新能源发电

第五章新能源发电ELECTRICPOWERGENERATIONBYNEWENERGY能够提供可利用能量的物质资源波浪发电站风力发电站水力发电站地热发电站太阳能发电站太阳能收集站沼气发酵池潮汐发电站火力发电站核电站第一节地热发电Geothermalenergy概述：地热能是来自地球深处的可再生热能。它起源于地球的熔融岩浆和放射性物质的衰变。地下水的深处循环和来自极深处的岩浆侵入到地壳后，把热量从地下深处带至近表层。在有些地方，热能随自然涌出的热蒸汽和水而到达地面，自史前起它们就已被用于洗浴和蒸煮。通过钻井，这些热能可以从地下的储层引入水池。房间、温室和发电站。这种热能的储量相当大。据估计，每年从地球内部传到地面的热能相当于100PW•h。不过，地热能的分布相对来说比较分散，开发难度大。实际上，如果不是地球本身把地热能集中在某些地区（一般来说是那些与地壳构造板块的界面有关的地区），用目前的技术水平是无法将地热能作为一种热源和发电能源来使用的。地球的内部是一个高温高压的世界，是一个巨大的“热库”，蕴藏着无比巨大的热能。地球内部蕴藏的热量有多大呢？假定地球的平均温度为2000℃，地球的质量为6x1024kg，地球内部的比热为1.045J／g•℃，那么整个地球内部的热含量大约为1.25X1031J。即便是在地球表层10km厚这样薄薄的一层，所贮存的热量就有1025J。地球通过火山爆发、间歇喷泉和温泉等等途径，源源不断地把它内部的热能通过传导、对流和辐射的方式传到地面上来。据估计，全世界地热资源的总量大约为14.5X1025J，相当于4948X1012t标准煤燃烧时所放出的热量。如果把地球上贮存的全部煤炭燃烧时所放出的热量作为100来计算，那么，石油的贮量约为煤炭的8%，目前可利用的核燃料的贮量约为煤炭的15％，而地热能的总贮量则为煤炭的17000万倍。可见，地球是一个名副其实的巨大“热库”，我们居住的地球实际上是一个庞大的“热球”。地球内部的温度这样高，它的热量是从哪里来的呢？多数科学家认为，其热源乃是长寿命的放射性同位素进行的热核反应（另一种观点认为，地球最初是由一团高热物质组成，是从太阳派生出来的一个行星，经过四五十亿年以后，表面逐渐冷却，而形成地壳）。地球物质中放射性元素衰变产生的热量是地热的主要来源。放射性元素有铀238、铀235、钍232和钾40等。放射性元素的衰变是原子核能的释放过程。放射性物质的原子核，无需外力的作用，就能自发的放出电子和氦核、光子等高速粒子并形成射线。在地球内部，这些粒子和射线的动能和辐射能，在同地球物质的碰撞过程中便转变成了热能。地球内部的热不断向太空释放。这种地球物理现象就叫大地热流。由于地球的表面积很大，单位面积内放出的热量极其微小，所以全球平均大地热流量并不大，以致人们很难直接感觉出来。但是，其总量却非常大，而且不同地区的大地热流量是不同的，热流高的地区地热资源较丰富。人类很早以前就开始利用地热能，例如利用温泉沐浴、医疗，利用地下热水取暖、建造农作物温室、水产养殖及烘干谷物等。但真正认识地热资源并进行较大规模的开发利用却是始于20世纪中叶。地热能的利用可分为地热发电和直接利用两大类。一、地热资源的类型地热资源根据其在地下储热中存在的不同形式，可以分为五种类型：(1)蒸汽型地热资源。地下储热以温度较高的过热蒸汽为主，杂有少量其他气体，水很少或没有。(2)热水型地热资源。地下热储以热水或湿蒸汽为主，根据其温度分为高温(150℃以上)、中温(90-150℃)和低温(90℃以下)。(3)地压型地热资源。以地压水的形式储于地表下2—3km以下的深部沉积盆地中，被岩石盖层封闭有着很高压力，温度在150—260℃。地压水中还溶有大量的甲烷等碳氢化合物，构成有价值的产物。(4)干热岩型地热资源。比上述各种资源规模更为巨大的地热资源，广义上是指地下普遍存在的没有水或蒸汽的热岩石。从现阶段来说，是专指埋深较浅、温度较高(150-650℃)、有较大开发利用价值的热岩石。(5)岩浆型地热资源。蕴藏于熔融状和半熔融状岩石中的巨大能量，温度在600-1500℃左右，埋藏部位最深，目前还难以开发。1．直接利用地热蒸汽发电将蒸汽型地热资源现有的温度、压力较高的干蒸汽，从地热井引出经井口分离装置分离掉蒸汽中所含的固体杂质，直接送人汽轮发电机组发电。这种方式投资少、系统最简单、经济性也高，但蒸汽型地热资源储量很少，只分布在有限的几个地热带上。这种方式投资少、系统最简单、经济性也高，但蒸汽型地热资源储量很少，只分布在有限的几个地热带上。二、地热发电原理和分类2．闪蒸地热发电系统(减压扩容法)在目前经济、技术条件下开发普遍的是储量相对较多、分布较广的热水型地热资源，其热能产生形式是热水或湿蒸汽，比较合适采用闪蒸地热发电系统。来自地热井的热水首先进入减压扩容器，扩容器内维持着比热水压力低的压力，因而部分热水得以闪蒸并将产生的蒸汽送往汽轮机膨胀做功（如右图所示）如地热井口流体是湿蒸汽，则先进入汽水分离器，分离出的蒸汽送往汽轮机做功，分离剩余的水再进入扩容器(如剩余热水直接排放就是汽水分离法，热能利用不充分)，扩容后得到的闪蒸蒸汽也送往汽轮机做功（如右图所示）闪蒸地热发电的特点是：系统比较简单，运行和维护较方便，而且扩容器结构简单、凝汽器采用混合式，金属消耗量少，造价低。存在的缺点主要是：产生的蒸汽压力低则比容大，蒸汽管道、汽轮机的尺寸相应也大，投资增加；设备直接受水质影响，易结垢、腐蚀；当蒸汽中挟带的不凝结气体较多时，需要容量大的抽气器维持高真空，因此自身能耗大。3．双循环地热发电系统(低沸点工质循环)低沸点工质循环是为克服闪蒸地热发电系统的缺点而出现的一种循环系统。地下热水用深井泵加压打到地面进入蒸发器，加热某种低沸点工质，使之变为低沸点工质过热蒸汽，然后送人汽轮发电机组发电，汽轮机排出的乏汽经凝汽器冷凝成液体，用工质泵再打回蒸发器重新加热，重复循环使用。为充分利用地热水的余热，从蒸发器排出的地热水去预热器加热来自凝汽器的低沸点工质液体，使其温度接近饱和温度，再进人蒸发器。为了保证从地热井来的地热水在输送过程中不闪蒸成蒸汽和避免溶解气体从水中逸出，管路中的热水压力始终大于其温度对应的饱和压力(见图1—50)。双循环系统与闪蒸系统相比较：优点：⑴低沸点工质的蒸汽比容比减压扩容后的水蒸汽比容小得多，因此系统的管道和汽轮机尺寸都十分紧凑、造价也低；⑵汽轮机的做功介质是低沸点工质的蒸汽，就避免了地热水中气、固杂质所导致的腐蚀问题；⑶可以适应各种不同化学类型的地下热水；能利用温度较低的地热水；地热排水回灌地下，避免了地面的大气污染。缺点：⑴低沸点工质价格贵，来源不广，有的还易燃易爆或有毒性，因而要求系统各处的密封性好、技术要求高；⑵蒸发器、凝汽器和预热器都必须采用面式换热器，增加了传热温差引起的不可逆热损失，低沸点工质一般传热性能较差，换热面积要求较大，从而增加了投资；⑶操作和维修要求高。4．全流式地热发电系统根据热力学原理，由井口状态直接膨胀到废弃状态，就有可能将最大份额的可用功转换出来，而扩容系统不论级数多少，总是有部分可用能量随最后一级扩容器分离出来的热水被排掉。全流发电系统就是试图将来自地热井的地热流体(不论是水或是湿蒸汽)通过一台特殊设计的两相膨胀机，使其一边膨胀一边做功，最后以汽体的形式从膨胀机的排汽口排出。该方法比闪蒸地热发电系统中的单级闪蒸法和两级闪蒸法地热发电系统的单位净输出功率可分别提高60％和30％左右。为了获得全流系统的优越性能，膨胀机的效率必须达到70％以上，但目前的实验机组还没有达到这一指标，全流地热发电系统仍未进人商业应用阶段。5．利用干热岩发电蒸汽型、热水型地热资源开发利用比较方便，但储量不多，尤其是适合发电的高温资源更少，而干热岩地热资源分布广、储量多，一般在地表以下4-6km的深度范围内就可找到。干热岩发电原理就是将地壳深处干热岩破碎、制造人工的裂隙系统，把洁净水强制注人裂隙系统取得干热岩的热能而获取可做功的高温蒸汽，干热岩裂隙系统就是地下锅炉，干热岩破碎可以采用水力破碎和核爆炸破碎。目前有少数国家在试验、研究，如果干热岩流程技术能够解决，地热能也许会成为重要的新能源。地热能在开发利用环境污染地热能在开发利用过程中，也会带来环境污染，其主要表现在：HS2、CO2的空气污染、含盐废水的化学污染和热污染、噪声污染、地面沉降等几方面。但是上述污染可以通过气体净化、废水回灌、安装消声器等措施来得到解决，因此地热能仍被认为是清洁的再生能源。第二节海洋能发电海洋能通常指海洋中所蕴藏的可再生的自然能源，主要为潮汐能、波浪能、海流能(潮流能)、海水温差能和海水浓度差能。海洋面积约占地球表面的71％，因此海洋能的蕴藏量大、分布广，是清洁的可再生能源，据估计这五种海洋能的理论可再生总量为788亿kW，技术允许利用功率为64亿kW。由于本课程在“水力发电”一章中介绍过潮汐能、波浪能、海流能(潮流能)，所以本节主要介绍海水温差能和海水浓度差能。一、海水温差发电海水温差能是指海洋表层海水和深层海水之间水温之差的热能。海洋的表面把太阳的辐射能的大部分转化成为热水(25-28℃)并储存在海洋的上层，而接近冰点(4—7℃)的深层海水大面积地在不到1000m的深度从极地缓慢地环流到赤道。这样，海洋本身就具有天然的、稳定的高温和低温两个热源，并在许多热带或亚热带海域终年形成20℃左右的垂直海水温差，利用这一温差可以实现热力循环并发电，其系统构成与地下热水发电很相似。1．开式循环[闪蒸法或扩容法，见右图]表层温海水进入闪蒸器产生蒸汽，深层冷海水在凝汽器中冷却汽轮机的乏汽。闪蒸器和凝汽器可使用混合式换热器，结构简单，维护方便，若用表面式凝汽器，还可副产淡水。但低温水蒸汽饱和压力极低(4kPa)，比容巨大，通流部分尺寸过大，而且系统内会漏入大量空气，真空泵电耗很大。2．闭式循环[低沸点工质循环，见右图]低沸点工质(如氨、氟里昂等)在封闭回路中完成饱和蒸汽循环，系统处于高压下，工质蒸汽体积流量小，通流部分尺寸不致过大。但蒸发器和凝汽器须用体积大的表面式换热器，金属耗量大。3．混合循环[见下图]基本与闭式循环相同，但用温海水闪蒸出来的低压蒸汽来加热低沸点工质。海洋温差电站预计对环境无不良影响，问题是温差太小、能量密度过低，但技术上没有太多问题，将来具有大规模开发的潜力。由于它可以将深海富营养盐类的海水抽到上层来，将有利于海洋生物的生长繁殖，若与海水养殖、淡水供应、海洋采矿、空调和制冷结合起来综合开发，则可取得更好的经济效果。二、海水浓度差能发电海水浓度差能是指海水和淡水之间或两种含盐浓度不同的海水之间的化学电位差能，主要存在于河海交接处的一种可再生能源。海水浓度差能是两种含盐度不同的水体相混时放出的一种能量。其广泛分布于陆地江河入海处。海水中含有大量的矿物盐，海水含盐浓度大于江河水，形成了盐度差。当两种不同浓度的溶液混合在一起时，淡的溶液就会向浓的方向渗透，直至浓度平稳为止，这种渗透就带有压差。研究人员提出了用化学渗透膜隔开浓、淡水，构成盐度差能电站的设想，预计本世纪将取得实质性的突破通常3.5％盐度的海水和河水之间的化学电位差有相当于240m水头差的能量密度，据估计世界各河流区域的浓度差能约有300亿kW，可供利用的大约有26亿kW，我国可以开发利用的估计有1亿kW。科学家计算，每条江河入海口的透渗压能相当于一个240米高的水位所产生的势能。世界上以约旦河注入死海的河口处的盐能最大，其能量相当一个500米高的大坝所造成的高水位势能。海水浓度差发电类型(1)渗透压法：利用浓度不同溶液之间的渗透压差发电，这种方法必须通过半透膜才能实现。(2)渗析电池法：利用不同浓度溶液之间的电位差发电，又称浓淡电池法。这种方法必须使用两种不同的膜，即阴离子交换膜与阳离子交换膜才能实现。(3)蒸汽压差法：利用不同浓度溶液之间饱和蒸汽压的不同来发电。目前，研究海水浓度差发电以渗透压法为主，不过还处于实验室阶段。其原理是：两种不同盐度的水