一种多区域复合型原位地热发电系统的制作方法

一种多区域复合型原位地热发电系统
一、技术领域
[0001]
本发明涉及地热发电领域，具体是一种多区域复合型原位地热发电系统。
二、

背景技术：

[0002]
地热是一种新型的洁净能源，分布广泛，蕴藏量丰富。用地热来进行发电，产生的污染很少并且能源可再生，发电单位成本低。因此，地热发电越来越多地受到关注和利用。申请号cn202010112988.6《一种原位地热发电系统》，提供了一种原位地热发电系统，包括热管、热电温差发电装置和磁悬浮发电装置。直接将热管深埋于地下，热管位于地热源处，一方面，位于热管下段的热电温差发电装置能够直接将地热能转化为电能，另一方面，循环工质在相变为气态工质的过程中，所形成向上的汽态工质会驱动位于热管中部的磁悬浮发电装置，将地热能转化为机械能再转化为电能，具有原位地热发电、能量损耗低和发电效率高等优点。申请号：cn201711393103.9《原位地热热电发电装置集成一体化系统》提供了一种原位地热热电发电装置集成一体化系统，由最外层的防护层、处于中间进行传热的高导热凝胶层和最内层的冷水循环管构成。热电装置无机械转动部分，工作无噪声，将热能直接转化为电能，不产生机械能损耗，在深地、地表温泉等不同品位热源处都能进行热电转换发电。虽然上述申请具有独到的优点，但是均存在下述共同的问题：
[0003]
(1)没有考虑深地地热井施工需求；
[0004]
(2)发电效率还可以进一步提高。
三、

技术实现要素：

[0005]
本发明的目的是针对现有技术的不足提供一种多区域复合型原位地热发电系统。
[0006]
本发明的目的是这样达到的：系统在地表工质冷凝区域、深部原位磁悬浮发电区域、深部原位热伏发电区域共三个区域，同时采用热伏发电和磁悬浮发电两个发电阶段进行原位地热发电。三区域均有不同的发电模块。深部原位热伏发电区域模块设置在地热水中，地表工质冷凝区域模块设置在地表或者河流、湖、海中，深部原位磁悬浮发电区域模块设置在深部原位热伏发电区域模块与地表工质冷凝区域模块之间。
[0007]
深部原位热伏发电管由深部原位热伏发电管外壳、深部原位热伏发电模块、深部原位热伏发电模块内层、深部原位热伏发电模块密封圈构成。
[0008]
深部原位热伏发电管外壳为管状结构，采用导热性好的金属材料制作。下端加工成内螺纹，称为深部原位热伏发电管内螺纹。上端加工成外螺纹，称为深部原位热伏发电管外螺纹。深部原位热伏发电管内螺纹与深部原位热伏发电管外螺纹匹配，使得相邻深部原位热伏发电管旋合，旋合后构成一个管状结构，旋合时加入密封圈，使得相邻深部原位热伏发电管旋合连接处密封连接；最下端的深部原位热伏发电管内螺纹旋合一个深部底端盖板，旋合时加入密封圈，使得底端盖板与最下端的深部原位热伏发电管密封连接；根据深部原位热伏发电区域模块长度确定深部原位热伏发电管的个数，相邻深部原位热伏发电管旋合，构成所需要长度的深部原位热伏发电区域模块。
[0009]
深部原位热伏发电模块由多个温差发电芯片构成，温差发电芯片的热端焊接在深部原位热伏发电管外壳内侧，温差发电芯片的冷端焊接在深部原位热伏发电模块内层外侧；温差发电芯片在水平方向和垂直方向对齐排列，水平方向成行，垂直方向成列；每行温差发电芯片个数相同，每列温差发电芯片个数相同；每行温差发电芯片之间连接关系为串联；各行温差发电芯片之间串联后，两端有电源输出端子，根据电源输出端子的电压的不同，电位高的输出端子称为行正极，电位低的输出端子称为行负极。，所有行的行正极短路连接，构成深部原位热伏发电管的发电管正极，所有行的行负极短路连接，构成深部原位热伏发电管的发电管负极，发电管正极与发电管负极为深部原位热伏发电管电源输出端。所有深部原位热伏发电管的电源输出端，采用串联或并联的方式连接；
[0010]
深部原位热伏发电模块内层为管状结构，由金属材料构成，上端与深部原位热伏发电管外壳平齐；外径为深部原位热伏发电管外壳内径减去2倍热伏发电模块的管壁厚度。
[0011]
在深部原位热伏发电管上端和下端，有深部原位热伏发电模块密封圈，嵌入深部原位热伏发电管外壳和深部原位热伏发电模块内层中间，用橡胶材料制作，用于将深部原位热伏发电模块密封。深部底端盖板为金属圆柱状，外径与深部原位热伏发电管外壳外径相同，上端加工成外螺纹，与深部原位热伏发电管内螺纹匹配。
[0012]
深部原位磁悬浮发电区域模块由下绝热段、上绝热段、磁悬浮发电段构成，电能单独输出。
[0013]
深部原位磁悬浮发电区域模块中，下绝热段、上绝热段为绝热管结构，绝热管采用导热系数低、弹性模量高的材料制作。
[0014]
绝热管外径与深部原位热伏发电管外壳外径相同，绝热管内径与深部原位热伏发电模块内层内径相同；上端加工成绝热管上端外螺纹，与深部原位热伏发电管外螺纹规格相同，下端加工成绝热管下端内螺纹，与深部原位热伏发电管内螺纹规格相同；
[0015]
磁悬浮发电段由磁悬浮发电管构成，旋合在下绝热段上端，磁悬浮发电管内设磁悬浮发电机；磁悬浮发电机置于在发电机主轴上端，安装在发电机支撑架的发电机紧固支架内，支撑磁铁安装在支撑磁铁支撑架的支撑磁铁紧固支架内；发电机支撑架的管壁支撑架粘接在绝热管内侧；支撑磁铁支撑架的管壁支撑架251粘接在绝热管内侧。
[0016]
发电机主轴为圆柱状，由磁导率底的金属材料构成，主轴下端安装叶轮；在发电机主轴上安装有上主轴磁铁和下主轴磁铁。上主轴磁铁和下主轴磁铁均为管状，内径与发电机主轴外径相同，紧固安装在发电机主轴上，极性方向为上下方向，且极性方向相同，同为上南下北，或者下北上南。
[0017]
在上主轴磁铁和下主轴磁铁间还有支撑磁铁，支撑磁铁为管状，内径大于主轴外径，小于上磁铁外径，并穿过主轴，处于上磁铁和下磁铁中间，极性方向为上下方向，且与上磁铁方向反；叶轮安装在发电机主轴最下边。
[0018]
磁悬浮发电机由发电机支撑架支撑，发电机支撑架由管壁支撑架、发电机紧固支架，发电机支撑板构成；管壁支撑架、发电机紧固支架为管状结构；管壁支撑架外径与绝热管内径相同；发电机紧固支架内径与发电机外径相同；发电机支撑板有四个，成90度排列，连接管壁支撑架和发电机紧固支架，使之称为一个整体。
[0019]
所述支撑磁铁由支撑磁铁支撑架支撑，支撑磁铁支撑架由支撑磁铁管壁支撑架、支撑磁铁紧固支架，支撑磁铁支撑板构成；支撑磁铁管壁支撑架、支撑磁铁紧固支架为管状
结构；支撑磁铁管壁支撑架外径与绝热管内径相同；支撑磁铁紧固支架内径与支撑磁铁外径相同；四个支撑磁铁支撑板成90度排列，连接支撑磁铁管壁支撑架和支撑磁铁紧固支架，使之称为一个整体。
[0020]
深部原位磁悬浮发电区域模块中，下绝热段根据下绝热段长度需要，下绝热段由若干根绝热管旋合而成，最下端绝热管旋合在最上端的深部原位热伏发电管上。
[0021]
所述上绝热段根据上绝热段长度需要，上绝热段由若干根绝热管旋合而成，最下端绝热管旋合在磁悬浮发电段上。
[0022]
所述磁悬浮发电段旋合在下绝热段上端。
[0023]
上述绝热管、磁悬浮发电段、深部原位热伏发电管之间旋合时，需加入密封圈，使得相邻各类管旋合时，旋合处密封。
[0024]
地表工质冷凝区域模块由地表工质冷凝区外壳、地表工质冷凝区热伏发电模块、地表工质冷凝区内层、地表工质冷凝区密封圈、地表工质冷凝区内螺纹、工质注入管、真空抽吸管、肋片、地表工质冷凝区顶端盖板构成，电能单独输出。
[0025]
地表工质冷凝区域模块中，地表工质冷凝区外壳为管状结构，采用导热性好的金属材料制作，下端加工成地表工质冷凝区内螺纹，地表工质冷凝区内螺纹与绝热管上端外螺纹匹配，使得地表工质冷凝区域模块与绝热管之间旋合。
[0026]
所述地表工质冷凝区热伏发电模块由多个温差发电芯片构成；温差发电芯片的热端焊接在地表工质冷凝区内层外侧，温差发电芯片的冷端焊接在地表工质冷凝区外壳内侧；温差发电芯片在水平方向和垂直方向对齐排列，水平方向成行，垂直方向成列；每行温差发电芯片个数相同，每列温差发电芯片个数相同；每行温差发电芯片之间连接关系为串联。
[0027]
各行温差发电芯片之间串联后，两端有电源输出端子，根据电源输出端子的电压的不同，电位高的输出端子称为行正极，电位低的输出端子称为行负极。，所有行的行正极短路连接，构成地表工质冷凝区的电源输出正极，所有行的行负极短路连接，构成地表工质冷凝区的电源输出负极。
[0028]
所述地表工质冷凝区内层为管状结构，由金属材料构成，上端与地表工质冷凝区外壳平齐；外径为地表工质冷凝区外壳内径减去2倍地表工质冷凝区热伏发电模块的厚度。
[0029]
所述地表工质冷凝区顶端盖板为圆盘状，直径与地表工质冷凝区外壳外径相同，焊接在地表工质冷凝区外壳上边，焊接后地表工质冷凝区顶端盖板与地表工质冷凝区外壳之间密封；地表工质冷凝区顶端盖板上有工质注入管和真空抽吸管。
[0030]
所述肋片为环状，采用金属材料，肋片内径与地表工质冷凝区外壳外径相等；多个肋片焊接在地表工质冷凝区外壳上。
[0031]
在地表工质冷凝区域模块上端和下端，有地表工质冷凝区密封圈，嵌入地表工质冷凝区外壳和地表工质冷凝区内层中间，用橡胶材料制作，使得地表工质冷凝区热伏发电模块密封。
[0032]
本发明的积极效果是：
[0033]
(1)采用地表工质冷凝区域、深部原位磁悬浮发电区域、深部原位热伏发电区域共三个区域的发电方式，以提高发电效率；
[0034]
(2)采用热伏发电和磁悬浮发电两个发电阶段，根据三区域环境特征选择高效率
发电模式；
[0035]
(3)取热不取水，保护资源与环境；
[0036]
(4)采用管状旋合结构设计，便于深地施工。
四、附图说明
[0037]
图1是本发明系统的总体结构图。
[0038]
图2是深部原位热伏发电区域模块中的深部原位热伏发电管结构示意图。
[0039]
图3是深部原位磁悬浮发电区域模块示意图。
[0040]
图4是深部原位磁悬浮发电区域模块绝热管示意图。
[0041]
图5是磁悬浮发电机示意图。
[0042]
图6是磁悬浮发电机支撑架。
[0043]
图7是支撑磁铁支撑架。
[0044]
图8是磁悬浮发电管设计示意图。
[0045]
图9地表工质冷凝区域模块示意图。
[0046]
图中，1深部原位热伏发电区域模块，2深部原位磁悬浮发电区域模块，3地表工质冷凝区域模，901大地，902地热水，111深部原位热伏发电管外壳，112深部原位热伏发电模块，113深部原位热伏发电模块内层，114-1、114-2深部原位热伏发电模块密封圈，115深部原位热伏发电管内螺纹，116深部原位热伏发电管外螺纹，201绝热管，202绝热管上端外螺纹，203绝热管下端内螺纹，210下绝热段，220上绝热段，230磁悬浮发电段，231发电机，232发电机主轴，233主轴上磁铁，234支撑磁铁，235主轴下磁铁，236叶轮，240发电机支撑架，241管壁支撑架，242发电机紧固支架，243-1、243-2、243-3、243-4发电机支撑板，250支撑磁铁支撑架，251支撑磁铁管壁支撑架，252支撑磁铁紧固支架，253-1、253-2、253-3、253-4支撑磁铁支撑板，311地表工质冷凝区外壳，312地表工质冷凝区热伏发电模块，313地表工质冷凝区内层，314-1、314-2地表工质冷凝区密封圈，315地表工质冷凝区内螺纹，316工质注入管，317真空抽吸管，318-1～318-n肋片，320地表工质冷凝区顶端盖板。
五、具体实施方式
[0047]
附图给出了发明的一个实施例。
[0048]
参见附图1。
[0049]
系统有地表工质冷凝区域、深部原位磁悬浮发电区域、深部原位热伏发电区域共三个区域，同时采用热伏发电和磁悬浮发电两个发电阶段进行原位地热发电；三区域均有不同的发电模块；深部原位热伏发电区域模块1设置在地热水中，地表工质冷凝区域模块3设置在地表或者河流、湖、海中，深部原位磁悬浮发电区域模块2设置在深部原位热伏发电区域模块1与地表工质冷凝区域模块3之间。
[0050]
参见附图2。
[0051]
深部原位热伏发电区域模块1由数个深部原位热伏发电管和深部底端盖板构成。各深部原位热伏发电管之间的电能采用并联、串联或并联串联组合后输出。
[0052]
所述深部原位热伏发电管由深部原位热伏发电管外壳111、深部原位热伏发电模块112、深部原位热伏发电模块内层113、深部原位热伏发电模块密封114-1～114-2构成。
[0053]
深部原位热伏发电管外壳111为管状结构，采用导热性好的金属材料制作，本实施例采用铝合金。下端加工成内螺纹，称为深部原位热伏发电管内螺纹115；上端加工成外螺纹，称为深部原位热伏发电管外螺纹116。深部原位热伏发电管内螺纹115与深部原位热伏发电管外螺纹116匹配，使得相邻深部原位热伏发电管旋合，旋合后构成一个管状结构；最下端的深部原位热伏发电管内螺纹旋合一个深部底端盖板；根据深部原位热伏发电区域模块长度确定深部原位热伏发电管的个数，相邻深部原位热伏发电管旋合，构成所需要长度的深部原位热伏发电区域模块。
[0054]
所述深部原位热伏发电模块112由多个温差发电芯片构成，本实施例选择湖北赛格瑞新能源科技有限公司生产的温差发电芯片，型号：teg1-19913。
[0055]
温差发电芯片的热端焊接在深部原位热伏发电管外壳内侧，温差发电芯片的冷端焊接在深部原位热伏发电模块内层外侧；温差发电芯片在水平方向和垂直方向对齐排列，水平方向成行，垂直方向成列；每行温差发电芯片个数相同，每列温差发电芯片个数相同；每行温差发电芯片之间连接关系为串联；各行温差发电芯片之间串联后，每行的输出电源线之间并联；构成深部原位热伏发电管电源输出端。
[0056]
在深部原位热伏发电管上端和下端，有深部原位热伏发电模块密封圈，嵌入深部原位热伏发电管外壳和深部原位热伏发电模块内层中间，用橡胶材料制作，用于将深部原位热伏发电模块密封。深部底端盖板为圆柱状金属，本实施例采用铝合金。外径与深部原位热伏发电管外壳外径相同，上端加工成外螺纹，与深部原位热伏发电管内螺纹匹配。
[0057]
深部原位热伏发电模块内层113为管状结构，由金属材料构成，本实施例采用铝合金；上端与深部原位热伏发电管外壳平齐；外径为深部原位热伏发电管外壳内径减去2倍管壁型热伏发电模块的厚度。
[0058]
参见附图3。
[0059]
深部原位磁悬浮发电区域模块2由下绝热段210、上绝热段220、磁悬浮发电段230构成，电能单独输出。
[0060]
深部原位磁悬浮发电区域模块2中，下绝热段210、上绝热段220为绝热管201结构，绝热管201采用导热系数低、弹性模量高的材料制作，本实施例采用玻璃纤维复合材料。
[0061]
参加附图4、5。
[0062]
绝热管201外径与深部原位热伏发电管外壳111外径相同，绝热管内径与深部原位热伏发电模块内层相同；上端加工成绝热管上端外螺纹202，与深部原位热伏发电管外螺纹规格相同，下端加工成绝热管下端内螺纹203，与深部原位热伏发电管内螺纹规格相同。
[0063]
磁悬浮发电段230由磁悬浮发电管构成，旋合在下绝热段上端，磁悬浮发电管内设磁悬浮发电机231；磁悬浮发电机231置于在发电机主轴232上，安装在发电机支撑架240的发电机紧固支架252内，支撑磁铁安装在支撑磁铁紧固支架252；发电机支撑架的管壁支撑架241粘接在绝热管内侧；支撑磁铁管壁支撑架251粘接在绝热管内侧。
[0064]
参见附图6、7。
[0065]
发电机支撑架由管壁支撑架241、发电机紧固支架242，发电机支撑板243-1、243-2、243-3、243-4构成。管壁支撑架241、发电机紧固支架242为管状结构；管壁支撑架外径与传热段连接管内径相同；发电机紧固支架内径与发电机外径相同；发电机支撑板有四个，成九十度排列，连接管壁支撑架和发电机紧固支架，使之称为一个整体。
[0066]
支撑磁铁支撑架由支撑磁铁管壁支撑架251、支撑磁铁紧固支架252，支撑磁铁支撑板253-1、253-2、253-3、253-4构成。支撑磁铁管壁支撑架、支撑磁铁紧固支架为管状结构；支撑磁铁管壁支撑架外径与传热段连接管内径相同；支撑磁铁紧固支架内径与支撑磁铁外径相同；支撑磁铁支撑板有四个，成九十度排列，连接支撑磁铁管壁支撑架和支撑磁铁紧固支架，使之称为一个整体。
[0067]
参见附图8。
[0068]
磁悬浮发电机231置于在发电机主轴232上，安装在发电机支撑架240的发电机紧固支架252内，支撑磁铁安装在支撑磁铁紧固支架252；发电机支撑架的管壁支撑架241粘接在绝热管内侧；支撑磁铁管壁支撑架251粘接在绝热管内侧。
[0069]
参见附图9。
[0070]
地表工质冷凝区域模块由地表工质冷凝区外壳311、地表工质冷凝区热伏发电模块312、地表工质冷凝区内层313、地表工质冷凝区密封圈314-1314-2、地表工质冷凝区内螺纹315、工质注入管316、真空抽吸管317、肋片318-1、318-2、318-n构成。
[0071]
地表工质冷凝区外壳311为管状结构，采用导热性好的金属材料制作，本实施例采用铝合金制作。地表工质冷凝区外壳下端加工成地表工质冷凝区内螺纹315，地表工质冷凝区内螺纹与绝热管上端外螺纹匹配，使得地表工质冷凝区域模块与绝热管之间旋合。
[0072]
地表工质冷凝区热伏发电模块312由多个温差发电芯片构成；温差发电芯片的热端焊接在地表工质冷凝区内层313外侧，温差发电芯片的冷端焊接在地表工质冷凝区外壳311内侧；温差发电芯片在水平方向和垂直方向对齐排列，水平方向成行，垂直方向成列；每行温差发电芯片个数相同，每列温差发电芯片个数相同；每行温差发电芯片之间连接关系为串联；各行温差发电芯片之间串联后，每行的输出电源线之间并联。构成深部原位热伏发电管电源输出端。
[0073]
所述地表工质冷凝区内层313为管状结构，由金属材料构成，上端与地表工质冷凝区外壳311平齐；外径为地表工质冷凝区外壳内径减去2倍管壁型热伏发电模块的厚度。
[0074]
所述地表工质冷凝区顶端盖板320为圆盘状，直径与地表工质冷凝区外壳311外径相同，焊接在地表工质冷凝区外壳上边；地表工质冷凝区顶端盖板320上有工质注入管和真空抽吸管。
[0075]
所述肋片318-1～318-n为环状，采用金属材料，肋片内径与地表工质冷凝区外壳311外径相等；多个肋片焊接在地表工质冷凝区外壳上。
[0076]
在地表工质冷凝区域模块3上端和下端，有地表工质冷凝区密封圈314-1、314-2，嵌入地表工质冷凝区外壳311和地表工质冷凝区内层313中间，用橡胶材料制作，将深部原位热伏发电模块密封。