地熱-溫差發電系統的實驗研究與經濟性分析

陳海平，于鑫瑋，石志云，王忠平，吳文浩

(1. 華北電力大學 能源動力與機械工程學院，北京102206;2. 華北電力大學 能源動力與機械工程學院，河北 保定071003)

0 引言

地熱能是來自地球深處的可再生能源，是指儲存于地球內部、來自于地球深處的高溫熔融體或地球內部的放射性元素衰變而釋放的熱量。在地底深處循環的地下水和來自極深處的巖漿侵入到地殼后，把熱量從地下深處帶至近地表層，甚至有些地方，熱能隨自然涌出的熱蒸汽和熱水到達地面。地熱能的儲量非常大，且屬于清潔能源;其利用非常廣泛，即可做電力利用，也可作直接利用［1，2］。溫差發電作為近年來興起的一種新的發電形式，隨著最新熱電材料優值系數的不斷提高，溫差發電的研究進入了一個新的高潮，國內外與其相關的發電利用系統也相繼出現，如汽車尾氣的溫差發電利用系統、工業余熱的溫差發電機組等，都具有較高的研究和實用價值［3～5］。國內在溫差發電方面的研究起步較晚，主要集中在理論和熱電材料制備等方面;在溫差發電的實用性領域的研究還處于剛剛起步的階段，實際應用仍處于空白狀態［6］。為此，本文提出了一種基于地熱能與溫差發電裝置的新型發電系統。通過對半導體溫差發電器件的實驗性能分析，獲得了適用于地熱能溫差發電的可行方案，并通過其技術經濟性分析，進一步驗證了系統的可行性，為地熱能源和溫差發電的進一步利用提供了新的研究方向。

1 地熱-溫差發電系統的建模

地熱-溫差發電系統組成如圖1 所示，它主要分為溫差發電系統和電力轉換系統，其中溫差發電系統分為3 個子部分:地熱流部分(即溫差發電熱端)、循環冷卻水［7］部分 (即溫差發電冷端)、電力生產部分(即溫差發電裝置)。地熱水從生產井流出進入溫差發電系統，組成溫差發電的熱端，循環水進入系統組成冷端，再通過溫差發電器件生成電能，最后經過電力轉換系統向用戶提供合格的電力能源。此電力生產系統無副產品，不存在污染，是潔凈能源系統。

圖1 地熱-溫差發電系統簡圖Fig．1 Diagram of geothermal-thermoelectric generation system

溫差發電裝置采用型號為TEP1 －1264 －1.5的半導體溫差器件，尺寸為40 mm×40 mm，最高承受溫度270 ℃，可保證器件在地熱水為熱端介質時安全運行。地熱能源參數選擇西藏羊八井地區［8］地熱發電廠某一3 000 kW 機組的運行參數，而循環冷卻水采用藏布曲河河水，河水年平均溫度為5 ℃。

2 半導體溫差發電裝置性能實驗研究

地熱-溫差發電的主要器件是溫差發電器，其性能直接影響系統的效率，在研究系統之前，需詳細了解溫差發電器件的性能，為此搭建了溫差器件的實驗分析平臺并開展了實驗研究，為溫差發電器件的性能分析奠定了基礎。

2.1 實驗裝置的建立

半導體溫差發電裝置性能測試系統如圖2 所示，該系統包括半導體溫差發電器、滑動變阻器、金屬均熱板、數據采集系統等，其中半導體溫差發電器由半導體溫差發電片、冷卻單元、加熱單元、保溫材料、散熱器組成。實驗系統采用TEP1－1264 －1.5 型號的半導體溫差發電器件，其最高承受溫度為270 ℃。利用萬用表、電流表、電壓表、溫度測量儀等實驗設備測量所需參數，再由計算機對測量參數進行分析整理。

圖2 溫差發電性能測試裝置圖Fig．2 Diagram of thermoelectric generation test device

2.2 溫差發電裝置輸出功率實驗研究

通過搭建好的半導體溫差發電裝置性能測試平臺進行實驗，實驗過程中保持冷熱端的溫差不變，通過改變滑動變阻器的阻值進行發電模塊的輸出功率實驗，結果如表1。

表1 變負載條件下輸出功率情況Tab．1 Output power at variable load

根據實驗數據點得到變負載輸出功率曲線圖，如圖3 所示。

圖3 變負載條件下輸出功率曲線圖Fig．3 Output power curves at varying duty condition

從圖3 可以看出，隨著溫差的增大，溫差發電裝置的輸出功率隨之增大。在相同的冷熱端溫差條件下，溫差發電裝置的輸出功率隨著負載電阻的增大先增加后減小，即存在一個最大值。當負載電阻等于溫差發電片內阻時，輸出功率才能達到最大值，為了獲得最大輸出功率，需要選擇最佳匹配負載。

2.3 不同熱端溫度下溫差發電裝置的特性研究

從圖3 的曲線分析可以看出，當負載在3.2 Ω左右時，半導體溫差發電器件的輸出功率最大，因此該實驗的負載電阻取為3.2 Ω。本文主要研究溫差發電器件應用于中高溫地熱能源，考慮到熱水溫度主要在140 ～160 ℃之間變動，因此將研究重點放在熱端溫度變化范圍在100 ～220 ℃之間。目前，溫差發電的冷端研究主要有水冷和空冷兩種，由于空氣密度低、熱容比水小，為了降低冷端溫度，需要較大的空氣質量流率，因此冷端采用空冷的溫差發電裝置的體積比冷端采用水冷的大得多，又根據參考文獻［9］分析:水冷的效果明顯優于空冷。實驗冷卻水取當地自來水。實驗數據匯總如表2。

表2 單個溫差發電器件在不同熱端溫度下的參數Tab．2 Parameter of a thermoelectric generator at different hot-end temperatures

由表2 可知，在冷端溫度基本相同的情況下，熱端溫度越高溫差就越大，最大輸出功率也就越大，并且隨熱端溫度近似呈線性變化。根據表2的數據，用origin 軟件作直線擬合，得到最大輸出功率與不同熱端溫度的相關性曲線，如圖4 所示，擬合過程中相關系數(R-square)為0.992 41，說明最大輸出功率與不同熱端溫度的相關程度較高，擬合得到的經驗公式為:Y =0.025 78X－1.976 98。

圖4 最大輸出功率與熱端溫度的關系曲線Fig．4 Maximum output power curve at variable hot-end temperatures

3 地熱-溫差發電系統的經濟性分析

3.1 地熱-溫差發電系統的布置

溫差發電系統是地熱-溫差發電系統的主體部分，其布置的形式合理與否，將會影響系統的能量轉換效果。再者，因為地熱流體中含有一定數量的H2S 和CO2等酸性氣體和氯離子，對設備有腐蝕性，而H2S 是其中主要的腐蝕介質。當這些氣體遇到水和空氣中的氧時，對設備的腐蝕作用會加劇。因此應提高系統管材的防腐性能，盡量選擇耐腐蝕的金屬管材如不銹鋼材質的管材，同時在設備主要部件上加涂防腐涂料［10，11］。

綜合以上各種原因，溫差發電系統的具體布置如圖5 所示，管材為不銹鋼管，地熱水與循環水逆流布置。溫差發電片的型號為TEP1 －1264 －1.5，尺寸為40 mm ×40 mm，陶瓷材質。換熱管材形狀處理以溫差器件為準。

圖5 溫差發電系統換熱單元布置形式Fig．5 Heat exchanges unit layouts form of thermoelectric generation system

在溫差發電系統的整個換熱單元中，為方便溫差發電器件的安裝，采用的換熱管為方形三層的特殊形式。每條方形換熱管長為50 m，寬度為120 mm，厚度為80 mm，則每條管子上可布置的溫差發電器件的個數為4 000。整個換熱場有60條方形管子組成，則溫差發電器件總數為240 000。集成地熱-溫差發電系統設備的總成本如表3 所示。

表3 地熱-溫差發電系統成本Tab．3 Cost of the geothermal-electric generation system

因為圖4 中溫差發電器件的最大輸出功率與不同熱端溫度的擬合曲線是在冷端溫度為20 ℃左右的實驗條件下得到的，而在地熱-溫差發電系統中，冷端溫度在5 ℃左右，根據文獻［12］可知:在相同熱端溫度的情況下，冷端溫度越低，溫差發電器件的發電效率越高。由于實驗條件的原因，溫差器件的輸出功率采用圖3 中相同溫差時的值，做近似計算。

取熱端溫度為150 ℃，冷端溫度為5 ℃，溫差為145 ℃。根據擬合的經驗公式近似計算得:單個溫差發電器件的最大輸出功率為

則整個溫差發電裝置的最大輸出功率為

由于地熱-溫差發電系統組成設備簡單，組裝方便，其運行小時數肯定比常規電站時間長，取電站每年發電運行小時數為6 000 h，則可得電站年發電量為3 096 000 kW·h 取常規新能源電價1元為地熱-溫差發電電站的售電價格，則電站每年的售電收益P 為309.6 萬元。

3.2 地熱-溫差發電系統的經濟性分析

3.2.1 靜態指標分析

(1)投資收益率

投資收益率是靜態衡量投資方案獲利水平的評價指標，它是投資方案達到設計生產能力后一個正常生產年份的年凈收益總額與方案投資總額的比率。

項目總投資I 為1 255 萬元;經濟效益額P 為309.6 萬元;設備折舊期按10 年計算，則年折舊費I'為125.5 萬元;企業所得稅率r 取25%;能源行業基準投資收益率Rc取9%。

凈收益額由公式計算得:

投資收益率由公式計算得:

投資收益率R ＞行業基準投資收益率Rc，故依據此項指標，該項目投資是可行的。

(2)靜態資本回收期

靜態投資回收期(是指項目以凈收益抵償全部投資所需的時間)是在不考慮資金時間價值的條件下，以方案的凈收益回收其總投資所需要的時間。

靜態投資回收期Pz= I/A =4.8 a，因此用凈收益額回收其總投資所需要的時間為4.8 a。

3.2.2 動態指標分析

(1)財務凈現值

財務凈現值是反映投資方案在計算期內獲利能力的動態評價指標。能源行業的基礎收益率ic的推薦值為6%，財務凈現值FNPV 表達式:

導出計算式得:FNPV = － I + A［(1 + ic)18－1］/［ic× ( 1 + ic)18］(設備使用期按18a 計算)代入數據得:FNPV = 1 598.94 由此指標可以看出FNPV ＞0 ，則項目也是可行。

(2)動態投資回收期

動態投資回收期是指項目以凈效益的現值抵償全部投資所需的時間。在實際工程中，用近似公式計算:

4 結論

通過上述計算分析可以得出地熱-溫差發電系統作為一種清潔能源生產形式，有較大的實用價值，具有項目投資可行性，但是也存在一些待解決的問題。

(1)能源轉化效率低。主要是溫差發電器件的優值系數低，大多在3%左右，是制約溫差發電發展的主要瓶頸。

(2)投資成本高。在現階段，溫差發電器件的成本較高，商業化程度較低。在未來，如果溫差器件實現大規模的商業化，將會大大的推進溫差發電的發展。

(3)存在大量余熱。在整個地熱-溫差發電系統中存在大量的余熱，在此基礎上可以發展聯產聯供形式，如余熱供熱等，加深能源利用的程度。

總體來說，在節能減排和推進清潔能源利用形式的大背景下，進一步發展地熱-溫差發電形式，不失為一個好的突破方向;同時這也將為我國地熱能源的利用和溫差發電產業的發展起到積極的作用。

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