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全天候 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40ºC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。
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15~20ºC左右的有效能量，最终仅获得具有工程意义的11ºC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50~60ºC，地下5m深处温度却仅有10ºC左右，而夜间地表也会降到0ºC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。
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20~40ºC [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25~35ºC。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1 工质对比
名 称
熔 点
℃
价 格
（元/㎏）
优 点
缺 点
乙醛
20.8
5.7~5.8
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
23.7
26
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。
表2 涂层材料对比
涂层
材料
价 格
元/㎏
热发色率
吸收率
优 点
缺 点
黑镍
176.5~177
0.10~0.15
0.92~0.96
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
76~78
0.05~0.092
0.87~0.97
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
350~370
0.12~0.14
0.94~0.96
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3 管材的对比表
管 材
价 格
元/㎏
导热系数
W/(m·㎏)
比热容
J/(㎏·K)
密 度
㎏/m3
铜
55.6~55.9
386
236
8930
铝
16.5
902
398
2710
钼
125~130
138
255
9590
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4 连接管对比
连接管名称
铜管接管
铜接头铝管
彩色铝合金管
管体
铜管
铜管加纯铝管
铝合金管
管表面
铜表面
热缩管
黑铬涂层
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
焊接
焊接
非焊接的扩口连接
安全性
安全
铜铝接头存在隐患
安全
价格（相对于纯铜）
100﹪
40﹪
30﹪
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5 同类型相变材料对比
相变材料
熔 点
℃
熔融热
kJ /kg
价 格
元/吨
防过冷剂
防分离剂
硫酸钠Na2SO4 ·10H20
32.4
254.00
440-480
硼砂
高吸水树脂
十二烷基苯
磷酸氢二钠Na2HPO4·12H2O
35.0
208.80
6000
BaS，CaSO4，
CaHPO4·12H2O
SiO2,膨润土
聚乙烯醇
氯化钙
Ca2Cl2 ·6H20
29.7
278.84
580
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29.7ºC，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。
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5 水泵性能参数比较表
型 号
流量范围
m3/s
扬 程
m
设计点效率
%
转 速
r/min
比转速
JMT-10B
0.414
2.655
75.19
1450
1637
JMT-07-3.5
0.384
3.680
83.42
1450
1235
JMT-06-4.5
0.402
4.800
85.62
1450
1034
表6 汽轮机性能参数表
型号
额定功率KW
额定转速r/min
进汽参数
排汽参数
本体质量吨
压力
MPa
温度
℃
压力
MPa
温度
℃
B1.0-0.88/0.15
1000
3000
1.0-1.6
250-350
0.15-0.30
190-230
3.5
B1.5-0.88/0.15
1500
3000
1.0-1.6
250-350
0.15-0.30
190-230
3.5
B1.5-2.35/0.3
1500
5600
2.35
390
0.3
360
9
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；B1.5-0.88/0.15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。
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