外加冷源型干热岩热电发电系统与方法
【专利摘要】本发明涉及一种外加冷源型干热岩热电发电系统，该系统包括：冷却介质存储装置、冷却介质地面流动管线、冷却介质注入装置、井下热电发电模块、冷却介质流入管线、冷却介质流出管线、负极导线和正极导线；井下热电发电模块全部置于干热岩储层范围内；冷却介质存储装置、冷却介质地面流动管线、冷却介质注入装置、冷却介质流入分配管汇、热电发电模块井下散热器、冷却介质流出集液管汇、冷却介质流出管线构成冷却介质流动循环系统；井下热电发电模块、正极导线、地面负载和负极导线依次连接形成闭合电路。相对于现有技术，本发明仅需一口钻穿干热岩储层的地热井，无需建造人工热储，利用布置在井下的热电模块实现干热岩储层就地发电。
【专利说明】
外加冷源型干热岩热电发电系统与方法
技术领域
[0001]本发明属于地热发电领域，具体地，涉及一种外加冷源型干热岩热电发电系统与方法。
技术背景
[0002]地热能是储存于地球内部的一种巨大的天然资源，储量大且清洁无污染，长期以来受到世界各国的关注。开发和利用地热资源可实现节能减排、保护环境，被认为是解决雾霾的一种有效手段。目前主要开发和利用的是热水型和蒸汽型地热资源，常应用于供暖、养殖和发电等领域。相比而言，干热岩的开发刚刚兴起，但其储量远远高于已经得到广泛应用的热水型和蒸汽型地热资源。发电被认为是干热岩最主要的应用领域。
[0003]干热岩发电主要是通过水力压裂形成人工热储，然后通过注入井注入水或二氧化碳等工质，与人工热储进行能量交换后，从生产井中产出高温水或蒸汽，送入常规地热发电装置发电。这种方法需要至少需要一口注入井和一口生产井，储层需要进行人工压裂，并且运行期间需要不断注入循环工质水或二氧化碳。该技术的建造成本和运行成本较高。
[0004]随着材料技术的进步，热电发电技术逐渐兴起。当在导体或半导体两端分别施加不同的温度时，由于塞贝克效应，在高温部分和低温部分之间就会产生电动势。利用这种现象，使用热电发电元件就能将热能直接转换为电能。这种热电发电技术在汽车尾气废热发电、工业余热发电、太阳能发电等新能源领域得到广泛应用。
[0005]针对传统干热岩发电存在的问题，考虑到干热岩长期、稳定的热源供给，结合热电发电技术，提出一种外加冷源型干热岩热电发电系统与方法，不但能节省大量建造成本和运行成本，而且还能保证稳定的电能供给。
【发明内容】
[0006]为了解决以上技术问题，本发明提供了一种外加冷源型干热岩热电发电系统与方法。
[0007]为实现上述目的，本发明采用下述方案:
[0008]外加冷源型干热岩热电发电系统，包括:冷却介质存储装置、冷却介质地面流动管线、冷却介质注入装置、井下热电发电模块、冷却介质流入管线、冷却介质流出管线、负极导线和正极导线;所述的井下热电发电模块位于井筒内，井下热电发电模块全部置于干热岩储层范围内，井下热电发电模块直接与裸露的干热岩储层接触，裸露的干热岩储层形成外加冷源型干热岩热电发电的高温热端;冷却介质注入装置和冷却介质存储装置位于地面，冷却介质注入装置通过冷却介质地面流动管线与冷却介质存储装置相连;热电发电模块设有冷却介质流入分配管汇、热电发电模块井下散热器、冷却介质流出集液管汇;冷却介质注入装置与井下热电发电模块中的冷却介质流入分配管汇的入口端通过冷却介质流入管线相连，井下热电发电模块中的冷却介质流入分配管汇的出口端与井下热电发电模块中的热电发电模块井下散热器的入口端相连，井下热电发电模块中的热电发电模块井下散热器的出口端与冷却介质流出集液管汇的入口端相连，冷却介质流出集液管汇的出口端通过冷却介质流出管线与冷却介质存储装置相连;冷却介质注入装置将冷却介质增压后通过冷却介质流入管线进入井下热电发电模块中的冷却介质流入分配管汇的入口端，经井下热电发电模块中的冷却介质流入分配管汇分配后的冷却介质从冷却介质流入分配管汇出口端流出后进入井下热电发电模块中的热电发电模块井下散热器的入口端，流经热电发电模块井下散热器内部并在该处进行换热;换热后的冷却介质从热电发电模块井下散热器的出口端流出并进入冷却介质流出集液管汇的入口端，经冷却介质流出集液管汇汇集后的换热后的冷却介质从冷却介质流出集液管汇的出口端流出，通过冷却介质流出管线流回冷却介质存储装置;冷却介质存储装置、冷却介质地面流动管线、冷却介质注入装置、冷却介质流入分配管汇、热电发电模块井下散热器、冷却介质流出集液管汇、冷却介质流出管线构成闭合的冷却介质流动循环系统，形成外加冷源型干热岩热电发电的低温冷端;所述的井下热电发电模块、正极导线、地面负载和负极导线依次连接形成闭合电路。
[0009]相对于现有技术，本发明的有益效果在于:
[0010]1、仅需一口钻穿干热岩储层的地热井。
[0011]2、无需建造人工热储。
[0012]3、利用布置在井下的热电模块实现干热岩储层发电。
[0013]4、热电发电系统冷端循环提取的热能可用于供暖、养殖、洗浴等除发电以外的应用。
【附图说明】
[0014]图1为外加冷源型干热岩热电发电系统的结构示意图；
[0015]图2为井下热电发电模块的横向剖面结构示意图；
[0016]图3为井下热电发电模块的纵向剖面结构示意图；
[0017]图4为冷却介质流入管系的结构示意图；
[0018]图5为冷却介质流出管系的结构示意图；
[0019]图中，10、干热岩储层；11、干热岩上覆地层;8、井筒;20、冷却介质注入装置;21、冷却介质存储装置;31、井下热电发电模块;41、冷却介质流入管线；42、冷却介质流出管线；43、冷却介质地面流动管线;61、负极导线;62、正极导线;71、地面负载；100、冷却介质流出集液管汇；101、冷却介质流入分配管汇；102、热电发电模块井下散热器；103、冷端绝缘放热构件；104、冷端金属导体组；105、周向布置热电发电半导体组；106、热端金属导体组；107、热端绝缘受热构件;121、井下热电发电模块负极;122、井下热电发电模块正极。
【具体实施方式】
[0020]如图1所示，干热岩储层10为埋深数千米、温度大于200°C、内部不存在流体或仅有少量地下流体的高温岩体;所述的干热岩上覆地层11为干热岩储层10以上至地表所覆盖的沉积岩或土等隔热层，其地层温度从下至上呈逐渐降低趋势，低于干热岩储层温度;井筒8是钻穿地层的孔眼结构，依次穿过干热岩上覆地层11和干热岩储层10;处于干热岩上覆地层11范围内的井筒8部分采用下套管固井方式完成，处于干热岩储层10范围内的井筒8部分采用裸眼完井方式完成;井筒8为井下热电发电模块31、冷却介质流入管线41、冷却介质流出管线42、负极导线61和正极导线62提供起下通道;处于干热岩上覆地层11范围内的井筒8部分充填绝热介质。
[0021]如图1所示，外加冷源型干热岩热电发电系统，包括:冷却介质存储装置21、冷却介质地面流动管线43、冷却介质注入装置20、井下热电发电模块31、冷却介质流入管线41、冷却介质流出管线42、负极导线61和正极导线62;所述的井下热电发电模块31位于井筒8内，井下热电发电模块31全部置于干热岩储层10范围内，井下热电发电模块31直接与裸露的干热岩储层10接触，裸露的干热岩储层10形成外加冷源型干热岩热电发电的高温热端;冷却介质注入装置20和冷却介质存储装置21位于地面，冷却介质注入装置20通过冷却介质地面流动管线43与冷却介质存储装置21相连;热电发电模块31设有冷却介质流入分配管汇101、热电发电模块井下散热器102、冷却介质流出集液管汇100;冷却介质注入装置20与井下热电发电模块31中的冷却介质流入分配管汇101的入口端通过冷却介质流入管线41相连，井下热电发电模块31中的冷却介质流入分配管汇101的出口端与井下热电发电模块31中的热电发电模块井下散热器102的入口端相连，井下热电发电模块31中的热电发电模块井下散热器102的出口端与冷却介质流出集液管汇100的入口端相连，冷却介质流出集液管汇100的出口端通过冷却介质流出管线42与冷却介质存储装置21相连;冷却介质注入装置20将冷却介质增压后通过冷却介质流入管线41进入井下热电发电模块31中的冷却介质流入分配管汇101的入口端，经井下热电发电模块31中的冷却介质流入分配管汇101分配后的冷却介质从冷却介质流入分配管汇1I出口端流出后进入井下热电发电模块31中的热电发电模块井下散热器102的入口端，流经热电发电模块井下散热器102内部并在该处进行换热；换热后的冷却介质从热电发电模块井下散热器102的出口端流出并进入冷却介质流出集液管汇100的入口端，经冷却介质流出集液管汇100汇集后的换热后的冷却介质从冷却介质流出集液管汇100的出口端流出，通过冷却介质流出管线42流回冷却介质存储装置21;冷却介质存储装置21、冷却介质地面流动管线43、冷却介质注入装置20、冷却介质流入分配管汇101、热电发电模块井下散热器102、冷却介质流出集液管汇100、冷却介质流出管线42构成闭合的冷却介质流动循环系统，形成外加冷源型干热岩热电发电的低温冷端;所述的井下热电发电模块32、正极导线62、地面负载71和负极导线61依次连接形成一个闭合电路。
[0022]如图2和图3所示，井下热电发电模块31，包括:冷却介质流出集液管汇100、冷却介质流入分配管汇101、热电发电模块井下散热器102、冷端绝缘陶瓷片103、冷端金属导体104、热电发电半导体组105、热端金属导体组106、热端绝缘受热构件107、井下热电发电模块负极121、井下热电发电模块正极122;热端绝缘受热构件107位于井下热电发电模块31的外层，与裸露的干热岩储层10直接接触;所述的热端绝缘受热构件107呈圆筒状结构；热端金属导体组106位于热端绝缘受热构件107内侧，与热端绝缘受热构件107紧密接触;热电发电半导体组105位于热端金属导体组106内侧，热电发电半导体组105的外侧与热端金属导体组106紧密接触;冷端金属导体组104位于热电发电半导体组105内侧并与热电发电半导体组105的内侧紧密接触;冷端绝缘放热构件103位于冷端金属导体组104内侧并与冷端金属导体组104紧密接触;所述的冷端绝缘放热构件103呈圆筒状结构;热电发电模块井下散热器102位于冷端绝缘放热构件103内侧并与冷端绝缘放热构件103紧密接触，为井下热电发电模块31提供换热场所;冷却介质流入分配管汇1I位于热电发电模块井下散热器1 2内侦U，与热电发电模块井下散热器102入口端相连，并通过导管与冷却介质流入管线41相连；冷却介质流出集液管汇100位于冷却介质流入分配管汇101内侧，与热电发电模块井下散热器102出口端相连，并通过冷却介质流出管线42与冷却介质存储装置21相连。
[0023]所述的热电发电半导体组105位于热端金属导体组106内侧、冷端金属导体组104外侧;所述的热电发电半导体组105由若干组N型半导体和P型半导体交替、成对布置；由若干组N型半导体和P型半导体交替、成对组成的热电发电半导体组105的一端置于高温热端中，另一端置于低温冷端中；置于高温热端中的N型半导体为N型半导体热端、P型半导体为P型半导体热端;置于低温冷端中的N型半导体为N型半导体冷端、P型半导体为P型半导体冷端；
[0024]所述的热端金属导体组106由多个导体组成，用于连接置于高温热端中的热电发电半导体组105中的N型半导体热端和P型半导体热端;所述的冷端金属导体组104由多个导体组成，用于连接置于低温冷端中的热电发电半导体组105中的N型半导体冷端和P型半导体冷端；
[0025]所述的热电发电半导体组105中，第一组热电发电半导体组的N型半导体冷端通过导线外接井下热电发电模块负极121;第一组热电发电半导体组的N型半导体热端和P型半导体热端通过热端金属导体组106中的第一个导体连接;第一组热电发电半导体组的P型半导体冷端与第二组热电发电半导体组的N型半导体冷端通过冷端金属导体组104的第一个导体连接;第二组热电发电半导体组的N型半导体热端和P型半导体热端通过热端金属导体组106中的第二个导体连接;第二组热电发电半导体组的P型半导体冷端与第三组热电发电半导体组的N型半导体冷端通过冷端金属导体组104的第二个导体连接;依此循环连接，将N型半导体和P型半导体连成串联结构;最后一组热电发电半导体组的P型半导体冷端通过导线外接井下热电发电模块正极122。
[0026]正极导线62在井下与井下热电发电模块31中的井下热电发电模块正极122相连，正极导线62在地面与地面负载71相连;负极导线61在井下与井下热电发电模块31中的井下热电发电模块负极121相连，负极导线61在地面与地面负载71相连。
[0027]—个N型半导体和一个P型半导体构成一组热电发电半导体组;所述的若干组N型半导体和P型半导体，可以是I组、10组、100组，也可以是任意多组。
[0028]所述的冷却介质为水、液态二氧化碳、液态氮气。
[0029]外加冷源型干热岩热电发电的方法，采用上述外加冷源型干热岩热电发电系统，步骤如下:
[0030]步骤1:根据选定的干热岩井位，利用钻机钻穿干热岩上覆地层11至干热岩储层10顶部，下套管、注水泥固井;然后换小尺寸钻头钻穿干热岩储层10至预定深度，裸眼完井并成井；
[0031]步骤2:将井下热电发电模块31、冷却介质流入管线41、冷却介质流出管线42、正极导线62和负极导线61在地面组装好后下入井筒8内，井下热电发电模块31全部置于干热岩储层10内；
[0032]步骤3:将处于干热岩上覆地层11范围内的井筒8部分充填绝热介质；
[0033]步骤4:安装冷却介质注入装置20、冷却介质存储装置21和冷却介质地面流动管线43，连接地面负载71。
[0034]步骤5:存储在冷却介质存储装置21的冷却介质经冷却介质地面流动管线43进入冷却介质注入装置20增压后，通过冷却介质流入管线41输送到井下，经过冷却介质流入分配管汇1I分流后进入热电发电模块31中的热电发电模块井下散热器102中进行换热;经热电发电模块井下散热器102换热后的冷却介质通过冷却介质流出集液管汇100汇集后流入冷却介质流出管线42，然后依靠冷却介质的剩余压力流出地面进入冷却介质存储装置21中；井下热电发电模块31产生的电能通过正极导线62和负极导线61供给地面负载71。
【主权项】
1.一种外加冷源型干热岩热电发电系统，包括:冷却介质存储装置、冷却介质地面流动管线、冷却介质注入装置、井下热电发电模块、冷却介质流入管线、冷却介质流出管线、负极导线和正极导线;其特征在于，所述的井下热电发电模块位于井筒内，井下热电发电模块全部置于干热岩储层范围内，井下热电发电模块直接与裸露的干热岩储层接触，裸露的干热岩储层形成外加冷源型干热岩热电发电的高温热端;冷却介质注入装置和冷却介质存储装置位于地面，冷却介质注入装置通过冷却介质地面流动管线与冷却介质存储装置相连;热电发电模块设有冷却介质流入分配管汇、热电发电模块井下散热器、冷却介质流出集液管汇;冷却介质注入装置与井下热电发电模块中的冷却介质流入分配管汇的入口端通过冷却介质流入管线相连，井下热电发电模块中的冷却介质流入分配管汇的出口端与井下热电发电模块中的热电发电模块井下散热器的入口端相连，井下热电发电模块中的热电发电模块井下散热器的出口端与冷却介质流出集液管汇的入口端相连，冷却介质流出集液管汇的出口端通过冷却介质流出管线与冷却介质存储装置相连;冷却介质注入装置将冷却介质增压后通过冷却介质流入管线进入井下热电发电模块中的冷却介质流入分配管汇的入口端，经井下热电发电模块中的冷却介质流入分配管汇分配后的冷却介质从冷却介质流入分配管汇出口端流出后进入井下热电发电模块中的热电发电模块井下散热器的入口端，流经热电发电模块井下散热器内部并在该处进行换热;换热后的冷却介质从热电发电模块井下散热器的出口端流出并进入冷却介质流出集液管汇的入口端，经冷却介质流出集液管汇汇集后的换热后的冷却介质从冷却介质流出集液管汇的出口端流出，通过冷却介质流出管线流回冷却介质存储装置;冷却介质存储装置、冷却介质地面流动管线、冷却介质注入装置、冷却介质流入分配管汇、热电发电模块井下散热器、冷却介质流出集液管汇、冷却介质流出管线构成闭合的冷却介质流动循环系统，形成外加冷源型干热岩热电发电的低温冷端;所述的井下热电发电模块、正极导线、地面负载和负极导线依次连接形成闭合电路。2.根据权利要求1所述的外加冷源型干热岩热电发电系统，其特征在于，井下热电发电模块，包括:冷却介质流出集液管汇、冷却介质流入分配管汇、热电发电模块井下散热器、冷端绝缘陶瓷片、冷端金属导体、热电发电半导体组、热端金属导体组、热端绝缘受热构件、井下热电发电模块负极、井下热电发电模块正极;热端绝缘受热构件位于井下热电发电模块的外层，与裸露的干热岩储层直接接触;所述的热端绝缘受热构件呈圆筒状结构;热端金属导体组位于热端绝缘受热构件内侧，与热端绝缘受热构件紧密接触;热电发电半导体组位于热端金属导体组内侧，热电发电半导体组的外侧与热端金属导体组紧密接触;冷端金属导体组位于热电发电半导体组内侧并与热电发电半导体组的内侧紧密接触;冷端绝缘放热构件位于冷端金属导体组内侧并与冷端金属导体组紧密接触;所述的冷端绝缘放热构件呈圆筒状结构;热电发电模块井下散热器位于冷端绝缘放热构件内侧并与冷端绝缘放热构件紧密接触，为井下热电发电模块提供换热场所;冷却介质流入分配管汇位于热电发电模块井下散热器内侧，与热电发电模块井下散热器入口端相连，并通过导管与冷却介质流入管线相连;冷却介质流出集液管汇位于冷却介质流入分配管汇内侧，与热电发电模块井下散热器出口端相连，并通过冷却介质流出管线与冷却介质存储装置相连。3.根据权利要求1-2所述的外加冷源型干热岩热电发电系统，其特征在于，所述的热电发电半导体组位于热端金属导体组内侧、冷端金属导体组外侧;所述的热电发电半导体组由若干组N型半导体和P型半导体交替、成对布置；由若干组N型半导体和P型半导体交替、成对组成的热电发电半导体组的一端置于高温热端中，另一端置于低温冷端中；置于高温热端中的N型半导体为N型半导体热端、P型半导体为P型半导体热端;置于低温冷端中的N型半导体为N型半导体冷端、P型半导体为P型半导体冷端;所述的热端金属导体组由多个导体组成，用于连接置于高温热端中的热电发电半导体组中的N型半导体热端和P型半导体热端；所述的冷端金属导体组由多个导体组成，用于连接置于低温冷端中的热电发电半导体组中的N型半导体冷端和P型半导体冷端;所述的热电发电半导体组中，第一组热电发电半导体组的N型半导体冷端通过导线外接井下热电发电模块负极;第一组热电发电半导体组的N型半导体热端和P型半导体热端通过热端金属导体组中的第一个导体连接;第一组热电发电半导体组的P型半导体冷端与第二组热电发电半导体组的N型半导体冷端通过冷端金属导体组的第一个导体连接;第二组热电发电半导体组的N型半导体热端和P型半导体热端通过热端金属导体组中的第二个导体连接;第二组热电发电半导体组的P型半导体冷端与第三组热电发电半导体组的N型半导体冷端通过冷端金属导体组的第二个导体连接;依此循环连接，将N型半导体和P型半导体连成串联结构;最后一组热电发电半导体组的P型半导体冷端通过导线外接井下热电发电模块正极。4.根据权利要求1-3所述的外加冷源型干热岩热电发电系统，其特征在于，正极导线在井下与井下热电发电模块中的井下热电发电模块正极相连，正极导线在地面与地面负载相连;负极导线在井下与井下热电发电模块中的井下热电发电模块负极相连，负极导线在地面与地面负载相连。5.根据权利要求1-4所述的外加冷源型干热岩热电发电系统，其特征在于，一个N型半导体和一个P型半导体构成一组热电发电半导体组;所述的若干组N型半导体和P型半导体，可以是I组、10组、100组，也可以是任意多组。6.根据权利要求1-5所述的外加冷源型干热岩热电发电系统，其特征在于，所述的冷却介质为水、液态二氧化碳、液态氮气。7.—种外加冷源型干热岩热电发电的方法，采用权利要求1 -6所述的外加冷源型干热岩热电发电系统，其特征在于，步骤如下: 步骤1:根据选定的干热岩井位，利用钻机钻穿干热岩上覆地层至干热岩储层顶部，下套管、注水泥固井;然后换小尺寸钻头钻穿干热岩储层至预定深度，裸眼完井并成井； 步骤2:将井下热电发电模块、冷却介质流入管线、冷却介质流出管线、正极导线和负极导线在地面组装好后下入井筒内，井下热电发电模块全部置于干热岩储层内； 步骤3:将处于干热岩上覆地层范围内的井筒部分充填绝热介质； 步骤4:安装冷却介质注入装置、冷却介质存储装置和冷却介质地面流动管线，连接地面负载； 步骤5:存储在冷却介质存储装置的冷却介质经冷却介质地面流动管线进入冷却介质注入装置增压后，通过冷却介质流入管线输送到井下，经过冷却介质流入分配管汇分流后进入热电发电模块中的热电发电模块井下散热器中进行换热;经热电发电模块井下散热器换热后的冷却介质通过冷却介质流出集液管汇汇集后流入冷却介质流出管线，然后依靠冷却介质的剩余压力流出地面进入冷却介质存储装置中；井下热电发电模块产生的电能通过正极导线和负极导线供给地面负载。
【文档编号】H02N11/00GK105932909SQ201610495099
【公开日】2016年9月7日
【申请日】2016年6月29日
【发明人】刘均荣, 杜鹏, 李博宇, 史伟新, 曹世杰
【申请人】中国石油大学(华东)