TW202405301A - 潛入式地熱發電系統 - Google Patents

Abstract

本發明係有關於一種潛入式地熱發電系統，主要包括密閉腔體、溫差動力產生裝置、發電裝置、導熱模組以及導熱液體。其中，溫差動力產生裝置、發電裝置是整合於單一密閉腔體，其可垂吊而置入井內。溫差動力產生裝置之熱源端凸露密閉腔體外，用以接觸井內熱源；而冷源端和發電裝置位在密閉腔體內。密閉腔體內充填導熱液體，而導熱模組自密閉腔體內延伸到井外，使密閉腔體內的溫度維持與井外溫度相同，藉此營造冷源端和熱源端間的溫度差，讓溫差動力產生裝置順利運轉，進而驅動發電裝置作動而輸出電力。

Description

潛入式地熱發電系統

本發明係關於一種潛入式地熱發電系統，尤指一種利用地熱或溫泉等地下熱源進行發電之發電設備。

地熱發電除了是一種低碳甚至零碳的乾淨再生能源，對於降低環境污染和減緩暖化有很大幫助，其最大特色便是具備風力、太陽能等綠能所欠缺的供電穩定性，地熱發電不受天候影響，可24小時穩定供電，同時佔地小、用地率低，對環境生態衝擊小，因此在全球正如火如荼發展中。

地熱發電系統的相關先前技術請先參考PCT公開第WO2019067618號「利用自地球內部之熱產生電力之系統及方法/SYSTEMS AND METHODS OF GENERATING ELECTRICITY USING HEAT FROM WITHIN THE EARTH」，其中有關利用史特林引擎的技術係揭露於該專利文獻的圖10的實施例中。此一先前技術主要利用「乾孔(dry hole)」來獲取地熱能源，所謂「乾孔」指的是為探勘石油或天然氣所鑿設之孔，其深度相當深，常見都是超過10000呎。在該專利文獻圖10的實施例中，先利用泵將熱傳導流體推送到乾孔底部進行熱交換，使熱傳導流體加熱後再抽上來地表表面驅動史特林引擎，進行發電。然而，此一方式仍需耗費大量能源來使熱傳導流體40強制流動，特別是要從深達10000呎之深度抽到地表，且又要將位於地表的水推送打入井內，所耗損的能源相當巨大。

又，另一先前技術美國專利公開第US2008209904號「使用史特林引擎產生電力之系統和方法/Systems and Methods for Generating Electricity Using a Stirling Engine」；在該專利文獻的圖4中，將史特林引擎設置於低溫的水體中，並以冷端(cold end)接觸低溫水體，而同樣利用泵將熱傳導流體推送到乾孔底部進行熱交換後，又被抽上來與史特林引擎的熱端(hot end)進行熱交換。然而，此種方式施工困難，也不利於維修或保養；重要的是，同樣需要耗費大量能源來使來使熱傳導流體強制流動。

再一先前技術PCT公開WO2010102379號「用於在井孔和相關方法中使用的熱機設備/HEAT ENGINE APPARATUS FOR USE IN WELLBORE AND RELATED METHOD」，其揭露了將熱機(如史特林引擎)設置於井孔中，並利用泵使一熱交換流體產生強制循環；其中，該熱交換流體自井底被加熱後，被泵汲取至熱機的熱端進行熱交換。接著，該熱交換流體又被泵汲取至地面熱交換流體儲器後，而進入另一熱交換器進行冷卻；待該熱交換流體冷卻後，被泵送至熱機的冷端進行熱交換；最後，該熱交換流體又被泵送至井底進行加熱，藉此構成一循環迴路。然而，此一先前技術同樣需要耗費大量能源來使熱交換流體構成強制循環，且循環管路相當長又複雜，施工難度高。而且，溫泉水容易阻塞和腐蝕管道，因而造成設備的維護成本增加和使用壽命的減少。

由上可知，現有的地熱發電系統都需要挖相當深之深度來獲取熱源，施工較為麻煩；而且也都需要利用不斷循環的導熱流體來加熱和冷卻，以形成溫度差，然而光是驅動導熱流體的強制循環都將耗費大量能源，發電成本恐將大於發電效益，故始終無法商業運轉。此外，建置成本高昂，日後維修和保養也相對不便。

本發明之主要目的係在提供一種潛入式地熱發電系統，可全時的自主發電，產電穩定；又無須額外能源來維持系統運作，產電完全輸出，發電效率佳；不用抽取地下水，對環境影響極小，且占地小；整個發電機組是置入井內，而需要維修保養時又可輕易吊出，故不論是設備成本、施工成本、甚至是養護成本都相對低廉。

為達成上述目的，本發明一種潛入式地熱發電系統，其主要包括密閉腔體、溫差動力產生裝置、發電裝置、導熱模組以及導熱液體；密閉腔體置於一井內，而井提供熱源；溫差動力產生裝置包括熱源端及冷源端，且組設於密閉腔體，而熱源端露出於密閉腔體外並接觸熱源，冷源端係位於密閉腔體內；發電裝置動力連接於溫差動力產生裝置，且容設於密閉腔體內；其中，當溫差動力產生裝置之熱源端及冷源端間之溫度差達一特定值時，溫差動力產生裝置驅動發電裝置作動而輸出電力；導熱模組包括第一端及第二端，而第一端係位於密閉腔體，第二端延伸出該井外；導熱液體充填於密閉腔體內，而溫差動力產生裝置之冷源端、發電裝置以及導熱模組之第一端係沉浸於導熱液體內。

由上可知，本發明把整個發電機組整合於單一密閉腔體，並可垂吊而置入井內；其中，溫差動力產生裝置之熱源端凸露密閉腔體外，用以接觸井內熱源；而冷源端和發電裝置位在密閉腔體內，且透過導熱液體和導熱模組，使密閉腔體內的溫度維持與井外溫度相同，藉此使冷源端和熱源端間形成顯著的溫度差，讓溫差動力產生裝置順利運轉。據此，本發明無須輸入外部能源來協助運轉，可全時段自主發電，不受天候影響，且又不抽取熱源(如溫泉水)，對環境影響極小，可永續利用、發電；且只需要挖井後垂吊置入即可，需要維修保養時又直接吊起即可，不論安裝或維護都相當便利，設備及施工成本也相對低廉。

本發明潛入式地熱發電系統在本實施例中被詳細描述之前，要特別注意的是，以下的說明中，類似的元件將以相同的元件符號來表示。再者，本發明之圖式僅作為示意說明，其未必按比例繪製，且所有細節也未必全部呈現於圖式中。

請同時參閱圖1、圖2及圖3，圖1係本發明第一實施例之示意圖，圖2係本發明第一實施例之系統架構圖，圖3係本發明發電機組一較佳實施例之剖面示意圖。如圖中所示，本實施例之發電機組GS是置於溫泉井W的井底，本實施例的溫泉井W不用太深，只要能取得80℃以上的溫泉或地熱土即可。以台灣台東縣知本地區為例，在許多溫泉區掘井深度達到30m至50m就有溫度70℃~90℃以上的溫泉。而且，本實施例因為無須抽水取用，故也不受限於水量，僅需數公分的水深即可，甚至只要有含水土壤或高溫地熱土壤即可。相較於傳統動輒深達數千公尺以上的地熱井，本實施例所採用之溫泉井W在施工上，顯然更具備時間和成本優勢，且探勘也更為容易。

再者，本實施例之發電機組GS主要包括密閉腔體2、溫差動力產生裝置3以及發電裝置4；其中，本實施例之溫差動力產生裝置3採用史特林引擎(Stirling Engine)，惟本發明也不限於此，其他可利用溫度差產生動力之熱機均可適用。溫差動力產生裝置3組設於密閉腔體2，並包括一熱源端31及一冷源端32，熱源端31露出於密閉腔體2外，用以接觸溫泉井W內的熱源Sh(溫泉水或高溫土壤)，而冷源端32係位於密閉腔體2內。

由於本實施例之溫差動力產生裝置3的熱源端31長期浸泡於溫泉中，故難免會發生腐蝕或結垢情形；為此，本實施例之熱源端31採用不銹鋼外殼，並包覆有鎳合金625(Inconel ®625)，此種合金具有很好的耐腐蝕性，特別在高溫下可抵抗結垢和氧化。另外，也可以將氮化碳、氮化硼或其他含碳或硼之材料塗覆至熱源端31之外表面，以更提升防止或抑制結垢及腐蝕。

本實施例之溫差動力產生裝置3的冷源端32的外殼則設有促進熱交換的鰭片33，藉此有助於冷源端32與導熱液體L間的熱交換速率。本實施例之發電裝置4為線性交流發電機，其動力連接於溫差動力產生裝置3，且容設於密閉腔體2內。當溫差動力產生裝置3之熱源端31及冷源端32間之溫度差達一特定值時，通常約45℃~55℃以上，該溫差動力產生裝置3即自動運轉，就可驅動該發電裝置4作動而輸出電力。

另外，密閉腔體2內充填導熱液體L，其可為純水，惟本實施例採用具備高熱容量和高導熱係數等特性之奈米流體，主要由奈米顆粒(Nanoparticle)和基液(Base Fluid)兩種成分組成，奈米顆粒可為金屬、金屬氧化物、碳化物、奈米碳管、石墨烯，其中奈米金屬顆粒優選為鎂；而基液可為水、乙二醇、油，其中油又以合成導熱油Therminol ^®為佳。而且，也可以添加其他添加劑，例如抗銹蝕添加劑以及抗奈米顆粒團聚之分散劑等。

關於導熱模組5，本實施例採用熱導管(heat pipe)，其包括一第一端51及一第二端52，第一端51係位於密閉腔體2，而為了增加熱傳效果，第一端51為沿著密閉腔體22的長度方向呈螺旋狀配置，且配置在溫差動力產生裝置3的冷源端32和發電裝置4的外圍，藉此可得到較佳的熱交換效果。需要特別說明的是，本發明之導熱模組51不限於熱導管，也可採用熱虹吸管、石墨導熱片以及均溫板(vapor chamber)等導熱效果佳之熱傳導構件。

請一併參閱圖4A，其係本發明導熱模組一較佳實施例之局部剖面示意圖；有鑑於導熱模組5的長度可能長達30m以上，本實施例特別採用現場拼接式熱導管，也就是在施工現場再將已經預先製備好的熱管段50拼接組裝，其中每一熱管段50內已經先設置毛細結構，本實施例採多層銅網結構。如圖4A所示，將二熱管段50對接後可先彼此嵌套，而接合處再包覆一密封材53，如氟橡膠或氟樹脂，而最外層再以管束件54加以固定。由於管外部為一大氣壓差，而管內接近真空，故透過密封材53可達成絕佳的氣密效果，如同輪胎氣嘴的閉氣效果。而且，本實施例之熱管段50採活動式拼接組裝而成，除了可依現地需求現場組裝之外，日後進行設備保養維護或熱管段50的更換也相當便利。

再請參閱圖4B，其係本發明導熱模組另一較佳實施例之局部剖面示意圖；本發明提供另一種熱管段50的拼接方式，如圖中所示，每一熱管段50的一端設有一凸緣部(flange)55，而將二熱管段50對接後再以螺栓57加以鎖附固定，且在二熱管段50之凸緣部55間配置有一氣密墊56，藉此可降低施工難度，有效縮短工期和降低成本。

另一方面，為了實現防腐蝕性、抗氧化性以及防結垢等特性，本實施例之熱管段50的外表面特別施加熱噴鋁塗層；而且，熱管段50外又再包覆一隔熱材58，本實施例採用兩相和三相環氧樹脂複合泡沫塑料，當然其他諸如聚氨酯保溫材、保溫棉或者聚乳酸發泡材料等也可作為隔熱材58。在其他實施例中，為了更加提升隔熱材58的抗腐蝕、抗結垢、以及保溫效果，可另外施加奈米塗層，例如30%丙烯酸類樹脂水和70%奈米材料的塗層，其中奈米材料可為多壁碳納米管(MWCNT)。同樣地，密閉腔體2的外表面也包覆了相同的隔熱材58，藉以阻絕溫泉井W內的高溫影響密閉腔體2的溫度。

請繼續參閱圖1，圖中顯示有一散熱模組6，其位於地表上，且連接於導熱模組5之第二端52。本實施例之散熱模組6為散熱鰭片，其可設置於建築物或其他有遮蔽處以維持低於大氣溫度，或將散熱鰭片置於冷卻水池中，可進一步降低溫度。換言之，透過導熱模組5和散熱模組6之設置，將可使密閉腔體2內的溫度維持低於大氣溫度，故可使溫差動力產生裝置3之熱源端31及冷源端32間產生特定溫度差，進而自主運轉。

請一併參閱圖1及圖5，圖5係本發明抽真空模組和逆止閥一較佳實施例之剖面示意圖；經過長久運轉之後，熱導管內的真空度有可能會降低，為了維持真空度，於第二端52也設置抽真空模組7、逆止閥71及負壓壓力感測器72，當負壓壓力感測器72偵測到真空度低於特定值時，抽真空模組7自動運轉，而逆止閥71則扮演了僅允許氣體排出而阻止氣體進入熱導管的腳色。需要特別說明的是，抽真空模組71並非全時運作，也不會頻繁啟動，應端視熱導管之氣密程度而定，通常可能數週或甚至數月啟動一次即可，對於能源的損耗相當有限。

此外，導熱模組5內的工作流體有可能隨著抽真空時而排出，故本實施例於第二端52又設置了一儲液槽73，可適時添加工作流體。另外，請見圖2及圖3，本實施例之導熱模組5的第一端51設置一上液面檢知器511及一下液面檢知器512，用來檢測導熱模組5內工作流體的存量，詳細作動方式後有詳述。

又補充說明，如圖1所示，導熱模組5連接到散熱模組62的底部，儲液槽73連接到散熱模組62的中段位置，抽真空模組71則連接到散熱模組62的頂部位置。由於液體的重力影響，在散熱模組62內冷凝後的液體可以順利流回到下方的導熱模組5。而且，真空模組71在抽真空時，還可以避免真空模組71直接抽到導熱模組5內的工作流體。

請繼續參閱圖1、圖2及圖3，以下說明本實施例之監控系統，其主要包括主控制器80、第一溫度感測器81、第二溫度感測器82、第三溫度感測器83、前述負壓壓力感測器72、上液面檢知器511以及下液面檢知器512。其中，第一溫度感測器81設置於溫差動力產生裝置3之熱源端31，主要用於量測熱源端31的溫度，也是溫泉井W內熱源Sh的溫度；而第二溫度感測器82設置於密閉腔體2內，用於量測密閉腔體2內的溫度，也是溫差動力產生裝置3之冷源端32的溫度；第三溫度感測器83設置於導熱模組5之第二端52，在理想狀態下，第三溫度感測器83所量測到的溫度應該與第二溫度感測器82所量測到的溫度相差無幾。

由上可知，主控制器80透過前述該等感測器即可獲知各項溫度和壓力參數，藉以判斷系統或環境是否處於正常狀態。再且，上液面檢知器511及下液面檢知器512係用來檢知導熱模組5內工作流體的存量；當工作流體存量不足時，也就是下液面檢知器511已無法檢知到工作流體時，可由主控制器80控制儲液槽73的開關而自動補充工作流體；而當上液面檢知器511已偵測到工作流體時，即表示存量充足，主控制器80關閉儲液槽73的開關。

本實施例是採用非接觸式液面檢知器，例如非接觸式電容感測器，其能將可變的介質(例如液位)轉換成可處理的訊號；其原理為當工作流體靠近電容感測器的感應面時，電容值發生變化，即作用區周圍電力電場發生改變，藉此形成偵測信號。當然，本發明也可採用電磁感應式液面檢知器，其具備有一個產生磁場的電磁線圈和捕捉電動勢(電壓)的電極，當工作流體經過該磁場時，就會產生感應電動勢，藉此形成偵測信號。

因此，本實施例所採用的非接觸式液面檢知器可不受液體的溫度、壓力、密度或黏度影響，也能夠檢測包含汙染物(固體或氣體)的液體，不會造成液體壓力損失，也沒有可動部件，可靠度高。不過，本發明也不以非接觸式電容感測器為限，亦可採其他種類的接觸或非接觸液面檢知器，例如光電感測器。

此外，圖1及圖2中另顯示有一電力轉換模組84，其由整流器(rectifier)、變壓器(transformer)與變流器(power converter)等各式電力轉換設備所組成，透過該模組可將發電機組GS所生成的電力轉換成穩定交流電源以供饋入市電電網，或先經過儲能設備再轉換成穩定交流電源以供饋入市電電網。

另外，更值得一提的是，本實施例之密閉腔體2的上端面設有一掛環21，其可供吊掛；舉例說明，在進行系統安裝時，可以透過掛環21將發電機組GS吊掛置入溫泉井W；而欲進行維修或保養時，同樣可以透過吊掛方式將發電機組GS吊起，相當便利。

請參閱圖6，其係本發明第二實施例之示意圖；本實施例與前述第一實施例之主要差異在於，散熱模組6的設置方式，本實施例之散熱模組6係埋設於距地表深度0.5m至5m之土壤內。同樣以台灣台東縣為例，根據實際數據顯示，離地表60cm深處的土壤溫度日夜變動量多不會超過1℃；而在100cm深處的土壤日夜溫差則幾乎趨近於零；離地表5m深處的土壤溫度，終年則可維持於25℃上下。所以，本實施例可以提供相當穩定的低溫源，再加上溫泉井W內提供穩定高溫的熱源Sh，故可使本系統完全不受天候或其他環境影響，可全時段輸出穩定電力。

請參閱圖7，其係本發明第三實施例之示意圖；本實施例與前述實施例之主要差異仍然在於，散熱模組6的設置方式，本實施例之散熱模組6係沉浸於水中，例如河川、海洋、湖泊、甚至是人工蓄水池。由於將散熱模組6沉浸於大量的水體中，而該水體可被視為一低溫熱庫(low temperature reservoir)R，其提供穩定的低溫源，而使發電機組GS內維持於相對低溫。以台東地區的河川為例，月平均水溫約為22.8℃，故可作為穩定的低溫源。

請參閱圖8，其係本發明第四實施例之示意圖；本實施例主要用於說明本系統亦可以多機組發電的形式來構成中大型發電站。進一步說明，由於發電機組GS體積小，溫泉井W的口徑也無須太大，故可在同一溫泉區域佈設多套發電系統，即如圖8所示，且包括抽真空模組7、電力轉換模組84及主控制器80等皆可共用。而且，由於本系統的發電模式無須抽取溫泉水，所以對環境幾乎不會造成破壞，可以永續產電，在多套發電機組GS同時運作下，所產生的電力將相當可觀。

上述實施例僅係為了方便說明而舉例而已，本發明所主張之權利範圍自應以申請專利範圍所述為準，而非僅限於上述實施例。

2:密閉腔體 3:溫差動力產生裝置 4:發電裝置 5:導熱模組 6:散熱模組 7:抽真空模組 21:掛環 31:熱源端 32:冷源端 50:熱管段 51:第一端 52:第二端 53:密封材 54:管束件 55:凸緣部 56:氣密墊 57:螺栓 58:隔熱材 71:逆止閥 72:負壓壓力感測器 73:儲液槽 80:主控制器 81:第一溫度感測器 82:第二溫度感測器 83:第三溫度感測器 84:電力轉換模組 511:上液面檢知器 512:下液面檢知器 GS:發電機組 L:導熱液體 R:低溫熱庫 Sh:熱源 W:溫泉井

圖1係本發明第一實施例之示意圖。 圖2係本發明第一實施例之系統架構圖。 圖3係本發明發電機組一較佳實施例之剖面示意圖。 圖4A係本發明導熱模組一較佳實施例之局部剖面示意圖。 圖4B係本發明導熱模組另一較佳實施例之局部剖面示意圖。 圖5係本發明抽真空模組和逆止閥一較佳實施例之剖面示意圖。 圖6本發明第二實施例之示意圖。 圖7本發明第三實施例之示意圖。 圖8本發明第四實施例之示意圖。

2:密閉腔體

3:溫差動力產生裝置

4:發電裝置

5:導熱模組

6:散熱模組

7:抽真空模組

21:掛環

50:熱管段

51:第一端

52:第二端

58:隔熱材

71:逆止閥

73:儲液槽

80:主控制器

81:第一溫度感測器

82:第二溫度感測器

83:第三溫度感測器

84:電力轉換模組

GS:發電機組

L:導熱液體

Sh:熱源

W:溫泉井

Claims (10)

1. 一種潛入式地熱發電系統，其包括： 一密閉腔體，其置於一井內，該井提供一熱源； 一溫差動力產生裝置，其包括一熱源端及一冷源端，該溫差動力產生裝置組設於該密閉腔體，該熱源端露出於該密閉腔體外並接觸該熱源，該冷源端係位於該密閉腔體內； 一發電裝置，其動力連接於該溫差動力產生裝置，且容設於該密閉腔體內；其中，當該溫差動力產生裝置之該熱源端及該冷源端間之溫度差達一特定值時，該溫差動力產生裝置驅動該發電裝置作動而輸出電力； 一導熱模組，其包括一第一端及一第二端，該第一端係位於該密閉腔體，該第二端延伸出該井外；以及 一導熱液體，其充填於該密閉腔體內，該溫差動力產生裝置之該冷源端、該發電裝置以及該導熱模組之該第一端係沉浸該導熱液體內。
2. 如請求項1之潛入式地熱發電系統，其中，該溫差動力產生裝置為一史特林引擎，該發電裝置為一線性交流發電機。
3. 如請求項1之潛入式地熱發電系統，其中，該導熱模組係選自由以下組成之群組中至少其一：熱導管、熱虹吸管、石墨導熱片以及均溫板。
4. 如請求項1之潛入式地熱發電系統，其更包括一散熱模組，係連接於該導熱模組之該第二端。
5. 如請求項4之潛入式地熱發電系統，其中，該散熱模組係曝露於空氣及沉浸於水體中至少一者。
6. 如請求項4之潛入式地熱發電系統，其中，該散熱模組係埋設於距地表深度0.5m至5m之土壤內。
7. 如請求項1之潛入式地熱發電系統，其更包括一抽真空模組，係連接於該導熱模組之該第二端；該導熱模組為一熱導管；該抽真空模組係用於為該熱導管抽真空。
8. 如請求項7之潛入式地熱發電系統，其更包括一逆止閥及一負壓壓力感測器，該逆止閥係設置於該抽真空模組與該導熱模組之該第二端之間，該負壓壓力感測器係用於量測該導熱模組內之負壓壓力。
9. 如請求項8之潛入式地熱發電系統，其更包括一主控制器、一第一溫度感測器、一第二溫度感測器以及一第三溫度感測器；該第一溫度感測器、該第二溫度感測器、該第三溫度感測器及該負壓壓力感測器電性連接於該主控制器；該第一溫度感測器設置於該溫差動力產生裝置之該熱源端，該第二溫度感測器設置於該密閉腔體內，該第三溫度感測器設置於該導熱模組之該第二端。
10. 如請求項1之潛入式地熱發電系統，其中，該密閉腔體及該導熱模組之外表面包覆一隔熱材。