第四届国际分布式能源及储能技术设备展览会

石油钻井工

本文摘自第四届国际分布式能源及储能技术设备展览会，李克文教授发言
        我这里讲发电，因为我们国家的地热能的直接利用，在国际上排名应该是首一、首二，统计数据不是很全面，正如郑克棪教授所说的，我们现在中国的地热能的利用的关键问题是在发电方面，因为我们从国际上的排名前10名一直落后到了18名，统计的是24个国家，不能说我们技术就能解决发电问题，但是我们是朝这个方向去努力。
    今天给大家介绍的是背景介绍，我们有1000瓦实验室的研发工作，还有就是讨论与结论。
      前面有的讲分布式能源说到地热发电或者余热发电的方式，我们热能发电最直接的方式把热能转化为机械能，再转化为电能，什么叫热能直接发电，我们从热能直接到电能，这个概念给太阳能光伏发电有点类似，我们知道太阳能把太阳光打到光伏板上就可以发电，我们只要把热量或者说热的流体经过发电板，我这个可以发电，省略了几大设备，省去了很多麻烦，检修周期等等这一系列问题就没有了，我不需要发电机，机械能转化电能这个过程省略了。我谈一下TEG技术，热点转换系统。
    在回答这些问题之前，为什么利用这个TEG技术，为什么利用热能直接发电，我们对于地热能来说，温度比较高的时候，150度的时候，直接用干蒸机就可以发电，这个应该来说历史上最悠久的，比如说羊八井。你采出来的水比较热，但是不是蒸汽，这可以进行散蒸，再驱动涡轮机进行发电，这个温度一般需要100度以上。还有一个就是所谓的双循环发电系统，这个就是温度低于100度，比如说90度，水不能变成蒸汽，另外一种工具，类似于空调的氟利昂。整体来讲，你可以蒸发地下水，这里面有几种循环，一种是机朗肯和Kalina循环，一般采用有机朗肯循环。从目前统计来看，它的温度，我们国家70年代六七十度发电，发电效率相对来说比较低，国内来看如果说温度在70度到90度的范围，一方水大概能发一度电左右。而国际上能到5到6度，他们的效率应该比我们高了好几倍。
      尽管地热能用得很早，但是我们的发展速度相对来说比较慢的，太阳能是指数式的发展，它的速度非常快。据统计，中国过去五年生产的所有的光伏发电的装机容量等于全世界过去40年地热发展装机容量，大家不要被这个数据所迷惑。地热发电有它独特的优势，往往我们说太阳能增加多少兆瓦，如果说把这张图转换成每年发电的能量，我们现在全球地热能发的与太阳能基本相等，就是因为我们的地热能有效利用率最高的可以达到95%以上，平均也在90%左右，我们太阳能只有百分之十几。
      大家知道，一天24小时，只有8个小时有太阳，只有中午的强度是最大的，不是说太阳能不好，我是说地热能在这方面有很多的优势，别看发展速度很快，目前来看地热能发电量还是和它基本上相平等的。太阳能有这么快的原因是什么，第一是可分布式的，第二模块化能力很强。为什么地热能不能够采用类似太阳能发电的装置进行发电呢？如果说找到这样一种方式，地热能发电是不是也有可能指数式的爆炸式的增长速度，我们之所以选用TEG经过了多年系统的比较和研究，我们确定采用TEG。它的优点，温度可以低，从技术的角度来说，低至40度都可以发电，这是一个方面。
    还有其他很多的优点，下面我简单介绍一下，它的原理，这里有一个Z端，有一个半导体，冷端跟这端的温度不一样，运营速度也不一样，产生了电动差，这个地方就是一个电压差，可以产生电压。这是它的原理，比较简单，而且应用得也比较早，技术优势没有噪音，也容易模块化，跟太阳能光伏一样，结构也紧凑，而且也易于我们维护，高稳定性和可靠性，我们没有任何运动部件，它的维护基本跟太阳能相同的，我们所谓的材料也是多种多样，可以是半导体的，也可以是聚合物的等等，看你运用在什么环境。
    谈到优势，还有适应于环境，不管海洋还是旅游景点，特殊环境和景点，美国做报告的时候，去年美国GRC地热资源委员会的年会上面，我做的就是这个报告获得了最佳论文奖，有一个人找到我，我们那边不允许进去任何带的东西，少数民族原住民的方式，但是又需要电，问我能不能用这种发电方式，我说可以，应用很广泛。这是这个系统的发电图，你热水也可以，我们打出来的井，油田产生的废液也可以。这是去年代表中国地质大学在上海世博会上参展的小型200瓦的装置，这是模拟的，不会超过90度、100度，我们把这个水，这个塑料管，通到这里面，我们就可以发电，发电可以直流也可以交流，这是简单的展览的情况。
    我们实验结果，比如说，它的发电功率的稳定性其实相当不错的，需求的工艺与温差的关系，我们从20个温差可以发电，而且这里有点像指数，不完全是直线，我的功率是增加的。在国内外的研究，在国际上发电已经有很多年了，1989年NASA用到这个TEG。日本在汽车发电，100瓦，NASA功率很小，大概几十瓦，日本是100瓦，在美国能源部他们当时支持的项目，是1000瓦的项目，卡车温度可以很高，当时基本实现了1000瓦，但是很不稳定，而且寿命很短，这个项目基本上现在已经取消了，没再推广，这是高温发电，达到300度的概念。
      2009年Thacter，温度多比较高。威尔士大学教授发明了的电动汽车。500瓦的，大概需要280度的温度。整体上来讲，它的功率是比较小的，最新的是2013年去年100瓦的发电，也是卡车进行发电。200W热能直接发电装置，我们在这方面进行了1000W的改进，也做了其他方面的研究。我们这个1000W的设备长11米多一点，宽30多公分，最高20多公分的样子，体积很小，就是1000W，这个温度1000W是90度的温度条件下，据我们的调查，目前在国际上90度发1000W是最大的。我们这个不能够用到300度，只能够到200度，300度可以做，但是要换材料，我们这个可以达到30年，如果大家发现在90度的情况下，能够达到1000W，真正实现的请大家告诉我。
      最关键的是成本的问题，我们进行了很多方法的研究，效率可以达到4%左右，但是取决于你的温差。我们知道TEG的理论很简单，一直没有大功率的出现，实际上就是成本问题解决不了，当时在斯坦福大学的时候，也跟他们有合作，也进行了攻关研究，300度的高温成本没降下来，200度的成本已经降下来了，按这个算，可能算得有点太乐观了，现在基本上跟太阳能比，这是太阳能，这是风能，这是TEG，我们热能直接发电比太阳能高很多，如果说考虑刚才我说的载荷系数 以后有效利用系数以后，我们的TEG比太阳能的成本低很多，如果说你按照投资收益率我们可以达到20%左右，如果按电价一块钱来算，我们大概是5年就可以回收，如果按照5毛钱需要10年，但是现在我在想，如果说地热发电能够得到国家给太阳能的政策，我们完全可以大规模使用了，我们1000W也可以使用了，因为大家知道我们这两天的会议主题是分布式能源，我们调查了另外一个报告，光是油田系统，油田区，我们三桶油，中石油、中石化、中海油，上万口井甚至十几万口井需要几千瓦，还有很多情况下就需要一两千瓦左右，我们完全可以使用了，只要我们得到国家给太阳能光伏发电的政策给我们地热发电，我们的效益，这还是实验室规模的成本的测算，没有考虑大规模生产以后它的成本的降低，这个规模扩大以后还要成本降低，我们非常有信心。去年这个展览以后很多公司找到我们，希望合作，把这个扩大。
      总体来讲，我们在实验室已经实现了1000W的发电系统，这是我们的硬结构。我们在输出功率相同的前提下，与太阳能相比我们更具有吸引力和竞争力。我们现在准备进行现场实验，给大家通报一下，4月份准备好了，不是在实验室，拿到用户的现场进行实验。