基于沙漠地帶地表—地下溫差的發電系統

袁冰洋 秦明 劉文凱 萬平安

摘 要：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。

關鍵詞：晝夜溫差；地表—地下溫差；溫差發電；卡諾循環

一、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，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%，太陽能蘊藏豐富，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5000～6000MJ，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。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。

在沙漠地帶，白天地表的溫度可以達到50～60oC，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，可見，白天地表-地下溫差、晝夜溫差均較大，為此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，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。

二、模塊設計

集熱模塊的設計，如圖1 所示，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。

三、工作原理

本發電系統的整體布置結構設計如圖2所示，系統利用白天集熱器所吸收的熱量，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，把大部分熱量儲存在蓄熱器中，再經過冷凝系統回到工質儲備箱；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。

四、結論

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，且相容性較好的汽輪機發電系統、低揚程循環泵系統。此外，還設計了與系統適用的、特別是能夠滿足工質要求、氣候地質要求的管路。對實現社會可持續發展具有重要的理論價值和現實意義。

參考文獻：

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[4]張學文. 新能源-靠沙漠溫度差發電. http：//zxw.idm.cn/energy. 2009，1，5.

作者簡介：

袁冰洋（1998.09） 男 漢族 河南省周口市 412723199809197330 本科生 電氣工程及其自動化

秦明 男，博士，副教授，碩士生導師，鄭州大學電氣工程學院，從事教學與科研工作 qinming@zzu.edu.cn

劉文凱（1998.02） 男 漢族 河南省安陽市 410522199802063218 本科生 電氣工程及其自動化

萬平安（1998.12） 男 漢族 河南省濮陽市 41090119981213055X 本科生 電氣工程及其自動化