JP2011524484A - 掘削された坑井内から発電するために地熱を獲得するシステム及び方法 - Google Patents
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Abstract
Description
μ=i番目の流体の質量流
χ=i番目の流体の特定のエンタルピーの変化、を表す場合に、
μχ=0を得た。
図2を参照すると、熱交換要素40は、熱せられる必要のある流体に垂直に熱が流れる直交流熱交換器として示されており、その結果、熱流240は、垂直方向に熱交換器を横切って/熱交換器の周囲を通って、それによって、熱流240に垂直な方向から流れる流体230を加熱する。
Claims (100)
- 掘削された坑井内からの地熱を利用して発電するシステムであって、当該システムは、
閉ループ固体熱取り出しシステムを有する熱利用構成要素であって、前記閉ループ固体熱取り出しシステムが、坑井内の熱ネスト内に配置される熱交換要素と、前記熱ネストを囲む岩体から前記熱交換要素に地熱を伝導するために坑井内に挿入される熱伝導材料と、を含み、前記熱ネストを囲む岩体は、前記熱ネストを囲む岩体の表面積によって決定される平衡温度まで前記熱伝導材料を熱し、前記平衡温度は、当該平衡温度において、前記熱ネストを囲むとともに地熱を生成する岩体が、前記熱伝導材料に伝導されている地熱を断続的に取り戻し、前記平衡温度を上回る温度において、前記熱ネストを囲む岩体から前記熱交換要素まで前記熱伝導材料が熱を伝導する際に、前記熱ネストを囲む岩体によって生成される地熱が放散する温度である、熱利用構成要素と、
熱機関を含む発電構成要素であって、当該発電構成要素は、当該発電構成要素に前記熱利用構成要素を連結するパイプ構成要素の内容物から地熱を受け取り、前記パイプ構成要素は、一連の下降流パイプ及び一連の上昇流パイプを含み、上昇流パイプは、前記熱交換要素によって熱せられた前記パイプ構成要素の内容物を前記坑井の表面及び前記発電構成要素内に運ぶ、発電構成要素と、
前記坑井内に挿入される断熱材であって、パイプシステムの内容物が前記坑井の表面までポンプで送られる際にパイプシステムの内容物の温度を実質的に一定に維持するために、前記熱ネストと前記坑井の表面との間の少なくとも1地点で少なくとも前記上昇流パイプを実質的に囲む断熱材と、を備え、
前記閉ループ固体熱取り出しシステムは、前記熱ネストを囲む岩体に液体の流れを曝すことなく前記坑井内から地熱を取り出す、掘削された坑井内からの地熱を利用して発電するシステム。 - 前記平衡温度は、前記熱ネストを囲む岩体の表面積を増大させることによって上昇する請求項1に記載のシステム。
- 前記岩体の表面積を増大させるために、前記岩体内に少なくとも1つの追加の穿孔が掘削される請求項2に記載のシステム。
- 前記熱ネスト内に注入される少なくとも1つの追加材料をさらに備え、前記少なくとも1つの追加材料は少なくとも1つのボールベアリングである請求項3に記載のシステム。
- 前記熱ネスト内に注入される少なくとも1つの追加材料をさらに備え、前記少なくとも1つの追加材料は少なくとも1つのビードである請求項3に記載のシステム。
- 前記熱ネスト内に注入される少なくとも1つの追加材料をさらに備え、前記少なくとも1つの追加材料は網状の金属材料である請求項3に記載のシステム。
- 前記下降流パイプは可撓性を有する請求項1に記載のシステム。
- 前記上昇流パイプは可撓性を有する請求項1に記載のシステム。
- 前記下降流パイプ及び前記上昇流パイプはそれぞれ、巻かれた耐食鋼ワイヤの複数の層を含む請求項1に記載のシステム。
- 前記下降流パイプは前記熱交換要素の第1側につながる請求項1に記載のシステム。
- 前記上昇流パイプは前記熱交換要素の第2側に連結される請求項6に記載のシステム。
- 前記熱交換要素は複数の毛管を含む請求項1に記載のシステム。
- 前記下降流パイプの内容物は、前記熱交換要素に流入した後に前記複数の毛管を通って分散される請求項12に記載のシステム。
- 前記複数の毛管の各毛管は、前記下降流パイプの径よりも小さな径を有しており、前記パイプシステムの内容物は、前記複数の毛管を通り抜ける際に迅速に熱せられる請求項13に記載のシステム。
- 前記パイプシステムの内容物は、前記熱ネスト内で熱せられる際に沸騰しない環境的に不活性な熱伝導流体である請求項1に記載のシステム。
- 前記パイプシステムの内容物は水である請求項15に記載のシステム。
- 前記パイプシステムの内容物は気体である請求項15に記載のシステム。
- 前記熱伝導材料は、前記熱ネストを囲む岩体と前記パイプシステムとの間の領域内に注入された後に前記熱ネスト内で実質的に固化する請求項1に記載のシステム。
- 前記熱伝導材料はグラウトである請求項18に記載のシステム。
- 前記熱伝導材料は溶融金属である請求項18に記載のシステム。
- 前記熱伝導材料はセラミックである請求項18に記載のシステム。
- 前記熱伝導材料は網状の材料である請求項18に記載のシステム。
- 前記熱伝導材料はプラスチックである請求項18に記載のシステム。
- 前記熱ネストが前記熱伝導材料で充填された後に前記坑井は前記断熱材で充填される請求項1に記載のシステム。
- 前記熱伝導材料は、穿孔を通じて挿入されるとともに前記熱伝導材料で前記熱ネストが充填されると引き抜かれるパイプを介して前記熱ネスト内に注入される請求項1に記載のシステム。
- 前記熱伝導材料は、前記熱ネスト内で前記パイプシステム及び前記熱交換要素に作用する圧力を安定させる請求項1に記載のシステム。
- 前記平衡温度は、前記熱ネスト内の前記岩体の表面積によって少なくとも部分的に決定される温度範囲である請求項1に記載のシステム。
- 前記熱交換要素は、前記熱交換要素内で前記パイプシステムの内容物が流れる距離を増大させるために、前記熱交換要素内の前記パイプシステムが少なくとも1つの捻れたパイプを備える螺旋形状を有する請求項1に記載のシステム。
- 掘削された坑井内から地熱を生成する熱取り出しシステムであって、当該システムは、
前記熱交換要素内に流入する及び前記熱交換要素から流出するパイプシステムの内容物を平衡温度に加熱する閉ループ固体熱交換器を形成するために、熱交換要素と前記熱ネストを囲む岩体との間で掘削された坑井の底部付近の熱ネスト内の領域内に注入される熱伝導材料であって、前記平衡温度において、熱ネストを囲むとともに地熱を生成する岩体が、熱伝導材料に伝導されている地熱を断続的に取り戻し、前記平衡温度を上回る温度において、前記熱ネストを囲む岩体から前記熱交換要素まで前記熱伝導材料が熱を伝導する際に、前記熱ネストを囲む岩体によって生成される地熱が放散し、当該熱伝導材料は、前記熱ネストを囲む岩体と前記熱交換要素とから熱を伝えるために前記熱ネスト内の領域を実質的に充填するために固化し、前記パイプシステムは、前記坑井の表面から前記熱ネスト内に前記パイプシステムの内容物を持っていって前記熱ネストから前記坑井の表面まで熱せられた内容物を運び、閉ループ固体熱取り出しシステムは、前記熱ネストを囲む岩体を液体の流れに曝すことなく前記坑井から地熱を取り出す、熱伝導材料を備える、掘削された坑井内から地熱を生成する熱取り出しシステム。 - 前記平衡温度は、前記熱ネストを囲む岩体の表面積を増大させることによって上昇する請求項29に記載のシステム。
- 前記岩体の表面積を増大させるために、少なくとも1つの追加の穿孔が前記岩体内に掘削される請求項30に記載のシステム。
- 前記熱ネスト内に注入される少なくとも1つの追加材料をさらに備え、前記少なくとも1つの追加材料は少なくとも1つのボールベアリングである請求項31に記載のシステム。
- 前記熱ネスト内に注入される少なくとも1つの追加材料をさらに備え、前記少なくとも1つの追加材料は少なくとも1つのビードである請求項31に記載のシステム。
- 前記熱ネスト内に注入される少なくとも1つの追加材料をさらに備え、前記少なくとも1つの追加材料は網状の金属材料である請求項31に記載のシステム。
- 前記パイプシステムは、前記熱交換要素内に前記パイプシステムの内容物を運ぶ可撓性を有する一連の下降流パイプと、前記熱交換要素から外側に前記パイプシステムの内容物を運ぶ可撓性を有する一連の上昇流パイプと、を含む請求項29に記載のシステム。
- 前記下降流パイプ及び前記上昇流パイプの各々は、巻かれた耐食鋼ワイヤの複数の層を含む請求項35に記載のシステム。
- 前記熱交換要素は複数の毛管を含む請求項29に記載のシステム。
- 前記下降流パイプの内容物は、前記熱交換要素に流入した後に前記複数の毛管を通じて分散される請求項37に記載のシステム。
- 前記複数の毛管の各毛管は前記下降流パイプの径よりも小さな径を有しており、前記パイプシステムの内容物は、前記内容物が前記複数の毛管を通り抜ける際に迅速に熱せられる請求項38に記載のシステム。
- 前記パイプシステムの内容物は、前記熱ネスト内で熱せられる際に沸騰しない環境的に優しい熱伝導流体である請求項29に記載のシステム。
- 前記パイプシステムの内容物は水である請求項40に記載のシステム。
- 前記パイプシステムの内容物は気体である請求項40に記載のシステム。
- 前記パイプシステムの内容物はグラウトである請求項29に記載のシステム。
- 前記パイプシステムの内容物は溶融金属である請求項29に記載のシステム。
- 前記パイプシステムの内容物はセラミックである請求項29に記載のシステム。
- 前記パイプシステムの内容物は網状の材料である請求項29に記載のシステム。
- 前記パイプシステムの内容物はプラスチックである請求項29に記載のシステム。
- 前記熱伝導材料は、前記熱ネスト内で前記パイプシステム及び前記熱交換要素に作用する圧力を安定させる請求項29に記載のシステム。
- 前記平衡温度は、前記熱ネスト内の前記岩体の表面積によって少なくとも部分的に決定される温度範囲である請求項29に記載のシステム。
- 前記熱交換要素は、前記熱交換要素内で前記パイプシステムの内容物が流れる距離を増大させるために、前記熱交換要素内の前記パイプシステムが少なくとも1つの捻れたパイプを備える螺旋形状を有する請求項29に記載のシステム。
- 掘削された坑井内からの地熱を利用して発電する方法であって、当該方法は、
閉ループ固体熱取り出しシステムを形成するために熱交換要素を囲む熱ネスト内に熱伝導材料を注入することによって、坑井内の位置に配置される熱ネストを囲む岩体から地熱を取り出す工程であって、前記熱伝導材料は、パイプシステムの内容物を熱する前記熱交換要素を熱するために前記熱ネストを囲む岩体と地熱をやりとりし、前記内容物は、平衡温度で前記熱ネスト内で熱せられ、前記平衡温度において、熱ネストを囲むとともに地熱を生成する岩体が、熱伝導材料に伝導されている地熱を断続的に取り戻し、前記平衡温度を上回る温度において、前記熱ネストを囲む岩体から熱交換要素まで前記熱伝導材料が熱を伝導する際に、前記熱ネストを囲む岩体によって生成される地熱が放散する工程と、
前記パイプシステムの内容物が前記坑井の表面までポンプで送られる際に前記パイプシステムの内容物の温度を実質的に一定に維持するために、前記熱ネストと前記坑井の表面との間の少なくとも1地点で前記パイプシステムを断熱する工程と、
前記パイプシステムの熱せられた内容物が前記坑井の表面に到達した後に前記発電構成要素内に前記パイプシステムの熱せられた内容物をポンプで送る工程と、を備え、
前記閉ループ固体熱取り出しシステムは、前記熱ネストを囲む岩体を液体の流れに曝すことなく前記坑井から地熱を取り出す、掘削された坑井内からの地熱を利用して発電する方法。 - 前記平衡温度を上昇させるために、前記熱ネストを囲む岩体の表面積を増大させる工程をさらに備える請求項51に記載の方法。
- 前記熱ネストを囲む岩体内に少なくとも1つの穿孔を掘削する工程をさらに備える請求項52に記載の方法。
- 前記熱ネスト内に少なくとも1つの追加材料を注入する工程をさらに備え、前記少なくとも1つの追加材料は少なくとも1つのボールベアリングである請求項53に記載の方法。
- 前記熱ネスト内に少なくとも1つの追加材料を注入する工程をさらに備え、前記少なくとも1つの追加材料は少なくとも1つのビードである請求項53に記載の方法。
- 前記熱ネスト内に少なくとも1つの追加材料を注入する工程をさらに備え、前記少なくとも1つの追加材料は網状の金属材料である請求項53に記載の方法。
- 可撓性を有する一連の下降流パイプ内で前記熱交換要素内に前記パイプシステムの内容物をポンプで送り込んで、可撓性を有する一連の上昇流パイプ内で前記熱交換要素から外側に前記パイプシステムの内容物をポンプで送り出す工程をさらに備える請求項51に記載の方法。
- 前記下降流パイプ及び前記上昇流パイプの各々は、巻かれた耐食鋼ワイヤの複数の層を含む請求項57に記載の方法。
- 前記熱ネスト内で前記パイプシステムに連結される複数の毛管内に前記パイプシステムの内容物を分散させる工程をさらに備える請求項57に記載の方法。
- 前記複数の毛管の各毛管は、前記下降流パイプの径よりも小さな径を有しており、前記パイプシステムの内容物が、前記内容物が前記複数の毛管を通り抜ける際に迅速に熱せられる請求項59に記載の方法。
- 前記パイプシステムの内容物は、前記熱ネスト内で熱せられる際に沸騰しない環境的に優しい熱伝導流体である請求項51に記載の方法。
- 前記パイプシステムの内容物は水である請求項61に記載の方法。
- 前記パイプシステムの内容物は気体である請求項61に記載の方法。
- 前記熱ネスト内に前記熱伝導材料を注入する工程をさらに備え、前記熱伝導材料は、前記熱ネストを囲む岩体と前記パイプシステムとの間の領域内に注入された後に前記熱ネスト内で実質的に固化する請求項51に記載の方法。
- 前記熱伝導材料はグラウトである請求項51に記載の方法。
- 前記熱伝導材料は溶融金属である請求項51に記載の方法。
- 前記熱伝導材料はセラミックである請求項51に記載の方法。
- 前記熱伝導材料は網状の材料である請求項51に記載の方法。
- 前記熱伝導材料はプラスチックである請求項51に記載の方法。
- 前記熱ネスト内に前記熱伝導材料を注入する工程は、穿孔を通じてパイプを挿入して、前記熱ネストが前記熱伝導材料で充填された際に前記パイプを引き抜く工程をさらに備える請求項64に記載の方法。
- 前記熱交換要素内で前記パイプシステムの内容物が流れる距離を増大させるために、螺旋形状に前記熱交換要素の形状を形成する工程をさらに備え、前記熱交換要素内の前記パイプシステムは少なくとも1つの捻れたパイプを備える請求項51に記載の方法。
- 掘削された坑井内から地熱を取り出す方法であって、当該方法は、
坑井のある深さの岩体のタイプ、前記坑井の前記深さの前記岩体の表面積、及び、前記坑井の前記深さの前記岩体の熱伝導性ファクタを決定する工程と、
前記坑井の熱地点と前記坑井の底部との間で前記坑井内の所望の地点で前記岩体の表面積を増大させる工程と、
前記坑井の底部で始まって前記坑井の前記熱地点で終わる熱ネストを前記坑井内に形成する工程と、
前記熱交換要素内に流入する及び前記熱交換要素から流出するパイプシステムの内容物を平衡温度に加熱する熱交換要素を形成するため、前記熱ネストを囲む岩体からの熱をやりとりする閉ループ固体熱取り出しシステムを形成するために前記熱ネスト内で前記熱ネストを囲む岩体と前記熱交換要素との間に熱伝導材料を注入する工程であって、前記平衡温度において、熱ネストを囲むとともに地熱を生成する岩体が、熱伝導材料に伝導する地熱を断続的に取り戻し、前記平衡温度を上回る温度において、前記熱ネストを囲む岩体から熱交換要素まで前記熱伝導材料が熱を伝導する際に、前記熱ネストを囲む岩体によって生成される地熱が放散する工程と、
前記熱ネストと前記坑井の表面との間の少なくとも1地点で前記パイプシステムを断熱する工程であって、前記閉ループ固定熱取り出しシステムが、前記熱ネストを囲む岩体に液体の流れを曝すことなく前記坑井から地熱を取り出す工程と、を備える、掘削された坑井内から地熱を取り出す方法。 - 前記熱ネストを囲む岩体の表面積を増大させる工程が前記平衡温度を上昇させる請求項72に記載の方法。
- 前記岩体の表面積を増大させる工程は、前記熱ネストを囲む岩体内に少なくとも1つの穿孔を掘削する工程をさらに備える請求項73に記載の方法。
- 前記熱ネスト内に少なくとも1つの追加材料を注入する工程をさらに備え、前記少なくとも1つの追加材料は少なくとも1つのボールベアリングである請求項74に記載の方法。
- 前記熱ネスト内に少なくとも1つの追加材料を注入する工程をさらに備え、前記少なくとも1つの追加材料は少なくとも1つのビードである請求項74に記載の方法。
- 前記熱ネスト内に少なくとも1つの追加材料を注入する工程をさらに備え、前記少なくとも1つの追加材料は網状の金属材料である請求項74に記載の方法。
- 可撓性を有する一連の下降流パイプ内で前記熱交換要素内に前記パイプシステムの内容物をポンプで送り込んで、可撓性を有する一連の上昇流パイプ内で前記熱交換要素から外側に前記パイプシステムの内容物をポンプで送り出す工程をさらに備える請求項72に記載の方法。
- 前記熱ネスト内で前記パイプシステムに連結される複数の毛管内に前記パイプシステムの内容物を分散させる工程をさらに備える請求項78に記載の方法。
- 前記複数の毛管の各毛管は、前記下降流パイプの径よりも小さな径を有しており、前記パイプシステムの内容物が、前記内容物が前記複数の毛管を通り抜ける際に迅速に熱せられる請求項79に記載の方法。
- 前記パイプシステムの内容物は、前記熱ネスト内で熱せられる際に沸騰しない環境的に優しい熱伝導流体である請求項72に記載の方法。
- 前記パイプシステムの内容物は水である請求項81に記載の方法。
- 前記パイプシステムの内容物は気体である請求項81に記載の方法。
- 前記熱伝導材料はグラウトである請求項72に記載の方法。
- 前記熱伝導材料は溶融金属である請求項72に記載の方法。
- 前記熱伝導材料はセラミックである請求項72に記載の方法。
- 前記熱伝導材料は網状の材料である請求項72に記載の方法。
- 前記熱伝導材料はプラスチックである請求項72に記載の方法。
- 前記坑井内に熱伝導材料を注入する工程は、穿孔を通じてパイプを挿入して、前記熱ネストが前記熱伝導材料で充填された際に前記パイプを引き抜く工程をさらに備える請求項72に記載の方法。
- 前記パイプシステムを断熱する工程は、前記熱ネストと前記坑井の表面との間の少なくとも1地点で前記パイプシステムを断熱する工程をさらに備える請求項72に記載の方法。
- 前記平衡温度は温度範囲である請求項72に記載の方法。
- 地熱を取り出す工程は、螺旋形状に前記熱交換要素の形状を形成する工程をさらに備え、前記熱交換要素内で前記パイプシステムの内容物が流れる距離を増大させるために、前記熱交換要素内の前記パイプシステムが少なくとも1つの捻れたパイプを備える請求項72に記載の方法。
- 前記熱ネストを囲む岩体の表面積は、前記熱ネストを囲む岩体を破砕することによって増やされる請求項2に記載のシステム。
- 前記熱ネスト内に注入される少なくとも1つの追加材料をさらに備え、前記少なくとも1つの追加材料は熱ロッドである請求項3に記載のシステム。
- 前記熱ネストを囲む岩体の表面積は、前記熱ネストを囲む岩体を破砕することによって増やされる請求項30に記載のシステム。
- 前記熱ネスト内に注入される少なくとも1つの追加材料をさらに備え、前記少なくとも1つの追加材料は熱ロッドである請求項31に記載のシステム。
- 前記平衡温度を上昇させるために前記熱ネストを囲む岩体の表面積を増大させる工程は、前記熱ネストを囲む岩体の表面積を破砕する工程をさらに備える請求項52に記載の方法。
- 前記熱ネストを囲む岩体内に少なくとも1つの穿孔を掘削する工程は、前記熱ネスト内に注入される少なくとも1つの追加材料を注入する工程をさらに備え、前記少なくとも1つの追加材料は熱ロッドである請求項53に記載の方法。
- 前記平衡温度を上昇させるために、前記熱ネストを囲む岩体の表面積を増大させる工程は、前記熱ネストを囲む岩体の表面積を破砕する工程をさらに備える請求項73に記載の方法。
- 前記熱ネストを囲む岩体内に少なくとも1つの穿孔を掘削する工程は、前記熱ネスト内に注入される少なくとも1つの追加材料を注入する工程をさらに備え、前記少なくとも1つの追加材料は熱ロッドである請求項74に記載の方法。
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