袁冰洋 秦明 劉文凱 萬(wàn)平安

摘 要：本項(xiàng)目針對(duì)全球沙漠分布廣、太陽(yáng)能儲(chǔ)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(diǎn)，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(jì)思路。最終研究設(shè)計(jì)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(xiàng)目設(shè)計(jì)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(shí)，設(shè)計(jì)的蓄熱裝置將部分收集到的熱量?jī)?chǔ)存起來(lái)，用于夜間與地下冷凝模塊等配合發(fā)電。這個(gè)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(gè)系統(tǒng)可實(shí)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(shí)現(xiàn)全天候聯(lián)合互補(bǔ)平衡發(fā)電。預(yù)期成果對(duì)將來(lái)大規(guī)模開發(fā)利用沙漠地帶儲(chǔ)存的太陽(yáng)能、實(shí)現(xiàn)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展具有重要理論價(jià)值和和實(shí)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(zhǎng)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(wàn)平方公里，占全球陸地總面積的近25%，太陽(yáng)能蘊(yùn)藏豐富，以我國(guó)為例，沙漠地區(qū)每年每平方米可以得到的太陽(yáng)能大約是5000～6000MJ，我國(guó)40萬(wàn)平方公里沙漠面積上每年得到的太陽(yáng)能大約折合700億噸標(biāo)準(zhǔn)煤。目前這些儲(chǔ)藏豐富的太陽(yáng)能絕大部分尚未開發(fā)利用，少量則以太陽(yáng)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(huì)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(xiàng)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(chǔ)存的豐富的太陽(yáng)能，對(duì)實(shí)現(xiàn)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展具有重要的理論價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。

二、模塊設(shè)計(jì)

集熱模塊的設(shè)計(jì)，如圖1 所示，太陽(yáng)光被吸熱板上的黑鉻涂層選擇性吸收，透過(guò)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(duì)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(jì)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(guò)蓄熱器進(jìn)行熱交換，把大部分熱量?jī)?chǔ)存在蓄熱器中，再經(jīng)過(guò)冷凝系統(tǒng)回到工質(zhì)儲(chǔ)備箱；另一部分氣態(tài)工質(zhì)經(jīng)過(guò)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(guò)冷凝系統(tǒng)流回工質(zhì)儲(chǔ)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(chǔ)備箱。

四、結(jié)論

本項(xiàng)目設(shè)計(jì)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(gè)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(jì)的蓄熱裝置將收集到的熱量?jī)?chǔ)存起來(lái)，在夜間用于與地下低溫?zé)嵩撮g的發(fā)電。同時(shí)本項(xiàng)目中選用了能與換熱工質(zhì)長(zhǎng)時(shí)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(jì)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(duì)實(shí)現(xiàn)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展具有重要的理論價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。

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[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(jiǎn)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(dòng)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(yáng)市 410522199802063218 本科生 電氣工程及其自動(dòng)化

萬(wàn)平安（1998.12） 男 漢族 河南省濮陽(yáng)市 41090119981213055X 本科生 電氣工程及其自動(dòng)化