CN107947639A - 原位地热热电发电装置集成一体化系统 - Google Patents

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Abstract

原位地热热电发电装置集成一体化系统，属于地热发电技术领域，由最外层的防护层、处于中间进行传热的高导热凝胶层和最内层的冷水循环管构成，在所述高导热凝胶层内嵌装有用于温差发电的多个热电器件模块，以所述热电器件模块为主体的发电装置与地面控制装置相连，在高导热凝胶层与冷水循环管之间留有水流通道。本发明的热电装置无任何机械转动部分，工作无噪声，将热能直接转化为电能，不产生机械能损耗，发电效率高；选用的热电材料制备工艺简单、结构稳定、体积小、重量轻、响应速度快；同一套装置，可根据不同热源，选取不同热电材料均能使用，使用范围广，在深地、地表温泉等不同品位热源处都能进行热电转换发电。

Description

原位地热热电发电装置集成一体化系统
技术领域
本发明属于地热发电技术领域，具体涉及一种原位地热热电发电装置集成一体化系统。
背景技术
地热能是一种绿色低碳、可循环利用的可再生能源，具有储量大、分布广、清洁环保、稳定可靠等特点，是一种现实可行且具有竞争力的清洁能源。虽然地热发电探索由来已久，至2016年利用地热能发电的国家达25个，但整体开发效率并不高。截至2014年底，我国地热发电装机总容量仅为27.28MW，排名世界第18位，与世界地热发电大国的装机容量相距甚远。
传统地热发电需要先将热能转化为机械能再转化为电能，能量二次转化造成发电效能未得到充分利用，造成巨大资源浪费，迫切需要寻找一种高效率、低成本的新技术，以充分开发和利用地热资源。
发明内容
为了改进现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种原位地热热电发电装置集成一体化系统，可以将热能直接转化为电能，成本更低，效率更高。
为了达到上述目的，本发明采取的技术方案是：
原位地热热电发电装置集成一体化系统，由最外层的防护层、处于中间进行传热的高导热凝胶层和最内层的冷水循环管构成，在所述高导热凝胶层内嵌装有用于温差发电的多个热电器件模块，以所述热电器件模块为主体的发电装置与地面控制装置相连，在高导热凝胶层与冷水循环管之间留有水流通道。
进一步的，所述防护层为水泥层。
进一步的，所述热电器件模块采用的材料包括：用于低温热源发电的Bi2Te3、Sb2Te3及其固溶体材料，适用温度小于450℃，用于中等温度热源发电的PbTe、Mg2Si、SbTe、Bi(SiSb2)材料，适用温度大于等于450℃、小于700℃，用于高温热源发电的CrSi2、CoSb3材料，适用温度大于等于700℃。
进一步的，所述的热电器件模块采用串联或并联形式连接，并封装成热电套管，最后嵌装在高导热凝胶层内，以便随时取出进行检修；冷水循环管也可以从井下取出进行除垢作业。
进一步的，发电作业时，在防护层外侧与地层之间注入导热率为1.5～5W·K-1m-1的导热凝胶，注入量以装置上表面齐平为标准。
进一步的，发电作业时，在高导热凝胶层与冷水循环管之间，沿轴向每间隔0.5米设置一组温度传感器，每组传感器为2～3个，且沿圆周方向均匀分布；所述温度传感器与地热井口的控制系统相连，该控制系统通过总线连接至调节冷水流量的PLC控制单元，通过控制冷水流量来调节热电器件模块两侧的温差，温差范围调节在30℃～实际热源温度之间。
本发明的有益效果：
(1)本发明的热电装置无任何机械转动部分，工作无噪声，将热能直接转化为电能，不产生机械能损耗，发电效率高；选用的热电材料制备工艺简单、结构稳定、体积小、重量轻、响应速度快；同一套装置，可根据不同热源，选取不同热电材料均能使用，使用范围广，在深地、地表温泉等不同品位热源处都能进行热电转换发电。
(2)作业时，通过在水泥层外注入的导热凝胶，可以将高温区的热量吸收后，传导至品质相对较差的低温区，从而使整个装置外围的温度维持稳定，为恒定温差做了有力保障，并通过科学计算的温度传感器数量及设置位置，能精确控制温差，再结合控制系统以及补偿系统对冷水流量进行调控，进一步确保恒定温差，使得整个装置保持稳定工作状态。
(3)每个热电模块即为一个完整的热电发电系统，运行相对独立，单个热电模块发生故障不影响其它模块正常运行，因而整体工作状态稳定，维护成本低。
(4)与其它地热热电发电装置相比，本发明装置体积小，结构简单紧凑，显著提高了装置的稳定性，能够全天候运行，寿命长，且绿色环保、不破坏生态环境。
附图说明
图1是本系统的剖面图；
图2是本系统的整体结构图；
图3是本系统在地热井中的应用示意图；
图中，1、水泥层，2、热电器件模块，3、高导热凝胶层，4、冷水循环管，5、水流通道(出水口)，6、入水口。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本发明做进一步说明。
实施例
如图1和图2所示，原位地热热电发电装置集成一体化系统，由最外层起防护作用的水泥层1、处于中间进行传热并保护热电器件模块的高导热凝胶层3和最内层的冷水循环管4构成，在所述高导热凝胶层3内嵌装有用于温差发电的多个热电器件模块2，以所述热电模块2为主体的发电装置与地面控制装置相连，在高导热凝胶层3与冷水循环管4之间留有水流通道5，发电作业时，冷水由入水口6流入，从水流通道5流出，形成水循环系统，并通过控制水的流量来调节热电模块2两侧的温差。
所述热电器件模块采用的热电材料为Bi2Te3，适用温度小于450℃，响应速度快，可实现精确温控(在±0.1℃之内)，每个热电器件根据具体情况进行串并联后，封装成热电套管，最后嵌装在高导热凝胶层内，能够随时取出进行检修；所述冷水循环管可以从井下取出进行除垢作业。
在需要发电作业前，在水泥层外侧与地层之间注入导热率为3.5W·K-1m-1的导热凝胶，注入量以装置上表面齐平为标准；另外，在高导热凝胶层与冷水循环管之间，沿轴向每间隔0.5米设置一组温度传感器，每组传感器为2个，且沿圆周方向均匀分布；所述温度传感器与地热井口的控制系统相连，该控制系统通过总线连接至调节冷水流量的PLC控制单元，通过控制冷水流量来调节热电器件模块两侧的温差，温差范围调节在30℃～400℃之间。
如图3所示，本发明装置由于本身是一体化整体结构，因而，除了可以固定于地热环境中发电外，还可用在具有温差条件的地面环境中，如温泉环境；为了方便起见，将每个一体化整体结构称为一个短节，在制造生产时，由于每个短节的长度无法过长，比如不能超过二十米，否则会由于过长或者质量过重而无法运输，而地热井一般几百米至上千米，因而，将该一体化整体结构装置设于井下时，需要将每个短节互相连接且密封，并将每块热电器件模块电流输出端连接至地面的储电设备中。

Claims (6)

1.原位地热热电发电装置集成一体化系统，其特征在于：由最外层的防护层、处于中间进行传热的高导热凝胶层和最内层的冷水循环管构成，在所述高导热凝胶层内嵌装有用于温差发电的多个热电器件模块，以所述热电器件模块为主体的发电装置与地面控制装置相连，在高导热凝胶层与冷水循环管之间留有水流通道。
2.如权利要求1所述的原位地热热电发电装置集成一体化系统，其特征在于：所述防护层为水泥层。
3.如权利要求1所述的原位地热热电发电装置集成一体化系统，其特征在于：所述热电器件模块采用的材料包括用于低温热源发电的Bi2Te3、Sb2Te3及其固溶体材料，适用温度小于450℃；用于中等温度热源发电的PbTe、Mg2Si、SbTe、Bi(SiSb2)材料，适用温度大于等于450℃、小于700℃；用于高温热源发电的CrSi2、CoSb3材料，适用温度大于等于700℃。
4.如权利要求1所述的热电器件模块采用串联或并联形式连接，并封装成热电套管，最后嵌装在高导热凝胶层内，以便随时取出进行检修；冷水循环管也可以从井下取出进行除垢作业。
5.如权利要求1所述的原位地热热电发电装置集成一体化系统，其特征在于：发电作业时，在防护层外侧与地层之间注入导热率为1.5～5W·K-1m-1的导热凝胶，注入量与系统上表面齐平为标准。
6.如权利要求1所述的原位地热热电发电装置集成一体化系统，其特征在于：发电作业时，在高导热凝胶层与冷水循环管之间，沿轴向每间隔0.5米设置一组温度传感器，每组传感器为2～3个，且沿圆周方向均匀分布；所述温度传感器与地热井口的控制系统相连，该控制系统通过总线连接至调节冷水流量的PLC控制单元，通过控制冷水流量来调节热电器件模块两侧的温差，温差范围调节在30℃～实际热源温度之间。
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