CN1097707C - 地热发电系统 - Google Patents
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Abstract
一种利用地热能发电的系统(10)，其依靠在井(12)的底部的吸热反应捕集并储存地热、在井的顶部的放热反应释放储存在吸热反应的产物中的热能。在一个最佳实施例中，吸热反应是水的分解。为了引起吸热反应进而收获并分离产物，采用了催化装置(22)，在此，每种类型的产物选择性地扩散到各自的导管(24，26)中。在组合透平机(240)中，吸热产物发生放热反应，放热反应的产物在冷却器(242)中立即冷却。在一个最佳实施例中，冷却器(242)将水蒸气冷却为水，水返回到井底部，形成了闭合系统。
Description
发明领域
本发明涉及利用地热发电，更具体地涉及利用地热由催化装置引起吸热反应或由热电偶装置引起电解反应而产生产物。
发明背景
现有的利用地热发电的系统依靠地球的地壳中的热量使水或其它液体蒸发；蒸气用在透平机中来发电。地热通常通过井引导至地面，该井伸至蒸气库源，或将盐水在地壳中的足以收集到充足热量的深度循环。美国专利No.3,786,858(1974)给出了一个例子。
然而，现代蒸气透平机在很高的温度以非常高的效率运行，该高温实质上比通过用地热发电的蒸气或盐水中所能获得的温度高。存在于地球中(为实际目的)所能获得的热量并不是非常集中的。因而，地热蒸气透平机的效率也就较低。由于从地球中采集的热量不能储存以备后用，这在实际操作中也受到了限制。热量必须立即使用，否则就损失了。
此外，当盐水或蒸气送至地面时，要损失很大一部分热量(通常为25％至30％)。来自地热源中的盐水或蒸气通常带有硫化氢或其它不希望的气体，这些气体在排放到大气之前必须捕集。因为盐水或蒸气的温度相对较低，必须将大量的蒸气或盐水输送至地面以便发出足够的电力。结果，就需要钻井费用昂贵的大口径的井。而且，送至地面的盐水或蒸气通常都被严重矿化和腐蚀。如果直接将其用于透平机，透平机必须加以改进以便承受这种环境，因而进一步降低了系统的效率。作为选择，盐水或蒸气可以用来通过二元发电系统中的热交换器使其它流体沸腾。这种替换方案也会通过热交换器而损失一些效率。
由盐水或蒸气中的矿物所引起的利用问题是井的缩放比例，矿物一直存在，必须定期清除。盐水面临着用完以后的处置问题，除非再将其注入库源中，这又要求昂贵的泵送，并且可能污染库源。既使再将盐水注入库源，当盐水在注回库源之前进行冷却时，一些盐分也可能析出。这些盐分可能有放射性或其它危害，因而必须安全地运走、丢弃。
更为明显的限制是：几乎没有具有经济前景的、既足够大量又足够热的地热库源而加以开发地热。传统的利用地热发电方法在应用上受到了很大限制。
目前正在研究将井钻到热的干燥岩石(“HDR”)、进而将水注入以产生地热库源而能发电的可能性。然而，这种系统面临着象传统的地热系统一样的很多问题，并且费用昂贵。现有的HDR系统要求钻两口井，一口井用来将水注入产生库源，另一口分离产物的井用来连续地将产物送至地面。仅采用一口井既注入水又输送蒸气是不够的，因为当注入的水流经上升的蒸气时，太多的能量损失了，或者蒸气只能间歇地获得，所以，能量不能连续地供应至发电机。
将水注入到岩石中需要大量的能量，其占了系统所能产生的能量的重要一部分，这样，就降低了系统的效率。而且，所注入的水的一定百分比的量损失在岩石中的破裂区，它不能返回到产物井中。使水从注入井到产物井所应用的压力越大，水的损失越多。注入井中较高的压力使裂纹扩大，随着水的冷却，将使岩石变小。在产物井中需要扩张，这会加快岩石中能量的释放。试验已经表明，产物井的短期关闭将通过增加其中的扩张而改善井的整个生产。
应用仍处在幼稚期的地热生产技术，用于发电的主要方法是燃烧氢气并将所产生的热量转换为电力。直到最近十年为止，大部分电力均是烧煤产生蒸气而发出的。最近，约一半的新的发电容量是通过燃烧透平机而完成的，燃烧透平机燃烧石油或天然气，并通过直接与发电机相连接而发电。在采用“组合循环”的系统中，由燃烧透平机消耗热量来产生蒸气，其又在蒸气透平机中产生额外的电力。然而，燃烧透平机用去了很大一部分能量，用于产生来维持运行的压缩空气。前述每一种燃烧透平机都释放出氧化氮，氧化氮污染空气并产生酸雨。它们还会产生二氧化碳，其会促使地球升温。如果采用煤或石油作为燃料，二氧化硫也会释放到大气中，其可能会产生额外的酸雨，微粒可能释放在井中。煤的燃烧还会产生烟尘，其必须适当地处理。此外，这些过程均会耗尽有限的天然资源。
用于发电的其它技术包括核发电、水利发电、太阳能发电和风力发电。核发电是昂贵的并面临着严重的处理和污染问题。水利发电、太阳能发电和风力发电都有着时间和空间限制，在某些区域它们是有效的，因而必然需要昂贵的采集装置并对环境造成影响。此外，太阳能发电和风力发电明显比传统技术要昂贵得多。
目前所生产的大部分电力是通过冷却蒸气透平机而产生的。煤被燃烧，废气排放到大气中，而燃料产生了过热的蒸气。蒸气通过蒸气透平发电机发电，并在循环结束时被冷却。由于透平机的输出端的冷却，压力的降低使透平机更为自由地运转，但整个过程效率降低了百分之四十，一部分是由于需要将燃烧热转换为蒸气热。很大一部分能量通过燃烧过程的消耗而损失掉了。
在最近几年发电容量迅速增加的部分是燃烧透平机的形式。燃烧透平机利用燃烧释放的能量使透平机的主轴旋转，主轴又使发电机旋转。透平机需要大量的空气用于燃烧，空气要求过虑，通常还要求加热或冷却。空气还会将灰尘导入透平机而消耗能量。排放到大气中的废气带有很大的能量以及污染。此外，燃烧透平机使用了很大的能量来压缩入口的空气，空气中仅有16％(或更少)为氧气，可用在燃烧过程中。
目前，在“单循环”操作中，燃烧透平机的效率仅能达到40％左右。在“复合循环”操作中，燃烧透平机的效率能达到50％左右，其中，燃烧透平机所消耗的热量转换为蒸气能，该蒸气能用于操作蒸气透平发发电机。然而，该蒸气不能过热到象原始用于蒸气透平发电机的蒸气那样。结果，组合循环系统中的蒸气循环比单一蒸气透平机的效率要低。
蒸气透平机和燃烧透平机(无论是单循环还是复合循环)都会由于产物的释放及燃烧产物进入大气而造成污染。因为通过燃烧消耗了很大一部分能量而释放，效率降低了。蒸气发电机和复合循环燃烧透平发电机由于将热能转换为蒸气压力也使效率损失。
发明概述
本发明是一种由地热能进行高效发电的系统，其中，一种或多种物质被输送到井下、地热(无论来自盐水、还是蒸气源或热的干燥岩石)足以在这些物质中引起热反应的深度，该热反应例如是吸热反应或电解反应。反应产物随后被单独输送到地面，在此，产物完成转换(放热)反应，来自该放热反应的能量转换为电能，该转换可通过蒸气透平机、燃烧透平机或二者的组合。在一定条件下，燃料单元可替代透平机。
类似吸热反应的热反应可以在井的底部、在相对较低的温度下缓慢进行，产物产生后得以在很大的区域收集。放热反应将快速进行并达到很高的温度，这样，充分集中的地热使发电效率更高。在本发明的第一最佳实施例中，采用了催化装置，其具有一个或多个导管，例如管子或可渗透的杆，它们用于收集一种或多种吸热反应的产物并将这些产物相互分开输送。导管嵌套在产物可渗透的陶瓷材料内，该陶瓷材料由类似沸石的催化剂制成的薄膜或网围绕。尽管被注入的水可在井的底部受热后可自动进行吸热反应，但仍希望在催化装置的表面上使用催化剂，以便加快反应。管子或导管所具有的截面结构应该有利于收集要求的产物。
一个导管或一组导管应该由这样的材料制成，即其对于吸热反应的产物之一是可渗透的，但对于吸热反应的其它产物或反应试剂是不可渗透的，或对它们产生抑制(例如，化学的，或通过高压)。另一个或另一组导管用于接纳其余的产物。管子应该以这样的方式组装，即当产物形成在催化剂的表面上时，通过单独地吸收它们，应该促进产物的分离。以简单的方式，催化装置是由催化剂构成的导管，其仅对吸热反应的一种产物是可渗透的。其它的产物和剩余的反应试剂，如果有的话，应该通过分开的导管从井的底部返回。
在第一最佳实施例中，催化剂对于所有的吸热反应产物都是可渗透的。仅对一种产物而言是可渗透的选择性材料围绕着管子或多孔导管，它们紧挨着催化剂的表面，这样，该产物可从催化剂离开。最内侧管子或多孔导管收集其余的产物。例如，如果水的分解是所希望的吸热反应，催化剂应该是合适的转换金属，比如钯。催化剂金属是围绕着多孔陶瓷材料的薄膜或筛网，其中使用了用于产物的导管。在第一最佳实施例中，一系列的外侧导管吸收氢气，而内侧导管吸收氧气。内侧导管可以简单地是一个位于多孔陶瓷材料中的孔，氧气通过该孔扩散。用于单独接纳氢气的导管例如可以由钯或其它材料制成，这些材料足以使氢气通过而不允许氧气通过。
随着各自的管子吸收各自的产物，借助于催化剂的吸热反应将充分降低催化装置外侧的分子总数。由于可渗透的催化装置充分地将吸热产物移出库源，库源中升高的压力将不会抑制吸热反应。事实上，井底部的升高的压力促进了吸热反应。具体的催化装置的最佳设计取决于吸热反应的性质、其反应试剂和产物、所用催化剂的类型，和反应进行时的条件。
根据本发明所构成的催化装置将促进吸热反应，同时，分离并收集反应产物。本发明的系统有利地包括用于收集吸热反应的产物并将其输送至井的顶部的机构。本发明将产物收集同时将其分离，以便防止产物之间或产物与其它材料之间出现不希望的反应。本发明还会引起井中压力的升高，以便促进吸热反应。因为多孔导管吸收反应产物，升高的压力不会抑制反应。
在另一实施例中，除了使用催化装置来催化吸热反应，其它几种反应的任何一种都能用来引起吸热反应。最佳的吸热反应是水分解成氢气和氧气。随后的放热反应将产生纯水，其可以被输送回井底用于下一循环。然而，用于水的热分解的原始必需的温度在通过特定装置目前所能获得的地壳深度处并不存在。这样，水的分解可以通过一系列具有充分低的反应能的反应(例如： ，和 和 ，它们将导致： )，从而在井中可获得的条件下使水分解。然后，分解产物被收集并单独输送到地面，在此，它们可以被(单独地)储存直到在放热反应中使用。在闭合循环中，放热反应的产物又回到井中。
另一可利用的反应，：“水汽反应”， ，出现在800℃。然而，大部分这种反应均需要从空气中获得氧气，以便完成放热反应，并且，(无论它们是否要求空气)，在放热反应的过程中，它们均可能产生二氧化碳、氧化氮，或其它一些不希望的产物。此外，由于需要使用热交换器或其它一些装置来处理一定的反应产物，效率可能会降低。
本发明的第二实施例是这样一种通过地热高效发电的系统，其中，热电偶的一个结合点被送至井下这样的深度，在此，相对热电偶的另一结合点的温度，地热足以产生温差。该温差将使热电偶产生电流。在简单的实施例中，热电偶的一个结合点被送至井下，而另一结合点位于地面上井的外部保持相对的低温，所产生的电力直接供应至消费者或电力用户。
在本发明的另一实施例中，热电偶的一个结合点被送至井下，而另一结合点位于地面上井的外部保持相对的低温，所产生的电流用于通过电解将化合物(如水)分解成吸热产物(如氢气和氧气)。电解可以在井中进行，在此情况下，产物通过导管输送到地面，或者，电解可以在井外、在地面上进行。如上所述，吸热产物(如氢气和氧气)随后用作燃料以便发电。
在本发明的第二最佳实施例中，热电偶用于与上述导管相连，而不用催化剂。热电偶的一个结合点被送至井下位于导管的外侧，而另一导管处于导管之内。第一结合点，即外侧结合点，比第二结合点更受地热的影响。由于导管内部的压力比导管外部的压力低得多，导管内部的结合点较冷，导致导管内部温度较低。因为导管内部的第二结合点比导管外部的结合点温度低，热电偶将由于温差产生电流。所产生的电流用于通过电解将化合物(如水)分解成吸热产物(如氢气和氧气)。然后，如上所述，产物通过导管输送到井外并用作发电用的燃料。然而，可以理解的是，用于产生放热反应产物的其它合适的热反应也在本发明的范围内。
根据本发明构成的发电系统比现有的发电技术提供了更多的优点。相对现有的发电技术的主要优点是：与通过盐水或蒸气所能捕集的热量相比，通过吸热反应，本发明的系统能够吸收更大的单位容积的热量。例如，一定量的水的分解可以捕集同样量的蒸气所代表的热量的五到六倍的热量。而且，在放热反应中能够获得更高的温度，因而具有更高的发电效率。
此外，因为本发明不需要盐水，根据本发明利用地热进行发电将不受限于经济可行的加热盐水的地下库源的场合。再者，没有为避免矿物质沉积在发电设备中而需要热交换器所造成的效率损失。只要使吸热反应的产物保持分开，就没有在井底采集的能量损失于将能量送至地面的过程中。反应产物将不会腐蚀设备。没有有毒的气体排放到大气中。吸热反应的产物以非常小的容积输送能量，因而需钻的井口可以具有很小的直径，这样，也就节约了钻井费用。另外，因为注入的水不与吸热反应的产物反应，产物通过井中分开的导管输送到地面，所以，只需要一口井而非两口井。任何水的注入都发生在“生产井”中。其结果，现在所需要的使水从注入井经过裂纹进入生产井的很大的泵送能量就节约了，损失于岩石中的水量也将降低，以现有的地热生产井的关闭试验所示的方式，井的性能将得到改善。
另外，在井中将不会出现矿物沉积，进而不会出现问题。盐水的再注入和处理将不再需要。针对吸热反应是(在纯净基础上)水的分解而言，没有污染产生，可以完全释放到大气中，将没有有限资源的浪费。吸热反应的产物能够储存起来并在需要发电时加以利用。如果吸热反应的产物在高压下输送到地面，它们也能在高压下储存并利用，避免了在放热反应之前将其压缩(在燃烧透平机中，该步骤需要大量能量)，或者，如果放热反应不需要压缩，来自井中的过高的压力能够用来产生额外的能量。
放热反应的最佳装置包括“燃烧透平机”与冷却器的组合，该燃烧透平机通过两种或多种反应试剂燃烧，在放热反应中化合(其产物能够进行冷却)。在最佳实施例中，反应试剂是氢气和氧气，它们通过井底的吸热反应而产生。氢气用作燃料，当与氧气混合时，发生燃烧而形成水蒸气。在随后的动力站，通过“燃烧”透平机而获得放热反应，放热反应的产物被冷却，这样，降低了燃烧透平机上的背压，增加了效率。最佳的组合透平机应该利用氢气和氧气燃烧，它们燃烧产生蒸气，并在透平机的出口处被冷却。这种组合透平机能够用作本发明的系统的一部分，或者独立于其它燃料源而运行。可替换的是，本发明的系统也可以采用标准的燃烧透平机，或与蒸气透平机组合的锅炉，或燃料单元。
根据本发明构成的组合透平机具有很多优点。通过冷却放热反应的产物，组合透平机将降低燃烧透平机的排放背压，增加横跨透平机的最终燃烧阶段的压力降。有利的是，组合透平机的动力透平部通常比现有的燃烧透平机的动力透平具有更长的动力阶段，这样，就从放热反应中获得了更多的能量，增加了透平机效率，同时使得在透平机的出口处对蒸气的冷却变得容易。另外，组合透平机不需要热交换器来产生蒸气，因而使效率增加。至于冷却产生了“闭环”(即所用产物均被冷却或捕集)，使得随着排放而损失的一些能量得到生产性应用成为可能，这进一步增加了效率。同样，组合透平机将避免向大气中排放污染物。此外，如果组合透平机完全应用捕获的能源进行燃烧，如在最佳实施例中使用氢气和氧气，通常要进入大部分现有的燃烧透平机中的灰尘、或其它污染物(其导致磨损和撕裂并被迫定期清除)就得以避免，现有技术的燃烧透平机中用于冷却、过虑和加热或冷却进口空气的能量就节省了。此外，不象太阳能或水利发电装置那样，本发明的组合透平机能够根据反应试剂的储存量来按需操作，既可用作峰荷单元，又可用作基荷单元。
附图简述
以下将说明展示了本发明的所有特征的优选实施例。附图中表示的这些实施例显示出本发明的具有新颖性和非显而易见性的地热发电系统，这些附图仅为说明的目的而包括在此。这些附图包括下列图，类似的标号表示类似的部件。
图1是本发明的吸热装置的最佳实施例的剖视示意图。
图1a是图1的装置的井底部的放大的剖视示意图。
图2是本发明的另一最佳实施例的剖视示意图，表示将水释放进热的干燥岩石中的替换装置。
图2a是图2所示的装置的井底部的放大的剖视示意图。
图3是本发明的另一最佳实施例的剖视示意图。
图4是本发明的系统的另一最佳实施例的井底部的放大的剖视示意图。
图5是图4所示的腔室之间的连接所用的管子的例子的放大的剖视示意图。
图6是沿图1中6-6线的放大剖视图，表示本发明的系统中的催化装置的元件。
图7是沿图3中7-7线的放大剖视图，表示本发明的系统中的催化装置的另一实施例。
图8是电解装置的最佳实施例的剖视示意图。
图8a是图8所示的装置的井底部的放大的剖视示意图。
图9是本发明的电解装置的另一实施例的剖视示意图。
图10是本发明的电解装置的另一实施例的剖视示意图。
图11是本发明的电解装置的另一实施例的剖视示意图。
图12是本发明的系统中所用的组合透平机的示意图。
附图的详细说明本发明包括采用热工艺采集和利用地热的系统和方法。热工艺要求产生一些为放热反应试剂的产物。通过热工艺的产物的放热反应能够产生电力。这里描述两个最佳热工艺。具有催化装置的地热发电系统
图1示出了本发明的地热发电系统10。用该系统10，各种热的、干燥的岩石系统能够被充分地用于变换为地热用来发电。避免了污染问题、成本低廉、大大改善了操作效率。该系统10包括与贮存罐14相连的井12，贮存罐14如图1中S1所示，用于贮存反应试剂，这些试剂用于热的、干燥的岩石破裂区50中出现的吸热反应。也可以考虑将本发明的系统10用于地球中更深的地方，如库源，这里的地热热得足以引起要求的地热反应。催化装置22用于为要求的吸热反应催化，其位于井12的底部之中，催化装置22具有多孔导管或腔室24和26(如图6所示)，其分别与标准导管25和27相连，标准导管25和27穿过井12向上延伸。标准导管25和27将井12的底部的吸热反应的产物输送到地球的表面，在此，产物可以储存在储存罐18(S3)和16(S2)中，或者立即传送到发电厂以便转换为电力。吸热反应产物通过多孔导管24和26分别输送，然后，通过本发明的导管25和27输送到本发明的组合透平机。在本发明的一个实施例中，通过完成下文将详细解释的放热反应，能量将从产物中释放出来。接着，该能量转换为电能。
在最佳实施例中，储存在储存罐14中的吸热反应试剂或化合物是水，其在井12的底部分解成氢气和氧气。储存罐14使井12中保持一定量的水。由于井12中的一定量的水在井12的底部产生很高的压力环境，增大的压力迫使吸热产物通过催化装置22进入到多孔导管或腔室24和26，再上升到25和27。
与储存罐14相连的单独的导管11也送到井12的底部，在此，来自水导管11的水可以从井12中，通过井12中的单向阀5，释放到破裂区50。为了产生破裂区50，水被喷射到热的、干燥的岩石上，以使裂纹膨胀并获取更大量的岩石用作循环介质。由于一定量的水渗入岩石的裂纹中，水就需要随时从单向阀5供应至破裂区50。在最佳实施例中，喷射到破裂区50的水来自单独的水管11，而不是井12中水的蒸馏，这是因为采用导管11比采用井12中的水更容易对喷射到破裂区50的水进行控制。如图1和1a所示，位于井12的外部的压力计6和温度计7用于测量破裂区50中的压力和温度，以便指示操纵者必须何时向破裂区50喷射更多的水。
图2和2a示出了另一实施例，其直接使用在井12中循环的水而不是单独的导管11。在该实施例中，阀5、压力计6和温度计7的使用方式类似于上面结合图1和1a所示所作的描述。图1和1a的实施例中采用了喷射水，然而在此情况下破裂区50中的压力大于井12外侧的压力。此时，导管11在地面上与泵(未示出)相连以便驱动水。
参见图1，吸热反应发生在被破裂区50包围的井12的水平部。除了具有水平部，井12可以倾斜地向下(未示出)。从破裂区50产生的热量使井12的壳体温度增加，其相应地又增加了井12中的水温度。在此环境下，催化装置22能够引起吸热反应并分离出吸热产物。
除了图1中所示的一个连续部分外，催化装置22可以分成多个串联的部分，它们用比较柔软的管子(未示出)连接在一起。这种布置的优点是由于柔性的管子，例如标准管，其比实质上由陶瓷制成的催化装置22的连续部分成本低廉。由于需要方向性钻井以便接近破裂区50，柔软性也是有优点的。管座(未示出)可用于将柔性管每个催化装置部分，柔性管应该位于破裂区50不存在的区域。柔性管，例如管子，对于吸热产物应该是不渗透性的，并能够承受高达800℃的温度。
参见图6，图中示出了井12的底部的剖视图，以便更详细地表示催化装置22的最佳实施例。催化装置22通过多个杆34支承在井12中，使吸热反应试剂围绕催化装置22循环。正如本领域普通技术人员很容易理解的那样，杆34可以是旋钮或任何其他的支承装置。如图6中所示，催化装置22包括多孔陶瓷材料32，其具有实质上位于陶瓷材料中心的多孔导管26。陶瓷材料32被选为具有这样的结构，即其对于吸热产物应该是相对可渗透性的，但同时又不会促进反应试剂在陶瓷材料32中的再形成。
一系列多孔导管24实质上围绕着多孔导管26并位于陶瓷材料中。多孔导管24和26既可以是导管也可以是管子，其横截面可以是圆形的，或者可以是任何其他能够更有效地收集产物的不同设计。多孔导管26可以由实质上位于陶瓷材料32的中心的孔来限定。多孔导管24可以由仅对一种吸热产物而言是可渗透的材料制成。在水被分解的最佳实施例中，多孔导管24由合适的转换金属制成，如钯，其可以允许氢气通过但不能使氧气通过。在图6中用字母A表示的多孔导管26容纳吸热产物A，而用字母B表示的多孔导管24吸热产物B。在最佳实施例中，产物A例如可以是氧气，而产物B则可以是氢气。
催化装置22上的薄膜或网眼催化剂28设置在井12的底部，以便加速一系列的反应而产生氢气和氧气产物。这样，井12的底部的水便在催化装置22的表面上与催化剂28反应。陶瓷材料被设计成可渗透吸热反应产物，这样，产物将扩散到各自相应的多孔导管24和26中。多孔导管24和26组装在陶瓷材料32中，当产物形成在催化剂上时，通过吸收它们而促进了产物的分离。
如图6所示，每个导管24由选择性的材料30制成，其具有仅相对于产物B是多孔的性能。这样，吸热反应的产物B穿透陶瓷材料32，并在扩散穿过选择性的材料30以后被一系列导管24所收集。由于选择性材料30设计成当产物A穿过陶瓷材料32扩散时阻止产物A的进入，产物A便在选择性材料30的周围运动，并穿过一系列导管24之间的通道，直到产物A扩散进入到多孔导管26为止。其结果，吸热反应的产物A和B分别被保持在它们各自的导管24和26内。事实上，一部分产物B可能扩散出多孔导管24最后进入到多孔导管26中，在此，这一部分产物B就要与产物A反应。这一反应不会对系统有任何明显的有害影响。在例如水的分解情况下，多孔导管26中充满了氧气和少量水蒸气，该水蒸气可能是表面上的氢气和氧气反应的产物。
图3示出了本发明的系统10的另一实施例，其采用了不同的催化装置22。尽管如此，图3的实施例中，井12的水平部可以向下倾斜(未示出)。图3中，催化装置22被表示为具有开口的管子36，其从催化装置22的端部延伸。端部开口的管子36穿过催化装置22延伸，如果需要，可以通过管座(未示出)与标准管27连接。在图7的示意剖视图中更详细地示出了该催化装置22的实施例。类似于图6所示的实施例，催化装置22通过多个支承杆或旋钮34而支承在井12的中部。该催化装置22包括由催化剂28制成的中空的导管，管子36实质上在催化剂28的中心处延伸。
在分解水的实施例中，催化剂由钯制成，其将氢气吸收至中空导管中。氧气不能穿过钯管扩散而继续漂移到井的端部，在此，氧气最终进入到延伸管子36的开口端部，水、臭氧和过氧化氢也将如此。当如图3所示的井12的水平部向下倾斜时，氧气、臭氧和过氧化氢将更容易下降到井12的端部。氧气、水、臭氧和过氧化氢通过延伸管子36以及标准管27泵送至地面。氧气、臭氧和过氧化氢在进入到透平机进行放热反应之前可以从混合物中分离。这种分离可以采用本领域普通技术人员很容易获知的传统装置来完成。由于井12的底部的高压，穿过钯催化剂28扩散的氢气通过催化剂28的中空部分以及标准管25上升至地面。
参见图3，催化装置22提供了两个重要的功能：其收获并分离了吸热产物，并将产物从库源移出以使库源中增加的压力不会抑制吸热反应。很多物质可以催化吸热反应。然而，在井中存在的条件下，反应产物很容易迅速再组合为反应试剂。此外，吸热反应的产物可能是非常活跃的，特别是在升高的温度下，一旦它们从催化剂的表面溢出，便与井壁反应或以不希望的方式反应。因而，产物必须收集并分离。而且，为了延长吸热反应，提供比常用反应试剂的克分子量更大的试剂，吸热反应将会被井12中的高压环境抑制。在井12的运行中，水的蒸馏将会在蒸馏水的底部产生很高的压力。因为每增加10米将增加1个大气压，钻到3千米深度的井，在井底部将产生300个大气压。对于井底的反应而言，该压力作用将是反应的主要障碍，其将是在可以考虑的深度和升高的温度下使压力明显增加。因为导管或腔室24和26对于吸热产物是可渗透的，然而，很高的压力会迫使产物穿过各自的导管24和26，因而大大降低催化装置22的外侧的分子数。这样，井12的底部的升高的压力将会促进吸热反应。
此外，井12的底部的升高的压力将迫使吸热产物通过多孔导管24和26以及导管25和27上升到地面。这样，无需泵即可将产物输送到发电厂20，尽管如此，类似泵的装置也能够采用。
图4示出了用于引起井12的底部处的吸热反应的另一装置。因为水的热分解所必须的温度在通过特殊的装置目前可达到的地壳的深度并不存在，图4中所示的系统10并没有直接将水分解成氢气和氧气。图4的系统是通过一系列吸热反应而完成水的分解，这些反应具有足够低的作用能量而产生要求的产物。几个反应中的任一个均能根据吸热反应的位置所存在的条件而应用。
一种这样的系列反应首先应用了第一反应：
一个反应室中：
另一个反应室中： 这样，整个吸热反应不仅要求水，而且还要求二氧化硫和碘。因而，在该实施例中，水、二氧化硫和碘分别通过独立的管路62、64和66被输送到井12的底部进入第一反应室60。
第一反应室60产生硫酸，其通过管路70被输送到第二反应室68，在此，硫酸被分解成水、二氧化硫和氧气。水和二氧化硫分别通过管路74和72再循环返回至第一反应室60。从第二反应室中产生的氧气通过管路76输送返回至地面。第一反应室60还产生碘化氢，其通过管路80被输送到第三反应室68，在此，碘化氢被分解成碘和氢气。碘通过管路82再循环返回至第一反应室60，而氢气则通过管路84返回地面。一系列反应的速度可以通过位于各管路中的阀来控制，这些管路将各种化合物输送到各自反应室中，该阀可以从地面控制。尽管只有氧气和氢气是输送到地面的最终产物，其余的最终产物，水、二氧化硫和碘，均被一系列反应室不断地利用，并且再进入到第一反应室60以便产生更多的氧气和氢气。尽管在第一反应室中产生了硫酸，但其立即在随后的反应中分解。此外，由于在第二反应室68和第三反应室78中进行的反应要求很高的温度，第二和第三反应室68和78应该位于井的处在破裂区50的区域的部分中。
图5进一步示出了如何将化合物从一个反应室输送到另一反应室的机构。图5示出了与输送管路94相连接的泵90和阀92，这里，泵90和阀92用来控制气体例如在管路94中到各自反应室的输送。尽管泵已经示出，但这仅是示例，根据所包括的各种压力，为了方便气体输送的其它泵(未示出)也是需要的。通过管路76和84输送氧气和氢气不需要泵，这是因为井12的底部增加的压力会使氧气和氢气上升到地面。
能够应用的另一反应，水气反应： 自发地出现在800℃。然而，大部分这种反应可以要求来自空气的氧气以便完成放热反应，并且，(无论它们是否要求空气)在随后的放热反应中，它们均可产生二氧化碳，氧化氮和一些不希望的产物。除此以外，由于要用热交换器或其它装置来处理特定的反应产物，效率可能会降低。
相对于已有的地热系统，本发明的系统10中依赖吸热反应的主要优点是：系统10通过吸热反应比采用加热的盐水或蒸气所能收集的热量，每单位体积吸收更大的热量。例如，一定量的水的分解会收集到相当于相同量的蒸气所代表的热量五到六倍的热量。由于本发明中的热量更为集中，可以获得更高的温度，其改善了透平机中的放热反应的效率，因而产生更多的电力。
另外，与现有技术要求两个井相反，本发明仅要求一个井。因为不再有反应试剂与产物反应的危险，吸热反应试剂可以随吸热产物在同一井中传送。这是与现有技术中的系统相反的，现有技术中，当向上输送蒸气时，喷射的水不能在同一井中传送，否则，蒸气就要损失热量而变成水，因而降低了现有技术中的系统的效率。而且，本发明所用的一个井降低了钻井成本，因为吸热反应的产物，相对现有技术的地热系统，以更小的量来传送能量。例如，在已有的井的系统中，为了从库源中收集蒸气或盐水，井的横截面尺寸可以是36英寸。因为本发明的系统要求约六分之一的空间，本发明的系统10的横截面可以仅要求例如12英寸，6英寸用于喷射水，另外6英寸用于输送氢气和氧气。具有热电偶装置的地热发电系统
图8示出了本发明的地热发电系统10的另一实施例。除了催化装置22用与导管25和27相连的装置替换、及包括热电偶120以外，井12实质上与图1相同。井12的包括热电偶或电解装置120的那一部分既可以是水平的也可以是向下倾斜的(未示出)。导管25和27在热电偶装置120的内部连接于多孔导管或腔室24和26。导管24和26通过多个杆或旋钮(未示出)支承在井的内部，使杆环绕在导管24、26的周围。
电解装置120产生电流，其能够用来产生电力或电解产物，该电解产物能够储存起来或用来发电。电解装置120就是这样一种将井12中的热能转换为电能的装置。在最佳实施例中，电解装置120就是热电偶装置120，其位于井12的底部，具有一个位于用来输送产物的多孔导管24和26外侧的连接点或结合点124(高温结合点)，其所处的温度比位于多孔导管24和26内侧的、热电偶120的另一连接点或结合点128(低温结合点)的温度高。图8a示出了位于导管24内侧的结合点128。两个结合点124和128通过导线或载流装置130相连。产生的电流供应到导管24和26的两个分开的区域，产生阳极134(导管24)和阴极138(导管26)，在阳极134，通过电解方法(电解反应)产生了产物之一(例如氢气)，在阴极，通过电解方法产生了另一电解产物(例如氧气)。电解反应试剂(可电解化合物)储存在储存罐14中，并从井12的顶部供应到热电偶装置120。可电解化合物的电解的一个例子是水分解成氢气和氧气，氢气和氧气是电解产物。显然，其它类型的电解装置也可以用来将热能转换为电能。
热电偶120的结合点124和128分别通过导线或载流装置142和144连接于阳极134和阴极138。包括阳极134的导管24希望由这样的材料制成，即该材料可使阳极134产生的电解产物渗透(如果产物是氢气，例如由钯制成)，包括阴极138的导管26希望由这样的材料制成，即该材料可使阴极138产生的电解产物渗透。导管24和26最好不使将要电解的化合物(例如水)渗透，这样，电解产物就形成在导管24或26的表面上，井12中升高的压力迫使各自的电解产物进入导管24或26。随着产物进入导管24或26，压力的下降引起导管24或26中温度的下降，这样，就冷却了处在导管24或26中的热电偶120的结合点128。导管24和26中的压力将足以高到将产物压送到井12的顶部。
电解产物通过多孔导管24和26以及导管25和27输送到例如储存罐18和16，或发电厂20以便转换为电力。象前一实施例那样，电解产物的能量通过放热反应释放出来而转换为电能。发电系统10可以直接应用在井12中循环的水。
在图8a中，导管24和26具有半圆形的横截面，其间所形成的壁不使电解产物渗透。两个导管24和26在井12内形成圆形。圆形有利地减小了井12所需构成的尺寸。因而，对于一定尺寸的井12，半圆形的导管24和26具有最大的内部容积。该容积又使导管24和26的内侧和外侧之间的压力差最大。该压力差是希望的，因为它将迫使各自的产物进入到导管24或26并使在导管24或26中的产物有最大的温度下降，这将冷却导管24或26中的热电偶120的结合点128。导管24或26中的压力保持足够高将电解产物输送到地面。尽管图8a示出了由两个导管24和26构成的双壁井，显然可以用两种产物均不可渗透的单壁井来替换双壁井。
然而，除了半圆形，导管24和26可以具有任何其它的形状。例如，导管24和26可以是圆形的(未示出)。导管24和26的内部容积将是图8a中所示的实施例的容积的一半。导管24和26内侧和外侧之间的压力差将比由半圆形的导管24和26所构成的实施例的压力差小。
图9示出了本发明的系统10的另一实施例。在该实施例中，系统10并不依靠导管或腔室24和26之一的较冷的内部温度来冷却热电偶120的一个结合点128。结合点128而是位于地面上、井12的外部，此处保持较低的温度，其通过两根导线连接，一根导线152连接于热电偶120的高温结合点124，其位于在井12底部的导管24和26的外侧，另一根导线154与阳极连接，该阳极位于在井12底部的导管24和26之一的表面上(类似于图8a)。阴极138和阳极134通过电解将产生它们各自的电解产物(例如氢气和氧气)，这些产物将被收集。
图10示出了本发明的系统10的另一实施例。在该实施例中，热电偶120的被保持在高温的结合点124(类似于图8a)置于井12的底部，并通过导线152与热电偶120的被保持在低温的结合点128连接，结合点128位于地面上、井12的外部。两个结合点124和128分别通过导线162和164连接于阴极138和阳极134，阴极138和阳极134均位于地面上、井12的外部，在此形成的电解产物将被收集并用作发电的燃料。在该替换实施例中，井12不包括任何导管。
图11示出了本发明的系统10的又一实施例。在该实施例中，热电偶120的被保持在高温的结合点124(类似于图8a)置于井12的底部，并通过导线152与热电偶120的被保持在低温的结合点128连接，结合点128位于地面上、井12的外部。热电偶120产生的电力通过导线172和174输送到电力买主或用户。电解反应试剂、导管和燃烧透平机或其它下文将说明的用于先前发电机实施例的发电设备都不是必须的。然而，应该注意到，本领域普通技术人员所公知的、能够产生用于发电的反应试剂，如放热反应试剂的其它热方法也将落在本发明的范围内。组合透平机
参见图12，图中示出了组合透平机240的示意图，该组合透平机产生放热反应而释放出地热。该组合透平机包括透平压缩机站241、透平燃料喷射器和燃烧器站243、透平动力站245和冷却器站242。透平机各站241、243、245和冷却器站242均以本领域普通技术人员已知的方式有利地构成。组合透平机240通过发电机轴244与发电机246相连接，在发电机中，旋转的发电机轴244的机械能转换为电力。
透平压缩机站241接收吸热反应物A，其是吸热反应(或电解)的产物A，来自储存罐16或直接通过导管27(图1)来自井12。根据吸热反应物A(吸热或电解反应产物A)的类型，反应物A可以不用压缩，这样，压缩机站241可以不需要。在最佳实施例中，吸热反应物A是氧气。由于来自井12的氧气已经被井12中的压力压缩，氧气应该是充分压缩的，从而不再需要压缩机站241。透平燃料喷射器和燃烧器站243接收吸热反应物B，其是吸热反应(或电解)的产物B，来自储存罐18或直接通过导管25(图1)来自井12。在最佳实施例中，吸热反应物B是氢气。
在站243，吸热反应物B，即氢气，用作燃料，并且当与吸热反应物A即氧气混合时便燃烧，从而产生很大的热量和蒸气。由放热反应所释放的能量被用作动力来驱动动力站245中的叶轮，叶轮又驱动发电机轴244旋转。放热产物(蒸气)通过透平动力站245后，放热产物在冷却器中立即被冷却，在此，放热蒸气产物变成液体。通过冷却放热产物而消除了透平机240中的背压，透平机240的效率得到改善。放热产物的冷却也可通过本领域普通技术人员已知的方式来完成。在最佳实施例中，蒸气被冷却成水，其进入到吸热反应(电解)试剂储存罐14中，以便再将水引入到井12中。
通过燃烧透平机240与冷却器242的组合，本发明的组合透平机比先前的透平机达到了更高的效率，先前的透平机中，蒸气透平机也用作为燃烧透平机与冷却器的组合形式。在本发明的最佳实施例中，效率增加是因为组合透平机没有要求热交换器以便将吸热反应产物转换为蒸气。在过去的系统中，本发明的组合透平机的装置不能被采用，因为与本发明的组合透平机240中产生的可冷却的蒸气相比，过去的放热反应产物大部分是不可冷却的污染物。
此外，在产生闭环系统的方面，即所有的放热反应物被冷却或被捕集，在现有的存在耗费的系统中，某些损失的能量不可能作为生产性的应用，而进一步增加效率。在同样的方面，本发明的组合透平机240避免了将污染物释放到大气中。而且，由于在最佳实施例中的组合透平机240中是用氢气和氧气进行燃烧的，它们是可捕获的能源，来自空气的进入到大部分燃烧透平机中的尘埃和其它不纯净物被避免了。因为本发明依赖于转换地热的吸热反应(或电解)，产物可以储存起来以备后用，与此相反，现有系统中，捕集的蒸气或盐水必须立即使用。所以，本发明的组合透平机240具有附加的操作灵活性，其可按需在峰荷时运行或停车，或可在基底负荷时以恒定速率运行。
可替换的是，本发明的系统10可以与传统的燃烧透平机、或具有蒸气透平机的锅炉一起使用，或者，吸热(电解)反应的产物可用作燃料单元。
更明显的是，吸热(电解)反应的产物，例如氢气和氧气，很有价值，本发明也可用来收获这些产物并将它们储存在井12的地面上，用于发电以外的用途。
另外，本发明也可用于地热井12以外的环境，在任何天然的、人工的具有合适温度和压力的环境下都是有用的。
发明范围
以上描述了本发明的最佳实施例，制造和使用方法，这种完整、清晰、准确的说明足以使本领域普通技术人员实施本发明。然而，与上述说明等同的修改、替换结构都是本发明所允许的。因此，本发明并不局限于上述特定的实施例。与此相反，在本发明的总体精神和范围内所作的所有修改和替换结构均落在本发明的权利要求所限定的范围内，权利要求特别指出并明确地要求了本发明的主题。
Claims (45)
1、一种用于捕集地热并通过放热反应而转换为电力的系统，该系统包括：
具有底部和顶部的井(12)，所述井钻到足够深的深度，以便当输入反应试剂进到所述井中而引起所述反应试剂的反应时，从地热中获取能量；
位于所述井底部的装置(22)，所述装置捕集地热以便收获并分离输出产物；
第一和第二导管(27，25)，它们用于将输出产物输送到所述井的顶部；
第三和第四导管(24，26)，它们设置在所述装置(22)内，用于接收所述输出产物，其中，所述第三和第四导管(24，26)中的至少一个仅对所述产物的其中一种是可渗透的；和
连接于所述第一和第二导管的设备(20)，该设备利用输出产物产生放热反应而发电。
2、如权利要求1的系统，其中，所述井连接于第一储存罐，该存储罐用于存储所述输入反应试剂。
3、如权利要求1的系统，其中，所述系统还包括第二存储装置，其与所述第一导管相连，用于存储第一输出产物。
4、如权利要求1的系统，其中，所述系统还包括第三存储装置，其与所述第二导管相连，用于存储第二输出产物。
5、如权利要求1的系统，其中，所述连接于第一和第二导管的设备包括与冷却器相连的燃烧透平机。
6、如权利要求5的系统，其中，所述透平机还包括与所述透平机的进口相连的压缩机。
7、如权利要求5的系统，其中，所述冷却器的出口连接于用于存储所述反应试剂的第一存储罐。
8、如权利要求1的系统，其中，所述井向下钻到热的、干燥岩石的破裂区。
9、如权利要求1的系统，其中，所述输出产物是通过吸热反应获得的吸热产物。
10、如权利要求9的系统，其中，所述吸热反应是水的分解。
11、如权利要求9的系统，其中，所述装置是催化装置。
12、如权利要求11的系统，其中，所述催化装置包括可使吸热反应的第一和第二产物渗透的催化剂，位于所述催化剂中的、用于接纳所述第一产物的所述第四导管，位于所述催化剂中的、用于接纳所述第二产物的所述第三导管，和围绕第三导管的选择性材料，该选择性材料仅可使所述第二产物渗透。
13、如权利要求12的系统，其中，所述第四导管连接到用于将所述第一产物输送至所述井的顶部的第一导管，所述第三导管连接到用于将所述第二产物输送至所述井的顶部的第二导管。
14、如权利要求11的系统，其中，所述催化装置包括仅可使吸热反应的第一产物渗透的催化剂，位于所述催化剂中的、用于接纳所述第一产物的第四导管，至少一个第四导管，其连接于所述催化剂用于接纳吸热反应的第二产物，和围绕第三导管的选择性材料，该选择性材料仅可使所述第二产物渗透。
15、如权利要求11的系统，其中，所述第三导管包括仅可使所述吸热反应的第一产物渗透的催化剂，所述第四导管是一个返回导管，其延伸超出所述催化装置的端部，用于使所述吸热反应的第二产物返回，该返回导管对所述第一产物是不可渗透的。
16、如权利要求1的系统，其中，产物是由电解反应而获得的电解产物。
17、如权利要求16的系统，其中，所述电解反应是水的分解。
18、如权利要求16的系统，其中，该装置是电解装置。
19、如权利要求18的系统，其中，该装置是热电偶装置。
20、如权利要求19的系统，其中，所述热电偶装置包括：用于接纳第一输出产物的所述第三导管，用于接纳第二产物、并与所述第三导管相连接的所述第四导管，围绕所述第四导管的选择性材料，该选择性材料仅可使所述第二产物渗透，低温结合点和高温结合点，该低温结合点位于所述第三和第四导管之一的内部、并通过第一导线连接到其表面，该高温结合点位于所述第三和第四导管的外部、并通过第二导线连接到所述第三和第四导管之中另一个的表面，所述低温结合点和高温结合点通过第三导线相互连接。
21、如权利要求20的系统，其中，所述低温结合点通过第一导线连接到第三导管的表面，形成阳极；所述高温结合点通过第二导线连接到第四导管的表面，形成阴极，所述结合点将电流供应到所述第一和第二导线。
22、如权利要求20的系统，其中，所述第三和第四导管是具有平面壁部的半圆形，该平面壁部相互连接在一起。
23、如权利要求19的系统，其中，所述热电偶装置包括：用于接纳第一输出产物的所述第三导管，用于接纳第二输出产物并与仅可使所述第一产物渗透的所述第三导管相连接的所述第四导管，位于所述第三和第四导管的外部的高温结合点，该高温结合点具有第一导线和第二导线，第一导线连接到所述第四导管的表面，第二导线连接到位于井的顶部的低温结合点，所述第三导管具有一表面，该表面与位于井的顶部的低温结合点相连接。
24、如权利要求23的系统，其中，所述第三导管连接于第一导管，用于将所述第一产物输送至井的顶部，而所述第四导管连接于第二导管，用于将所述第二产物输送至井的顶部。
25、如权利要求1的系统，其中，所述与第一和第二导管相连的设备包括燃料单元。
26、一种用于利用吸热反应捕集地热并通过放热反应释放热量而转换为电力的系统，该系统包括：
具有底部和顶部的井，所述井钻到足够深的深度，以便当反应试剂进到所述井中而引起吸热反应时，从地热中获取能量；
位于所述井底部的用于容纳多种产物的第一腔室，在此，所述反应试剂产生第一和第二产物；
位于所述井底部的用于接纳所述第一腔室的第一产物的第二腔室，在此，所述第一产物分解成第三、第四和第五产物，所述第三和第四产物被输送到所述第一腔室，所述第五产物被输送到所述井的顶部；
位于所述井底部的用于接纳所述第一腔室的第二产物的第三腔室，在此，所述第二产物分解成第六和第七产物，所述第六产物被输送到所述第一腔室，所述第七产物被输送到所述井的顶部。
27、如权利要求26的系统，其中，所述系统还包括用于接纳所述第五和第七产物、以便产生放热反应而发电的透平机。
28、如权利要求27的系统，其中，所述第五和第七产物是氧气和氢气。
29、如权利要求27或28的系统，其中，所述透平机包括与冷却器相连接的燃烧透平机。
30、如权利要求11的系统，其特征在于，用于收获吸热反应的产物的催化装置包括：
用于引起吸热反应的催化剂，所述催化剂对于吸热反应的至少一种产物是可渗透的；
所述第三和第四导管，其与所述催化剂相接触，用于收获和分离吸热反应的第一和第二输出产物；
围绕所述第二多孔导管的选择性材料，所述选择性材料仅对第二产物是可渗透的。
31、如权利要求30的系统，其中，所述第三和第四导管位于所述催化剂之内。
32、如权利要求301的系统，其中，所述第四导管位于所述催化剂之内，所述第三导管位于所述催化剂的周界。
33、如权利要求19的系统，其特征在于，所述热电偶装置用于从具有顶部和底部的井中发电、并利用该电力完成电解过程，所述装置包括：
第一结合点，其保持在第一温度并位于所述井的底部；
第二结合点，其保持在比所述第一温度低的第二温度；
载流装置，其与所述第一和第二结合点相连；
其中，所述第二结合点设置在位于所述井的底部的第三导管中，所述载流装置包括：连接所述第一结合点和阴极的一根导线，和连接所述第二结合点和阳极的另一根导线，所述阴极和阳极完成所述电解过程。
34、如权利要求34的系统，其中，所述阳极形成在所述第三导管的表面。
35、如权利要求33的系统，其中，所述阴极形成在位于所述井底部的所述第四导管的表面。
36、如权利要求35的系统，其中，所述第三和第四导管截面为半圆形，具有相互连接在一起的平的壁部。
37、如权利要求36的系统，其中，所述第三和第四导管是可渗透的，以分别接纳电解的第一和第二产物，所述第三多孔导管仅可使第一产物渗透。
38、如权利要求33的系统，其中，所述第二结合点位于所述井的顶部，所述载流装置包括：连接所述第一结合点和第二结合点的第一导线，连接所述第一结合点和阴极的第二导线，和连接所述第二结合点和阳极的第三导线。
39、如权利要求38的系统，其中，所述阳极形成在位于所述井底部的所述第三导管的表面，所述阴极形成在位于所述井底部的所述第四导管的表面。
40、如权利要求1的系统，其特征在于组合透平机，其中，在井底部中所述地热能足以引起吸热反应的深度，地热产生了第一产物和第二产物，所述系统包括：
燃烧透平机，用于单独地接纳来自所述井的底部的所述第一和第二产物，并由所述第一和第二产物之间的放热反应所释放的能量来驱动；
冷却器，其与燃烧透平机相连接，用于冷却所述放热反应的产物以减小所述燃烧透平机的出口处的反压。
41、如权利要求40的系统，其中，所述组合透平机还包括：与其进口相连的压缩机。
42、如权利要求40或41的系统，其中，所述组合透平机接纳的产物是氢气和氧气，所述透平机将氢气和氧气转换为水蒸气。
43、如权利要求40的系统，其中，所述冷却器将水蒸气转换为液态水，并将水返回至系统。
44、一种捕集地热而发电的方法，包括下列步骤：
将反应试剂送至井中，所述井具有足够的深度以通过热反应而获取地热；
用所述反应试剂在井中完成热反应；
将所述热反应的产物送至地面，所述产物通过放热反应而发电，其中，所述产物是电解过程产生的电解产物。
45、如权利要求44的方法，其中，所述产物是吸热反应产生的吸热产物。
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