控制阀288，驱动透平230旋转。用完的蒸汽在冷凝器260中被冷凝为液体，并被泵送回封闭回路管道72，该管道72通向前述的井。这里同时显示了给水管道214和水泵212，其均为封闭回路系统的一部分。这里同时显示了透平230的轴，其与发电机250的轴相连，驱动发电机250的轴旋转并发电。发电机发的电随后通过电线277到达变压器和输电网络到达用户。(变压器和输电网络未示)

图16和图17所示的是根据本发明地热发电装置300的平面图，其具有24口井和控制中心200。清楚和简要起见，这里显示的是工厂四分之一的示意图，6口井19-24，三个双循环发电设备132、142、152。发电装置的其它四分之三和所显示的四分之一是一样的。

如前所述，地下自给式地热发电机100的冷却系统，是一个封闭回路管道系统，其通过使水循环经过冷凝器160的外腔68来使冷凝器冷却，冷凝器160位于外筒90和内筒80之间，然后将热量向上转移到地表。位于地表的热量随后经过几个热交换器系统，用于在“双循环”发电装置中进行额外发电，然后作为冷却水返回到冷凝器160的相关外腔68。

这里显示的是“双循环”发电单元132、142、152，其连接位于井19-24内的六台地下自给式地热发电机。

三个双循环发电单元包括：锅炉133、143、153，透平134、144、154，发电机135、145、155。

双循环发电单元132的锅炉133具有六个热交换盘管319、320、321、322、323和324，其连接于地下自给式地热发电机的冷凝器160，和封闭回路系统管道的一端一起位于井19、20、21、22、23、24内。

在封闭回路系统管道的其它端到达位于井19、20、21、22、23、24内的地下自给式地热发电机的冷凝器160并且完成封闭回路循环之前，其也经过双循环发电单元142和152的锅炉143和153。其目的在于进行热交换并在地表的双循环发电单元中尽可能多地使用所交换的热量，并将冷却后的水送回冷凝器160。为清楚和简要起见，辐射管未示出，并且经过管道的流动方向用箭头标志标出。

双循环发电单元142的锅炉143也具有六个热交换盘管419、420、421、422、423和424。

双循环发电单元152的锅炉143也具有六个热交换盘管519、520、521、522、523和524。

双循环发电单元132的锅炉133产生的蒸汽温度最高，因为其为热交换的第一站，热量通过热交换盘管319、320、321、322、323和324进行热交换。

双循环发电单元142的锅炉143是第二站，在这里热量通过盘管419、420、421、422、423和424进行热交换，并且蒸汽的温度低于锅炉133。

双循环发电单元152的锅炉153是第三站，在这里热量通过盘管519、520、521、522、523和524进行交换，并且蒸汽的温度低于锅炉143。

双循环发电单元132、142、152设计为在不同的蒸汽温度和压力下运行。

作为一种替代的解决方案，来自锅炉133、143、153的蒸汽，其涉及不同的温度和压力，可以集中到一个单独的双循环发电单元，该单独的双循环发电单元具有单独的透平和发电机。

作为一种替代的解决方案，在水离开双循环发电单元152的盘管519、520、521、522、523和524后，如果水依然是高温，如果可行的话，可用流动的水来冷却管道72，或者用来加热建筑物。

图17是图16中所示的地热发电工厂300的一部分的放大示意图。

图18是图16、17所示的双循环发电单元132的锅炉133放大的平面示意图。这里所示的是热交换盘管319、320、321、322、323、324和主蒸汽管道222。

图19是图18所示的双循环发电单元132的锅炉133沿着线19-19’的放大的横截面示意图。这里同时显示了热交换盘管322、323、324，通过该热交换盘管322、323、324热量被转移进第二液体，例如沸点低于水的异戊烷。当受到加热，该第二液体瞬间进入蒸汽状态，其类似蒸汽，向四周扩散(expand across)，经过蒸汽管道222(该过程在前面图13、14所示的双循环发电装置中已介绍)。这里同时显示了给水管道214，用完的蒸汽通过该给水管道214返回锅炉133重新加热。

图20显示了用于装配、降低或提升地下自给式地热发电机100的可选的塔240的横截面示意图。这里显示的是塔240的结构框架249。这里同时显示了井19、井的内衬247、基础平台248、用于主绳缆74和次绳缆75的滑轮(ratchet)242及246系统(绳缆未示)。

图21显示了用于装配、降低或提升地下自给式地热发电机100的可选的塔241的横截面示意图，其上带有风力机245。当地热发电工厂位于多风区域时，该风力机245可以作为额外的能量来源。塔241与图20所示的塔240类似，其具有附加的扩展部件235。这里同时显示了结构框架249、井19、井的内衬247、基础平台248、用于主绳缆75和次绳缆74的滑轮242和246系统(绳缆未示)。这里同时显示了常规发电机，其具有齿轮箱244和叶片243。这种附加设置的目的是将组装的塔同时作为一个风力机平台。可以理解塔241可以是长期的，也可以是暂时的。

本发明介绍了一种如何使用无限的地热能源的方法，这种方法迄今尚无人使用。本发明介绍了如何使用我们星球内部的热量，在地下深处发电并通过电线将发的电传送到地表。本发明介绍了地下自给式地热发电机，介绍了其基本部件，基本部件的形状、结构、相互之间的配合、作用。

在本介绍中，透平、发电机、泵、控制阀、安全释放阀未详细介绍，但是有许多用于发电装置、蒸汽机、海事工厂及类似环境的可靠的、阻热的、自动的、快速反应的泵、控制阀、透平、发电机，这些部件可能适用于本发明的实施方式中。此外，根据本发明的特殊实施方式，间隔的长度不限于本发明公开的附图中描绘的特定尺寸，而是可以为任意需要的长度。

本发明的部件的尺寸，例如直径，限于当今的钻井技术，井的直径以及组件的实际重量。

此外，本发明的特殊实施方式可以使用绳缆、锁链或其它合适的装置以将地热发电机降低到预先钻好的井中。

这里披露了具体实施方式和实施例，以最好地解释本发明及其具体应用，并使本领域的普通技术人员能够制造和使用本发明。然而，本领域的普通技术人员应该认识到，前面的详细描述和介绍实施例的目的，仅仅是为了清楚披露本发明。该描述不是为了穷举本发明或限制本发明于公开的内容。在不脱离本发明的精神和范围的前提下，可以根据上述教导做出许多修改和变化。

Claims (29)

1.一种利用自给式地热发电机的方法，其包括：

将地热发电机从地表向下降低到指定的深度，在所述指定的深度处周围的高温岩石具有指定的温度；

利用容纳于所述自给式地热发电机内的水形成蒸汽；

利用所述的蒸汽形成电能；

将所发的电能从所述指定的深度传输到地表。

2.如权利要求1所述的方法，其进一步包括：使所述蒸汽从所述自给式地热发电机的锅炉舱流动到所述自给式地热发电机的透平舱。

3.如权利要求2所述的方法，其进一步包括：使所述蒸汽从所述透平舱经转换器和发电机而到达冷凝器。

4.如权利要求3所述的方法，其进一步包括：使所述蒸汽冷凝，并使冷凝后的蒸汽从冷凝器流动到所述锅炉舱。

5.如权利要求4所述的方法，其中，使冷凝后的蒸汽流动的步骤进一步包括：使冷凝后的蒸汽经过管道组，该管道组在所述自给式地热发电机里构成封闭回路。

6.如权利要求5所述的方法，其中，所述管道组位于所述冷凝器内，所述冷凝器位于内筒和外筒之间的空间内。

7.如权利要求6所述的方法，其进一步包括：使冷却的水循环到所述内筒和外筒之间的空间，以冷却所述自给式地热发电机的冷凝器。

8.如权利要求7所述的方法，其中，水的循环是响应于水泵的启动而发生的。

9.如权利要求2所述的方法，其进一步包括：除锅炉外使所述自给式地热发电机的所有部件隔热。

10.如权利要求1所述的方法，其中，传输电能的步骤进一步包括：将电线连接到所述自给式地热发电机，其中，所述的电线从指定的深度延伸到地表。

11.如权利要求1所述的方法，其中，形成电能的步骤进一步包括：使用所述蒸汽驱动透平旋转。

12.如权利要求1所述的方法，其进一步包括：通过使用所述地热发电机的封闭回路管道在地表进行换热。

13.如权利要求12所述的方法，其进一步包括：传送热量，以供外部使用。

14.一种地热发电机，其包括：

容纳水的锅炉；

透平舱，其具有至少一个带有透平轴的透平；

发电机；

冷凝器，其具有配送器腔和外腔，其中，一组管道容纳于所述外腔之内，并连接到所述配送器腔；

电线；

其中，所述的锅炉能用水产生高压过热的蒸汽，所述蒸汽经过阀门进入所述透平舱；

所述至少一个透平响应蒸汽流经所述透平舱而旋转；

所述发电机响应所述至少一个透平的旋转而运行；

所述电线响应所述发电机的运行，而传送电能；

所述蒸汽经过所述冷凝器的配送器腔，当所述蒸汽经过位于所述外腔内的管道组时，所述配送器腔适于将所述蒸汽冷凝为水、并凝结于所述锅炉内。

15.如权利要求14所述的地热发电机，其进一步包括绝热层，所述绝热层包围所述地热发电机除锅炉外的所有部件。

16.如权利要求14所述的地热发电机，其进一步包括齿轮箱，所述齿轮箱机械连接于所述透平的透平轴和所述发电机之间，其中，所述齿轮箱使所述发电机的旋转方向与所述透平的旋转方向相反，以使所述透平的扭矩被所述发电机的扭矩抵消。

17.如权利要求14所述的地热发电机，其进一步包括位于所述地热发电机每个部分的多个紧固销，所述多个紧固销连接到多条单独的次绳缆，其中，在降低或提升地热发电机的过程中，所述多条次绳缆能降低主绳缆的拉力。

18.如权利要求14所述的地热发电机，其进一步包括第一管道和第二管道，所述第一管道使水流进锅炉，所述第二管道使空气流出锅炉，所述锅炉内的水位能响应于经第一管道流进锅炉的水和经第二管道流出锅炉的空气而被调节；其中，所述锅炉能在降到井内后充满水。

19.如权利要求14所述的地热发电机，其进一步包括连接于配送器腔和外腔之间的结构骨架，以提高所述地热发电机在高压环境下的结构完整性。

20.如权利要求14所述的地热发电机，其进一步包括风力机，其机械连接于系统，以提供额外的产生能量的方法。

21.一种地热发电机，其包括：

封闭回路管道，该封闭回路管道包括：在所述地热发电机内、位于地下的热交换器以及位于地表的热交换器；

水泵，其使水经过所述封闭回路管道流动。

22.如权利要求21所述的地热发电机，其中，位于地下的热交换器为盘管。

23.如权利要求21所述的地热发电机，其中，位于地表的热交换器为盘管。

24.如权利要求21所述的地热发电机，其进一步包括在所述位于地表的热交换器内的第二液体，该第二液体的沸点低于水。

25.如权利要求24所述的地热发电机，其中，所述的发电机适于连接到双循环地热发电装置。

26.一种地热发电装置，其包括：

多台地热发电机，每台地热发电机可移动地容纳于一口井内；

多个双循环发电单元，其连接于所述多台地热发电机，每个双循环发电单元对应于几台地热发电机；其中，每个双循环发电单元包括：

具有多个热交换器的锅炉；

透平；

冷凝器；和

发电机。

27.如权利要求26所述的发电装置，其中，所述多个热交换器连接于多个地热发电机的冷凝器，所述多个热交换器适于进行换热并将冷却后的水送回冷凝器。

28.如权利要求27所述的发电装置，其中，所述多个透平响应于所述多个热交换器所交换的热量而旋转。

29.如权利要求28所述的发电装置，其中，所述多个发电机响应于所述多个透平的旋转而进行发电。

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