胡鵬飛，李勇

(東北電力大學能源與動力工程學院，吉林吉林132012)

新能源蘊藏量極為巨大，但大多數(shù)是分布廣泛、品位較低的能源。如果對這樣的新能源進行單一利用，會受到本身所具有的季節(jié)性、隨機性的限制，導致利用效率低下，因此尋求不同能源聯(lián)合利用成為新能源利用的關鍵。

單獨采用閃蒸地熱發(fā)電系統(tǒng)，其發(fā)電效率僅為1.4%［1］，如采用一級擴容閃蒸地熱發(fā)電系統(tǒng)，其發(fā)電效率也只有3.5%，如何提高地熱發(fā)電的效率成為首要解決的問題。比較文獻［2］提出的各系統(tǒng)性能，得知文獻中提到的提高地熱發(fā)電效率的方法都是基于高溫地熱資源的，而對于我國儲量較多的中低溫地熱并沒有涉及。

再比如太陽能發(fā)電技術，太陽能發(fā)電技術按利用方式主要分為太陽能發(fā)電(主要指光伏發(fā)電)、太陽能熱利用兩種［3］。太陽能在我國全年的輻射總量大約在330－830×104kJ/m2之間［4］，而且較比其它化石能源發(fā)電對環(huán)境造成的危害很小，因此太陽能作為清潔能源被廣泛關注。目前，我國主要采用的是太陽能光伏發(fā)電［5］，但由于這種技術造價高，且受到多種因素的限制，因此在我國并沒有大面積應用。

由于單一地熱發(fā)電的效率太低，而單獨利用太陽能發(fā)電成本太高并且受氣候日照等條件影響較大。因此，如何提高新能源發(fā)電機組的安全性和經(jīng)濟性，成為目前面臨的首要問題。

如果把地熱發(fā)電技術和太陽能發(fā)電技術結(jié)合起來，就可以利用太陽能提高中低溫地熱電站工質(zhì)的作功能力，這個技術的目標就是找到一種既經(jīng)濟又能夠發(fā)揮地熱和太陽能潛在能量的方法，國內(nèi)外很多學者對這一技術進行了研究。文獻［6］介紹了一種地熱和太陽能聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)，并且應用火用增益率對這種全新的發(fā)電系統(tǒng)進行了評價。文獻［3］介紹了一種全新的發(fā)電效率高、可連續(xù)穩(wěn)定運行并且清潔無污染的地熱－太陽能聯(lián)合閃蒸發(fā)電系統(tǒng)。Cheng Zhou［7］等對地熱－太陽能聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)進行了細致的分析，對不同時刻不同光照下的地熱－太陽能聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)進行模擬，發(fā)現(xiàn)如果地熱發(fā)電與太陽能加熱系統(tǒng)結(jié)合，比單獨的地熱發(fā)電站運行更加穩(wěn)定和經(jīng)濟，并且在電網(wǎng)峰值時聯(lián)合發(fā)電技術可以提高出力29%，提高熱效率16.6%。文獻［2］對墨西哥西北部Cerro Prieto地熱－太陽能聯(lián)合發(fā)電進行了分析，通過太陽能對地熱進行加熱，不僅可以使工質(zhì)的數(shù)量增多，還可以提高工質(zhì)的品質(zhì)。Hadi Ghasemi［8］提出在地熱發(fā)電系統(tǒng)中加入低溫太陽能能夠提高地熱電站的出力，并提出了一種改進地熱－太陽能聯(lián)合發(fā)電的方法，可以提高系統(tǒng)的效率。

本文介紹不同地熱－太陽能聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)流程，并對地熱－太陽能聯(lián)合發(fā)電相對單獨地熱發(fā)電的優(yōu)越性、投資成本和對環(huán)境的影響進行分析，論述地熱－太陽能聯(lián)合發(fā)電的可行性，最后對地熱－太陽能聯(lián)合發(fā)電優(yōu)化方法進行論述。

1 地熱－太陽能聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)

1.1 聯(lián)合循環(huán)的基礎

地熱和太陽能能夠聯(lián)合在一起形成一種聯(lián)合循環(huán)，是因為地熱和太陽能之間存在多種潛在協(xié)同(Potential Synergies)，主要有以下幾種:

(1)需求能力互補:地熱電站，特別是只有溫度較低的地熱熱水的地區(qū)，常常采用空冷來代替水冷，這樣就造成在白天環(huán)境溫度較高時，地熱電站的出力和效率較低，然而由于白天有充足的日照，所以可以通過太陽能來提高地熱電站的總效率。

(2)資源定位:根據(jù)資料［9］顯示，在中國地熱資源豐富的地區(qū)，太陽能輻射量也十分巨大，例如西藏地區(qū)，所以這讓地熱和太陽能聯(lián)合在一起發(fā)電成為了可能。

(3)緩解投資:把低資金消耗的地熱和高投資的太陽能聯(lián)合在一起循環(huán)，可以大幅降低太陽能的投資。

(4)設備共享:因為地熱發(fā)電和太陽能熱發(fā)電在能量轉(zhuǎn)換的方法上是一樣的，這樣就可以使這兩種發(fā)電系統(tǒng)共用同一個設備，比如汽輪機、凝汽器和熱交換器等。這就使得在太陽能發(fā)電系統(tǒng)不能工作的間隙，這些設備照常可以運行。

(5)提高系統(tǒng)的出力:因為地熱發(fā)電在某些地熱水溫度比較低的地區(qū)，效率是非常低的，然而太陽能可以提高地熱發(fā)電中的工質(zhì)參數(shù)，使進入汽輪機的蒸汽具有較高的作功能力，最終提高地熱發(fā)電的效率。

1.2 地熱－太陽能聯(lián)合循環(huán)方案

上面分析了地熱和太陽能之間存在著多種潛在協(xié)同的特性，下面介紹一下地熱－太陽能是如何利用這種潛在協(xié)同特性聯(lián)合循環(huán)發(fā)電的。

最初的設計方案是利用太陽能加熱工質(zhì)R134a，使循環(huán)達到超臨界狀態(tài)，根據(jù)太陽能資源介入地熱發(fā)電周期的階段不同，可以有以下兩種方案。

圖1 有機工質(zhì)地熱－太陽能聯(lián)合循環(huán)(預熱方案)

圖2 有機工質(zhì)地熱－太陽能聯(lián)合循環(huán)(過熱方案)

第一個方案(預熱方案)見圖1，應用太陽能導熱流體加熱地熱水，被加熱的地熱水再把能量傳遞給有機工質(zhì)。這個設計方案可以得到溫度更高的地熱水，這是一種可以提高中低溫地熱資源的簡單的方法。在這個設計中地熱水始終是液態(tài)。

第二個方案(過熱方案)見圖2，有機工質(zhì)R134a首先被地熱水加熱，然后應用太陽能導熱流體直接加熱R134a。因此，太陽能直接在有機工質(zhì)進入汽輪機前對其進行加熱，使其溫度升高，提高出力。

方案一和方案二采用的有機工質(zhì)都是R134a，但是R134a在溫度高于200℃時很不穩(wěn)定，因此上述方案有機工質(zhì)溫度都被限制在200℃以下，為了更加安全，有機工質(zhì)的溫度甚至必須低于180℃。這樣就造成太陽能不能被有機工質(zhì)大量吸收和利用，要想達到預期的效果，只能通過增加有機工質(zhì)的流量來實現(xiàn)。為了解決這個問題，本文提出一種地熱－太陽能聯(lián)合循環(huán)的方案，太陽能首先用來加熱地熱水，然后被加熱的地熱水再進入擴容器，使其閃蒸變成蒸汽進入汽輪機中，這種閃蒸聯(lián)合有機工質(zhì)循環(huán)的方法叫做“太陽能－閃蒸－雙工質(zhì)”法，見圖3所示。

圖3 太陽能－閃蒸－雙工質(zhì)聯(lián)合循環(huán)

圖4 系統(tǒng)計算圖

汽輪機的排汽和R134a循環(huán)通過熱能回收加熱器結(jié)合起來，這一方法可以通過太陽能集熱器利用更多的太陽能，可以更高效的生產(chǎn)出更多的電能。

2 地熱－太陽能聯(lián)合發(fā)電可行性分析

前面介紹了幾種地熱－太陽能聯(lián)合發(fā)電的方案，接下來討論關于地熱－太陽能聯(lián)合發(fā)電可行性的一些問題。

2.1 地熱－太陽能聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)性能預測

聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)在實際運行中熱效率受到多種因素的影響，例如收集太陽能輻射熱的設備及其控制系統(tǒng)等。為了說明該問題，將影響地熱－太陽能聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)效率的各參數(shù)標于圖4中。

根據(jù)實際運行數(shù)據(jù)可知，影響太陽能輻射能吸收效率的主要因素為光學效率和熱損失，應用文獻［10］中提供的經(jīng)驗式，η可表示為

式中:ΔT為集熱器進口溫度與環(huán)境溫度差;I為平均輻照度，W/m2。

由于在地熱－太陽能換熱器中存在管道熱阻，因此太陽能總熱效率ηs必然小于η，兩者間關系為

式中:u為保溫效率，取0.95。

根據(jù)能量平衡關系給出地熱發(fā)電系統(tǒng)總發(fā)電效率表達式

式中:N為汽輪機電功率;Aa為集熱器面積;Q為地熱水從溫度tr1降到溫度tr2時放出的熱量。

經(jīng)熱平衡換算，式(3)可以由式(4)表示:

式中:d為有機工質(zhì)的質(zhì)量流量;r，q1分別為蒸發(fā)器中汽化潛熱以及預熱器中的預熱量;Δh為飽和蒸汽在汽輪機內(nèi)的理想焓降;ηoi，ηm，ηg分別為汽輪機相對內(nèi)效率、機械效率和發(fā)電機效率。

為了體現(xiàn)出太陽能在本系統(tǒng)中所起到的作用，可以用“太陽能利用分數(shù)”進行評價［11］。所謂“太陽能利用分數(shù)”即太陽能與總能量的比例，計算式如下:

2.2 地熱－太陽能聯(lián)合循環(huán)經(jīng)濟評估

為了對地熱－太陽能聯(lián)合循環(huán)的成本進行評估，首先單獨對地熱系統(tǒng)的成本進行分析。地熱系統(tǒng)主要的成本消耗就是地熱井、熱交換器、空冷設備、擴容器、泵、汽輪機和發(fā)電機的費用。以某地熱電站為例，不計算打地熱井的成本，該電站每度電成本在0.7元左右，上網(wǎng)電價為0.9元/度，介于風力發(fā)電和太陽能光伏發(fā)電的上網(wǎng)電價之間［12］。如果地熱發(fā)電大規(guī)模應用，相關成本還將進一步降低。

然后對太陽能系統(tǒng)的成本進行分析，太陽能的成本主要有三個部分組成:太陽能集熱器成本、熱載體成本和太陽能儲存成本［13］。太陽能集熱器成本為300美元/m2，熱載體成本為150美元/kW，太陽能儲存成本為40美元/kWh。因此，無儲熱太陽能成本為1.6萬元/kW;帶8小時儲熱太陽能成本為2.2萬元/kW，上網(wǎng)電價低于0.9元/kWh。

最后，根據(jù)平準化電力成本的計算，在把地熱井成本計算在內(nèi)的情況下，對比單獨的地熱發(fā)電站和有太陽能儲存設備的地熱－太陽能聯(lián)合循環(huán)的發(fā)電成本是近似一樣的，這說明地熱－太陽能聯(lián)合循環(huán)具有巨大的經(jīng)濟潛力。

2.3 地熱－太陽能聯(lián)合循環(huán)對環(huán)境的影響

地熱－太陽能聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)對環(huán)境的影響主要體現(xiàn)在地熱循環(huán)這個環(huán)節(jié)。在開始鉆井的過程中，需要添加一些化學添加劑，這可能會對周圍環(huán)境造成破壞。

在運行中，由于廢地熱流體含有重金屬，不加以處理的話，會造成環(huán)境污染，應將廢地熱流體重新回灌到地下;在廢氣排放方面，與化石燃料燃燒發(fā)電廠的排放量相比，地熱發(fā)電站的廢氣排放量是微乎其微的，但是采用閃蒸或蒸汽干燥技術的地熱發(fā)電站的主要潛在空氣污染物是硫化氫和汞，應加以處理;在固體廢物排放方面，地熱發(fā)電不產(chǎn)生大量的固體廢物，只從冷卻塔和蒸汽分離器中產(chǎn)生少量的硫、硅土和碳酸鹽沉淀物;由于地熱發(fā)電的多種工序活動都需要抽提地表水，所以對水的影響比較大，主要體現(xiàn)在地表水返回水源時，會使水的溫度升高，但水質(zhì)沒有出現(xiàn)整體變化。

3 結(jié)論

(1)以地熱和太陽能之間存在的潛在協(xié)同為基礎，分析得出“太陽能－閃蒸－雙工質(zhì)”方案較“預熱”方案和“過熱”方案更能有效地利用太陽能，進而提高聯(lián)合循環(huán)發(fā)電能力。

(2)給出了地熱發(fā)電系統(tǒng)總發(fā)電效率計算公式，并用“太陽能利用分數(shù)”體現(xiàn)太陽能在聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)中的作用。

(3)分別對地熱發(fā)電和太陽能發(fā)電的成本進行了描述，通過對比單獨的地熱發(fā)電和地熱－太陽能聯(lián)合發(fā)電的成本，說明了聯(lián)合發(fā)電在經(jīng)濟方面的優(yōu)越性。

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