1、基于沙漠地帶晝夜及地表地下溫差的全天候聯合發電系統 作品內容簡介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合發電系統設計思路。最終研究設計了一套包含集熱模塊、蓄熱模塊、冷凝模塊、以及汽輪機與循環泵等的系統。項目設計的日間發電系統集熱裝置利用沙漠地表收集熱量，與地下數米處形成40ºC以上的溫差，結合汽輪機與循環泵，利用卡諾循環原理在白天發電。同時，設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電。這個部分是當白天已經不發電或發電量已經很少的情況下才開始運

2、行，整個系統可實現沙漠地帶日間地表、地下溫差發電與夜間蓄熱裝置、地下溫差發電的平衡互補功能，最終實現全天候聯合互補平衡發電。預期成果對將來大規模開發利用沙漠地帶儲存的太陽能、實現社會的可持續發展具有重要理論價值和和實際意義。 1 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境污染的主要原因，環境問題的嚴峻現實迫使人類努力尋找一條人口、經濟、社會、資源與環境相互協調的可持續發展道路，開發利用可再生綠色能源已成為當務之急。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%，沙漠的類型有熱帶、亞熱帶和溫帶沙漠，其中，熱帶和亞熱帶沙漠主要分布在南北回歸線附近

3、副熱帶高氣壓帶控制下的地區，太陽能蘊藏豐富1。以我國為例，沙漠地區每年每平方米可以得到的太陽能大約是50006000MJ，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700億噸標準煤2。目前這些儲藏豐富的太陽能絕大部分尚未開發利用，少量則以太陽能電池板發電利用方式為主，成本高昂，限制了推廣應用。目前溫差發電系統主要用在海洋能利用方面3,4，以海洋受太陽能加熱的表層海水作為高溫熱源，而以5001000m深處的海水作為低溫熱源，用熱機組成的熱力循環系統依據卡諾循環原理進行發電。從高溫熱源到低溫熱源，可獲得總溫差1520ºC左右的有效能量，最終僅獲得具有工程意義的11ºC

4、溫差的能量5。但海上氣候復雜多變，對發電系統可靠性、穩定性、安全性等方面要求很高，特別是高昂的造價、較低的能量轉換效率嚴重限制了它的應用，海洋溫差發電系統目前仍處于示范性階段。而在沙漠地帶，白天地表的溫度可以達到5060ºC，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6，可見，白天地表-地下溫差、晝夜溫差均遠大于海洋溫差，如果能夠開發設計出優良的集熱裝置、蓄熱裝置，則實現溫差發電，乃至實現產業化遠較海洋溫差發電容易。針對上述分析，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合發電系統，系統利用分別布置于地表及地下的集熱、冷凝模塊

5、，結合汽輪機與循環泵，利用卡諾循環原理在白天發電，并采用蓄熱模塊收集太陽熱能，進一步儲存起來，用于其與地下冷凝模塊等配合，從而在夜間發電，最終實現全天候聯合互補平衡發電。本系統大規模利用基本處于廢棄狀態的沙漠土地以及其儲存的豐富的太陽能，對實現社會可持續發展具有重要的理論價值和現實意義。2 設計方案2.1 用于沙漠溫差發電的工質研究 在沙漠地帶，沙漠淺層和地表以下（0-3m）存在著的溫度差為2040ºC 7，為了可以達到循環發電的效果，選擇的工質的沸點應處于2535ºC。工質應有良好的熱物理性質，與管道材料應相容且應具有熱穩定性，其他包括經擠性、安全性、環境保護都要進行考慮

6、8。因為烴類是常見的太陽能制冷劑且沸點較符合本項目對工質的要求，所以在選擇工質時主要對烴類的物質進行對比。表1 工質對比名 稱熔 點價 格（元/）優 點缺 點乙醛20.85.75.8有辛辣的刺激性氣味，無色（可以方便檢驗泄露情況）易燃，易揮發，其蒸氣可與空氣形成爆炸性混合物，具有一定的危險性，易氧化，性質活潑，腐蝕性較強一氟三氯甲烷23.726有醚味，而且不燃，化學性質較為穩定，在不含水分時對金屬材料無腐蝕（對管道的危害性小，而便于檢查泄露，在高溫下不會發生化學反應）對壞境有危害，對水體可造成污染，對臭氧層破壞力強。在高熱條件下可分解。若遇高熱，容器內壓升高，有開裂和爆炸的危險甲酸甲酯30較高

7、有芳香氣味，而且穩定極易燃，其蒸氣與空氣可形成爆炸性混合物。遇明火或氧化劑有引起爆炸的危險由于循環時工質的溫度和壓強不是很高，所以工質在高溫高壓下的缺點可以忽略。通過表1發現，一氟三氯甲烷雖然對金屬的腐蝕性較小且化學性質穩定，但其對壞境的危害性較大，價格較高；甲酸鉀脂的價格也較高，且極易氧化，危險性較大，也不符合工質的要求；而乙醛的價格相對較為便宜，且有刺激性的氣味，便于檢漏，對于它的腐蝕性，可以選擇耐腐蝕的管道來降低其影響。 2.2 地表-地下集熱儲能系統研究為提高集熱器的集熱效果、發電效率，本系統在集熱模塊上對材料進行了一些選擇。采用高導熱率的材料以及在表面涂上高導熱率的涂層材料。為了有效

8、防止接頭發生泄漏，保證集熱器的使用壽命，本系統對連接管也進行了選擇。表2 涂層材料對比涂層材料價 格元/熱發色率吸收率優 點缺 點黑鎳176.51770.100.150.920.96電流密度低，分散能力好，電流的效率高等熱穩定性、耐蝕性差，耐濕性差黑鉻76780.050.0920.870.97高選擇性，耐溫耐濕性能好，光學性能和機械性能穩定等。黑鉻工藝需要在高電流密度和低溫下操作。黑鈷3503700.120.140.940.96蜂窩網狀結構,光學性能穩定等基體需要預先鍍銅或化學鍍鎳的玻璃。 根據表2發現，黑鉻有較明顯的優點，而且性價比優越，所以選擇黑鉻為吸熱板的涂層材料。表3 管材的對比表管

9、材價 格元/導熱系數W/(m·)比熱容J/(·K)密 度/m3銅55.655.93862368930鋁16.59023982710鉬1251301382559590根據表3數據，發現鋁的價格比銅便宜，且比重僅有銅的三分之一，項目選擇鋁作為管道的加工材料。從表4可以看出，彩色鋁合金管結構簡單，使用方便且可高效安裝；此外，具有高強度的鋁合金螺母成本低，防腐效果好、安全可靠。所以項目選用彩色鋁合金來作為連接管。表4 連接管對比連接管名稱銅管接管銅接頭鋁管彩色鋁合金管管體銅管銅管加純鋁管鋁合金管管表面銅表面熱縮管黑鉻涂層使用的螺母黃銅螺母黃銅螺母高強度鋁合金螺母管體連接方式焊接焊接

10、非焊接的擴口連接安全性安全銅鋁接頭存在隱患安全價格（相對于純銅）1004030 在上述工作基礎上，設計了系統集熱模塊與冷凝模塊，分別如圖1、圖2所示。在圖1中，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，吸熱板與管道中的工質進行熱交換，把熱量傳遞給工質，為了減少吸熱板的能量損失及提高熱傳遞的效率，本集熱器的一大創新之處是在吸熱板和透明玻璃蓋板之間鋪設了許多透明玻璃管，以減少自然對流引起的熱損失。在圖2中，利用多彎管增加工質與地下土壤的熱交換，提高熱交換的效率。圖2 蓄熱模塊2.3 蓄熱保溫系統研究本系統的第二個環節即夜晚發電部分需要高效地將白

11、天蓄積富余的太陽能儲存起來，利用一般的顯熱蓄熱蓄熱密度小，而且在取熱和放熱過程中材料溫度變化大，效果不好，利用相變潛熱蓄熱效率高9。選擇的相變材料需滿足相變溫度適宜，相變潛熱高，液相和固相的導熱系數和導溫系數高，膨脹系數小，無毒無腐蝕性等條件。無機相變材料特別是結晶水合鹽價格便宜、體積蓄熱密度和熔解熱大，熱導率也比較大，常用于低溫儲熱中，對于其容易過冷以及分離的缺點，可以采用加入防過冷劑和防分離劑來實現。 表5 同類型相變材料對比相變材料熔 點熔融熱kJ /kg價 格元/噸防過冷劑防分離劑硫酸鈉Na2SO4 ·10H2032.4254.00440-480硼砂高吸水樹脂十二烷基苯磷酸氫

12、二鈉Na2HPO4·12H2O35.0208.806000BaS，CaSO4，CaHPO4·12H2OSiO2,膨潤土聚乙烯醇氯化鈣Ca2Cl2 ·6H2029.7278.84580CaCO3，CaSO4，Ca(OH)2聚乙烯酰胺 通過表5對比分析可知，磷酸氫二鈉雖然相變溫度適合，但價格相比其它物質高出很多且熔融熱較低，雖然氯化鈣熔融熱較高且價格較低，但相變溫度只有29.7ºC，不適合在沙漠中應用。綜合以上比較與分析，最終選取硫酸鈉作為相變材料。硫酸鈉是一種典型的無機水合鹽相變儲能材料10，有較高的潛（254kJ/kg）和良好的導熱性能，化學穩定性好，無

13、毒，價格低廉，來源廣11。Na2SO4·10H20以其優越的性能，成為很具吸引力的潛熱儲熱材料。12000 圖3為PCM相變換熱裝置的區域簡化圖，在工質流過的管道外圍緊密地纏繞Na2SO4·10H20相變材料。白天氣體工質從管道流過時，將熱量傳送給PCM，PCM由固體變為液體，吸收熱量，工質自身變為液體，再回到管路循環。夜晚液體工質從管道流過時，PCM將白天儲存下來的熱量傳遞給工質，PCM又由液體變為固體，放出熱量，工質變為氣態，再送到汽輪機進行發電，實現夜晚發電的目的，這個部分是當白天已經不發電或發電量已經很少的情況下才開始運行，真正做到白天夜晚的互補平衡發電。從圖4中可

14、以看到PCM容器與工質管道的安放位置及管道的進出口位置。2.4 循環泵系統、汽輪機發電系統選型本部分對能夠與本項目中換熱工質長時間配用、相容性較好的低揚程循環泵系統、汽輪機發電系統進行選型設計。從表5中可以看出JMT-10B的效率值較低，且揚程較低；而JMT-06-4.5的揚程過高，運行時耗電量大；JMT-07-3.5的揚程、效率適中，因此應選擇JMT-07-3.5型的水泵。表5 水泵性能參數比較表型 號流量范圍m3/s揚 程m設計點效率%轉 速r/min比轉速JMT-10B0.4142.65575.1914501637JMT-07-3.50.3843.68083.4214501235JMT-

15、06-4.50.4024.80085.6214501034表6 汽輪機性能參數表型號額定功率KW額定轉速r/min進汽參數排汽參數本體質量 噸壓力MPa溫度壓力MPa溫度10003000250-350190-2303.515003000250-350190-2303.5150056002.353900.33609由計算得知，系統的發電量約為型汽輪機效率低，不能滿足系統的最佳工況，會造成一定能量浪費；型汽輪機功率雖然滿足要求，但其轉速太大，本體質量過重，不利于安裝檢修，同時耗能大，不宜選用；型汽輪機功率滿足要求，且轉速和本體質量都不是太大，適宜選用。2.5 發電系統總體配置、安裝方案設計本發電系

16、統的整體布置結構設計如圖5所示，系統利用白天集熱器（詳見圖1）所吸收的熱量，將工質由液態變為氣態。一部分氣態工質通過蓄熱器進行熱交換（詳見圖3和4），把大部分熱量儲存在蓄熱器中，再經過冷凝系統（詳見圖2）回到工質儲備箱；另一部分氣態工質經過閃蒸器后流經汽輪機進行發電，工質繼續經過冷凝系統流回工質儲備箱。夜間利用低功率泵把液態工質輸送到蓄熱器中，再與蓄熱器進行熱交換，把液態工質轉換為氣態，氣態工質流經閃蒸器再與汽輪機結合進行發電，最后經冷凝系統回到工質儲備箱。圖5 發電系統整體構建圖集熱器閃蒸器G冷凝系統介質儲備箱P蓄熱器人工補給工質1集熱器 (詳見模塊一)2冷凝系統(詳見模塊二)3蓄熱器(詳見

17、模塊三)汽輪機發電機低功率泵3 理論設計計算集熱器的熱計算平板式太陽能集熱器如圖1所示。包括散熱輻射在內的投入太陽能輻射為；透明蓋板采用厚度b=4mm普通透明玻璃，吸熱面采用鋁材，其上鍍有的光譜選擇性涂層黑鉻，查實驗資料得吸熱面的平均溫度，覆蓋玻璃內表面的平均溫度，吸熱面與覆蓋玻璃的距離為。已知玻璃對太陽能的穿透比取為，吸熱面對太陽能的吸收比（參見表2），吸熱面自身的發射率（參見表2），覆蓋玻璃板的發射率。這是一個復雜的熱量傳遞過程：太陽的投入輻射到達覆蓋玻璃上時，一部分穿透玻璃（取決于玻璃的穿透比），穿透部分抵達吸熱吸熱面上時，其中的部分被吸收，其余則反射并透過覆蓋玻璃抵達外界；由于吸熱面的

18、溫度高于覆蓋玻璃的溫度，因此這兩塊平行板之間有輻射傳熱，假設單位面積的輻射吸熱為；同時吸熱面與空腔中的空氣之間還有對流傳熱，假設換熱量為。因此對集熱器吸熱面而言，單位面積記得到的熱流密度，可表示為自然對流散熱量計算：定性溫度： 空氣的有關物性參數為：傳熱系數：運動粘度：普朗特數：努賽爾數： 對流傳熱表面傳熱系數：單位面積對流傳熱換熱量：輻射散熱量的計算：單位面積輻射傳熱量：集熱器的有效熱流密度：集熱器的效率：這一集熱器的效率不是很低，究其原因，除了采用選擇性涂層外，吸熱板上覆蓋一塊玻璃也是重要因素，這不僅利用了溫室效應，而且也減少了表面的對流散熱損失。然而從上面的計算可見，自然對流散熱損失是一

19、項主要損失。要進一步提高效率，現構想在吸熱表面與玻璃板之間堆放一些對太陽光透明的材料（玻璃管），以抑制夾層中的自然對流（本技術的創新之處，如圖1所示）。現假設自然對流能完全抑制，夾層中為純空氣導熱，則吸熱面的這一項散熱在理想情況下可減少到加玻璃管后集熱器有效熱流密度：加玻璃管后集熱器的效率：比較加玻璃管前后的集熱器效率，可以看出加玻璃管后集熱器效率明顯提高，所以構想成立。查閱有關資料現取管道吸收的效率值，汽輪機的效率值，發電機的效率值。估算每平方米的發電量： 4 工作原理及性能分析塞貝克(SeeBeck)效應、伯爾帖（Peltier）效應和湯姆遜（Thomson）效應是熱電轉換材料的三個基本熱

20、電效應，也是構成熱電轉換的理論基礎。溫差發電技術就是利用熱電轉換材料的塞貝克(Seebeck)效應，通過材料中的載流子運動進行能量形式的轉換。該發電系統的集熱裝置在日間利用沙漠地表收集熱量，將管道內的低沸點液體工質汽化，然后利用卡諾循環原理，將氣體工質通過閃蒸器之后送入汽輪機進行發電。從汽輪機出來的氣體利用地下數米的低溫將其冷卻，再利用泵裝置將其送回地表，形成白天發電的循環系統。同時設計的蓄熱裝置將收集到的熱量儲存在蓄熱裝置中，夜間再將液體工質通過蓄熱裝置，將其汽化之后再通過閃蒸汽送入汽輪機進行發電，然后利用集熱循環的冷卻管道和泵裝置構成夜晚發電的循環系統。整個系統可實現沙漠地帶晝夜的互補平衡發電。5 結語本項目設計開發了一套基于沙漠地帶晝夜與地表-地下溫差的全天候聯合發電系統。本系統分為兩個階段，第一階段在日間利用集熱裝置在沙漠地表收集熱量，形成與地下數米處40ºC以上的溫差，然后利用卡諾循環原理進行發電。第二階段利用設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熱源間的發電。同時本項目中選用了能與換熱工質長時間配用，且相容性