基于沙漠地帶地表—地下溫差的發(fā)電系統(tǒng)

袁冰洋 秦明 劉文凱 萬平安

摘 要：本項目針對全球沙漠分布廣、太陽能儲量豐富、晝夜及地表-地下間溫差均較大、且目前尚未開發(fā)利用等特點，提出了一套基于沙漠地帶晝夜及地表-地下溫差的全天候聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計思路。最終研究設(shè)計了一套包含集熱模塊、蓄熱模塊、冷凝模塊、以及汽輪機(jī)與循環(huán)泵等的系統(tǒng)。

項目設(shè)計的日間發(fā)電系統(tǒng)集熱裝置利用沙漠地表收集熱量，與地下數(shù)米處形成40oC以上的溫差，結(jié)合汽輪機(jī)與循環(huán)泵，利用卡諾循環(huán)原理在白天發(fā)電。同時，設(shè)計的蓄熱裝置將部分收集到的熱量儲存起來，用于夜間與地下冷凝模塊等配合發(fā)電。這個部分是當(dāng)白天已經(jīng)不發(fā)電或發(fā)電量已經(jīng)很少的情況下才開始運(yùn)行，整個系統(tǒng)可實現(xiàn)沙漠地帶日間地表、地下溫差發(fā)電與夜間蓄熱裝置、地下溫差發(fā)電的平衡互補(bǔ)功能，最終實現(xiàn)全天候聯(lián)合互補(bǔ)平衡發(fā)電。預(yù)期成果對將來大規(guī)模開發(fā)利用沙漠地帶儲存的太陽能、實現(xiàn)社會的可持續(xù)發(fā)展具有重要理論價值和和實際意義。

關(guān)鍵詞：晝夜溫差；地表—地下溫差；溫差發(fā)電；卡諾循環(huán)

一、研究背景及意義

能源消耗的全球性增長與非潔凈能源的大量使用是造成全球環(huán)境污染的主要原因，開發(fā)利用可再生綠色能源已成為當(dāng)務(wù)之急。目前，全世界沙漠面積約有3370萬平方公里，占全球陸地總面積的近25%，太陽能蘊(yùn)藏豐富，以我國為例，沙漠地區(qū)每年每平方米可以得到的太陽能大約是5000～6000MJ，我國40萬平方公里沙漠面積上每年得到的太陽能大約折合700億噸標(biāo)準(zhǔn)煤。目前這些儲藏豐富的太陽能絕大部分尚未開發(fā)利用，少量則以太陽能電池板發(fā)電利用方式為主，成本高昂，限制了推廣應(yīng)用。

在沙漠地帶，白天地表的溫度可以達(dá)到50～60oC，地下5m深處溫度卻僅有10oC左右，而夜間地表也會降到0oC以下，可見，白天地表-地下溫差、晝夜溫差均較大，為此本項目研究了一套基于沙漠地帶晝夜及地表-地下溫差的全天候聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)，大規(guī)模利用基本處于廢棄狀態(tài)的沙漠土地以及其儲存的豐富的太陽能，對實現(xiàn)社會可持續(xù)發(fā)展具有重要的理論價值和現(xiàn)實意義。

二、模塊設(shè)計

集熱模塊的設(shè)計，如圖1 所示，太陽光被吸熱板上的黑鉻涂層選擇性吸收，透過透明玻璃蓋板，在保溫層和透明玻璃蓋板之間形成溫室效應(yīng)，吸熱板與管道中的工質(zhì)進(jìn)行熱交換，把熱量傳遞給工質(zhì)，為了減少吸熱板的能量損失及提高熱傳遞的效率，本集熱器的一大創(chuàng)新之處是在吸熱板和透明玻璃蓋板之間鋪設(shè)了許多透明玻璃管，以減少自然對流引起的熱損失。

三、工作原理

本發(fā)電系統(tǒng)的整體布置結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖2所示，系統(tǒng)利用白天集熱器所吸收的熱量，將工質(zhì)由液態(tài)變?yōu)闅鈶B(tài)。一部分氣態(tài)工質(zhì)通過蓄熱器進(jìn)行熱交換，把大部分熱量儲存在蓄熱器中，再經(jīng)過冷凝系統(tǒng)回到工質(zhì)儲備箱；另一部分氣態(tài)工質(zhì)經(jīng)過閃蒸器后流經(jīng)汽輪機(jī)進(jìn)行發(fā)電，工質(zhì)繼續(xù)經(jīng)過冷凝系統(tǒng)流回工質(zhì)儲備箱。夜間利用低功率泵把液態(tài)工質(zhì)輸送到蓄熱器中，再與蓄熱器進(jìn)行熱交換，把液態(tài)工質(zhì)轉(zhuǎn)換為氣態(tài)，氣態(tài)工質(zhì)流經(jīng)閃蒸器再與汽輪機(jī)結(jié)合進(jìn)行發(fā)電，最后經(jīng)冷凝系統(tǒng)回到工質(zhì)儲備箱。

四、結(jié)論

本項目設(shè)計開發(fā)了一套基于沙漠地帶晝夜與地表-地下溫差的全天候聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)。本系統(tǒng)分為兩個階段，第一階段在日間利用集熱裝置在沙漠地表收集熱量，形成與地下數(shù)米處40oC以上的溫差，然后利用卡諾循環(huán)原理進(jìn)行發(fā)電。第二階段利用設(shè)計的蓄熱裝置將收集到的熱量儲存起來，在夜間用于與地下低溫?zé)嵩撮g的發(fā)電。同時本項目中選用了能與換熱工質(zhì)長時間配用，且相容性較好的汽輪機(jī)發(fā)電系統(tǒng)、低揚(yáng)程循環(huán)泵系統(tǒng)。此外，還設(shè)計了與系統(tǒng)適用的、特別是能夠滿足工質(zhì)要求、氣候地質(zhì)要求的管路。對實現(xiàn)社會可持續(xù)發(fā)展具有重要的理論價值和現(xiàn)實意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]楊鵬程， 章學(xué)來， 王文國， 施敏敏. 海洋溫差發(fā)電技術(shù)[J]. 上海電力， 2009， 1： 38-39.

[2]徐柏林， 馬勇， 金英蘭. 當(dāng)今世界海洋發(fā)電發(fā)展趨勢[J]. 發(fā)電設(shè)備， 2000， 1： 37-38.

[3]李掛云， 屠進(jìn). 高溫?zé)峁芄べ|(zhì)的選擇[J].節(jié)能技術(shù)， 2001， 19（1）： 42-43.

[4]張學(xué)文. 新能源-靠沙漠溫度差發(fā)電. http：//zxw.idm.cn/energy. 2009，1，5.

作者簡介：

袁冰洋（1998.09） 男 漢族 河南省周口市 412723199809197330 本科生 電氣工程及其自動化

秦明 男，博士，副教授，碩士生導(dǎo)師，鄭州大學(xué)電氣工程學(xué)院，從事教學(xué)與科研工作 qinming@zzu.edu.cn

劉文凱（1998.02） 男 漢族 河南省安陽市 410522199802063218 本科生 電氣工程及其自動化

萬平安（1998.12） 男 漢族 河南省濮陽市 41090119981213055X 本科生 電氣工程及其自動化