基于沙漠地带地表—地下温差的发电系统

袁冰洋 秦明 刘文凯 万平安

摘 要：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。

关键词：昼夜温差；地表—地下温差；温差发电；卡诺循环

一、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，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%，太阳能蕴藏丰富，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。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。

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，可见，白天地表-地下温差、昼夜温差均较大，为此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，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。

二、模块设计

集热模块的设计，如图1 所示，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。

三、工作原理

本发电系统的整体布置结构设计如图2所示，系统利用白天集热器所吸收的热量，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，把大部分热量储存在蓄热器中，再经过冷凝系统回到工质储备箱；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。

四、结论

本项目设计开发了一套基于沙漠地带昼夜与地表-地下溫差的全天候联合发电系统。本系统分为两个阶段，第一阶段在日间利用集热装置在沙漠地表收集热量，形成与地下数米处40oC以上的温差，然后利用卡诺循环原理进行发电。第二阶段利用设计的蓄热装置将收集到的热量储存起来，在夜间用于与地下低温热源间的发电。同时本项目中选用了能与换热工质长时间配用，且相容性较好的汽轮机发电系统、低扬程循环泵系统。此外，还设计了与系统适用的、特别是能够满足工质要求、气候地质要求的管路。对实现社会可持续发展具有重要的理论价值和现实意义。

参考文献：

[1]杨鹏程， 章学来， 王文国， 施敏敏. 海洋温差发电技术[J]. 上海电力， 2009， 1： 38-39.

[2]徐柏林， 马勇， 金英兰. 当今世界海洋发电发展趋势[J]. 发电设备， 2000， 1： 37-38.

[3]李挂云， 屠进. 高温热管工质的选择[J].节能技术， 2001， 19（1）： 42-43.

[4]张学文. 新能源-靠沙漠温度差发电. http：//zxw.idm.cn/energy. 2009，1，5.

作者简介：

袁冰洋（1998.09） 男 汉族 河南省周口市 412723199809197330 本科生 电气工程及其自动化

秦明 男，博士，副教授，硕士生导师，郑州大学电气工程学院，从事教学与科研工作 qinming@zzu.edu.cn

刘文凯（1998.02） 男 汉族 河南省安阳市 410522199802063218 本科生 电气工程及其自动化

万平安（1998.12） 男 汉族 河南省濮阳市 41090119981213055X 本科生 电气工程及其自动化