地?zé)?溫差發(fā)電系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究與經(jīng)濟(jì)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(xué) 能源動力與機(jī)械工程學(xué)院，北京102206;2. 華北電力大學(xué) 能源動力與機(jī)械工程學(xué)院，河北 保定071003)

0 引言

地?zé)崮苁莵碜缘厍蛏钐幍目稍偕茉?，是指儲存于地球?nèi)部、來自于地球深處的高溫熔融體或地球內(nèi)部的放射性元素衰變而釋放的熱量。在地底深處循環(huán)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(dá)地面。地?zé)崮艿膬α糠浅４螅覍儆谇鍧嵞茉?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(fā)電作為近年來興起的一種新的發(fā)電形式，隨著最新熱電材料優(yōu)值系數(shù)的不斷提高，溫差發(fā)電的研究進(jìn)入了一個新的高潮，國內(nèi)外與其相關(guān)的發(fā)電利用系統(tǒng)也相繼出現(xiàn)，如汽車尾氣的溫差發(fā)電利用系統(tǒng)、工業(yè)余熱的溫差發(fā)電機(jī)組等，都具有較高的研究和實(shí)用價(jià)值［3～5］。國內(nèi)在溫差發(fā)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(fā)電的實(shí)用性領(lǐng)域的研究還處于剛剛起步的階段，實(shí)際應(yīng)用仍處于空白狀態(tài)［6］。為此，本文提出了一種基于地?zé)崮芘c溫差發(fā)電裝置的新型發(fā)電系統(tǒng)。通過對半導(dǎo)體溫差發(fā)電器件的實(shí)驗(yàn)性能分析，獲得了適用于地?zé)崮軠夭畎l(fā)電的可行方案，并通過其技術(shù)經(jīng)濟(jì)性分析，進(jìn)一步驗(yàn)證了系統(tǒng)的可行性，為地?zé)崮茉春蜏夭畎l(fā)電的進(jìn)一步利用提供了新的研究方向。

1 地?zé)?溫差發(fā)電系統(tǒng)的建模

地?zé)?溫差發(fā)電系統(tǒng)組成如圖1 所示，它主要分為溫差發(fā)電系統(tǒng)和電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，其中溫差發(fā)電系統(tǒng)分為3 個子部分:地?zé)崃鞑糠?即溫差發(fā)電熱端)、循環(huán)冷卻水［7］部分 (即溫差發(fā)電冷端)、電力生產(chǎn)部分(即溫差發(fā)電裝置)。地?zé)崴畯纳a(chǎn)井流出進(jìn)入溫差發(fā)電系統(tǒng)，組成溫差發(fā)電的熱端，循環(huán)水進(jìn)入系統(tǒng)組成冷端，再通過溫差發(fā)電器件生成電能，最后經(jīng)過電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)向用戶提供合格的電力能源。此電力生產(chǎn)系統(tǒng)無副產(chǎn)品，不存在污染，是潔凈能源系統(tǒng)。

圖1 地?zé)?溫差發(fā)電系統(tǒng)簡圖Fig．1 Diagram of geothermal-thermoelectric generation system

溫差發(fā)電裝置采用型號為TEP1 －1264 －1.5的半導(dǎo)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?zé)崴疄闊岫私橘|(zhì)時(shí)安全運(yùn)行。地?zé)崮茉磪?shù)選擇西藏羊八井地區(qū)［8］地?zé)岚l(fā)電廠某一3 000 kW 機(jī)組的運(yùn)行參數(shù)，而循環(huán)冷卻水采用藏布曲河河水，河水年平均溫度為5 ℃。

2 半導(dǎo)體溫差發(fā)電裝置性能實(shí)驗(yàn)研究

地?zé)?溫差發(fā)電的主要器件是溫差發(fā)電器，其性能直接影響系統(tǒng)的效率，在研究系統(tǒng)之前，需詳細(xì)了解溫差發(fā)電器件的性能，為此搭建了溫差器件的實(shí)驗(yàn)分析平臺并開展了實(shí)驗(yàn)研究，為溫差發(fā)電器件的性能分析奠定了基礎(chǔ)。

2.1 實(shí)驗(yàn)裝置的建立

半導(dǎo)體溫差發(fā)電裝置性能測試系統(tǒng)如圖2 所示，該系統(tǒng)包括半導(dǎo)體溫差發(fā)電器、滑動變阻器、金屬均熱板、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等，其中半導(dǎo)體溫差發(fā)電器由半導(dǎo)體溫差發(fā)電片、冷卻單元、加熱單元、保溫材料、散熱器組成。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用TEP1－1264 －1.5 型號的半導(dǎo)體溫差發(fā)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(shí)驗(yàn)設(shè)備測量所需參數(shù)，再由計(jì)算機(jī)對測量參數(shù)進(jìn)行分析整理。

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

2.2 溫差發(fā)電裝置輸出功率實(shí)驗(yàn)研究

通過搭建好的半導(dǎo)體溫差發(fā)電裝置性能測試平臺進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)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(jìn)行發(fā)電模塊的輸出功率實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如表1。

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

根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)得到變負(fù)載輸出功率曲線圖，如圖3 所示。

圖3 變負(fù)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(fā)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(fā)電裝置的輸出功率隨著負(fù)載電阻的增大先增加后減小，即存在一個最大值。當(dāng)負(fù)載電阻等于溫差發(fā)電片內(nèi)阻時(shí)，輸出功率才能達(dá)到最大值，為了獲得最大輸出功率，需要選擇最佳匹配負(fù)載。

2.3 不同熱端溫度下溫差發(fā)電裝置的特性研究

從圖3 的曲線分析可以看出，當(dāng)負(fù)載在3.2 Ω左右時(shí)，半導(dǎo)體溫差發(fā)電器件的輸出功率最大，因此該實(shí)驗(yàn)的負(fù)載電阻取為3.2 Ω。本文主要研究溫差發(fā)電器件應(yīng)用于中高溫地?zé)崮茉矗紤]到熱水溫度主要在140 ～160 ℃之間變動，因此將研究重點(diǎn)放在熱端溫度變化范圍在100 ～220 ℃之間。目前，溫差發(fā)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(zhì)量流率，因此冷端采用空冷的溫差發(fā)電裝置的體積比冷端采用水冷的大得多，又根據(jù)參考文獻(xiàn)［9］分析:水冷的效果明顯優(yōu)于空冷。實(shí)驗(yàn)冷卻水取當(dāng)?shù)刈詠硭?shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)匯總?cè)绫?。

表2 單個溫差發(fā)電器件在不同熱端溫度下的參數(shù)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(jù)表2的數(shù)據(jù)，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(guān)性曲線，如圖4 所示，擬合過程中相關(guān)系數(shù)(R-square)為0.992 41，說明最大輸出功率與不同熱端溫度的相關(guān)程度較高，擬合得到的經(jīng)驗(yàn)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(guān)系曲線Fig．4 Maximum output power curve at variable hot-end temperatures

3 地?zé)?溫差發(fā)電系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性分析

3.1 地?zé)?溫差發(fā)電系統(tǒng)的布置

溫差發(fā)電系統(tǒng)是地?zé)?溫差發(fā)電系統(tǒng)的主體部分，其布置的形式合理與否，將會影響系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換效果。再者，因?yàn)榈責(zé)崃黧w中含有一定數(shù)量的H2S 和CO2等酸性氣體和氯離子，對設(shè)備有腐蝕性，而H2S 是其中主要的腐蝕介質(zhì)。當(dāng)這些氣體遇到水和空氣中的氧時(shí)，對設(shè)備的腐蝕作用會加劇。因此應(yīng)提高系統(tǒng)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(zhì)的管材，同時(shí)在設(shè)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(fā)電系統(tǒng)的具體布置如圖5 所示，管材為不銹鋼管，地?zé)崴c循環(huán)水逆流布置。溫差發(fā)電片的型號為TEP1 －1264 －1.5，尺寸為40 mm ×40 mm，陶瓷材質(zhì)。換熱管材形狀處理以溫差器件為準(zhǔn)。

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

在溫差發(fā)電系統(tǒng)的整個換熱單元中，為方便溫差發(fā)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(fā)電器件的個數(shù)為4 000。整個換熱場有60條方形管子組成，則溫差發(fā)電器件總數(shù)為240 000。集成地?zé)?溫差發(fā)電系統(tǒng)設(shè)備的總成本如表3 所示。

表3 地?zé)?溫差發(fā)電系統(tǒng)成本Tab．3 Cost of the geothermal-electric generation system

因?yàn)閳D4 中溫差發(fā)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(shí)驗(yàn)條件下得到的，而在地?zé)?溫差發(fā)電系統(tǒng)中，冷端溫度在5 ℃左右，根據(jù)文獻(xiàn)［12］可知:在相同熱端溫度的情況下，冷端溫度越低，溫差發(fā)電器件的發(fā)電效率越高。由于實(shí)驗(yàn)條件的原因，溫差器件的輸出功率采用圖3 中相同溫差時(shí)的值，做近似計(jì)算。

取熱端溫度為150 ℃，冷端溫度為5 ℃，溫差為145 ℃。根據(jù)擬合的經(jīng)驗(yàn)公式近似計(jì)算得:單個溫差發(fā)電器件的最大輸出功率為

則整個溫差發(fā)電裝置的最大輸出功率為

由于地?zé)?溫差發(fā)電系統(tǒng)組成設(shè)備簡單，組裝方便，其運(yùn)行小時(shí)數(shù)肯定比常規(guī)電站時(shí)間長，取電站每年發(fā)電運(yùn)行小時(shí)數(shù)為6 000 h，則可得電站年發(fā)電量為3 096 000 kW·h 取常規(guī)新能源電價(jià)1元為地?zé)?溫差發(fā)電電站的售電價(jià)格，則電站每年的售電收益P 為309.6 萬元。

3.2 地?zé)?溫差發(fā)電系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性分析

3.2.1 靜態(tài)指標(biāo)分析

(1)投資收益率

投資收益率是靜態(tài)衡量投資方案獲利水平的評價(jià)指標(biāo)，它是投資方案達(dá)到設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力后一個正常生產(chǎn)年份的年凈收益總額與方案投資總額的比率。

項(xiàng)目總投資I 為1 255 萬元;經(jīng)濟(jì)效益額P 為309.6 萬元;設(shè)備折舊期按10 年計(jì)算，則年折舊費(fèi)I'為125.5 萬元;企業(yè)所得稅率r 取25%;能源行業(yè)基準(zhǔn)投資收益率Rc取9%。

凈收益額由公式計(jì)算得:

投資收益率由公式計(jì)算得:

投資收益率R ＞行業(yè)基準(zhǔn)投資收益率Rc，故依據(jù)此項(xiàng)指標(biāo)，該項(xiàng)目投資是可行的。

(2)靜態(tài)資本回收期

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

靜態(tài)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(shí)間為4.8 a。

3.2.2 動態(tài)指標(biāo)分析

(1)財(cái)務(wù)凈現(xiàn)值

財(cái)務(wù)凈現(xiàn)值是反映投資方案在計(jì)算期內(nèi)獲利能力的動態(tài)評價(jià)指標(biāo)。能源行業(yè)的基礎(chǔ)收益率ic的推薦值為6%，財(cái)務(wù)凈現(xiàn)值FNPV 表達(dá)式:

導(dǎo)出計(jì)算式得:FNPV = － I + A［(1 + ic)18－1］/［ic× ( 1 + ic)18］(設(shè)備使用期按18a 計(jì)算)代入數(shù)據(jù)得:FNPV = 1 598.94 由此指標(biāo)可以看出FNPV ＞0 ，則項(xiàng)目也是可行。

(2)動態(tài)投資回收期

動態(tài)投資回收期是指項(xiàng)目以凈效益的現(xiàn)值抵償全部投資所需的時(shí)間。在實(shí)際工程中，用近似公式計(jì)算:

4 結(jié)論

通過上述計(jì)算分析可以得出地?zé)?溫差發(fā)電系統(tǒng)作為一種清潔能源生產(chǎn)形式，有較大的實(shí)用價(jià)值，具有項(xiàng)目投資可行性，但是也存在一些待解決的問題。

(1)能源轉(zhuǎn)化效率低。主要是溫差發(fā)電器件的優(yōu)值系數(shù)低，大多在3%左右，是制約溫差發(fā)電發(fā)展的主要瓶頸。

(2)投資成本高。在現(xiàn)階段，溫差發(fā)電器件的成本較高，商業(yè)化程度較低。在未來，如果溫差器件實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的商業(yè)化，將會大大的推進(jìn)溫差發(fā)電的發(fā)展。

(3)存在大量余熱。在整個地?zé)?溫差發(fā)電系統(tǒng)中存在大量的余熱，在此基礎(chǔ)上可以發(fā)展聯(lián)產(chǎn)聯(lián)供形式，如余熱供熱等，加深能源利用的程度。

總體來說，在節(jié)能減排和推進(jìn)清潔能源利用形式的大背景下，進(jìn)一步發(fā)展地?zé)?溫差發(fā)電形式，不失為一個好的突破方向;同時(shí)這也將為我國地?zé)崮茉吹睦煤蜏夭畎l(fā)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展起到積極的作用。

［1］張金華，魏偉．我國的地?zé)豳Y源分布特征及其利用［J］．中國國土資源經(jīng)濟(jì)，2011，24 (8):23-24，28．Zhang Jinhua，Wei Wei．Discussion on distribution characteristics and utilization of geothermal resources in China［J］．Natural Resource Economics of China，2011，24(8):23-24，28．

［2］廖志杰，吳方之．我國要重視發(fā)展低碳地?zé)岚l(fā)電［J］．地?zé)崮埽?011，(6):3-10．

［3］Dughaish Z H．Lead telluride as a thermoelectric material for thermoelectric power generation ［J］．Physical B:Condensed Matter，2002，322 (1/2):205-223．

［4］Snyder G J，Toberer E S．Complex thermo-electric materials［J］．Nature Materials，2008，(7):105-114．

［5］Woo B C，Lee H W．Relation between electric power and temperature difference for thermoelectric generator［J］．International Journal of Modern Physics B，2003，17 (8/9):1421-1426．

［6］黃銀盛，朱冬生．溫差發(fā)電技術(shù)的發(fā)展與展望［J］．創(chuàng)新(深圳)，2010，(3):35-38．

［7］劉政修．城市再生水在循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的應(yīng)用［J］．電力科學(xué)與工程，2008，24 (6):19-22．Liu Zhengxiu ．Application of urban reused water in circulating cooling water system ［J］．Electric Power Science and Engineering，2008，24 (6):19-22．

［8］劉志江，吳方之．西藏羊八井地?zé)岚l(fā)電技術(shù)的發(fā)展［J］．動力工程，1989，9 (2):57 -60，68．

［9］王長宏，林濤，林明標(biāo)，等．太陽能溫差發(fā)電系統(tǒng)熱電性能的分析［J］．廣東工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，28 (2):47-50．Wang Changhong，Lin Tao，Lin Mingbiao，et al．Analysis of thermoelectric properties of the solar thermal power system［J］．Journal of Cuangdong University of Technology，2011，28 (2):47-50．

［10］彭第，孫友宏，潘殿琦．地?zé)岚l(fā)電技術(shù)及其應(yīng)用前景［J］．可再生能源，2008，26 (6):106-110．Peng Di，Sun Youhong，Pan Dianqi．Geothermal power technology and its application prospect ［J］．Renewable Energy Resources，2008，26 (6):106-110．

［11］周大吉．西藏羊八井地?zé)岚l(fā)電站的運(yùn)行、問題及對策［J］．電力建設(shè)，2003，24 (10):1-3，9．Zhou Daji．Operation，problems and counter measures of Yangbajing geothermal power station in Tibet ［J］．Electric Power Construction，2003，24 (10):1-3，9．

［12］鄭文波，王禹，吳知非，等．溫差發(fā)電器熱電性能測試平臺的搭建［J］．實(shí)驗(yàn)技術(shù)和管理，2006，23(11):62-65．Zheng Wenbo，Wang Yu，Wu Zhifei，et al．Testing platform for the thermoelectric properties of thermoelectric generators ［J］．Experimental Technology and Management，2006，23 (11):62-65．