基于沙漠地带昼夜及地表——地下温差的全天候联合发电系统

1 基于沙漠地带昼夜及地表基于沙漠地带昼夜及地表 地下温差的全天候联合发电系统地下温差的全天候联合发电系统 作品内容简介 本项目针对全球沙漠分布广 太阳能储量丰富 昼夜及地表 地下间温差均较大 且目前尚未开发利用等特点 提出了一套基于沙漠地带昼夜及地表 地下温差的全天候 联合发电系统设计思路 最终研究设计了一套包含集热模块 蓄热模块 冷凝模块 以及汽轮机与循环泵等的系统 项目设计的日间发电系统集热装置利用沙漠地表收集热量 与地下数米处形成 40 C 以上的温差 结合汽轮机与循环泵 利用卡诺循环原理在白天发电 同时 设计 的蓄热装置将部分收集到的热量储存起来 用于夜间与地下冷凝模块等配合发电 这 个部分是当白天已经不发电或发电量已经很少的情况下才开始运行 整个系统可实现 沙漠地带日间地表 地下温差发电与夜间蓄热装置 地下温差发电的平衡互补功能 最终实现全天候联合互补平衡发电 预期成果对将来大规模开发利用沙漠地带储存的 太阳能 实现社会的可持续发展具有重要理论价值和和实际意义 2 1 研究背景及意义 能源消耗的全球性增长与非洁净能源的大量使用是造成全球环境污染的主要原因 环境问题的严峻现实迫使人类努力寻找一条人口 经济 社会 资源与环境相互协调 的可持续发展道路 开发利用可再生绿色能源已成为当务之急 目前 全世界沙漠面积约有 3370 万平方公里 占全球陆地总面积的近 25 沙漠 的类型有热带 亚热带和温带沙漠 其中 热带和亚热带沙漠主要分布在南北回归线 附近副热带高气压带控制下的地区 太阳能蕴藏丰富 1 以我国为例 沙漠地区每年每 平方米可以得到的太阳能大约是 5000 6000MJ 我国 40 万平方公里沙漠面积上每年得 到的太阳能大约折合 700 亿吨标准煤 2 目前这些储藏丰富的太阳能绝大部分尚未开发 利用 少量则以太阳能电池板发电利用方式为主 成本高昂 限制了推广应用 目前温差发电系统主要用在海洋能利用方面 3 4 以海洋受太阳能加热的表层海水 作为高温热源 而以 500 1000m 深处的海水作为低温热源 用热机组成的热力循环系 统依据卡诺循环原理进行发电 从高温热源到低温热源 可获得总温差 15 20 C 左右 的有效能量 最终仅获得具有工程意义的 11 C 温差的能量 5 但海上气候复杂多变 对发电系统可靠性 稳定性 安全性等方面要求很高 特别是高昂的造价 较低的能 量转换效率严重限制了它的应用 海洋温差发电系统目前仍处于示范性阶段 而在沙漠地带 白天地表的温度可以达到 50 60 C 地下 5m 深处温度却仅有 10 C 左右 而夜间地表也会降到 0 C 以下 6 可见 白天地表 地下温差 昼夜温差均远大 于海洋温差 如果能够开发设计出优良的集热装置 蓄热装置 则实现温差发电 乃 至实现产业化远较海洋温差发电容易 针对上述分析 本项目研究了一套基于沙漠地 带昼夜及地表 地下温差的全天候联合发电系统 系统利用分别布置于地表及地下的集 热 冷凝模块 结合汽轮机与循环泵 利用卡诺循环原理在白天发电 并采用蓄热模 块收集太阳热能 进一步储存起来 用于其与地下冷凝模块等配合 从而在夜间发电 最终实现全天候联合互补平衡发电 本系统大规模利用基本处于废弃状态的沙漠土地 以及其储存的丰富的太阳能 对实现社会可持续发展具有重要的理论价值和现实意义 3 2 设计方案 2 1 用于沙漠温差发电的工质研究 在沙漠地带 沙漠浅层和地表以下 0 3m 存在着的温度差为20 40 C 7 为了可 以达到循环发电的效果 选择的工质的沸点应处于25 35 C 工质应有良好的热物理性 质 与管道材料应相容且应具有热稳定性 其他包括经挤性 安全性 环境保护都要 进行考虑 8 因为烃类是常见的太阳能制冷剂且沸点较符合本项目对工质的要求 所以 在选择工质时主要对烃类的物质进行对比 表表 1 1 工质对比工质对比 名名 称称 熔熔 点点 价价 格格 元元 优优 点点缺缺 点点 乙醛20 85 7 5 8 有辛辣的刺激性气味 无 色 可以方便检验泄露情 况 易燃 易挥发 其蒸气可与空气形成爆 炸性混合物 具有一定的危险性 易氧 化 性质活泼 腐蚀性较强 一氟三 氯甲烷 23 726 有醚味 而且不燃 化学 性质较为稳定 在不含水 分时对金属材料无腐蚀 对管道的危害性小 而 便于检查泄露 在高温下 不会发生化学反应 对坏境有危害 对水体可造成污染 对 臭氧层破坏力强 在高热条件下可分解 若遇高热 容器内压升高 有开裂和爆 炸的危险 甲酸甲 酯 30较高有芳香气味 而且稳定 极易燃 其蒸气与空气可形成爆炸性混 合物 遇明火或氧化剂有引起爆炸的危 险 由于循环时工质的温度和压强不是很高 所以工质在高温高压下的缺点可以忽略 通过表 1 发现 一氟三氯甲烷虽然对金属的腐蚀性较小且化学性质稳定 但其对坏境 的危害性较大 价格较高 甲酸钾脂的价格也较高 且极易氧化 危险性较大 也不 符合工质的要求 而乙醛的价格相对较为便宜 且有刺激性的气味 便于检漏 对于 它的腐蚀性 可以选择耐腐蚀的管道来降低其影响 2 2 地表 地下集热储能系统研究 为提高集热器的集热效果 发电效率 本系统在集热模块上对材料进行了一些选 择 采用高导热率的材料以及在表面涂上高导热率的涂层材料 为了有效防止接头发 生泄漏 保证集热器的使用寿命 本系统对连接管也进行了选择 4 表表 2 2 涂层材料对比涂层材料对比 涂层涂层 材料材料 价价 格格 元元 热发色率热发色率吸收率吸收率优优 点点缺缺 点点 黑镍176 5 1770 10 0 150 92 0 96 电流密度低 分散能 力好 电流的效率高 等 热稳定性 耐蚀性差 耐湿 性差 黑铬76 780 05 0 0920 87 0 97 高选择性 耐温耐湿 性能好 光学性能和 机械性能稳定等 黑铬工艺需要在高电流密度 和低温下操作 黑钴350 3700 12 0 140 94 0 96 蜂窝网状结构 光学性 能稳定等 基体需要预先镀铜或化学镀 镍的玻璃 根据表 2 发现 黑铬有较明显的优点 而且性价比优越 所以选择黑铬为吸热板 的涂层材料 表表 3 3 管材的对比表管材的对比表 管管 材材 价价 格格 元元 导热系数导热系数 W m 比热容比热容 J K 密密 度度 m3 铜55 6 55 93862368930 铝16 59023982710 钼125 1301382559590 根据表 3 数据 发现铝的价格比铜便宜 且比重仅有铜的三分之一 项目选择铝 作为管道的加工材料 从表 4 可以看出 彩色铝合金管结构简单 使用方便且可高效安装 此外 具有 高强度的铝合金螺母成本低 防腐效果好 安全可靠 所以项目选用彩色铝合金来作 为连接管 表表 4 4 连接管对比连接管对比 连接管名称连接管名称铜管接管铜接头铝管彩色铝合金管 管体管体铜管铜管加纯铝管铝合金管 管表面管表面铜表面热缩管黑铬涂层 使用的螺母使用的螺母黄铜螺母黄铜螺母高强度铝合金螺母 管体连接方式管体连接方式焊接焊接非焊接的扩口连接 安全性安全性安全铜铝接头存在隐患安全 价格 相对于纯铜 价格 相对于纯铜 100 40 30 5 在上述工作基础上 设计了系统集热模块与冷凝模块 分别如图 1 图 2 所示 在 图 1 中 太阳光被吸热板上的黑铬涂层选择性吸收 透过透明玻璃盖板 在保温层和 透明玻璃盖板之间形成温室效应 吸热板与管道中的工质进行热交换 把热量传递给 工质 为了减少吸热板的能量损失及提高热传递的效率 本集热器的一大创新之处是 在吸热板和透明玻璃盖板之间铺设了许多透明玻璃管 以减少自然对流引起的热损失 在图 2 中 利用多弯管增加工质与地下土壤的热交换 提高热交换的效率 2 3 蓄热保温系统研究 本系统的第二个环节即夜晚发电部分需要高效地将白天蓄积富余的太阳能储存起 来 利用一般的显热蓄热蓄热密度小 而且在取热和放热过程中材料温度变化大 效 图图 2 蓄热模块蓄热模块 6 果不好 利用相变潜热蓄热效率高 9 选择的相变材料需满足相变温度适宜 相变潜热 高 液相和固相的导热系数和导温系数高 膨胀系数小 无毒无腐蚀性等条件 无机相变材料特别是结晶水合盐价格便宜 体积蓄热密度和熔解热大 热导率也 比较大 常用于低温储热中 对于其容易过冷以及分离的缺点 可以采用加入防过冷 剂和防分离剂来实现 表表 5 5 同类型相变材料对比同类型相变材料对比 相变材料相变材料 熔熔 点点 熔融热熔融热 kJ kg 价价 格格 元元 吨吨 防过冷剂防过冷剂防分离剂防分离剂 硫酸钠硫酸钠Na2SO4 10H20 32 4254 00440 480硼砂 高吸水树脂 十二烷基苯 磷酸氢二钠磷酸氢二钠 Na2HPO4 12H2 O 35 0208 806000 BaS CaSO4 CaHPO4 12H2O SiO2 膨润土 聚乙烯醇 氯化钙氯化钙 Ca2Cl2 6H20 29 7278 84580 CaCO3 CaSO4 Ca OH 2 聚乙烯酰胺 通过表5对比分析可知 磷酸氢二钠虽然相变温度适合 但价格相比其它物质高出 很多且熔融热较低 虽然氯化钙熔融热较高且价格较低 但相变温度只有29 7 C 不适 合在沙漠中应用 综合以上比较与分析 最终选取硫酸钠作为相变材料 硫酸钠是一 种典型的无机水合盐相变储能材料 10 有较高的潜 254kJ kg 和良好的导热性能 化 学稳定性好 无毒 价格低廉 来源广 11 Na2SO4 10H20以其优越的性能 成为很具 吸引力的潜热储热材料 12000 7 图3为PCM相变换热装置的区域简化图 在工质流过的管道外围紧密地缠绕 Na2SO4 10H20相变材料 白天气体工质从管道流过时 将热量传送给PCM PCM由固 体变为液体 吸收热量 工质自身变为液体 再回到管路循环 夜晚液体工质从管道 流过时 PCM将白天储存下来的热量传递给工质 PCM又由液体变为固体 放出热量 工质变为气态 再送到汽轮机进行发电 实现夜晚发电的目的 这个部分是当白天已 经不发电或发电量已经很少的情况下才开始运行 真正做到白天夜晚的互补平衡发电 从图 4 中可以看到 PCM 容器与工质管道的安放位置及管道的进出口位置 2 4 循环泵系统 汽轮机发电系统选型 本部分对能够与本项目中换热工质长时间配用 相容性较好的低扬程循环泵系统 汽轮机发电系统进行选型设计 从表 5 中可以看出 JMT 10B 的效率值较低 且扬程较 低 而 JMT 06 4 5 的扬程过高 运行时耗电量大 JMT 07 3 5 的扬程 效率适中 因 此应选择 JMT 07 3 5 型的水泵 表表 5 5 水泵性能参数比较表水泵性能参数比较表 型型 号号 流量范围流量范围 m3 s 扬扬 程程 m 设计点效率设计点效率 转转 速速 r min 比转速比转速 JMT 10B0 4142 65575 1914501637 JMT 07 3 50 3843 68083 4214501235 JMT 06 4 50 4024 80085 6214501034 表表 6 6 汽轮机性能参数表汽轮机性能参数表 由计算得知 系统的发电量约为 1140KW B1 0 0 88 0 15 型汽轮机效率低 不能 满足系统的最佳工况 会造成一定能量浪费 B1 5 2 35 0 3 型汽轮机功率虽然满足要求 但其转速太大 本体质量过重 不利于安装检修 同时耗能大 不宜选用 B1 5 进汽参数进汽参数排汽参数排汽参数 型号型号 额定 功率 KW 额定转额定转 速速 r min 压力压力 MPa 温度温度 压力压力 MPa 温度温度 本体质量本体质量 吨吨 B1 0 0 88 00 1 6250 3500 15 0 30190 2303 5 B1 5 0 88 00 1 6250 3500 15 0 30190 2303 5 B1 5 2 35 0 3150056002 353900 33609 8 0 88 0 15 型汽轮机功率满足要求 且转速和本体质量都不是太大 适宜选用 2 5 发电系统总体配置 安装方案设计 本发电系统的整体布置结构设计如图 5 所示 系统利用白天集热器 详见图 1 所 吸收的热量 将工质由液态变为气态 一部分气态工质通过蓄热器进行热交换 详见 图 3 和 4 把大部分热量储存在蓄热器中 再经过冷凝系统 详见图 2 回到工质储 备箱 另一部分气态工质经过闪蒸器后流经汽轮机进行发电 工质继续经过冷凝系统 流回工质储备箱 夜间利用低功率泵把液态工质输送到蓄热器中 再与蓄热器进行热 交换 把液态工质转换为气态 气态工质流经闪蒸器再与汽轮机结合进行发电 最后 经冷凝系统回到工质储备箱 图图 5 发电系统整体构建图发电系统整体构建图 集热器 闪蒸器 G 冷凝系统 介质储备 箱 P 蓄热器 人工补给 工质 1 集热器 详见模块一 2 冷凝系统 详见模块二 3 蓄热器 详见模块三 汽轮机 发电机 低功率泵 9 3 理论设计计算 集热器的热计算 平板式太阳能集热器如图 1 所示 包括散热辐射在内的投入太阳能辐射为 透明盖板采用厚度b 4mm普通透明玻璃 吸热面采用铝材 其上镀有 2 750W s Gm 的光谱选择性涂层黑铬 查实验资料得吸热面的平均温度 覆盖 62 8 10mg m C tp 90 玻璃内表面的平均温度 吸热面与覆盖玻璃的距离为 已知玻璃对C ttr 50 cm40 太阳能的穿透比取为 吸热面对太阳能的吸收比 参见表 2 吸热面 0 90 0 93 s 自身的发射率 参见表 2 覆盖玻璃板的发射率 090 0 P 94 0 tr 这是一个复杂的热量传递过程 太阳的投入辐射到达覆盖玻璃上时 一部分穿 s G 透玻璃 取决于玻璃的穿透比 穿透部分抵达吸热吸热面上时 其中的部分被吸 s 收 其余则反射并透过覆盖玻璃抵达外界 由于吸热面的温度高于覆盖玻璃的温度 因此这两块平行板之间有辐射传热 假设单位面积的辐射吸热为 同时吸热面与空 r p q 腔中的空气之间还有对流传热 假设换热量为 因此对集热器吸热面而言 单位面 c p q 积记得到的热流密度 可表示为 cl q 10 clssr pc p qGqq 自然对流散热量计算 定性温度 2 5090 270 mtrp tttC 空气的有关物性参数为 传热系数 2 2 96 10W m k 运动粘度 v 62 20 02 10vms 普朗特数 Pr Pr0 694 努赛尔数 Nu 33 9 262 9 8 1 70273 9050 0 4 PrPr0 6941 266 10 20 02 10 gt Gr v 1 491 4 0 212 Pr 0 212 1 266 10 39 5NuGr 对流传热表面传热系数 2 39 5 0 0296 0 42 92W Nu hmk 单位面积对流传热换热量 2 2 9240116 8W c p qh tm 辐射散热量的计算 单位面积辐射传热量 44 442 11 1 100100 36332311 5 67 1 81 7W 1001000 940 09 p tr r p trp t t qc m 集热器的有效热流密度 2 0 907500 93 116 881 7429 25W c l qm 集热器的效率 429 25 57 23 750 这一集热器的效率不是很低 究其原因 除了采用选择性涂层外 吸热板上覆盖 一块玻璃也是重要因素 这不仅利用了温室效应 而且也减少了表面的对流散热损失 然而从上面的计算可见 自然对流散热损 11 失是一项主要损失 要进一步提高效率 现构想在吸热表面与玻璃板之间堆放一些对 太阳光透明的材料 玻璃管 以抑制夹层中的自然对流 本技术的创新之处 如图 1 所示 现假设自然对流能完全抑制 夹层中为纯空气导热 则吸热面的这一项散热在理 想情况下可减少到 2 0 029690500 42 96W c p t qm 加玻璃管后集热器有效热流密度 2 1 0 907500 932 9681 7543 09W c qm 加玻璃管后集热器的效率 543 09 75072 4 比较加玻璃管前后的集热器效率 可以看出加玻璃管后集热器效率明显提高 所以构 想成立 查阅有关资料现取管道吸收的效率值 汽轮机的效率值 发 50 管 50 汽 电机的效率值 90 发 估算每平方米的发电量 1 2 543 09 50 50 90 122W c qm 汽管发 4 工作原理及性能分析 塞贝克 SeeBeck 效应 伯尔帖 Peltier 效应和汤姆逊 Thomson 效应是热电转 换材料的三个基本热电效应 也是构成热电转换的理论基础 温差发电技术就是利用 热电转换材料的塞贝克 Seebeck 效应 通过材料中的载流子运动进行能量形式的转换 该发电系统的集热装置在日间利用沙漠地表收集热量 将管道内的低沸点液体工质汽 化 然后利用卡诺循环原理 将气体工质通过闪蒸器之后送入汽轮机进行发电 从汽 轮机出来的气体利用地下数米的低温将其冷却 再利用泵装置将其送回地表 形成白 天发电的循环系统 同时设计的蓄热装置将收集到的热量储存在蓄热装置中 夜间再 将液体工质通过蓄热装置 将其汽化之后再通过闪蒸汽送入汽轮机进行发电 然后利 用集热循环的冷却管道和泵装置构成夜晚发电的循环系统 整个系统可实现沙漠地带 昼夜的互补平衡发电 12 5 结语 本项目设计开发了