物理高新技术——新能源——地热能

1、地热能地热能地热能基本知识地热能基本知识地热能应用综述地热能应用综述地热能资源地热能资源地热能基本知识地热能基本知识地球的内部构造地球的内部构造地热能的来源地热能的来源地球的内部构造地球的内部构造地球的内部构造示意图如下图所示。地球的内部构造示意图如下图所示。有关地球内部的知识是从地球表面的直接观察有关地球内部的知识是从地球表面的直接观察及钻井的岩样和火山喷发、地震等资料推断而及钻井的岩样和火山喷发、地震等资料推断而得到的。得到的。地球物质中放射性元素衰变产生的热量是地地球物质中放射性元素衰变产生的热量是地热的主要来源。热的主要来源。放射性元素有铀放射性元素有铀238 、铀、铀235 、钍、钍

2、232 和钾和钾40等。等。放射性元素的衰变是原子核能的释放过程。放射性元素的衰变是原子核能的释放过程。放射性物质的原子核，无需外力的作用，就放射性物质的原子核，无需外力的作用，就能自发的放出电子和氦核、光子等高速粒子能自发的放出电子和氦核、光子等高速粒子并形成射线。并形成射线。地热能的来源地热能的来源人们要想获得高温地下热水或蒸汽，就得去寻找那人们要想获得高温地下热水或蒸汽，就得去寻找那些由于某些地质原因，破坏了地壳的正常增温，而些由于某些地质原因，破坏了地壳的正常增温，而使地壳表层的地热增温率大大提高了的使地壳表层的地热增温率大大提高了的“异常地热异常地热区区”。“异常地热区异常地热区”

3、的形成，一种是产生在近代地壳断的形成，一种是产生在近代地壳断裂运动活跃的地区，另一裂运动活跃的地区，另一 种则是主要形成于现代火种则是主要形成于现代火山区和近代岩浆活动区。除此两种之外，也还有由山区和近代岩浆活动区。除此两种之外，也还有由于其它原因所形成的局部于其它原因所形成的局部“异常地热区异常地热区”。岩浆侵入地壳浅处，是地壳内最强的热传岩浆侵入地壳浅处，是地壳内最强的热传导形式。侵入的岩浆体形成局部高强度热导形式。侵入的岩浆体形成局部高强度热源，为开发地热能提供了有利条件。岩浆源，为开发地热能提供了有利条件。岩浆侵入后，冷却的时间相当长。侵入后，冷却的时间相当长。据科学家推测，一个埋深为

4、据科学家推测，一个埋深为4公里的酸性岩公里的酸性岩浆侵入体，浆侵入体， 体积为体积为1000公里，初始温度为公里，初始温度为850，若要使侵入体的中心温度冷却到，若要使侵入体的中心温度冷却到300，大约需几十万年。可见地热的扩散，大约需几十万年。可见地热的扩散是非常慢的。是非常慢的。换言之，若要利用这种热能也是比较稳定的。换言之，若要利用这种热能也是比较稳定的。一个天然的温泉，长年不息地流出地热水，一个天然的温泉，长年不息地流出地热水，而且几百年温度变化不大。而且几百年温度变化不大。经过近经过近20年的发展，我国地热直接利用已具年的发展，我国地热直接利用已具有相当规模，在世界上处于第有相当规模

5、，在世界上处于第2位，约占世位，约占世界直接利用的界直接利用的19左右，而且利用面广，在左右，而且利用面广，在许多地方已形成良性开发。尤其在北方地区，许多地方已形成良性开发。尤其在北方地区，地热采暖已取得良好的经济效益和环境效益。地热采暖已取得良好的经济效益和环境效益。地热能应用综述地热能应用综述我国地热直接利用主要体现在以下方面我国地热直接利用主要体现在以下方面地热采暖地热采暖地热温室地热温室工业利用工业利用地热发电地热发电地热采暖地热采暖北方地区冬季采暖一直是困惑环境的大问题。我国北方地区冬季采暖一直是困惑环境的大问题。我国地热采暖已有十几年的历史，目前，已成为地热利地热采暖已有十几年的历

6、史，目前，已成为地热利用中经济效益最好的国家之一。虽然，全国地热采用中经济效益最好的国家之一。虽然，全国地热采暖面积没有确切的调查统计数据，但是初步估计大暖面积没有确切的调查统计数据，但是初步估计大约在约在1500万万m2左右。左右。以天津市地热采暖为例，至以天津市地热采暖为例，至2000年天津市地热采年天津市地热采暖面积已近暖面积已近800万万m2，节煤，节煤28万吨。单井供暖面万吨。单井供暖面积最好的达到积最好的达到20万万m2左右。例如天津市区有一眼左右。例如天津市区有一眼井出水井出水92.5、150吨吨/时、分级供暖面积达到时、分级供暖面积达到18万万m2，每个采暖季节省煤约，每个采暖

7、季节省煤约6000吨。吨。在天津东丽区已开发出在天津东丽区已开发出100、200吨吨/时的高质量时的高质量井。但是地热水有不同程度的腐蚀性，使用时必须井。但是地热水有不同程度的腐蚀性，使用时必须充分考虑。应根据腐蚀程度，供暖系统可采用直接充分考虑。应根据腐蚀程度，供暖系统可采用直接供热系统或中间换热站的间供系统来解决腐蚀问题。供热系统或中间换热站的间供系统来解决腐蚀问题。另外，地热采暖排放温度一般在另外，地热采暖排放温度一般在40左右，高者达左右，高者达50，这样高的排放温度既造成热利用率不高，同，这样高的排放温度既造成热利用率不高，同时又造成环境热污染。为此，天津大学地热中心针时又造成环境热

8、污染。为此，天津大学地热中心针对对3545地热排水，研究成功回收排水中热地热排水，研究成功回收排水中热量的中高温地热热泵装置，比较好地解决了这一问量的中高温地热热泵装置，比较好地解决了这一问题。题。地热温室地热温室我国是农业大国，农村生活水平提高关系到我国社我国是农业大国，农村生活水平提高关系到我国社会经济发展的大计。随着经济发展和人们生活需求会经济发展的大计。随着经济发展和人们生活需求的提高，温室种植和温室养殖应运而生，温室热源的提高，温室种植和温室养殖应运而生，温室热源则是共发展的关键。温室种植所需热源温度不高，则是共发展的关键。温室种植所需热源温度不高，在有地热资源的地方，发展温室种植是

9、促进该地区在有地热资源的地方，发展温室种植是促进该地区农业发展的方法之一。农业发展的方法之一。例如北京已建特种蔬菜温室例如北京已建特种蔬菜温室300多亩；温室鲜花基多亩；温室鲜花基地每年可产鲜花地每年可产鲜花800多万枝。多万枝。河北省自河北省自1986年就开展了地热种植年就开展了地热种植,其中雄县、辛其中雄县、辛集市、河间县等地都取得了很好的成绩。此外，河集市、河间县等地都取得了很好的成绩。此外，河北省黄骅地区自北省黄骅地区自20世纪世纪80年代还开始了越冬海虾年代还开始了越冬海虾养殖，十几年来获得了很好的成绩。养殖，十几年来获得了很好的成绩。7年前，天津年前，天津市汉沽区芦前村利用地热水加

10、温进行鱼虾越冬，建市汉沽区芦前村利用地热水加温进行鱼虾越冬，建成了成了100亩的越冬温室和亩的越冬温室和20亩的温室垂钓池，大量亩的温室垂钓池，大量放养白鲳、石斑鱼、鳜鱼、罗氏沼虾、海虾和河蟹放养白鲳、石斑鱼、鳜鱼、罗氏沼虾、海虾和河蟹等高档鱼，形成了地热养殖、孵化越冬基地。等高档鱼，形成了地热养殖、孵化越冬基地。不难看到，地热温室给当地农村经济发展带来了活不难看到，地热温室给当地农村经济发展带来了活力，促进了地区经济发展和农民生活水平的提高。力，促进了地区经济发展和农民生活水平的提高。工业利用工业利用受地热资源和工业布局的限制，在工业用热受地热资源和工业布局的限制，在工业用热中利用地热水加热

11、的事例不多，但仅有的应中利用地热水加热的事例不多，但仅有的应用实践证明了节约燃料的效果显著。用实践证明了节约燃料的效果显著。例如河北省辛集市利用地热水洗毛、制革，例如河北省辛集市利用地热水洗毛、制革，洗出的毛色泽好、手感柔软，比用锅炉水洗出的毛色泽好、手感柔软，比用锅炉水洗出的毛每吨多卖洗出的毛每吨多卖600元元1000元。元。河北省辛集市利用河北省辛集市利用1眼眼114的地热井（流量的地热井（流量90吨吨/时）首先供附近居民采暖（时）首先供附近居民采暖（1.5万万m2），地），地热温室面积热温室面积7337m2，温度降至，温度降至95后用于工业后用于工业烘干，烘干后的排水用于居民生活用热水（

12、洗浴、烘干，烘干后的排水用于居民生活用热水（洗浴、生活热水等）和加热养鱼池，仅此一眼井年产值生活热水等）和加热养鱼池，仅此一眼井年产值达达494万元。万元。此外，用地热干燥香菇、木材、蔬菜等都有不同程此外，用地热干燥香菇、木材、蔬菜等都有不同程度的开发利用，但有地热资源的地方不一定有合适度的开发利用，但有地热资源的地方不一定有合适的工业，因此工业利用的发展比较缓慢。的工业，因此工业利用的发展比较缓慢。根据地热水成分的不同根据地热水成分的不同,可用于温泉疗养和治疗皮肤可用于温泉疗养和治疗皮肤病。在有条件的地方兴建温泉旅游度假村、康复中病。在有条件的地方兴建温泉旅游度假村、康复中心等已成为低温地热

13、利用的热点，全国各地都有此心等已成为低温地热利用的热点，全国各地都有此类度假村和康复中心。类度假村和康复中心。例如青海西宁市郊例如青海西宁市郊15km的塔尔寺风景区，利用地热供的塔尔寺风景区，利用地热供5000m2宾馆、宾馆、10000m2度假村、游泳池、理疗中心等。度假村、游泳池、理疗中心等。四川成都平原的彭州、温江、都江堰等地利用地热建成四川成都平原的彭州、温江、都江堰等地利用地热建成温泉旅游点，收到较好的社会效益和经济效益。温泉旅游点，收到较好的社会效益和经济效益。湖北英山县，从湖北英山县，从1988年发展地热利用，已初步年发展地热利用，已初步建成一个建成一个“地热城地热城”，形成，形成

14、5个地热开发区：个地热开发区：优质热带鱼和水产品繁殖越冬基地；优质热带鱼和水产品繁殖越冬基地；工业生产、农业科研和游泳小区；工业生产、农业科研和游泳小区；温泉疗养康复和旅游小区；温泉疗养康复和旅游小区；科技经济开发小区；市区居民热水综合利用小区。科技经济开发小区；市区居民热水综合利用小区。目前英山县地热利用广泛，涉及养殖、种植、工目前英山县地热利用广泛，涉及养殖、种植、工业缫丝、棉麻洗涤、脱拷、栲胶、恒温、皮革加业缫丝、棉麻洗涤、脱拷、栲胶、恒温、皮革加工等项目，使英山县地热综合利用步入了有序开工等项目，使英山县地热综合利用步入了有序开发，科学管理，注重环保的良性循环阶段。发，科学管理，注重环

15、保的良性循环阶段。为了发展地方经济，有的地方花巨资从远处为了发展地方经济，有的地方花巨资从远处引地热水。引地热水。例如，福建省安溪县，从例如，福建省安溪县，从21.5km外引来地外引来地热水，供给居民、宾馆和康复中心，形成一热水，供给居民、宾馆和康复中心，形成一座温泉城，促进了当地旅游及房地产开发业。座温泉城，促进了当地旅游及房地产开发业。地热发电是利用地下热水和蒸汽为动力源的地热发电是利用地下热水和蒸汽为动力源的一种新型发电技术。其基本原理与火力发电一种新型发电技术。其基本原理与火力发电类似，也是根据能量转换原理，首先把地热类似，也是根据能量转换原理，首先把地热能转换为机械能，再把机械能转换

16、为电能。能转换为机械能，再把机械能转换为电能。地热发电系统主要有四种：地热发电系统主要有四种：地热发电地热发电地热蒸汽发电系统利用地热蒸汽推动汽轮地热蒸汽发电系统利用地热蒸汽推动汽轮机运转，产生电能。本系统技术成熟、运行机运转，产生电能。本系统技术成熟、运行安全可靠，是地热发电的主要形式。西藏羊安全可靠，是地热发电的主要形式。西藏羊八井地热电站采用的便是这种形式。八井地热电站采用的便是这种形式。双循环发电系统也称有机工质朗肯循环系双循环发电系统也称有机工质朗肯循环系统。它以低沸点有机物为工质，使工质在流统。它以低沸点有机物为工质，使工质在流动系统中从地热流体中获得热量，并产生有动系统中从地热流

17、体中获得热量，并产生有机质蒸汽，进而推动汽轮机旋转，带动发电机质蒸汽，进而推动汽轮机旋转，带动发电机发电。机发电。全流发电系统本系统将地热井口的全部流全流发电系统本系统将地热井口的全部流体，包括所有的蒸汽、热水、不凝气体及化体，包括所有的蒸汽、热水、不凝气体及化学物质等，不经处理直接送进全流动力机械学物质等，不经处理直接送进全流动力机械中膨胀做功，其后排放或收集到凝汽器中。中膨胀做功，其后排放或收集到凝汽器中。这种形式可以充分利用地热流体的全部能量，这种形式可以充分利用地热流体的全部能量，但技术上有一定的难度，尚在攻关。但技术上有一定的难度，尚在攻关。干热岩发电系统。利用地下干热岩体发电的干热

18、岩发电系统。利用地下干热岩体发电的设想，是美国人莫顿和史密斯于设想，是美国人莫顿和史密斯于1970年提出年提出的。的。1972年，他们在新墨西哥州北部打了两年，他们在新墨西哥州北部打了两口约口约4000米的深斜井，从一口井中将冷水注米的深斜井，从一口井中将冷水注入到干热岩体，从另一口井取出自岩体加热入到干热岩体，从另一口井取出自岩体加热产生的蒸汽，功率达产生的蒸汽，功率达2300千瓦。进行干热岩千瓦。进行干热岩发电研究的还有日本、英国、法国、德国和发电研究的还有日本、英国、法国、德国和俄罗斯，但迄今尚无大规模应用。俄罗斯，但迄今尚无大规模应用。地热资源主要分布于地热资源主要分布于构造活动带构造活动带和和大型沉积大型沉积盆地盆地之中。之中。构造活动带构造活动带资源量较集中，如西藏、云南、资源量较集中，如西藏、云南、四川一带和东南沿海福建、江西、广东、台四川一带和东南沿海福建、江西、广东、台湾一带，以及辽东、胶东一带；湾一带，