一种地热/海水半导体温差发电系统及方法
本发明涉及海域地热能利用技术领域，具体而言，涉及一种地热/海水半导体温差发电方法。
背景技术：
地热能是来自地球深处的可再生洁净能源，作为一种几乎取之不尽的资源，可直接用于供热或发电。能够用于发电的基本属于中高温的地热能资源。地热按热储介质、构造成因、水热传输方式可划分成不同的类型。按热储介质可分为孔隙型地热资源、裂隙型地热资源和岩溶裂隙型地热资源；按构造成因可分为沉积盆地型地热资源和隆起山地型地热资源；按热传输方式可分为传导型地热资源和对流型地热资源。地热按温度分级，可分为高温地热资源(温度大于等于150℃)、中温地热资源(温度小于150℃且大于等于90℃)和低温地热资源(温度小于90℃)三级。
在中国，高温地热资源主要分布在西藏南部、云南西部、四川西部和台湾，中低温地热则遍布全国，储量巨大。有三个重大技术难题阻碍了地热发电的发展，即地热回灌、腐蚀和结垢。地热回灌技术要求复杂，且成本高。此外，还存在超采地下热水引起地面沉降，温排水有害元素对环境产生恶劣影响等问题。
地热发电是利用地下热水和蒸汽为动力源的一种新型发电技术，主要分为四种类型：干蒸汽地热发电、闪蒸地热发电、双循环(有机朗肯循环)地热发电和干热岩发电四种模式。目前我国的中低温地热发电厂陆续关停，原因是地热发电在技术上可行，但经济上不可行。
半导体温差发电作为一种独特的能量转换方式，具有其他能量转换方式没有的优点，适合用于对低位能源的回收利用，特别适合于小温差。半导体温差发电是一种新型的节能环保发电技术，可将地热能、太阳能、工业及生活余热废热、汽车尾气废热等低品位热能转化为电能。半导体温差发电技术的研究起源于20世纪40年代，其发电效率仅提高能源利用率1.5％～2％，远低于水电、火电、核电、风电、光电等发电方式；随着材料合成技术的发展，热电材料也由传统的选材目标转向各种新型热电材料，各国研究者不断寻找和开发具有较高优值的新型热电材料。2013年奥地利研究团队实现了温差发电材料的热电优值系数高达5到6。热电优值系数的跨越式提升，意味着温差发电的效率将有望成为一种新的商业发电技术。
与传统的发电方式相比，温差发电具有五个较突出的优点：第一，温差发电技术中没有机械运动部件，因而没有震动和噪音，结构紧凑；第二，对热源的适应性广，在有微小温差存在的条件下，就能将热能转化为电能，通过选用合适的半导体材料，温差发电技术可以在很宽的温度范围内(300～1400k)利用热能；第三，体积小，重量轻，便于携带和运输；第四，运行性能稳定，可靠性高，可长期免维护工作，工作寿命长；第五，安全无污染，温差发电技术在能量转变过程中，不会产生废弃物，近于对环境零排放。因此，温差发电技术的优势使得其在低品位能源利用上显示了巨大的潜力，涉及温差发电的技术也大量地涌现。
中国发明专利，申请号cn201811641277.7，公开了一种温差发电热激法开采海域水合物系统及方法，其方案是利用地热开采海域水合物的一种技术。以海水为冷端，水合物储层下方的地热为热端，进行温差发电，然后用温差装置发的电加热水合物储层，达到开采海域水合物的目的。该发明经历了地热能→温差发电→电加热水合物储层的多次转换，存在热能损失大、转换效率较低的缺点。
中国实用新型专利，申请号cn201920065048.9，公开了一种薄膜温差发电耦合选择性吸收涂层结构，其方案是利用太阳能集热管迎光面与背光面形成的温差来发电的太阳能热电联供系统。根据能量守恒定律，太阳能集热管接收的能量是一定的，利用部分热能进行
目前，温差发电技术还没得到广泛应用的原因是：首先温差发电技术效率太低，相比传统方式，在经济上没有优势；其次，温差发电模块造价成本高；再次，温差发电系统设计、运行经验匮乏。
海域地热是持续稳定、储量巨大的热能。但是，地热属于大宗低值能源，不宜长途输送。远距离输送地下热水，建设及管道维护成本高、热能损失大，制约了热储巨大的海域地热能利用。因此，如何有效地利用海域地热进行发电，成为亟需解决的问题。海水具较大的热容，且数量极其巨大，是人类的大能源库。将海域地热与海水形成的温差用于发电具有极大的发展潜力。
技术实现要素：
鉴于此，本发明提出了一种地热/海水半导体温差发电系统及方法，旨在解决利用海域地热/海水进行发电，并在利用海域地热进行温差发电时，提高海域地热发电效率以及降低建设及维护成本的问题。
一个方面，本发明提出了一种地热/海水半导体温差发电系统，包括：
u型井，沿竖直方向设置在预设的海域内，且所述u型井的井口露出海面，下部水平段位于地热储层内；
高位海水库，设置在靠近海岸区域，其内部容纳海水，且所述高位海水库的水位高度大于海平面高度；
第一温差发电管和第二温差发电管，所述第一温差发电管穿设在所述u型井的水平段内，所述第一温差发电管通过与其对接的hdpe管与所述高位海水库相连通；所述第二温差发电管敷设在海底之上，所述第一温差发电管和第二温差发电管之间通过hdpe管相连通；
第一温差发电单元，嵌设在所述第一温差发电管的管壁内，所述第一温差发电单元用于根据所述第一温差发电管的内外温差进行发电。
进一步地，所述u型井包括第一井、第二井和水平井，所述第一井和第二井的下端通过所述水平井连通，所述水平井位于所述地热储层内。
进一步地，所述的地热/海水半导体温差发电系统，还包括：
第二温差发电单元，其嵌设在所述第二温差发电管的管壁内，且所述第二温差发电单元位于所述u型井外部的的海底上，并与海水接触。
进一步地，所述的地热/海水半导体温差发电系统还包括：
电源管理单元，与所述第一温差发电单元和第二温差发电单元电连接，所述电源管理单元用于将所述第一温差发电单元和第二温差发电单元发的电输送至用户或者并入电网。
进一步地，所述第一温差发电管和第二温差发电管分别包括环形结构的内导热绝缘层和外导热绝缘层，所述第一温差发电单元和第二温差发电单元分别设置在所述内导热绝缘层、外导热绝缘层之间。
进一步地，所述第一温差发电单元和第二温差发电单元分别包括若干温差发电模块，若干所述温差发电模块均匀的排列在所述内导热绝缘层和外导热绝缘层之间，且所述温差发电模块并排设置两排。
进一步地，所述温差发电模块包括热电臂层、内铜片层和外铜片层，所述热电臂层设置在所述内铜片层和外铜片层之间。
进一步地，所述高位海水库朝向海洋的一侧设置有单向闸门和导浪墙，所述单向闸门用于在涨潮时使海水进入水库，所述导浪墙用于将海浪引入水库内。
进一步地，所述电源管理单元包括一控制模块，所述控制模块用于根据所述第一温差发电单元的发电量和温差发电管的内外温差，控制所述温差发电管内的海水流速。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于，通过在海底上埋设u型井，并使得u型井的下部处于海底以下的地热储层中，高位海水库从海洋内获取常温海水，且高位海水库内的水位高度大于海平面的高度，第一温差发电管位于u型井内，第二温差发电管敷设在海底，当高位海水库内的常温海水通过第一温差发电管和第二温差发电管排放至海底的过程中，在流经第一温差发电单元时，第一温差发电单元所处的温差发电管管内海水温度较低形成冷端，温差发电管外的地热储层的温度较高形成热端，从而使得第一温差发电单元的内外两侧形成温差以进行发电。可以看出，本发明的系统结构简单，便于实施极大地降低成本投入，同时，通过将第一温差发电单元直接放置于地热储层中，且通过常温海水作为冷端，不仅能够快速有效的进行温差发电，极大地提高了发电效率，且无需进行地热资源的抽取，减少工序，进一步地能够提高工作效率；充分的利用常温海水，无需额外水源的注入，不仅提高了海洋地热资源的利用率，降低成本，还极大地保护了环境。
进一步地，通过设置位于低温海水中的第二温差发电单元，当温差发电管内的低温海水经过地热储层与第一温差发电单元后，温差发电管内的低温海水被加热升温，形成高温海水，在高温海水流经第二温差发电单元时，使得第二温差发电单元的内外产生温差，进而使得第二温差单元进行发电，通过设置第二温差单元能够有效地对升温后的海水进行再次利用，从而能够有效地提高能源的利用率，进一步地通过第一温差发电单元与第二温差发电单元再一次海水循环的过程中同时进行发电，极大地提高了电能生产效率。
进一步地，本发明无需抽取地下热水，避免了地下热水中的高矿化度元素、有害气体对人类环境的损害，省去了抽水的潜水泵及电力消耗，降低了初期投入成本和运行成本。
进一步地，本发明通过将u型井的下部连接段埋设在地下深处的地热储层中，在连接段中将热能转换为电能，将电能输出至地上，省去了地热水管道及其敷设，避免了热水管道的腐蚀和结垢，也大大减少了抗海洋生物附着及其防护费用的投入。
另一方面，本发明还提出了一种地热/海水半导体温差发电方法，本方法采用上述地热/海水半导体温差发电系统进行实施，包括以下步骤：
步骤a：将海水引入高位海水库，所述高位海水库的水位与海平面形成水位差，使得所述高位海水库内的常温海水流经所述温差发电管后排入海洋当中；
步骤b：当所述常温海水流经位于地热储层中的第一温差发电单元时，所述第一温差发电单元的内外两侧产生温差后进行发电；
步骤c：所述常温海水流经所述地热储层后被加热为高温海水，当所述高温海水流经所述第二温差发电单元后，所述第二温差发电单元的内外产生温差后进行发电；
步骤d：将所述第一温差发电单元和第二温差发电单元发的电输送至电源管理单元，通过所述电源管理单元将电输送至用户或者并入电网。
可以理解的是，上述地热/海水半导体温差发电方法采用上述地热/海水半导体温差发电系统进行实施，两者具有相同的有益效果，在此不再赘述。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
图1为本发明实施例提供的地热/海水半导体温差发电系统的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的第一竖直段的截面示意图；
图3为本发明实施例提供的温差发电管道的纵剖示意图；
图4为本发明实施例提供的温差发电管道的横截面示意图；
图5为本发明实施例提供的温差发电模块连接示意图；
图6为本发明实施例提供的热电臂的连接结构示意图；
图7为本发明实施例提供的温差发电单元内热电臂平面排列半管壁展开示意图；
图8为本发明实施例提供的高位海水库平面示意图；
图9为本发明实施例提供的功能框图；
图10为本发明实施例提供的地热/海水半导体温差发电方法的流程示意图。
图中：1-u型井，2-温差发电管，3-高位海水库，4-电源管理单元，5-第一温差发电单元，6-第二温差发电单元，7-第一井，8-第二井，9-水平连通井，10-第一水平段，11-第一竖直段，12-水平连接段，13-第二竖直段，14-第二水平段，15-单向闸门，16-导浪墙，17-出水口，18-排水口，19-主电缆，20-内导热绝缘层，21-外导热绝缘层，22-内铜片层，23-外铜片层，24-热电臂层，25-铜片，26-隔热绝缘灌封胶，27-编制骨架钢丝，28-正极电缆，29-负极电缆，30-n型热电臂，31-p型热电臂，50-温差发电模块，200-温差发电管道，202-连接电缆，201-海底电缆，281-正极连接线，291-负极连接线。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
参阅图1所示，本实施例提供了一种地热/海水半导体温差发电系统，包括u型井1、高位海水库3、温差发电管2、第一温差发电单元5和电源管理单元4，u型井1，沿竖直方向设置在预设的海域内，且u型井1上部的开口端露出海面，下部的连接段埋设在地热储层中；高位海水库3设置在靠近海岸的区域，其内部用于容纳海水，且高位海水库3的水位高度大于海平面高度；温差发电管2穿设在u型井1内，温差发电管2的第一端与高位海水库3相连通，温差发电管2的第二端敷设在海底上，温差发电管2用于将高位海水库3内的海水排放至海域中；第一温差发电单元5嵌设在温差发电管2的侧壁内部，且第一温差发电单元5位于地热储层内，第一温差发电单元5用于根据温差发电管2内部和外部的温度差进行发电；电源管理单元4，与第一温差发电单元5连接，电源管理单元4用于将第一温差发电单元5发的电输送至用户或者并入电网。
具体而言，通过在海底上埋设u型井1，并使得u型井1的下部处于海底以下的地热储层中，高位海水库3从海洋内获取常温海水，且高位海水库3内的水位高度大于海平面的高度，温差发电管2穿设在u型井1，通过温差发电管2将高位海水库3内的常温海水排放至海底，第一温差发电单元5与温差发电管2嵌设在温差发电管2的侧壁内部，且将第一温差发电单元5设置在温差发电管2位于地热储层内一段，从而使得第一温差发电单元5完全位于地热储层中，第一温差发电单元5与电源管理单元4电连接在一起。高位海水库3内的海水通过温差发电管2排放水库内的常温海水时，在流经第一温差发电单元5时，第一温差发电单元5所处的温差发电管2管内海水温度较低形成冷端，温差发电管2外的地热储层的温度较高形成热端，从而使得第一温差发电单元5的内外两侧形成温差以进行发电，并通过电源管理单元4对第一温差发电单元5发的电进行管理。
可以看出，本实施例的系统结构简单，便于实施极大地降低成本投入，同时，通过将第一温差发电单元直接放置于地热储层中，且通过常温海水作为冷端，不仅能够快速有效的进行温差发电，极大地提高了发电效率，且无需进行地热资源的抽取，减少工序，进一步地能够提高工作效率；充分的利用常温海水，无需额外水源的注入，不仅提高了海洋地热资源的利用率，降低成本，还极大地保护了环境。
具体而言，本实施例在实施前进行地热勘查评价。勘探和钻井风险在于勘探结果无法证明资源是否有开采价值或可能高估/低估资源潜力。在未开发地区，直到探井钻完前，不确定性一直存在。勘探阶段的结果对下游开发活动有直接影响，包括所需井数，电厂规模，技术选择和运营成本等。在钻井阶段，可能遇到的风险包括钻柱卡钻、钻具断裂、有毒气体逸出、循环漏失等。制定完善的钻井方案和加强监督可以在一定程度上降低钻井风险。
具体而言，通过地热勘查评价，确定地热流体的温度、物理性质与化学组分，查明地热流体动力场特征、补径排条件和地温场特征，估算地热资源储量。地热资源评价时应取得下列参数：a)地热井参数：地热井位置、深度、揭露热储厚度、生产能力、温度、压力、流体化学成分等。b)热储几何参数：热储面积、顶板深度、底板深度和热储厚度等。c)热储物理性质：热储温度、压力、岩石的密度、比热、热导率和压缩系数等。d)热流体性质：热流体的体积、比重、热焓、动力粘滞系数、运动粘滞系数等。e)热储渗透性和贮存流体能力的参数：渗透率、渗透系数、压力传导系数、弹性释水系数、空隙率、有效空隙率等。f)监测资料：地热井的生产量、回灌量、温度、压力、化学成分等随时间的变化。g)热储的边界条件：边界的位置、热力学和流体动力学特征等。以此作为设计海水/地热/海水半导体温差发电系统的基础资料。
继续参阅图1所示，具体而言，u型井1包括第一井7、第二井8和水平连通井9，第一井7和第二井8均沿竖直方向设置，且两者的上端露出海平面、下端穿过海底的地热盖层插设在地热储层中，水平连通井9沿水平方向设置在地热储层中，且水平连通井9的两端部分别与第一井7和第二井8的下端相连通，以形成u型井1。水平连通井9为地热井，其设置在地热储层中，用于进行热交换。
具体而言，传统的地热开采井都是直井，近年始尝试用水平井开采地热并取得成功。定向井与水平井技术日趋成熟，其显著的经济效益以及对于特定油气藏的有效性，已经被越来越广泛地应用于石油、天然气、致密砂岩油气、煤层气、岩盐等资源的开发。
本实施例为实现在热储层内换热，其地热井设计为定向水平连通对井，即地热生产井为一对水平连通的地热井。该井可以为单层水平井连通，也可以是双层多分支水平连通井。
海域中地热的钻井及温差发电系统安装运行，可在低成本的插桩式海上平台等简易海上钻井平台上完成。地热资源蕴藏区与油气蕴藏区重叠时，可利用废弃的采油平台。钻井前，首先在第一井、第二井井口安装井口基盘。以基盘作为完成提下钻、固井完井、温差发电/换热管敷设牵引等工序的辅助钻井装置。
本实施例涉及的地热水平连通井组，由a地热水平井和b地热水平井连通而成。一般设计为二开井。地层条件复杂时，可设计为三开井。地热井进入热储层后，进行垂直井段固井。水泥浆从钻具注入，流经井底，环空上返，实现封固隔层及冷水层。然后，进入第一增斜段、稳斜段、第二增斜段、水平段。严格控制井眼轨迹，保证精确中靶。二分支水平井或三分支水平井的施工程序相同。选采用“直-增-稳-增-平”五段制轨道设计，尽量简化井眼轨道复杂程度。钻井进入热储层时，立即进行套管固井，防止冷水与储层热水混合。在水平井的钻进过程中，根据地层资料、录井资料、随钻测井及测量数据，超前预测和识别热储层位，实时地调整井眼轨迹的测量控制。水平井水平段钻进过程中，钻前基础信息包括储层信息(热储厚、砂体连通等)、邻井信息(测井曲线、热储层位、出水量等)、井身轨迹(直井段长、造斜段长、水平段长等)。
a水平井和b水平井连通后，首先进行co2洗井作业，以提高水平井段热储层渗透系数。然后进行热储层固井，不需水泥封固，使用高强度筛管固井下入热储层段即可，通常无须进行地层压裂或射孔完井。
套管及筛管的直径受最大井眼曲率半径限制，利用公式求得：
式中cm为套管允许通过的最大井眼曲率，单位为(°)/30m；σs-套管材料的屈服强度，单位为mpa；d0-套管外径，单位为m；k1-安全系数；k2-螺纹应力集中系数。
具体而言，上述地热/海水半导体温差发电系统还包括第二温差发电单元6，第二温差发电单元6嵌设在温差发电管2第二端的侧壁内部，且第二温差发电单元6位于u型井1的外部，并与海水接触。
具体而言，第二温差发电单元6通过埋设在海底内的海底电缆201与电源管理单元4连接，以将电能输送至电源管理单元4进行管理。
具体的，电源管理单元4通过主电缆19与用户或者电网电连接，以进行电能输送。
可以看出，通过设置位于低温海水中的第二温差发电单元，当温差发电管内的低温海水经过地热储层与第一温差发电单元后，温差发电管内的低温海水被加热升温，形成高温海水，在高温海水流经第二温差发电单元时，使得第二温差发电单元的内外产生温差，进而使得第二温差单元进行发电，通过设置第二温差单元能够有效地对升温后的海水进行再次利用，从而能够有效地提高能源的利用率，进一步地通过第一温差发电单元与第二温差发电单元再一次海水循环的过程中同时进行发电，极大地提高了电能生产效率。
具体而言，本实施例无需抽取地下热水，避免了地下热水中的高矿化度元素、有害气体对人类环境的损害，省去了抽水的潜水泵及电力消耗，降低了初期投入成本和运行成本。
具体而言，本实施例通过将u型井的下部连接段埋设在地下深处的地热储层中，在连接段中将热能转换为电能，将电能输出至地上，省去了地热水管道及其敷设，避免了热水管道的腐蚀和结垢，也大大减少了抗海洋生物附着及其防护费用的投入。
具体而言，温差发电管2包括hdpe管和温差发电管道200，水平连通井9内部以及u型井1的外部分别设置一温差发电管道200，第一温差发电单元5和第二温差发电单元6分别设置在两温差发电管道200内，温差发电管道200用于使海水通过以进行温差发电。
具体而言，hdpe管用于将两温差发电管道200连通为一体，且位于水平连通井9内的温差发电管道200通过hdpe管与高位海水库3相连通，以使得高位海水库3内的海水由hdpe管依次进入两温差发电管道200。
具体而言，hdpe管包括第一水平段10、第一竖直段11和第二竖直段13，温差发电管道200包括水平连接段12和第二水平段14。第一竖直段11设置在第一井7内，水平连接段12设置在水平连通井9内，第二竖直段13设置在第二井8内，水平连接段12的两端分别与第一竖直段11和第二竖直段13的下端相连通，且水平连接段12位于地热储层内；第一水平段10用于使高位海水库3与第一竖直段11相连通，以使得高位海水库3内的常温海水进入第一竖直段11。
具体而言，第一水平段10的一端与高位海水库3的底面相连通，在高位海水库3的底面设置有出水口，以使得海水流入第一水平段10内；第二水平段14伸向海里的一端设置有排水口，以将温差发电管道200内的海水排入海洋之中。
结合图2所示，第一竖直段11的侧壁内设置有电缆，电缆包括正极电缆28和负极电缆29，第一温差发电单元5嵌设在水平连接段12的侧壁内，在常温海水流经水平连接段12后，通过第一温差发电单元5进行发电后，通过电缆将发的电输送至电源管理单元4，即，通过正极电缆28和负极电缆29将第一温差发电单元5和电源管理单元4电连接在一起。第一井7内设置有连接电缆202，以使得正极电缆28和负极电缆29通过其与电源管理单元4电连接。
具体而言，第二水平段14位于第二井8的外部，其一端与第二竖直段13的上端相连通，且第二水平段14设置在海底上，第二水平段14的侧壁内部嵌设有第二温差发电单元6，流经水平连接段12的海水经地热储层进行热交换后，流经第二竖直段13和第二水平段14并进行排放，在进行热交换后的海水流经第二水平段14时，第二温差发电单元6根据第二水平段14的内外温差进行发电，并将发的电输送至电源管理单元4。
具体而言，水平连接段12的侧壁内部嵌设有第一温差发电单元5，水平连接段12设置在水平连通井9内，且水平连接段12位于地热储层内，水平连接段12内用于使高位海水库3内的低温海水流过，以使得第一温差发电单元5通过水平连接段12的内外温差进行发电；第一竖直段11的侧壁内设置有导线，其用于与电源管理单元4电连接；第一竖直段11沿竖直方向设置在第一井7内，第二竖直段13沿竖直方向设置在第二井8内，水平连接段12沿水平方向设置在水平连通井9内，水平连接段12的两端分别与第一竖直段11和第二竖直段13的下端连接，第一水平段10的一端与高位海水库3连接，另一端与第一竖直段11的上端相连接，以将高位海水库3内的海水输送至水平连接段12，第二水平段14的一端与第二竖直段13的上端连接，第二水平段14设置在海底上。
结合图3和4所示，具体而言，温差发电管道200包括环形结构的内导热绝缘层20和外导热绝缘层21，内导热绝缘层20穿设在外导热绝缘层21内，且两者同轴设置，第一温差发电单元5和第二温差发电单元6分别设置在内导热绝缘层20、外导热绝缘层21之间，且第一温差发电单元5和第二温差发电单元6分别与内导热绝缘层20和外导热绝缘层21环形排列设置。内导热绝缘层20和外导热绝缘层21与第一温差发电单元5和第二温差发电单元6通过一体制造，以使得温差发电管道200形成完整的管状结构。
具体而言，外导热绝缘层21内设置有编制骨架钢丝27，以提高管道的结构强度和抗拉性能。温差发电管道200内穿设有正极电缆28和负极电缆29。
结合图5所示，具体而言，第一温差发电单元5和第二温差发电单元6分别包括若干温差发电模块50，若干温差发电模块50均匀的排列在内导热绝缘层20和外导热绝缘层21之间，且温差发电模块50并排设置两排。温差发电模块50的正极通过正极连接线281与正极电缆28相连接，负极通过负极连接线291与负极电缆29连接在一起，若干温差发电模块50串联在一起。
结合图3、4、6和7所示，具体而言，温差发电模块50包括热电臂层24、内铜片层22和外铜片层23，热电臂层24设置在内铜片层22和外铜片层23之间，内铜片层22和外铜片层23分别包括若干铜片25。
具体而言，热电臂层24包括若干p型热电臂31和n型热电臂30，内铜片层22和外铜片层23分别包括若干铜片25，若干p型热电臂31和n型热电臂30交替排列设置，每一相邻的两p型热电臂31和n型热电臂30的上端同时与一铜片25连接，下端分别与两个铜片25连接，若干p型热电臂31和n型热电臂30通过设置在其上下两端的铜片25串联在一起，且p型热电臂31和n型热电臂30分别连接负极电缆29和正极电缆28，以进行电能传输。
具体而言，p型热电臂31和n型热电臂30在设置时，p型热电臂31和n型热电臂30分别等间隔等间距的均匀的排列设置，且在每一相邻的p型热电臂31和n型热电臂30之间填充有隔热绝缘灌封胶26，同样的相邻的两铜片25之间也填充有隔热绝缘灌封胶26以保证p型热电臂31和n型热电臂30的性能，使其能够正常工作。
具体而言，上述温差发电管、电缆和温差发电单元进行一体制造，能够形成一集半导体温差发电/海水输送/换热/电缆四位一体管材结构，极大地简化上述系统的结构。
具体而言，热量通常由热传导、热对流和热辐射三种传输机制进行传输。热传导是由温度梯度引起的分子热运动导致的传热现象；热对流是由于流体的宏观运动使流体各部分之间发生相对位移而导致的热量传递过程，分为由压力梯度引起的强迫对流及由密度梯度引起的自然对流；热辐射是由温度的四次方梯度引起的一种以电磁辐射形式把热能向外散发的热传方式。
具体而言，为增加四位一体管的电气可靠性、减少温差发电器件的体积，本实施例采用温差热电偶集成系统。即将温差发电片集成在一起，形成管状温差发电器件。减少井下施工难度。四位一体管既是温差发电器件，又是海水流动管道，兼有换热器、电缆功能。其多功能决定了该管具有多层结构。四位一体管需具有如下性能指标：①具有优良的密封性能；②能承受相适应的压力及轴向拉伸负荷；③能满足抗海水腐蚀及抗结垢要求；④必须达到温度使用环境要求；⑤使用寿命期间内性能稳定，耐老化、易弯曲、便于组装及连接。
hdpe管的主要功能是输送冷却海水，且其内部还设置有电缆，兼具电能输送功能，hdpe管与温差发电/海水输送/换热/电缆四位一体管外径相同、内径不同，hdpe管内径大于四位一体管内径，二者之间通过变径相连接。
半导体温差发电/海水输送/换热/电缆四位一体管除了具备必要的抗拉强度、抗压强度、抗剪强度、导热(或隔热)、导电(或绝缘)等特性外，应能承受地热井深部较大的静水压力。
商业购买的温差发电器件成品多为方形或圆形模块，使用时，热电模块的一面固定在一个热源上，另一面贴冷源，将热量通过温差电偶传过的热消散出去。热电器件边缘用螺丝连接，将模块夹紧固定在热源和冷端之间。实际上，温差发电器件与冷热端的接触界面均为凹凸不平，需额外增加导热界面材料，使其紧密贴合，以便提高其热量传递。其次，用螺丝将热电模块紧固在冷、热端之间，螺丝锁紧的过程中常常出现压碎发电模块、使传热片弯曲等现象，使得温差发电组件可靠性变差。此外，由于某些热电材料的膨胀系数较大，用陶瓷板做盖板时，膨胀容易将盖板胀破，导致温差电偶断路故障，故本实施例选用具弹性、韧性的导热绝缘橡胶作为管壁材料。
本实施例中的温差电偶选用碲化铋基商业热电材料。将120对碲化铋基p型与n型半导体温差电偶通过铜片串联封装成一个温差发电单元，温差电偶四周间隙填充隔热绝缘灌封胶密封。许多半导体温差发电单元通过电缆并联组成温差发电阵列，然后嵌入具有一定弹性的橡胶管壁内。
作为半导体温差发电单元，利用的是温差电偶冷/热端形成的温差效应，其发电性能仅与温差电偶传递的热量有关，而与温差电偶之外间隙的热能交换量无关，因此，尽量增加温差电偶的热量传递，避免其他无效热量传导。半导体温差发电/海水输送/换热/电缆四位一体管内海水流动阻力越小越好，内层选用水力摩擦系数小的光滑橡胶管。
由于兼有换热器功能，橡胶质四位一体管应具有一定的导热性。温差发电/换热管的特点是冷却海水沿换热管纵向流动，温度纵向变化大，长度远远大于断面尺寸。半导体温差发电特性决定了必须有众多温差发电单元组成一个半导体温差发电阵列(管)，才能进行规模性发电。温差发电管道壁须有适中的导热系数，以保证所有温差电偶有相等或相近的温差，即发电管外壁导热性并非越大越好。如果导热系数太大，很快将首段管内的海水加热，首段半导体温差发电阵列(管)实现了最大温差发电，向尾端温差逐渐减小直至温差为零，末段的温差发电单元将会失去发电作用，总的发电效率将很低。理想情况下只通过温差电偶传递热，而温差电偶之外间隙绝热。因此，温差发电阵列管壁总导热系数须根据ansysfluent流体仿真求解四位一体管最佳导热系数，使温差发电阵列管壁总导热系数接近求解的最佳导热系数。优化温差发电系统整体温度场，使管外补充热量≈管内吸收热量。负载的功率与所有温差电偶单位时间所吸收的热能之比便是温差发电器的转换效率。
渗流储层中无限长线水平圆管换热计算模型和数值模拟显示，热储层渗流速度越大，换热管效率越高。此外，地热水渗流对温差发电管道换热性能的影响需较长时间后才逐渐反映出来，在一定时间内有无渗流对换热管几乎无影响，而在之后渗流的影响逐渐显现。这是因为储层中热水的渗流速度通常较慢，它将热量带离对换热管有明显影响的区域需要一定时间，渗流速度越小所需时间越长。
由于半导体温差发电阵列(管)还是电缆，应该具有符合地壳深部地热发电温压条件下的绝缘性。同时，该管应具有较大的抗拉、耐压、抗压、抗剪强度。
四位一体橡胶管主要由内向外由内胶层、温差发电器件层、外胶层组成，其中外胶层内嵌有编织骨架钢丝。
①内胶层：氟橡胶246为基体，氮化硅复配填充。以2μm、7μm、30μm氮化硅颗粒为导热填料，以氟橡胶246作为有机基体，经混合、真空处理、固化等工艺过程，制备氟橡胶246/氮化硅复合材料。2μm、7μm、30μm氮化硅颗粒按质量比1：3：6填充氟橡胶246，填充量为92.5％，氟橡胶246复合材料导热系数为2.82w/(m·k)，击穿强度为15.19kv/mm，可塑度0.26。
②温差发电器件层，由碲化铋热电块、隔热绝缘灌胶、铜片、焊接层组成交互结构。若干半导体温差发电单元并联组成温差发电器件层。
铜片(导流片)：采用铜片是由于它具有高的热传导率和低的塞贝克系数及珀尔帖系数，铜片与p、n端部连接处既便于实现大量的热量加入，又能使连接处温差很小，提高温差发电片的热流密度，可使p、n半导体冷热端形成最大的温度梯度。
半导体温差发电模块的输出电压随温差的增大而逐渐升高，而且随着温差的不断增大，输出电压的增长速度逐渐变小，最后趋于不变。输出功率随着温差电元件横截面边长的增大而呈抛物线形式逐渐增大，而温差发电转换效率随温差电元件横截面的增大几乎不变。输出功率随着臂长的增大而逐渐减小，而温差发电转换效率平缓增加，为保证输出功率和转换效率的平衡，臂长既不能过大也不能过小，根据正交试验，选择热电材料和热电材料的形状、大小。
温差电偶：碲化铋(bi2te3)基材料。自然界中的bi2te3常含类质同象杂质，主要产于硫含低的含金石英脉及和含碲矿床中，且多为高中温热液矿床，也产于基性、超基性岩铜镍硫化物矿床中。但用于温差发电的bi2te3是通过精确控制bi、te、sb等元素相对含量的人工晶体。当bi2te3中存在多余的bi、te、sb时，就会自然成为p型或者n型热电半导体材料。温差发电器件层的碲化铋块体之间的空隙灌注加固，以提高其抗压强度。本实施例购买块体碲化铋基热电材料，长×宽×高＝4×4×2.5mm，温差电动势230μv/k，导热率16×103w/m.k，剪切强度约5mpa，最佳优值3，熔点温度585℃，密度7.8587g/cm3。
焊接层：材料为sn-sb合金，sn-sb合金屈服强度26mpa，强度极限41mpa，延伸率38％。
灌封胶配方组成为：107硅橡胶:纳米级碳酸钙:轻质碳酸钙:201硅油:甲基三丁酮肟基硅烷:偶联剂550:有机锡＝100:11:11:16:7:1:0.5。首先将107硅橡胶、纳米级碳酸钙、轻质碳酸钙、201硅油搅拌成为胶浆，使用三辊研磨机，研磨分散为均匀的胶浆；真空加热(95℃)处理20min，再加入甲基三丁酮肟基硅烷、550偶联剂、有机锡搅拌反应15min，成为流动性良好的隔热绝缘密封胶。将密封胶灌封至温差电偶的空隙间并固化。其主要参数为密度1.05，粘度0.8×105mpa·s，使用温度-50～250℃，表面电阻率≥1.5×1013ω，体积电阻率≥1.7×1015ω，导热率0.083w/m·k。经加速老化试验，使用阿累尼乌斯方法外推演算得到灌封材料寿命为25年。
③外胶层：是管体增强保护层和与热储的换热层，主要成分同内胶层，但在其中间增加了加强的编织骨架钢丝结构层，其目的是增强管体的抗拉强度、承压能力、抗冲击性，提高管体纵向导热性。加强层用过塑钢丝编织，编织角度54°44′。金属丝外覆耐热高强度粘结剂形成的高分子粘结层与氟橡胶246复合管壁融合成整体式结构，复合管壁与加强层无缝隙界面。
结合图1和8所示，具体而言，高位海水库3朝向海洋的一侧设置有单向闸门15和导浪墙16，单向闸门15用于在涨潮时使海水进入水库，导浪墙16用于将海浪引入水库内。
具体而言，高位海水库3的底面设置有出水口17，用于与温差发电管2的第一端相连通，温差发电管2的第二端设置有排水口18，以将高位海水库3内的海水排放至海洋中。
具体而言，高位海水库在建设时，优选适宜的港湾海岸，岬、湾相间、岸线曲折的海岸，岬角处岸陡水深，波浪能量在此辐聚；海湾处水浅岸缓，波浪在此呈辐散。并尽量减少水库堤坝建设长度。根据地热井组的数量、各倒虹吸井海水总流量。高位海水库的兴利库容应根据历年海域水文统计数据和冷却海水需求总量确定。
海水库选址前，应开展海洋水文调查和测量，查明海水/地热温差发电海域的海流、潮位、风速风向、波浪、潮流等相关信息，设计堤坝高程至少满足2个条件：一是大于50年一遇的风暴潮达到的高度，二是安全水位时的兴利库容大于30天(两次大潮)的冷却海水流量。
库容计算可根据选址区地形横断面图或海域地形图，采用适当的方法和工具量算。进行水库设计时，需要计算一定水位时库容的大小，绘出水位-库容关系曲线，或水位-面积关系曲线。计算库容一般用等高线法。所谓库容即是水库可以蓄存水的体积。计算时，先求得各等高线与坝轴线所围成的面积，再取相邻两面积的平均值乘以高差，即为这两条等高线之间的体积，其总和即为水库的库容。
水库堤坝向海一侧至少建设1个单向闸门，仅允许涨潮时海水进入水库，海水从水库流出时闸门自动关闭，将潮汐能、波浪能转换为高位水库中海水的势能。每个月的二次大潮都可以使水库水位≥最大潮位。另外水库需留设排水通道，防止因风暴潮等因素引起正常蓄水位超过最高允许水位。
根据海岸地形条件，通过数模，选址波浪能量集中、垂直常浪向，建设至少两个导浪墙，形成扇形布置的越浪收缩波道，依靠逐渐收缩的导浪墙俘获波浪能，使之在逐渐收缩的导浪墙中放大，直到越过导浪墙顶进入高位海水库。由于斜坡堤越浪过程极其复杂，影响因素很多。为合理确定库容和相应的库水位，建设越浪式收缩波(坡)道之前，需根据水库特征水位高程，借助物模试验和数值模拟，对越浪量进行计算，合理确定库容和相应的库水位。越浪量影响因素包括波浪要素和堤身结构，波浪要素包括波高、周期等因素；堤身结构包括堤顶高、坡肩宽度、坡肩高度、坡比和护面光滑度等。
建设高位水库的目的是为冷却海水管提供足够的海水势能，把海水势能变为在管道内海水的流速。倒虹吸管内的水流为压力流，其流量按下式计算：
式中q-倒虹吸管的流量，m3/s；ω-倒虹吸管的过水断面积，m2；z-倒虹吸管的上下游水位差，m；μ-流量系数。
具体而言，海洋能和地热能都是低品位、总量巨大的能源，把二者结合起来，变为可综合利用的电力能源，必将会产生巨大的经济效益和社会效益。针对现有地热发电、温差发电技术的不足，本实施例提供了上述温差发电系统，能够有效地解决现有技术的不足。
本实施例的地热/海水半导体温差发电系统至少具有以下优点：
本实施例无需抽取地下热水，避免了地下热水中的高矿化度元素、有害气体对人类环境的损害，省去了抽水的潜水泵及电力消耗，降低了初期投入成本。
为简化发电系统结构，将温差发电器件与换热器、冷却、电缆结合为一体，组合成温差发电/换热管。为克服温差发电/换热管在地下承受较大的压力，本实施例的温差发电/换热管结构和材料耐受270℃、53mpa的温压环境。
本实施例的海水/地热温差发电系统，既利用了海域地热能资源，同时又借用潮汐能、波浪能，为高位水库补充常温海水，用海水冷却温差发电器件，实现半导体温差发电系统持续稳定的发电。
通过水平连通井原位换热进行地热温差发电，既节约了抽取地热水的水泵耗能，又省去了地热回灌井、水质净化装置、排气设备、加压泵以及连通装置构成的整个回灌体系。简化了地热利用工艺，减少了抽水、水质处理及地热回灌等高成本投入。根据测算对比，本实施例比传统地热能发电站建设成本减少73％以上。
本实施例主要在地下深处水平连通井中将热能转换为电能，将电能输出至地上，省去了地热水管道及其敷设，避免了热水管道的腐蚀和结垢。也大大减少了抗海洋生物附着及其防护费用的投入。
海洋潮汐能、波浪能与海域地热能结合的发电技术，综合利用了多种能量或资源，实现了无耗能、无人值守的发电技术。
本实施例原位换热利用地热能，突破了必须抽地下热水利用地热能的传统利用方式，为地热能利用方式提供了一种新思路。
本实施例在地下热储层水平连通井中，温差发电/换热管垂直于地下水渗流方向布置，使温差发电/换热管外通过渗流、对流强制换热。管内流动海水吸热。强制对流传热方式，提高了换热效率。
借助高位海水库和水平连通井形成的倒虹吸，实现水平井温差发电系统冷却海水稳定持续循环，与热储层形成稳定的温差。此外，正常工况下，可实现稳定的热循环：管道中的海水通过水平井热储层换热后，海水温度升高，第二井中海水形成明显的温度(密度)梯度，即使没有倒虹吸强制流动，也会由于密度变化，出现浮力驱动的自由对流。
从第二井基盘流出的温排海水，在海底也加装了温差发电管道，使热能得到梯级利用。本实施例地热能利用率高、温排海水的温度低，其排放对海洋环境的影响较小。
本实施例不抽取地下热水，无水环境污染问题，保护了地下水资源。避免了高强度开采地热水，而出现的地面沉降与塌陷、地裂缝、地下水位降落漏斗等地质灾害。
采用管状温差发电器件，管内为流动海水，管外为热储层的渗流热水，管内、外均属强制换热。有利于地下热储层内原位换热/温差发电，提高了换热效率。
本实施例通过利用潮汐和波浪等低品位能量提升高位海水库的水位，不仅减少了初期水泵等设备投入，而且节约了发电站日常运行的动力成本。
本实施例无需额外的动力和能源为发电设备提供动力，完全依靠自然现象和原位自然资源进行发电，发电运营成本低廉。
本实施例的半导体温差发电/海水输送/换热/电缆四位一体管设计大大减小了温差发电系统的体积，增加了其可靠性。安装、维修更加方便。
传统的地热井需预设泵室套管，否则大排量的潜水泵无法下入抽水，这就要求钻出成本更高的大径井。并且，随着地下水位的逐年下降，泵室管的深度越来越大。本实施例中的竖井维护成本远低于抽水地热井。
以往地热发电是将热能先转化为机械能，然后再将机械能转换为电能。从热能至电能经过2次能量转换，总的转换效率不高。本实施例梯级利用热能进行温差发电，提高了热能利用率。
传统温差发电器件结构多为热电偶臂焊接在覆铜陶瓷板上，陶瓷板固定温差电偶，四角用螺丝固定。但在深井巨大的静水压下，硬度较大的陶瓷板易压碎硬度小的温差电偶或出现碎角。本实施例将热电偶焊接在铜片上，嵌入具弹性的复合橡胶管壁内，减少了温差发电器件的故障率。此外，热电偶在静压下，使得铜片与温差电偶接触更紧密，减小了界面电阻和热阻。提高了透过温差电偶的热流密度。
参阅图9所示，基于上述实施例的另一种优选的实施方式中，与上述实施例不同的是，电源管理单元包括一控制模块，控制模块用于根据第一温差发电单元的发电量和温差发电管的内外温差，控制温差发电管内的海水流速。
具体而言，第一温差发电单元所处的管道内侧壁设置有第一温度传感器，即，第一温度传感器设置在温差发电管的内侧壁上，第一温差发电单元所处的管道外侧壁上设置有第二温度传感器，即，第二温度传感器设置在温差发电管的外侧壁上。第一温度传感器用于实时采集第一温差发电单元的所处的管道内部的海水温度t1，第二温度传感器用于实时采集第一温差发电单元的所处的管道外部的地热储层的温度t2，控制模块与第一温度传感器和第二温度传感器电连接，控制模块用于获取t1和t2，并计算t1和t2之间的温度差值t0。
具体而言，高位海水库底面的出水口处设置有流量可调式的水泵，第一水平段内设置有流量计，通过流量计检测温差发电管内的海水流速l0，并通过可调式的水泵对温差发电管内的海水流速进行调节。
具体而言，电源管理单元还包括温差发电控制模块和变电站，温差发电控制模块用对水泵进行调节控制，同时还用于对温差发电的过程进行管理和控制。
具体而言，变电站用于获取预设时长s0的第一温差发电单元的发电量p0，并将获取的数据发送至控制模块。
具体而言，控制模块用于根据第一温差发电单元的发电量p0对温差发电管内的海水流速l0进行调节。
具体而言，控制模块内预设有第一预设发电量p1、第二预设发电量p2、第三预设发电量p3和第四预设发电量p4，且p1＜p2＜p3＜p4；控制模块内还预设有第一预设海水流速l1、第二预设海水流速l2、第三预设海水流速l3和第四预设海水流速l4，且l1＜l2＜l3＜l4。
具体而言，控制模块还用于在获取第一温差发电单元的发电量p0后，根据p0与各预设发电量之间关系，设定温差发电管内的海水流速：
当p0≤p1时，将温差发电管内的海水流速设定为l1；
当p1＜p0≤p2时，将温差发电管内的海水流速设定为l2；
当p2＜p0≤p3时，将温差发电管内的海水流速设定为l3；
当p3＜p0≤p4时，将温差发电管内的海水流速设定为l4。
具体而言，通过根据第一温差发电单元的发电量对温差发电管内的海水流速进行设定，能够及时的根据发电量的多少控制管内海水流速，从而能够在发电量提高时，提高海水流速加快管内的换热效率，以进一步的提高发电量。
具体而言，控制模块内还预设有第一预设温差t1、第二预设温差t2、第三预设温差t3和第四预设温差t4，且t1＜t2＜t3＜t4；控制模块内还预设有第一预设流速修正系数a1、第二预设流速修正系数a2、第三预设流速修正系数a3和第四预设流速修正系数a4，且a1＜a2＜a3＜a4。
具体而言，控制模块还用于在将温差发电管内的海水流速设定为第i预设海水流速li后，i＝1，2，3，4，控制模块实时的获取温差发电管的内外温差t0，并根据所述温差发电管的内外温差t0与各预设温差之间的关系，选定流速修正系数以对设定的第i预设海水流速li进行修正：
当t0≤t1时，选定第一预设流速修正系数a1对第i预设海水流速li进行修正，修正后的温差发电管内的海水流速为li*a1；
当t1＜t0≤t2时，选定第二预设流速修正系数a2对第i预设海水流速li进行修正，修正后的温差发电管内的海水流速为li*a2；
当t2＜t0≤t3时，选定第三预设流速修正系数a3对第i预设海水流速li进行修正，修正后的温差发电管内的海水流速为li*a3；
当t3＜t0≤t4时，选定第四预设流速修正系数a4对第i预设海水流速li进行修正，修正后的温差发电管内的海水流速为li*a4。
具体而言，通过根据温差发电管的内外温差选定修正系数对海水流速进行修正，能够使得海水流速的变化实时的根据温差情况进行调整，从而使得温差发电管内外温差始终保持最佳的温差差值，能够有效地提高第一温差发电单元的发电量，使得第一温差发电单元始终处于最佳的工作状态进行温差发电，进一步地提高第一温差发电单元的发电效率。
具体而言，上述温差发电管内的海水流速在设定以及修正时，是根据前一时刻的第一温差发电单元的发电量和温差发电管的内外温差的情况，进行下一时刻的海水流速的设定以及修正的。
基于上述实施例的另一种优选的实施方式中，本实施方式提供了一种地热/海水半导体温差发电方法，本实施方式的方法采用上述实施方式中的地热/海水半导体温差发电系统进行实时。
参阅图10所示，本实施方式提供的一种地热/海水半导体温差发电方法包括以下步骤：
步骤a：将海水引入高位海水库，根据温差发电管第一端和第二端的高度差，使得高位海水库内的常温海水流经温差发电管后流入海洋当中；
步骤b：当常温海水流经位于地热储层中的第一温差发电单元时，第一温差发电单元的内外两侧产生温差后进行发电；
步骤c：常温海水流经地热储层后被加热为高温海水，温差发电管的第二端设置有第二温差发电单元，当高温海水流经第二温差发电单元后，第二温差发电单元的内外产生温差后进行发电；
步骤d：将第一温差发电单元和第二温差发电单元发的电输送至电源管理单元，通过电源管理单元将电输送至用户或者并入电网。
具体而言，海域地热能是现阶段利用率极低、储量巨大的资源，本实施方式利用了这部分暂无其他用途的资源开展温差发电，且对海洋环境影响很小。同时，本实施方式地热温差发电依靠自然能量使海水流动自动换热、不需额外水泵动力，运行成本低。海域地热温差发电具有无机械运动、无噪音、免维护、无污染、高可靠、长寿命的特点。符合国家环保标准和政策，不产生二次污染，属国家鼓励的资源综合利用领域。
进一步地，本实施方式发电设备简单、施工容易、基本不使用易损易耗材料及其他能源，现有技术条件下容易实现，通过直接将热能直接转换为电能，避免了将热能先转换为机械能，再转换为电能的复杂工艺，热能利用率高。
上述各实施方式在具体实施时，以山东省东营东部海域地热田海水/温差发电试验研究为例，进一步说明。
(一)地热勘查评价
经地热田地质勘查，东营东部海域地热田位于鲁西北坳陷地热区东部，面积约550km2，属沉积盆地型水热地热资源，地温梯度4.5～7.2℃/hm，大地热流值79mw/m2。主要热储层为明化镇组热储、馆陶组热储、东营组热储。热储水化学类型以cl-na型水为主。地热水总矿化度较高，馆陶组8000～20000mg/l，东营组为18000～23000mg/l。寒武-奥陶系岩溶裂隙热储水化学类型亦为cl-na型，矿化度3000～10000mg/l。随深度增大地下热水的矿化度增加。各储层岩石的热传导系数为3～3.6w/(m·k)，热容为730～990j/(kg·k)；水的热传导系数为1～1.15w/(m·k)，热容为4200j/(kg·k)左右。
该地热田地热水补、径、排条件较好，热储层为强富水性-极强富水性，属有一定补给的地热田。根据《地热资源地质勘查规范》，按地热田勘查研究程度划分的等级，东营东部海域地热田控制的年开采可利用热能1.12×1015j/a，折合1632万吨标准煤。
(二)地热井施工及固井
海水/温差发电试验研究以明化镇组热储为目标层，该层地下水渗流方向为自西到东。为优化半导体温差发电系统换热效率，设计温差发电/换热管垂直于地下储层水渗流方向，即两口a井、b井的连线垂直于地下水渗流方向。因此，两地热井为南北向布置。两井结构相同，均为二开井。钻井使用固定式海上简易钻井平台，地热井的海底井口各设置一水下基盘。
研究区内地热南(a)井，海水深度7m，明化镇组热储顶板深度727m(距海底)，热储层厚522m，设计温差发电/换热管处于热储中上部1/3处(即温差发电/换热管穿过热储174米)，即水平井位于海底约901m。根据钻井勘查结果，地热井(a井、b井)900m深处地热水温约92.5℃，渗透系数9.2m/d左右，热水矿化度约4900mg/l，地层压力系数为0.95。
一开：井径444.5mm，下入φ339.7mm表层套管，深度不小于300m。二开：井径311.2mm，下入φ244.5mm技术套管，钻具连接反扣接头送入，与表层套管重叠不少于30m，水泥固井。进入热储层经测试评价后，开窗连续增斜，每50m设计一个靶点，造斜段长208m，最大造斜率6.73°/30m。二开水平段(727～901m)水平段施工采用复合钻进为主、滑动钻进为辅的方式，采用树脂旋流滚轮扶正器，使井眼轨迹尽量平滑，以降低摩阻扭矩。为保证井下安全，每钻进50m或12h，做1次短起下，每次短起下都起到直井段，充分破坏增斜段的岩屑床。其后，在动力钻具之后加入欠尺寸扶正器，以降低滑动钻进增斜率，减少滑动钻进次数，提高机械钻速。同时为保证井下安全。每打完1根，都要求划眼，直至井眼畅通，无上提遇阻现象方继续钻进。
a井和b井进入热储层后，均进行垂直井段固井。水泥浆从钻具注入，流经井底，环空上返，实现封固隔层。然后，进入第一增斜段、稳斜段、第二增斜段、水平段。严格控制井眼轨迹，保证精确中靶。选采用“直-增-稳-增-平”五段制轨道设计，尽量简化井眼轨道复杂程度。在水平井钻进过程中，根据地层资料、录井资料、随钻测井及测量数据，超前预测和识别热储层位，实时地调整井眼轨迹的测量控制。水平井水平段钻进过程中，钻前基础信息包括储层信息(热储厚、砂体连通等)、邻井信息(测井曲线、热储层位、出水量等)、井身轨迹(直井段长、造斜段长、水平段长等)。
两井连通时采用swg和rmrs配合完成井眼轨道控制。通过采集软件准确地计算两井间的距离和当前钻头的位置。连通过程中，在另一井中下入探管，在钻头处连接强磁短节，由探管接收强磁信号，判断对接井连通靶点位置。
设计两井水平距离1232m，a井为0°方向的定向水平井，b井为180°方向的定向水平井，两个井在中间段对接连通。在导向孔出口端的钻杆头部安装回扩器进行扩孔，直至将孔道扩大到可以敷设相应的管线或者直接扩孔拉管敷设牵引，完成海水管/温差发电管的敷设。其中，用于安装温差发电管的长度为1232米+174米×2＝1580米。
a井和b井连通后，首先进行co2洗井作业，以提高水平井段热储层渗透系数。然后进行热储层固井，水平井段采用高强度筛管固井。
套管开窗点应尽量选择在固井质量较好、水泥环分布均匀的井段，避开水泥窜槽、套管外无水泥的井段。同时要求开窗侧钻部位套管完好，无变形、穿孔及破裂。全井采用柔性防卡倒装钻具组合，加重钻杆和钻铤不进入裸眼。
套管在弯曲井眼内引起的弯曲应力会影响套管的抗拉强度和抗内压强度，需经过入井管柱强度校核计算，以确定套管柱允许下入的最大井眼曲率。查阅相关手册及材料说明书，取套管材料屈服强度655mpa，套管外径0.2445m，安全系数1.5，螺纹应力集中系数2.3，计算出套管及筛管允许通过的最大井眼曲率为12.96°/30m。经校核计算最大造斜率6.73°/30m＜允许最大造斜率12.96°/30m，符合有关技术要求。
(三)高位海水库建设
试验研究海域为正规日潮，k＝(hk1+ho1)/hm2＝24.0，潮流运动形式以往复流为主。多年平均气温11.7℃，最高气温39.6℃，最低气温-18.0℃。月平均气温-3.5～25.9℃。50年一遇波浪极端高水位2.99m(重现期为50年的年极值高水位)。
潮位特征值(以当地理论最低潮面起算)：平均海面0.73m，最高潮位1.93m，最低潮位-0.76m，平均高潮位1.02m，平均低潮位0.41m，平均潮差0.61m，最小潮差0.10m，最大潮差1.66m，涨潮历时12小时6分钟，落潮历时12小时42分钟。潮位曲线较规则；10天左右每出现二次或三，甚至四次高潮，低位曲线不规则，潮差很小。在分点与回归过渡时期位曲线出现复杂变化。高潮有时出现双峰，低潮有时出谷或者平间拖长，该海区总体天文潮属性较弱。
常浪向为s向，频率为12.0％，次常浪向为e向，频率为7.74％，强浪向为ne向和nne向，大于1.2m的频率分别为2.57％和2.46％。实测h1/10波高4.4m，对应周期7.9s，波向ne向。波浪对垂直海岸的冲击压力约为0.02～0.04mpa。
根据以上海洋水文气象数据及设计条件，确定高位海水库的参数：正常蓄水位1.95m，允许最高水位2.5m，溢流坝高程2.5m。试验研究区属淤泥质平原海岸地貌，缺少适合建设高位水库的岬湾相间的基岩海岸。试验研究水库利用已有防波堤、二突堤及海岸围成的封闭海域代替高位海水库，兴利库容约97万m3。在二突堤东侧建设2个2×2.6m的单向海水闸门，只许海水进入，海水回流时，闸门自动关闭。在二突堤上建设一个由南向北收缩的波道，波道长21m、宽50m收缩至5m、坡度14°。依靠逐渐收缩的导浪墙俘获波浪能，使之在逐渐收缩的导浪墙中放大，直到越过导浪墙顶进入高位海水库。该收缩波道可以在h1/10波高1.5m波浪作用下，使海水越高5.6m。
使用hdpe管自水库内的过滤取水井引出，采用重力流取水，取水头部采用淹没式侧边进水。取水头部采用多点蘑菇头式进水口，单个管道上共布置3个圆形进水口，每个进水头直径0.5m，取水头通过直径1.0m的管道与下方取水母管相连。
流速校核：在正常蓄水位1.95m条件下，平均海面0.73m，倒虹吸系统的水位差为1.22m，水力计算出倒虹吸海水管中海水流速为1.8m/s，能够满足半导体温差发电系统需要。
流量校核：建设高位水库的目的是为冷却海水管提供足够的海水势能，使冷却海水在管道内有一定的流速。倒虹吸管内的水流为压力流。设计半导体温差发电/海水输送/换热/电缆四位一体管最小内径100mm，流量系数μ＝0.82时，管道内的冷却海水流量为28.27m3/h。
经校核，该高位海水库的水位、库容能够满足半导体温差发电/海水输送/换热/电缆四位一体管正常发电所需要的冷海水流速和流量。
(四)半导体温差发电/海水输送/换热/电缆四位一体管
目前常用的温差发电器有平板式、圆桶式二种结构形式。平板式是将温差电元件紧压在热源通过的矩形侧的平板上，发电器运行时热流从通道通过，经壁面向发电器传递热量。平板式结构安装方便，可以将温差电偶制成组件型结构，便于规模生产，成本较低，但这种结构的温差电偶的热端热流可能不一样，导致温差电偶各热接头温度可能不一样，因此热量利用率也低些。圆桶式是以热源为中心温差电元件分列式辐射状排列的结构，其电偶排布在圆桶表面，可将热量有效地施加在温差电偶上，转换效率较高，具有很高的抗冲击振动能力，但实现这种辐射状电偶排布制造工艺困难，成本也较高。但近年来，自动化焊接及封装技术的成熟，使得圆桶式电偶排布制造工艺更加高效，成本急剧下降。
在发电器结构中温差电单体多采用组合件的形式，就是将若干温差电单体对紧凑地排列成一个阵列，温差电元件之间电绝缘，并按一定工艺和方式焊上电极，成为一个整体，称为温差发电组件。采用温差发电组件后发电器结构紧凑，装配容易，提高了发电器的质量比功率和热电转换效率，也增强了单体抗冲击振动的能力。
为增加温差发电/换热管的可靠性、减少温差发电器件体积，本发明采用集成温差热电偶。即将温差发电块集成在一起，形成管状温差发电器件，即，半导体温差发电/海水输送/换热/电缆四位一体管。
四位一体管既是温差发电器件，又是海水流动管道，兼有换热器、电缆功能。其多功能决定了该管具有多层结构。四位一体管需具有如下性能指标：①具有优良的密封性能；②能承受相适应的压力及轴向拉伸负荷；③能满足抗海水腐蚀及抗结垢要求；④必须达到温度使用环境要求；⑤使用寿命期间内性能稳定，耐老化、易弯曲、便于组装及连接。hdpe管的作用仅仅是输送冷却海水，其壁厚远小于温差发电/海水输送/换热/电缆四位一体管，二者内径相同、外径不同，hdpe管外径远小于四位一体管外径，二者之间通过变径相连接。
半导体温差发电/海水输送/换热/电缆四位一体管除了具备必要的力学强度、导热(或隔热)、导电(或绝缘)外，其元器件应能承受较大的压力。例如在2000～3500米水深下，其承受的压力20～36mpa。因此，本发明设计的四位一体管及其热电偶等耐压≥53mpa。
本发明温差电偶选用碲化铋基商业热电材料。由120对碲化铋基p型与n型温差电偶通过铜片串联封装成一个温差发电单元，温差电偶四周间隙填充隔热绝缘灌封胶密封。每个温差发电单元为尺寸为12cm×12cm，水平连通井段安装26332个发电单元，海底段安装8770个发电单元。单个温差发电单元理论指标为：最大开路电压15v、匹配负载电阻1.15ω、匹配负载输出电压8.3v、最大输出电流4.8a、最大输出功率39.8w，最大热流密度约66w/cm2。
作为半导体温差发电单元，利用的是温差电偶冷/热端形成的温差效应，其发电性能仅与温差电偶传导的热量有关，而与温差电偶之外的热能交换量无关，因此，应尽量增加温差电偶的热量传导，避免无效热量传导。
渗流储层中无限长线水平圆管换热计算模型和数值模拟显示，热储层渗流速度越大，换热管效率越高。此外，地热水渗流对温差发电管换热性能的影响需较长时间后才逐渐反映出来，在一定时间内有无渗流对换热管几乎无影响，而在之后渗流的影响逐渐显现。这是因为储层中热水的渗流速度通常较慢，它将热量带离对换热管有明显影响的区域需要一定时间，渗流速度越小所需时间越长。
由于半导体温差发电阵列(管)还是电缆，他应具有符合地壳深部地热发电温压条件下的绝缘性。同时，该管应具有较大的抗拉、耐压、抗压、抗剪强度。
四位一体橡胶管主要由内向外由内胶层、温差发电器件层、外胶层组成，其中外胶层内嵌有编织骨架钢丝。
①内胶层：壁厚3.6mm，氟橡胶246为基体，氮化硅复配填充。以2μm、7μm、30μm氮化硅颗粒为导热填料，以氟橡胶246作为有机基体，经混合、真空处理、固化等工艺过程，制备氟橡胶246/氮化硅复合材料。对固化成型的氟橡胶246复合材料进行表征测试，2μm、7μm、30μm氮化硅颗粒按质量比1：3：6填充氟橡胶246，填充量为92.5％时，氟橡胶246复合材料导热系数2.82w/(m·k)，击穿强度为15.19kv/mm，可塑度0.26。
②温差发电器件层，由热电块(温差电偶)、隔热绝缘灌胶、铜片、焊接层组成半导体温差发电单元。若干半导体温差发电单元并联组成温差发电器件层。
铜片(导流片)：厚度0.5mm，采用铜片是由于它具有高的热传导率和低的塞贝克系数及珀尔帖系数，铜片(导流片)与p、n端部连接处既便于实现大量的热量加入，又能使连接处温差很小，通过提高温差电偶的热流密度，可使p、n半导体冷热端形成最大的温度梯度。铜片屈服强度70mpa，强度极限250mpa，延伸率69％。
温差电偶：使用碲化铋(bi2te3)基材料。自然界中的bi2te3常含类质同象杂质，其主要产于硫含低的含金石英脉及和含碲矿床中，且多为高中温热液矿床，也产于基性、超基性岩铜镍硫化物矿床中。但用于温差发电的bi2te3是通过精确控制bi、te、sb等元素相对含量的人工晶体。温差发电器件层碲化铋块体之间的间隙灌注加固，以提高其抗压强度。碲化铋基温差电偶的剪切强度约为5mpa。
半导体温差发电模块的输出电压随温差的增大而逐渐升高，而且随着温差的不断增大，输出电压的增长速度逐渐变小，最后趋于不变。输出功率随着温差电元件横截面边长的增大而呈抛物线形式逐渐增大，而温差发电转换效率随温差电元件横截面的增大几乎不变。输出功率随着臂长的增大而逐渐减小，而温差发电转换效率平缓增加，为保证输出功率和转换效率的平衡，臂长既不能过大也不能过小，根据正交试验，选择臂长为2.5mm。碲化铋基p、n型热电材料购买商业模块，尺寸4×4×2.5mm，温差电动势230μv/k，导热率16×103w/m.k，p、n型温差电元件横截面边长为4mm，臂长为2.5mm。碲化铋基温差电材料剪切强度约5mpa。最佳优值3×10-3/k，熔点温度585℃，密度7.8587g/cm3。
焊接层：焊接层四位一体厚度为0.1mm，焊接层材料为sn-sb合金，sn-sb合金屈服强度26mpa，强度极限41mpa，延伸率38％。
灌封胶配方组成为：107硅橡胶:纳米级碳酸钙:轻质碳酸钙:201硅油:甲基三丁酮肟基硅烷:偶联剂550:有机锡＝100:11:11:16:7:1:0.5。首先将107硅橡胶、纳米级碳酸钙、轻质碳酸钙、201硅油搅拌成为胶浆，使用三辊研磨机，研磨分散为均匀的胶浆；真空加热(95℃)处理20min，再加入甲基三丁酮肟基硅烷、550偶联剂、有机锡搅拌反应15min，成为流动性良好的隔热绝缘密封胶。将密封胶灌封至温差电偶的空隙间并固化。其主要参数为：密度1.05，粘度0.8×105mpa·s，使用温度-50～250℃，表面电阻率≥1.5×1013ω，体积电阻率≥1.7×1015ω，导热率0.083w/m·k。经加速老化试验，使用阿累尼乌斯方法外推演算得到灌封材料寿命为25年。温差发电器件层总厚度＝铜板厚+焊接层+温差电偶长+焊接层+铜板厚＝0.5+0.1+2.5+0.1+0.5＝3.7mm。
③外胶层：厚度4.7mm，是管体增强保护层和与热储层的换热层，主要成分同内胶层，但在其中间增加了加强的金属结构层，其目的是增强管体的抗拉强度、承压能力、抗冲击性，提高管体纵向导热性。加强层用过塑钢丝编织，编织角度54°44′。金属丝外覆耐热高强度粘结剂(市购商品zs-1071耐高温粘合剂)形成的高分子粘结层与氟橡胶246复合管壁融合成整体式结构，复合管壁与加强层无缝隙界面。
温差发电/海水输送/换热/电缆四位一体管主要技术指标为：内径100mm，总管壁厚12mm，外径124mm；总导热系数2.71w/(m·k)；击穿强度15.10kv/mm；管内壁、外壁的粗糙系数≤0.01；工作压力10～+53mpa；静压试验伸长率：永久伸长率≤0.7％，暂时伸长率≤2.5％；最小弯曲半径3m；管内海水最大流速5m/s；允许环境温度10～180℃；输送海水温度10～22℃；设计寿命25年。
半导体温差发电/海水输送/换热/电缆四位一体管内海水流动阻力越小越好，故内层选用水力摩擦系数小的光滑橡胶管。由于兼换热器功能，橡胶质四位一体管必须具一定的导热性。温差发电/换热管的特点是冷却海水沿换热管纵向流动，温度纵向变化大，长度远远大于断面尺寸。半导体温差发电特性决定了必须有数量众多的温差发电单元组成半导体温差发电阵列(管)，才能进行规模性发电。理想条件下热传导过程由地下热水将热传导给四位一体海水管外壁，外壁经外管壁热传导给温差发电器件层的铜片，铜片传导热给温差电偶及内铜片，内铜片再传导给温差发电器件层内壁，内铜片传导热给外胶层及流动的海水。最终可视为四位一体海水管与地下热水渗流场的传导及对流换热，将热量传给海水。因此四位一体海水管系统总传热系数受管壁各层导热系数、界面热阻、管壁污垢热阻、管外污垢热阻和管外壁渗流传导热阻等制约。根据ansysfluent流体仿真显示：热端温度92.5℃、冷端温度11.7℃、温差发电阵列管壁总导热系数2.68～2.74、倒虹吸海水流速1.8m/s时，管内海水吸收热量约9×106kj/h，水平连通井段温差发电阵列管的发电功率最大，末端发电模块最小温差≥20℃。
(五)四位一体管的穿管敷设牵引
本发明的半导体温差发电系统中有二段管道具温差发电功能。第一段是a井-b井间的热储层水平井段，为主温差发电段；第二段为露出b井口基盘之后的末端段，目的是利用余热进行温差发电。其余段采用hdpe管作为冷却海水管。hdpe管与温差发电/海水输送/换热/电缆四位一体管外径相同。本发明采用的hdpe管及复合材料发电管的弹性变形远好于钻杆+钻具构成的钻柱，因此四位一体管的穿管敷设牵引比提下钻具更容易。
地热水平连通井完成套管固井后，必须使用通管器进行不少于3次的通井、回拉，检查套管是否变形，套管内是否有掉块杂物等。确保井眼通畅。验收合格后，即可进入温差发电管的穿管敷设牵引工序。
首先计算温差发电管的最大牵引力。如果穿管敷设牵引力小于发电管允许牵引力，则可以开始穿管敷设牵引。如果穿管敷设牵引力大于发电管允许牵引力，则需要增加发电管保护套，然后才能实施穿管敷设牵引。穿管敷设牵引过程中必须保证套管内加注满水，以增加管壁与套管的润滑度，也对拉管产生的摩擦热进行降温。
由于本发明的温差发电管具有较好的韧性和抗拉强度，为方便穿管敷设牵引，将发电管缠绕到管线盘上完成穿管牵引。在一个地热井(如b井)下入导向钻头，钻头穿越垂直段-水平段-垂直段在另一个井(如a井)露出后，卸下导向钻头，换上管线回拉卡箍，卡牢hdpe管进行回拉，待将hdpe管拉回第一个地热井口(如b井)时，穿管敷设牵引完成。嗣后，开始敷设登陆段管道和末端段海底半导体温差发电管四位一体管、敷设相关电缆和设施。
发电管出井口时的轴向拉力很大，如果支撑点用普通托辊滑轮，可能超过发电管护层允许侧压力。须用钢板制成井口弧形滑板。
发电管进入套管段和发电管尾盘3圈时，牵引速度不宜大于2m/min，正常穿越套管前进宜不大于6m/min。
登陆段：指从高位水库倒虹吸取水口至a井海底基盘段，采用hdpe管。倒虹吸口为无底阀滤网的淹没式取水井。潮间带管道登陆段处于碎浪带，水动力环境复杂，为减小近岸区域复杂水动力对管道海底稳定性的不利影响，降低海上活动对管道造成机械损伤的可能性；hdpe管埋入海底之下不小于1.5米。采用预挖沟及回填方式埋管进行保护，管道敷设采用浮拖法登陆。拖管铺设中，管道沿预先开挖好的管沟铺设。潮间带段海底管道人工回填埋管。
末端段的温差发电管，从b井水下基盘接入。根据设计长度进行敷设。为使管道内的温海水与常温海水换热，形成稳定的温差二发电，该段温差发电管用水泥底座架空，温差发电管距离海底≥0.5m。并在发电管周围设置浮标、安全警戒区，防止船舶抛锚、渔民作业等危害温差发电管的安全。
hdpe管、温差发电管的连接采用电热熔连接方式。
管道中的海水从b井返回海底后，冷海水变为温海水，自b井口开始敷设的温差发电管也是温海水排放管，管外为冷端，管内为热端。该段的温差发电与水平井的温差发电正负极相反，其温差小于水平井的温差。通过地热的余热梯度利用提高了热能的利用率。该段温差发电/海水管需采取抗海洋生物附着措施。
由于海水管及温差发电/换热管的接口处均需密封，温差发电/换热管敷设完成后需检验其绝缘性及密封性。
根据测算，在东营东部海域地热田的海水/地热/海水半导体温差发电系统中，取平均工况热端温度92.5℃、冷端海水16.5℃时，冷/热端温差76℃，一对地热水平连通井最大发电功率为：每小时可发电2296w；取热端温度98℃、冷端海水温度15℃时，温差为83℃，海水/地热温差发电系统的一对地热水平连通井最大温差发电功率为：每小时发电2623w。
温差发电片系统输出的最大功率点会由于受到温度/温差的影响而发生变化，因此，需要温差发电控制器对最大功率点跟踪，以便跟踪温差发电片组的最大输出功率，同时可以输出稳定的电压。半导体温差发电最大功率点跟踪是一个动态自寻优的过程，检测半导体温差发电输出电压和电流，得出当前情况下的输出功率，然后与上一时刻功率值比较，如果当前时刻功率值比上一时刻功率值大，则继续当前方向的操作；反之，则按相反方向操作。然后再检测比较，如此不停循环，便可使温差模块始终工作在最大功率点处。并经送电网络输送到最终用户。
可以理解的是，上述各实施方式，至少具有以下优点：利用潮汐能、波浪能为高位海水库补充水源，倒虹吸+热对流共同驱动管内海水的流动，与管外的地热水形成持续温差。当海水从b井返回到海底时，温差发电/换热管又转变为内热外冷的温差发电器件。综合利用了地热能、潮差能、波浪能多种能源用于发电。
相比于其他地热发电方法，同等发电规模条件下，本发明的总投资规模最小，安全、环保，发电站投资回收期短。
本发明可有效的解决地热田的回灌、腐蚀和结垢三大技术难题。由于地热水中矿物质含量比较高，caco3等会析出、沉淀，地热水利用过程中，温度和压力会发生很大变化，各种矿物质的溶解度会随之变化，导致矿物质从水中析出产生沉淀结垢。利用井下温差发电管换热，不需地热水回灌井。井下温差发电管采用抗腐蚀复合材料，原位传导地热能，解决了地热管道及设备的结垢和腐蚀性问题。由于原位换热，地热水的温压条件未发生变化，其温差发电管外部不会结垢。
地热井固定套管、筛管后，除冷却用的海水管外，没有复杂的管道系统；不需要远距离输送热水，没有水泵、不需添加各种药剂。
运营期内，本发明除定期维护外，没有额外动力或能源消耗，不需人工看护，可以实现无人化、自动化发电，日常维护成本极低。
海上油气设施的弃置不仅受国内法、国际条约管辖，还面临高昂的处理成本及更富挑战的环保难题。本发明可以通过改造海域中的废油井及配套的废弃采油平台来实施海水/地热发电，能大大降低发电成本，同时解决了海洋环境保护难题。
海域地温梯度大于陆地，海域地热储层厚度大，热水温度高，有利于大规模实施海水/地热半导体温差发电。
根据试验研究、数值模拟等多种方法手段，显示本发明的半导体温差发电系统及方法能持续稳定、可规模性开发地热资源。
温差发电/换热管选择性的通过温差电偶与热储层换热，温差电偶间被隔热绝缘灌胶灌注，未利用的热能仍留在热热储层内。
本发明的温差发电/换热管的总导热系数是根据热储水温、渗流系数、温差发电器件、冷端换热量等综合特性确定的。无论是前段还是末段，都能确保温差电偶冷/热端之间温差，大于温差发电需要的最小温差(≥20℃)，即，安装的所有温差电偶都能发电。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。
- 还没有人留言评论。精彩留言会获得点赞！