地热-温差发电系统的实验研究与经济性分析

陈海平，于鑫玮，石志云，王忠平，吴文浩

(1. 华北电力大学 能源动力与机械工程学院，北京102206;2. 华北电力大学 能源动力与机械工程学院，河北 保定071003)

0 引言

地热能是来自地球深处的可再生能源，是指储存于地球内部、来自于地球深处的高温熔融体或地球内部的放射性元素衰变而释放的热量。在地底深处循环的地下水和来自极深处的岩浆侵入到地壳后，把热量从地下深处带至近地表层，甚至有些地方，热能随自然涌出的热蒸汽和热水到达地面。地热能的储量非常大，且属于清洁能源;其利用非常广泛，即可做电力利用，也可作直接利用［1，2］。温差发电作为近年来兴起的一种新的发电形式，随着最新热电材料优值系数的不断提高，温差发电的研究进入了一个新的高潮，国内外与其相关的发电利用系统也相继出现，如汽车尾气的温差发电利用系统、工业余热的温差发电机组等，都具有较高的研究和实用价值［3～5］。国内在温差发电方面的研究起步较晚，主要集中在理论和热电材料制备等方面;在温差发电的实用性领域的研究还处于刚刚起步的阶段，实际应用仍处于空白状态［6］。为此，本文提出了一种基于地热能与温差发电装置的新型发电系统。通过对半导体温差发电器件的实验性能分析，获得了适用于地热能温差发电的可行方案，并通过其技术经济性分析，进一步验证了系统的可行性，为地热能源和温差发电的进一步利用提供了新的研究方向。

1 地热-温差发电系统的建模

地热-温差发电系统组成如图1 所示，它主要分为温差发电系统和电力转换系统，其中温差发电系统分为3 个子部分:地热流部分(即温差发电热端)、循环冷却水［7］部分 (即温差发电冷端)、电力生产部分(即温差发电装置)。地热水从生产井流出进入温差发电系统，组成温差发电的热端，循环水进入系统组成冷端，再通过温差发电器件生成电能，最后经过电力转换系统向用户提供合格的电力能源。此电力生产系统无副产品，不存在污染，是洁净能源系统。

图1 地热-温差发电系统简图Fig．1 Diagram of geothermal-thermoelectric generation system

温差发电装置采用型号为TEP1 －1264 －1.5的半导体温差器件，尺寸为40 mm×40 mm，最高承受温度270 ℃，可保证器件在地热水为热端介质时安全运行。地热能源参数选择西藏羊八井地区［8］地热发电厂某一3 000 kW 机组的运行参数，而循环冷却水采用藏布曲河河水，河水年平均温度为5 ℃。

2 半导体温差发电装置性能实验研究

地热-温差发电的主要器件是温差发电器，其性能直接影响系统的效率，在研究系统之前，需详细了解温差发电器件的性能，为此搭建了温差器件的实验分析平台并开展了实验研究，为温差发电器件的性能分析奠定了基础。

2.1 实验装置的建立

半导体温差发电装置性能测试系统如图2 所示，该系统包括半导体温差发电器、滑动变阻器、金属均热板、数据采集系统等，其中半导体温差发电器由半导体温差发电片、冷却单元、加热单元、保温材料、散热器组成。实验系统采用TEP1－1264 －1.5 型号的半导体温差发电器件，其最高承受温度为270 ℃。利用万用表、电流表、电压表、温度测量仪等实验设备测量所需参数，再由计算机对测量参数进行分析整理。

图2 温差发电性能测试装置图Fig．2 Diagram of thermoelectric generation test device

2.2 温差发电装置输出功率实验研究

通过搭建好的半导体温差发电装置性能测试平台进行实验，实验过程中保持冷热端的温差不变，通过改变滑动变阻器的阻值进行发电模块的输出功率实验，结果如表1。

表1 变负载条件下输出功率情况Tab．1 Output power at variable load

根据实验数据点得到变负载输出功率曲线图，如图3 所示。

图3 变负载条件下输出功率曲线图Fig．3 Output power curves at varying duty condition

从图3 可以看出，随着温差的增大，温差发电装置的输出功率随之增大。在相同的冷热端温差条件下，温差发电装置的输出功率随着负载电阻的增大先增加后减小，即存在一个最大值。当负载电阻等于温差发电片内阻时，输出功率才能达到最大值，为了获得最大输出功率，需要选择最佳匹配负载。

2.3 不同热端温度下温差发电装置的特性研究

从图3 的曲线分析可以看出，当负载在3.2 Ω左右时，半导体温差发电器件的输出功率最大，因此该实验的负载电阻取为3.2 Ω。本文主要研究温差发电器件应用于中高温地热能源，考虑到热水温度主要在140 ～160 ℃之间变动，因此将研究重点放在热端温度变化范围在100 ～220 ℃之间。目前，温差发电的冷端研究主要有水冷和空冷两种，由于空气密度低、热容比水小，为了降低冷端温度，需要较大的空气质量流率，因此冷端采用空冷的温差发电装置的体积比冷端采用水冷的大得多，又根据参考文献［9］分析:水冷的效果明显优于空冷。实验冷却水取当地自来水。实验数据汇总如表2。

表2 单个温差发电器件在不同热端温度下的参数Tab．2 Parameter of a thermoelectric generator at different hot-end temperatures

由表2 可知，在冷端温度基本相同的情况下，热端温度越高温差就越大，最大输出功率也就越大，并且随热端温度近似呈线性变化。根据表2的数据，用origin 软件作直线拟合，得到最大输出功率与不同热端温度的相关性曲线，如图4 所示，拟合过程中相关系数(R-square)为0.992 41，说明最大输出功率与不同热端温度的相关程度较高，拟合得到的经验公式为:Y =0.025 78X－1.976 98。

图4 最大输出功率与热端温度的关系曲线Fig．4 Maximum output power curve at variable hot-end temperatures

3 地热-温差发电系统的经济性分析

3.1 地热-温差发电系统的布置

温差发电系统是地热-温差发电系统的主体部分，其布置的形式合理与否，将会影响系统的能量转换效果。再者，因为地热流体中含有一定数量的H2S 和CO2等酸性气体和氯离子，对设备有腐蚀性，而H2S 是其中主要的腐蚀介质。当这些气体遇到水和空气中的氧时，对设备的腐蚀作用会加剧。因此应提高系统管材的防腐性能，尽量选择耐腐蚀的金属管材如不锈钢材质的管材，同时在设备主要部件上加涂防腐涂料［10，11］。

综合以上各种原因，温差发电系统的具体布置如图5 所示，管材为不锈钢管，地热水与循环水逆流布置。温差发电片的型号为TEP1 －1264 －1.5，尺寸为40 mm ×40 mm，陶瓷材质。换热管材形状处理以温差器件为准。

图5 温差发电系统换热单元布置形式Fig．5 Heat exchanges unit layouts form of thermoelectric generation system

在温差发电系统的整个换热单元中，为方便温差发电器件的安装，采用的换热管为方形三层的特殊形式。每条方形换热管长为50 m，宽度为120 mm，厚度为80 mm，则每条管子上可布置的温差发电器件的个数为4 000。整个换热场有60条方形管子组成，则温差发电器件总数为240 000。集成地热-温差发电系统设备的总成本如表3 所示。

表3 地热-温差发电系统成本Tab．3 Cost of the geothermal-electric generation system

因为图4 中温差发电器件的最大输出功率与不同热端温度的拟合曲线是在冷端温度为20 ℃左右的实验条件下得到的，而在地热-温差发电系统中，冷端温度在5 ℃左右，根据文献［12］可知:在相同热端温度的情况下，冷端温度越低，温差发电器件的发电效率越高。由于实验条件的原因，温差器件的输出功率采用图3 中相同温差时的值，做近似计算。

取热端温度为150 ℃，冷端温度为5 ℃，温差为145 ℃。根据拟合的经验公式近似计算得:单个温差发电器件的最大输出功率为

则整个温差发电装置的最大输出功率为

由于地热-温差发电系统组成设备简单，组装方便，其运行小时数肯定比常规电站时间长，取电站每年发电运行小时数为6 000 h，则可得电站年发电量为3 096 000 kW·h 取常规新能源电价1元为地热-温差发电电站的售电价格，则电站每年的售电收益P 为309.6 万元。

3.2 地热-温差发电系统的经济性分析

3.2.1 静态指标分析

(1)投资收益率

投资收益率是静态衡量投资方案获利水平的评价指标，它是投资方案达到设计生产能力后一个正常生产年份的年净收益总额与方案投资总额的比率。

项目总投资I 为1 255 万元;经济效益额P 为309.6 万元;设备折旧期按10 年计算，则年折旧费I'为125.5 万元;企业所得税率r 取25%;能源行业基准投资收益率Rc取9%。

净收益额由公式计算得:

投资收益率由公式计算得:

投资收益率R ＞行业基准投资收益率Rc，故依据此项指标，该项目投资是可行的。

(2)静态资本回收期

静态投资回收期(是指项目以净收益抵偿全部投资所需的时间)是在不考虑资金时间价值的条件下，以方案的净收益回收其总投资所需要的时间。

静态投资回收期Pz= I/A =4.8 a，因此用净收益额回收其总投资所需要的时间为4.8 a。

3.2.2 动态指标分析

(1)财务净现值

财务净现值是反映投资方案在计算期内获利能力的动态评价指标。能源行业的基础收益率ic的推荐值为6%，财务净现值FNPV 表达式:

导出计算式得:FNPV = － I + A［(1 + ic)18－1］/［ic× ( 1 + ic)18］(设备使用期按18a 计算)代入数据得:FNPV = 1 598.94 由此指标可以看出FNPV ＞0 ，则项目也是可行。

(2)动态投资回收期

动态投资回收期是指项目以净效益的现值抵偿全部投资所需的时间。在实际工程中，用近似公式计算:

4 结论

通过上述计算分析可以得出地热-温差发电系统作为一种清洁能源生产形式，有较大的实用价值，具有项目投资可行性，但是也存在一些待解决的问题。

(1)能源转化效率低。主要是温差发电器件的优值系数低，大多在3%左右，是制约温差发电发展的主要瓶颈。

(2)投资成本高。在现阶段，温差发电器件的成本较高，商业化程度较低。在未来，如果温差器件实现大规模的商业化，将会大大的推进温差发电的发展。

(3)存在大量余热。在整个地热-温差发电系统中存在大量的余热，在此基础上可以发展联产联供形式，如余热供热等，加深能源利用的程度。

总体来说，在节能减排和推进清洁能源利用形式的大背景下，进一步发展地热-温差发电形式，不失为一个好的突破方向;同时这也将为我国地热能源的利用和温差发电产业的发展起到积极的作用。

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