專利名稱：地下自給式地熱發電機的制作方法
技術領域：
一般而言，本發明涉及一種地下自給式地熱發電機(self-containin-ground geothermal generator)；本發明同時也涉及有效使用地熱能量的方法。
現有技術地熱是一種可更新的能源，其可能由起區域地震和山脈升高的地殼活動所產生。 取之不盡的地熱可以用來進行地熱發電。地球的外殼巖石圈由地殼和上地幔組成，在更熱和更有彈性的上地幔區域之上、地殼之下的區域，叫做軟流圈。地殼的厚度從幾英里到大約 150英里不等。被地表之下深處的巖漿加熱的石頭——有時會達到華氏700度——煮沸蓄積在地下儲水層里的水。這種由地熱加熱的水一部分流經地下的斷層和裂縫，到達地球表面，形成溫泉或者熱的間歇噴泉，但是其中的大部分留在地下深處，蓄積在裂縫和巖石的孔洞中。這種熱水的自然蓄積叫做地熱蓄積庫。人們已經通過自然的溫泉來體驗地熱的這種活動。當前，人們通過鉆井到地熱蓄積庫將熱水輸送到地表。在地熱發電裝置，這種熱水以管道抽到地表。然后，除掉二氧化硅以后，生成蒸汽并用蒸汽來使透平旋轉以產生機械能。連接透平與發電機的軸將機械能轉化為電能。用過的地下熱水隨后沿著注射井返回儲積層重新加熱，以維持壓力并保持儲積層的水量。有三種地熱發電裝置。人們根據儲積層的溫度和壓力來選擇地熱發電裝置的種類。1、“干”的地熱蒸汽庫只產生蒸汽和非常少量的水。蒸汽直接以管道抽到“干”的蒸汽發電裝置，以提供驅動透平發電機旋轉的力。世界上最大的干的蒸汽田位于TheGeysers， 其位于舊金山北部大約90英里。The Geysers的發電開始于1960年，該項目是歷史上最成功的可替代能源項目。2、主要提供熱水的地熱蓄積庫叫做“地下熱水庫”，其用于“閃蒸 (flash) ”能源工廠。溫度在華氏300-700度范圍內的水通過生產井輸送到地表，在生產井中，由于從深層熱水庫的壓力中釋放，一些水通過分離裝置除掉二氧化硅以后，瞬間進入蒸汽狀態。這些蒸汽為透平提供動力。3、溫度在華氏250-360度之間的蓄積庫由于不夠熱， 不足以瞬間產生足夠的蒸汽，但是仍然可以用于在“雙循環(binary)”發電裝置中發電。在雙循環系統中，地下熱水經過熱交換器，在熱交換器中地下熱水的熱量被轉換進第二液體， 例如沸點低于水的異戊烷。當受到加熱，第二液體瞬間進入蒸汽狀態，其如同蒸汽，向四周擴展，并且驅動透平葉片旋轉。異戊烷蒸汽隨后凝結為液體，并且反復循環利用。在這個封閉回路的循環圈中，不產生排放到空氣中的排放物。其同時被證明是一種相對清潔的能源。幾十年來，位于地震和火山區域的超過30
5個國家已廣泛使用地熱能源。發展地熱能源受限于地理位置。地熱資源限于地殼板塊分界線處的淺層地下熱水庫。世界上的大部分地熱資源位于熱干巖石之下(3-6英里)，其沒有水，但是卻有大量的熱量。當前，世界上許多國家關注熱干巖石的熱量，以滿足其未來的能量需求。世界上的一些地區，蒸汽距離地表不像The Geysers那么近，工程師正在進行名為“熱干巖石技術”的實驗進程。在熱干巖石地熱技術中，位于地殼下方深處的高溫巖石里并沒有蒸汽，因此美國、 日本、英國、法國、比利時和澳大利亞的科學家，已經進行實驗，通過管道將水送進這些深埋于地下的高溫巖石中，以產生更多的熱水資源，供地熱發電裝置使用。最簡單的熱干巖石能量工廠包括一口注射井和兩口生產井。他們所嘗試的是，向下鉆一口注射井到巖石，并且沿著注射井、在壓力下、注射他們在地表發現的任何水源，希望這些水能穿過位于高溫花崗巖中、作為地下熱交換器的、 形狀不一的裂縫，以提供地下水庫，然后在周圍鉆更多的生產井，試著重新獲得這些水和蒸汽，并將其泵送到地表，在常規或“雙循環”的發電裝置中使用。18世紀燃煤蒸汽發動機的發明徹底改革了工業生產的方式，并打開了鐵路和海運的機械運輸大門。盡管石油已經代替了煤成為許多設備的燃料，并且往復式引擎已經讓位于蒸汽透平，但使用高壓、過熱水蒸汽的現代蒸汽發動機，仍然是發電和船舶推進裝置的主要能源。主要用于石油工業和地熱工廠的現代鉆井，使用旋轉鉆頭進行鉆井，其深度可以超過38000英尺(12000米)。可以在地球上鉆出直徑為5-30英寸(13-76cm)的鉆井。鉆井技術日新月異。因此，有必要提供一種地熱能源領域的裝置和方法，其能使用當今的鉆井技術，有效地利用地殼中巨大的熱量資源。
發明內容
本發明是一種有效利用無限的地熱能量供應的新方法。本發明涉及一種地下自給式地熱發電機，其利用可更新的地熱資源持續產生電能。該發電機不像現有的地熱發電裝置那樣僅限于利用“淺層”的地下熱水庫。通過將帶有的繩纜發電機降入預先鉆好的井中，使其達到指定深度和指定溫度， 地熱能量就變得可控，發電就變成可行。電能是由位于地下裝置中的發電機產生，然后通過電纜向上傳送到地表。相對便宜和清潔的電能持續不斷地從可更新的地熱熱源產生，除了家庭和商業的一般用途外，還可以用于制造氫氣，氫氣可以作為包括自動化工業的許多實際應用中的清潔能源，或者用于為電動車輛的電池充電，并最終替代接近耗盡的、昂貴的、污染嚴重的石油、煤和其它用于發電的化石燃料，也可以替代產生有毒廢棄物的核電站。地下自給式地熱發電機為細長圓柱形，其縱向布置，可隨繩纜系統降低到地下深處預先鉆好的井中。該自給發電機包括具有水的鍋爐、透平、齒輪箱、發電機、具有管道系統以將水送回鍋爐的冷凝器、用于將電能向上傳送到地表的電線、冷卻系統，其中冷卻系統包括一個獨立的封閉回路管道系統，其連接于位于地表的熱交換器。地下自給式地熱發電機同時具有結構內筒和結構外筒。結構內筒和結構外筒之間的空間以及位于該空間內的多條管道是冷凝器的一部分，冷凝器用于冷卻使用后的蒸汽， 并將使用后的蒸汽轉化為液體狀態并將其作為鍋爐給水送回鍋爐重新加熱。在這種使用地熱發電機的方法中，由于位于地面以下的預先鉆好的井中的高溫巖石的熱量，鍋爐中的水被轉化為高壓、過熱的蒸汽。該蒸汽被用于發電，所發的電通過電線被向上傳送到地表。冷卻系統是一個封閉回路管道，其通過使水在冷凝器的外腔循環來冷卻位于結構外筒和結構內筒之間的冷凝器，隨后將熱量向上傳送到地表。位于地表的熱量隨后在“雙循環”發電裝置中通過幾個熱交換器組成的系統進行額外發電。冷凝器的外腔包圍并冷卻透平和發電機部分。可選地，位于地表的熱交換器可用于加熱單獨的建筑物。自給地熱發電機的冷卻系統是一個獨立的封閉回路管道系統，其作為一個可選系統，可以修改為熱交換器并獨立運行。也就是說，其可以使水通過盤管循環(其位于地下， 實現熱交換器的功能)，代替使水通過位于外筒和內筒之間的冷凝器循環，然后通過熱交換器系統在地表交換熱量。這兩種封閉回路系統(地下自給式地熱發電機的冷卻系統和地下的獨立熱交換器)具有至少一個水泵，以通過管線提供液體循環，并降低封閉回路系統下部的流體靜壓力。位于地震火山帶的許多國家的許多地區，從地表向下相對較短的距離即可到達高
溫石石ο將自給地熱發電機降低到地下深處的高溫巖石。鍋爐的底部部分可以具有垂直的鋸齒形凹槽(groves)以增加其傳導面，進而增加從高溫巖石到鍋爐內的水的熱傳導，該熱傳導生成高壓過熱的蒸汽，用來驅動透平轉動。透平的軸是固體軸，并且連接于發電機的轉子的軸，該轉子的軸為圓筒形軸， 其在發電機內轉動并發電。圓筒形的轉子軸允許蒸汽通過并到達冷凝器的配送器 (distributor).圓筒形的轉子軸同時可作為次級透平使用。其內壁連接有次級小葉片，該次級小葉片的位置能增加轉子的轉動。使用之后的蒸汽隨后通過管道系統到達冷凝器，在冷凝器中蒸汽冷凝并通過給水水箱作為鍋爐給水回到鍋爐。這一過程反復進行，并由兩套蒸汽控制閥和鍋爐給水泵調節，其中蒸汽控制閥和鍋爐給水泵可由壓力或溫度自動啟動， 或由傳感器和位于地表控制室內的電腦電啟動。位于透平和發電機之間的齒輪箱或轉換器的目的，為通過改變發電機的轉子的方向抵消旋轉的透平產生的扭矩(momentum)。這樣發電機的轉子的旋轉方向與主透平相反。在整個組件降低到井的底部后，地下自給式地熱發電機的鍋爐通過單獨的管道充滿水，以減少下降過程中整個組件的重量。相同的管道也用于供應、維持、調節鍋爐內的必要水位。冷凝器包圍和冷卻除了鍋爐之外的透平和電磁發電機，其被熱阻絕熱層與外部高溫巖石的熱量隔絕。附加的外圍絕熱層可以為鋁箔。整個地下自給式地熱發電機組件可做防銹處理。組件的鍋爐可以注入除了水以外的其它液體，例如沸點低于水的異戊烷，以使設備在較淺的深度和較低的溫度發揮作用。
同樣，冷凝器的冷卻劑可以為除了水以外的其它沸點高于水的液體。設備的頂部可以加設遞升的變壓器；或者遞升的變壓器可以與組件分離，并用單獨的繩纜運載，以降低組件的重量。若需要，可增加幾臺變壓器，并設置于必要的距離(高度)。(變壓器在圖中未示)。在電力被傳送到地表以及向家庭和商業送電的輸電線路之前，變壓器中的電壓增加。如果需要，在鍋爐內有一個安全檢查閥門，用于在緊急情況例如控制閥故障時，釋放蒸汽。組件的每個部分均有凸出的緊固銷，以便于在下降或提升組件的過程中，能用單獨的繩纜吊起部分組件，從而降低主繩纜的拉力。內筒和外筒之間有結構骨架，以提高組件在高壓環境下的結構完整性。在準備下降的過程中，所有的部分可以在地面上焊接或者栓接。所有的承重繩纜、供水管道、冷卻劑管道、控制線路和電線都具有合適的長度，以方便連接和重新連接。鉆井完成之后，長期性或暫時性的塔可以建有滑輪系統，以降低或提升組件。地熱能量的潛力是巨大的。地球具有無限的能量供應。問題在于，直到現在，如何有效利用這種能量。使用本發明，地下自給式地熱發電機，人們將能夠利用蘊藏于地殼中的巨大能量資源。本發明的一個目的是提供相對便宜和清潔的電能的方法，該電能由可更新的地熱熱源不斷生成——不限于“淺層”地下熱水庫。除了家庭和商業的普通用途，還可以用于制造氫氣，氫氣可以作為包括自動化工業的許多實際應用中的清潔能源，甚至代替接近耗盡的、昂貴的、污染嚴重的石油、煤和其它用于發電的化石燃料。也可以代替產生有毒廢棄物的核電站。本發明的另一個目的是提供一種地下自給式地熱發電機。本發明進一步的目的是提供一種地熱發電機，其縱向布置，包括具有水的鍋爐、透平、發電機、冷凝器，其中冷凝器帶有管道系統，以使鍋爐給水流回鍋爐。本發明進一步的目的是提供齒輪箱(轉換器)，其位于透平和發電機之間，通過改變發電機的轉子的方向，使其旋轉的方向與主透平的方向相反，以抵消旋轉的透平產生的扭矩。本發明的另一個目的是冷卻系統為獨立的封閉回路管道，其具有至少兩個熱交換器位于井下的第一熱交換器和位于地表的第二熱交換器。第一熱交換器通過使冷水經過冷凝器的外腔循環(冷凝器位于外筒和內筒之間)，從冷凝器吸收熱量，然后將熱量向上傳送到地表，在地表通過為盤管的第二熱交換器進行熱量交換，然后冷卻后的水再次回到冷凝器。本發明進一步的目的是獨立的封閉回路管道，其具有至少一個泵以使水經過系統循環，并降低流體靜壓力。本發明進一步的目的是可選的、獨立的封閉回路管道，其至少具有兩個熱交換器 第一個熱交換器為位于井下的盤管，第二個熱交換器是位于地表的盤管。第一個熱交換器通過使冷水經過熱交換器(盤管)循環，從周圍的高溫巖石吸收熱量，然后將熱量向上傳輸到地表，在地表熱量通過第二熱交換器(盤管)進行交換。本發明進一步的目的是獨立的封閉回路管道具有至少一個泵，以使水經過系統進行循環，并降低流體靜壓力(管道內的速度和壓力是常量。P(壓力)xv(速度)=常量。 更大的速度=更小的壓力)本發明進一步的目的是兩個封閉回路系統中的每一個(地下自給式地熱發電機的冷卻系統和獨立的地下熱交換器)，均提供細長圓柱形的設計，其能在單獨的井中發揮作用。本發明的另一個目的為提供帶有冷卻腔的結構外筒和結構內筒，冷凝器位于二者之間，其環繞并冷卻透平和發電機部分。本發明進一步的目的是結構外筒和結構內筒設置有結構骨架，以提高組件在高壓環境下的結構完整性。本發明進一步的目的是所有的承重繩纜、供水管道、冷卻劑管道、控制電線、電線均具有合適的長度，以能夠方便的連接和重新連接繩纜連接平臺。本發明進一步的目的是鍋爐的結構外筒具有外部和內部的鋸齒形凹槽，以增加傳導面，增加從水到鍋爐的熱傳導。本發明的另一個目的是可以在整個組件降低到井的底部以后，通過單獨的軟管向地下自給式地熱發電機的鍋爐注水，以降低下降過程中的整個組件的重量。本發明的另一個目的是地下自給式地熱發電機的鍋爐內的必要水位可以通過位于地表的控制室提供并調節。本發明進一步的目的是冷凝器包圍并冷卻除了鍋爐的整個設備，其被熱阻絕熱層與外部的高溫巖石的熱量隔絕。本發明的另一個目的是組件的每個部分均設有凸出的緊固銷，其可以被單獨的次繩纜吊起，以在下降或提升組件的過程中，減少主繩纜的拉力。本發明的一個目的是通過將設備用繩纜降低到預先鉆好的井中具有指定溫度的指定高度，地熱能量變得可控，并能得到相對便宜的電能。本發明進一步的目的是由位于地下的設備中的發電機發電，并通過電線將所發的電傳送到地表。本發明進一步的目的是如果地熱發電裝置位于多風區域，組裝的塔可以作為風力機平臺，本發明進一步的目的是這種發電的方法可以用于可能發生的地球氣候危機，例如冰河世紀中，在使用人造光和熱的溫室中繼續進行的快速農業。本發明進一步的目的是使用地下自給式地熱發電機進行發電的方法可以用于具備地熱潛能并且日光不足的其它行星。本發明的上述以及其它特征和優點，將隨著結合附圖對本發明的具體實施方式
的詳細描述更加清楚。
以下借助附圖進一步說明本發明，其中圖1是本發明的地下自給式地熱發電機的橫截面示意圖，其顯示有主要部分；
圖2是本發明中圖3所示的地下自給式地熱發電機沿著線1-1’的橫截面示意圖；圖3是本發明中圖2所示的地下自給式地熱發電機沿著線3-3’的冷凝器配送器的橫截面示意圖；圖4是本發明中圖2所示的地下自給式地熱發電機沿著線4-4’的冷凝器和發電機的橫截面示意圖；圖5是本發明中圖2所示的地下自給式地熱發電機沿著線5-5’的放大的橫截面示意圖，其顯示了冷凝器和齒輪箱；圖6是本發明中圖5沿著線6-6 ’的橫截面示意圖；圖7是本發明中圖5沿著線7-7 ’的橫截面示意圖；圖8是本發明中圖5沿著線8-8 ’的橫截面示意圖；圖9是本發明中圖2沿著線9-9’的冷凝器和透平的橫截面示意圖；圖10是根據本發明的圖2沿著線10-10’的給水水箱和透平的橫截面示意圖；圖11是根據本發明的圖2沿著線11-11’的鍋爐的橫截面示意圖；圖12是根據本發明的地下自給式地熱發電機的橫截面示意圖，其帶有包括位于地表的熱交換器的主要部分；圖13是根據本發明的可選的獨立熱交換系統，其帶有包括封閉回路管道、一個位于地下深處的熱交換器、一個位于地表的熱交換器的主要部分；圖14是根據本發明的位于地表的雙循環地熱發電裝置的橫截面示意圖；圖15是根據本發明可選的位于地表的雙循環地熱發電裝置的橫截面示意圖；圖16是根據本發明的具有M 口井和控制中心的地熱發電裝置的平面示意圖；清楚簡要起見，只顯示了四分之一發電裝置(6 口井)的示意圖；圖17是根據本發明的圖16中所示地熱發電裝置一部分的放大示意圖；圖18是根據本發明的圖16和圖17中所示一個熱交換器箱的平面放大示意圖；圖19是根據本發明的圖18沿著線19-19’的熱交換器箱的放大的橫截面示意圖；圖20顯示了根據本發明的一種用于組裝、降低、提升地下自給式地熱發電機的可選擇的塔的橫截面；圖21顯示了根據本發明的一種用于組裝、降低、提升地下自給式地熱發電機的可選擇的、安裝有風力機的塔的橫截面。
具體實施例方式參考圖1，地下自給式地熱發電機為細長圓柱形，其縱向布置，可隨繩纜系統降低到地下深處預先鉆好的井中。圖中所示為本發明地下自給式地熱發電機100的橫截面，包括其主要部分。組件100的主要部件有鍋爐120、透平艙130、齒輪箱或者轉換器140、發電機150、冷凝器/配送器160、繩纜及管道系統170，其中繩纜和管道系統170包括用于將電能向上輸送到地表的電線。參考圖2，其為圖1所示的地下自給式地熱發電機100沿著圖3中線2_2’的放大的橫截面示意圖。組件100的主要部件有鍋爐120、透平艙130、齒輪箱或者轉換器140、發電機150、冷凝器160、繩纜及管道系統170。其中冷凝器160帶有配送器腔61和外腔68， 外腔68帶有管道組系統62，用于將用完的、冷凝后的蒸汽輸送回鍋爐，作為鍋爐給水。
繩纜及管道系統170包括次承重(caring)繩纜74，主承重繩纜75、控制繩纜76、 鍋爐供水管道121、冷卻系統管道72、中心電線77，其中中心電線77用于將電能向上輸送到地表。鍋爐120包括具有水箱區域122的下部和具有蒸汽區域124的上部。組件100具有鉤孔71，能通過鉤子73和繩纜75連接，或者通過滑輪和繩纜組成的系統連接，然后降低到地下深處預先鉆好的井里，到達一定的深度，使被地下深處的巖漿加熱的巖石煮沸鍋爐 120下部水箱區域中的水。鍋爐120上部蒸汽區域IM里的蒸汽同時也被周圍的高溫巖石加熱，生成過熱的蒸汽。高壓過熱蒸汽經過蒸汽控制閥88進入透平艙130，透平艙130具有葉片32，其連接于固體軸34并驅動軸34旋轉。透平的固體軸34通過齒輪箱或者轉換器 140連接于發電機150的圓筒形軸52。來自透平艙的蒸汽通過開口 36以及發電機150的圓筒形軸52進入冷凝器160的配送器腔61。使用過的蒸汽隨后開始冷凝，并且通過開口 63進入管道組62，流回到給水箱110中，然后通過鍋爐給水泵112和鍋爐給水管道114被泵送到鍋爐120中。這里同時顯示了結構外筒90和結構內筒80。冷凝器160的外腔68位于結構外筒 90和結構內筒80之間的空間。如上文所述，外腔68內具有管道組62。外筒和內筒之間有結構骨架(rid)85，以在高壓環境下提高組件的結構完整性。骨架85上具有用于水循環的孔87 (為了圖示的清楚簡要，骨架85在圖1和圖2中未示)。冷卻系統是獨立的封閉管道回路，其包括至少兩個熱交換器，第一個在井下，第二個在地表。第一個熱交換器通過使冷水經過冷凝器的外腔循環，從冷凝器吸收熱量(冷凝器外腔位于外筒和內筒之間)，然后將熱量向上輸送到地表，在地表熱量通過第二熱交換器進行交換(第二熱交換器是盤管)，然后冷卻后的水再次回到冷凝器。冷卻系統包括封閉回路管道72、位于地下深處的第一熱交換器(其為冷凝器160 的外腔68)、位于地表的第二熱交換器(盤管182)。(圖12顯示了位于地表的盤管182)。封閉回路管道72通過冷卻水泵172和174連接于冷凝器160的外腔68。冷卻水泵172通過管道178向外腔68的底部注入冷卻后的水。水經過冷凝器160的外腔68循環， 使冷凝器冷卻。自然上升到外腔68上部的熱水，通過水泵174注入管道72的另一端并且被輸送到地表，在地表熱量通過盤管182進行交換(盤管182是熱交換器184的一部分)， 然后使冷卻后的水流回冷凝器160的外腔68。地表的熱量隨后通過由幾個熱交換器組成的系統，用于在“雙循環”發電裝置進行額外發電。(如圖12-19所示)外腔68為冷凝器160的一部分，其布置的策略為除了冷卻冷凝器160，同時還環繞、冷卻并防止透平130、齒輪箱/轉換器140、電磁發電機150過熱。封閉回路管道72具有至少一個整齊(in line)的水泵172 (優選為幾個)，以通過管線提供水循環，并降低封閉回路系統中較低部分的流體靜壓力。如果必要的話，幾個封閉回路管道72可以組裝到一起以加速冷卻和熱交換的進程。管道內的速度和壓力是常量。 P(壓力)XV(速度)=常量。更大的速度=更小的壓力。作為一種替代的解決方案，冷凝器160的外腔68可由附加的獨立盤管(熱交換器)以及與圖13所示相似的封閉回路系統供水并冷卻。鍋爐120的外壁可以具有鋸齒形凹槽以增加傳導面，并增加向鍋爐內的水傳導的熱量(簡要起見，圖中未示)。
在地下自給式地熱發電機100的整個組件降低到井的底部以后，鍋爐120通過管道121充滿水，以減少下降過程中組件的重量。圖中所示為連接到設備的兩條管道121，一條向鍋爐120中供應水，另一條用于在充水過程中使空氣溢出。管道121的另一個重要目的是供應、保持、調節鍋爐120中的必要水位。組件100的所有主要部件鍋爐120、透平艙130、齒輪箱或轉換器140、發電機 150、冷凝器/配送器160，可以在下降過程中通過合并同種類的多個部分，組裝為指定的長度和體積。該合并過程可為栓接或焊接。組件每個部分都有伸出的緊固銷(holding pin)，以便于用單獨的次繩纜74拉動，以降低下降或提升組件過程中主繩纜75的拉力。冷凝器68位于結構外筒90和結構內筒80之間，包圍和冷卻除了鍋爐 120的整個設備，其與高溫巖石之間設置有熱阻絕熱層92(tick layer of heat resistantinsulation)，以隔絕高溫巖石產生的外部熱量。若需要，鍋爐120具有安全檢查閥門126以在控制閥門故障等緊急情況下釋放蒸汽。齒輪箱或者轉換器140位于透平130和發電機150之間，其目的是通過改變發電機150的轉子M的方向，抵消(neutralize)透平33旋轉產生的扭矩。這樣發電機150的轉子M的旋轉方向與透平33相反。參考圖5-8，透平軸34的上端固接于圓盤/平臺35，該圓盤/平臺35延伸到齒輪箱140的外筒41，透平軸34的上端與齒輪箱140牢固連接，并與軸承42和齒輪組43組成的系統嚙合。齒輪箱牢固連接到主結構圓筒80。圓盤/平臺35具有幾個開口 36，用于使蒸汽溢出透平艙。圓盤/平臺35同時向上伸成漏斗39狀，以使蒸汽集中到發電機150的圓筒形軸52。轉子M的圓筒形軸52也用作次級透平。其具有次級小葉片58，該小葉片58 連接于內壁并且位于當蒸汽經過時增加轉子轉動的位置。圓盤/平臺35通過齒輪組43與上方的圓盤/平臺37嚙合，齒輪組43通過其軸 /銷44與齒輪箱140的外筒41牢固連接。位于上方的圓盤/平臺37也通過軸承46與漏斗39的上部38嚙合，通過軸承47與齒輪箱140的外筒41嚙合，并且與發電機150的圓筒形軸52固定連接。圓盤/平臺35和圓盤/平臺37均具有刻槽45，其與齒輪組43嚙合并配合(correspond)。圖3是圖2沿著線3-3’的冷凝器/配送器的橫截面示意圖。圖3顯示了主結構內筒80、結構外筒90、冷凝器/配送器61、冷凝器160的外腔68，其環繞冷凝器/配送器61。 這里同時顯示了管道組62，其在外腔68內環形排布。用完的蒸汽經過開口 63，開口 63通向管道組62，管道組62將冷凝后的水送回鍋爐120。這里同時顯示了將發電機150與冷凝器160分開的固體圓盤/平臺94。圓筒形軸52的上端通過軸承96與圓盤/平臺94牢固連接并嚙合。這里同時顯示了管道178，其在外腔68的底部供給冷卻后的水。這里同時顯示了鍋爐給水管道121，其用于當組件下降到井里以后，將鍋爐充滿水。這里同時顯示了位于外筒和內筒之間的結構骨架85，其用于在高壓環境下提高組件的結構完整性。這里同時顯示了凸出的緊固銷66，其用于在降低或提升組件的過程中，用次繩纜74吊住組件的每個部分，以降低主繩纜75的拉力。這里同時顯示了電線77，其將發電機150發的電向上輸送到地表，并進一步輸送到輸電線路。這里同時顯示了熱阻絕熱層92，其包圍除了鍋爐120的整個組件。圖4是圖2沿著線4-4’的發電機150的橫截面示意圖。圖4同時顯示了主結構內筒80、結構外筒90、冷凝器160的外腔68 (管道組62在外腔68內環形排布)。這里同時顯示了圓筒形軸52、固定在軸52上的發電機150的轉子54、固定在主結構內筒80上的發電機150的定子56。這里同時顯示了用于吊起每個部分的凸出的緊固銷66，但是相對于臨近的部分偏移，以使次繩纜74能環繞組件的周圍排布。這里同時顯示了具有穿孔87的結構骨架85、電線77、鍋爐給水管道121、管道178、絕熱層92。圖9是圖2沿著線9-9’的冷凝器和透平的橫截面示意圖。圖9同時顯示了主結構內筒80、結構外筒90、冷凝器160的外腔68 (管道組62在外腔68內環形排布)。同時顯示了帶有穿孔87的結構骨架85。這里同時顯示了帶有葉片32的固體透平軸34、鍋爐給水管道121、管道178、絕熱層92。這里同時顯示了用于吊起每個部分的凸出的緊固銷66，但是相對于臨近的部分偏移。圖10是圖2中的給水水箱和透平沿著線10-10’的橫截面示意圖。圖10同時顯示了主結構內筒80和結構外筒90，在這個位置，設置有給水水箱110。這里同時顯示了鍋爐給水泵112，其位于給水水箱110內，并向鍋爐120里注水。這里同時顯示了蒸汽控制閥 88，其控制蒸汽流進入透平33。這里同時顯示了水泵116，其位于透平艙130底部的圓盤/ 平臺82上。水泵116的目的是如果超量的水聚集到透平艙130的底部，則將該超量的水去除，并且將其從管道117中噴到給水水箱110中(清楚簡要起見，圖2中未示水泵116)。這里同時顯示了水泵/閥125和管道121，其供應、維持并調節鍋爐120中的必要水位。這里同時顯示了透平33的固體軸34，及其軸承84和96，軸34位于軸承84和96上并與圓盤/ 平臺82牢固連接。這里同時顯示了絕熱層92。圖11是圖2中的鍋爐沿著線11-11’的橫截面示意圖。這里顯示了鍋爐120的外壁/筒128。這里同時顯示了前述利用次繩纜吊起組件的每個部分的凸起的緊固銷。這里的緊固銷66顯示為桿65的延伸。桿65上具有孔118，用于將給水管道114導入鍋爐120 的下部122。這里同時顯示了安全釋放閥1 和加固板129。圖12是地下自給式地熱發電機的橫截面示意圖，其帶有包括位于地表的熱交換器的主要部分。圖12顯示了鍋爐120、透平130、齒輪箱140、發電機150、冷凝器160。這里同時顯示了冷凝器160的外腔68，其通過分布于其內的冷卻管道組62實現熱交換器的功能 (清楚簡要起見，這里未顯示管道組62)。這里同時顯示了盤管182，其在位于地表的熱交換器184內交換熱量，熱交換器184是雙循環地熱發電裝置180的一部分，雙循環地熱發電裝置180將在附圖14中詳細介紹。冷凝器160的外腔68 (其在組合的下部實現熱交換器的功能)與盤管182(其在地表的熱交換器184中交換熱量)通過封閉回路管道72 (其暴曬于陽光中，以避免在傳輸中丟失熱量)連接。這里同時顯示了幾個水泵172和174，其使水通過封閉回路系統循環。這里同時顯示了繩纜連接平臺176，其連接了部分管道和繩纜。 這里同時顯示了主繩纜75和絕熱層92。
圖13是可選的、獨立的熱交換系統的橫截面示意圖。其主要部件包括封閉回路管道、位于地下深處的第一熱交換器、位于地表的第二熱交換器。圖13顯示的是圖12所顯示的冷卻系統的相同部件，即，位于地下深處的第一熱交換器、位于地表的第二熱交換器、 帶有幾個水泵的封閉回路管道，其中水泵使水經過封閉回路系統循環。在本實施方式中，代替作為熱交換器的外腔68，而使用盤管168作為熱交換器。熱交換器168包括狹管189、盤管188、構造管187和平臺186。為設備提供動力的構造管187 與平臺186連接。構造管187的底部有一個開口，用于狹管189伸出；構造管187的頂部有一個開口，用于狹管189伸入。如果需要，構造管187可以有更多穿孔，以減少其自身重量并為狹管189提供更多熱量。這里同時顯示了構造管187的基座185，其支撐了整個組件。在地下作為熱交換器的盤管168和在地表作為熱交換器的盤管182均與封閉回路管道72相連。這里同時顯示了幾個水泵172和174，其使水通過封閉回路系統循環。來自井內深處高溫巖石的熱量通過熱交換器168被吸收，并且隨著管道72 (house)向上運送到地表的熱交換器184，在這里熱量被轉換進第二液體，例如沸點低于水的異戊烷。熱交換器 184是雙循環地熱工廠180的一部分，雙循環地熱工廠180將在圖14中詳細介紹。這里同時顯示了繩纜連接平臺176，其連接了繩纜75和管道72的一部分。圖13所示的熱交換系統，是地下自給式地熱發電機的可選的冷卻系統，其也可以作為可選的、獨立的熱交換系統，其將成為所謂的“熱干巖石技術”實驗進程的實質改進。最簡單的“熱干巖石技術”電力工廠包括一口注射井和兩口生產井。科學家們正在嘗試向下鉆一口注射井到巖石，并且沿著注射井、在壓力下，注射他們在地表發現的任何水源，希望這些水能穿過位于花崗巖中、作為地下熱交換器、形狀不一的裂縫，以形成地下儲積層，然后試圖在周圍鉆一些生產井，試著重新獲得這些水和蒸汽，并將其泵送到地表， 在常規或“雙循環”的能源工廠中使用。雙循環裝置使用低溫但是更普遍的熱水資源(華氏100-300度)。熱水流經熱交換器，該熱交換器與具有低沸點(通常是烴例如異丁烷或者異戊烷)的第二流體(所以稱 “雙循環裝置”)連接。第二流體蒸發以后，驅動透平旋轉，而透平驅動發電機。留下的第二流體通過熱交換器回收。地熱流體冷凝后回到儲積層。當前的實驗“熱干巖石技術”是否能如期望般起作用，并且克服以下幾個特殊的挑戰，還有待觀察1、在沒有自然水積累的地區，需要大量水以形成位于地下深處的、人工的地下熱水庫。2、會不會有大量的水丟失、被吸收進位于不同方向的巖石中。3、如果有的話， 多少水能穿過高溫巖石中形狀不一的縫隙到達生產井。4、如果有的話，多少水能重新獲得并泵送到地表，在常規或“雙循環”型發電工廠中使用。5、同樣，在穿過生產井將水向上泵送到地表的過程中，水將會經過逐漸降溫的巖石層和完全經過低溫的巖石層；在水上行的過程中，會有多少熱量和水丟失、被吸收進巖石中。圖13所示的熱交換系統是一個簡單的系統，其全程使用相同量的水，因為其是真正的封閉回路系統，不但位于地表的第二(binary)部分是，而且位于地下的部分也是。其不負責用分離器從地熱流體中去除二氧化硅和礦物質。因為水經過盤管和管道循環，所以不會在高溫巖石的縫隙中流失水。因為管道是絕緣的，所以上行過程中的熱量損失有限。不需要鉆幾口井(注射井和幾口生產井)以發揮作用，每臺設備只使用一口井。
圖14是雙循環地熱發電裝置180的橫截面示意圖。其顯示的是熱交換器184、 透平230、冷凝器沈0、發電機250。來自地下深處的熱水經過封閉回路管道72進入熱交換器184內的盤管182，在熱交換器184中熱量被轉換進第二液體，例如沸點低于水的異戊烷。 當受到加熱，該第二液體瞬間進入蒸汽狀態，如同蒸汽，向四周擴散，經過蒸汽管道222和控制閥觀8，然后驅動透平230旋轉。用完的蒸汽在冷凝器沈0中被冷凝為液體，并通過給水管道214和鍋爐給水泵212被泵送回鍋爐220。在這個封閉回路循環中，蒸汽反復利用并且沒有排放到空氣中的排放物。透平230的軸與發電機250的軸相連，驅動發電機250的軸旋轉并發電，發電機發的電隨后通過電線277到達變壓器和輸電網絡到達用戶。(變壓器和輸電網絡未示)圖15是地熱發電裝置190(不是雙循環發電裝置)的橫截面示意圖，作為當來自管道72的水未達到產生蒸汽的溫度時的替代解決方案(其可能適用于圖13中所示的替代的、獨立的熱交換系統)。這里顯示的是鍋爐220、透平230、冷凝器260及發電機250。來自地下深處的熱水經過封閉回路管道72到達鍋爐220，在鍋爐220里蒸發。隨后蒸汽經過蒸汽管道222和控制閥觀8，驅動透平230旋轉。用完的蒸汽在冷凝器沈0中被冷凝為液體，并被泵送回封閉回路管道72，該管道72通向前述的井。這里同時顯示了給水管道214 和水泵212，其均為封閉回路系統的一部分。這里同時顯示了透平230的軸，其與發電機250 的軸相連，驅動發電機250的軸旋轉并發電。發電機發的電隨后通過電線277到達變壓器和輸電網絡到達用戶。(變壓器和輸電網絡未示)圖16和圖17所示的是根據本發明地熱發電裝置300的平面圖，其具有M 口井和控制中心200。清楚和簡要起見，這里顯示的是工廠四分之一的示意圖，6 口井19-24，三個雙循環發電設備132、142、152。發電裝置的其它四分之三和所顯示的四分之一是一樣的。如前所述，地下自給式地熱發電機100的冷卻系統，是一個封閉回路管道系統，其通過使水循環經過冷凝器160的外腔68來使冷凝器冷卻，冷凝器160位于外筒90和內筒 80之間，然后將熱量向上轉移到地表。位于地表的熱量隨后經過幾個熱交換器系統，用于在 “雙循環”發電裝置中進行額外發電，然后作為冷卻水返回到冷凝器160的相關外腔68。這里顯示的是“雙循環”發電單元132、142、152，其連接位于井19_24內的六臺地下自給式地熱發電機。三個雙循環發電單元包括鍋爐133、143、153，透平134、144、154，發電機135、 145,155ο雙循環發電單元132的鍋爐133具有六個熱交換盤管319、320、321、322、323和 324，其連接于地下自給式地熱發電機的冷凝器160，和封閉回路系統管道的一端一起位于井 19、20、21、22、23、24 內。在封閉回路系統管道的其它端到達位于井19、20、21、22、23、24內的地下自給式地熱發電機的冷凝器160并且完成封閉回路循環之前，其也經過雙循環發電單元142和152 的鍋爐143和153。其目的在于進行熱交換并在地表的雙循環發電單元中盡可能多地使用所交換的熱量，并將冷卻后的水送回冷凝器160。為清楚和簡要起見，輻射管未示出，并且經過管道的流動方向用箭頭標志標出。雙循環發電單元142的鍋爐143也具有六個熱交換盤管419、420、421、422、423和 424。
15
雙循環發電單元152的鍋爐143也具有六個熱交換盤管519、520、521、522、523和 524。雙循環發電單元132的鍋爐133產生的蒸汽溫度最高，因為其為熱交換的第一站， 熱量通過熱交換盤管319、320、321、322、323和3M進行熱交換。雙循環發電單元142的鍋爐143是第二站，在這里熱量通過盤管419、420、421、 422,423和似4進行熱交換，并且蒸汽的溫度低于鍋爐133。雙循環發電單元152的鍋爐153是第三站，在這里熱量通過盤管519、520、521、 522,523和5M進行交換，并且蒸汽的溫度低于鍋爐143。雙循環發電單元132、142、152設計為在不同的蒸汽溫度和壓力下運行。作為一種替代的解決方案，來自鍋爐133、143、153的蒸汽，其涉及不同的溫度和壓力，可以集中到一個單獨的雙循環發電單元，該單獨的雙循環發電單元具有單獨的透平和發電機。作為一種替代的解決方案，在水離開雙循環發電單元152的盤管519、520、521、 522,523和5M后，如果水依然是高溫，如果可行的話，可用流動的水來冷卻管道72，或者用來加熱建筑物。圖17是圖16中所示的地熱發電工廠300的一部分的放大示意圖。圖18是圖16、17所示的雙循環發電單元132的鍋爐133放大的平面示意圖。這里所示的是熱交換盤管319、320、321、322、323、3M和主蒸汽管道222。圖19是圖18所示的雙循環發電單元132的鍋爐133沿著線19_19’的放大的橫截面示意圖。這里同時顯示了熱交換盤管322、323、324，通過該熱交換盤管322、323、3M熱量被轉移進第二液體，例如沸點低于水的異戊烷。當受到加熱，該第二液體瞬間進入蒸汽狀態，其類似蒸汽，向四周擴散(expand across)，經過蒸汽管道222 (該過程在前面圖13、14 所示的雙循環發電裝置中已介紹)。這里同時顯示了給水管道214，用完的蒸汽通過該給水管道214返回鍋爐133重新加熱。圖20顯示了用于裝配、降低或提升地下自給式地熱發電機100的可選的塔240的橫截面示意圖。這里顯示的是塔240的結構框架M9。這里同時顯示了井19、井的內襯對7、 基礎平臺M8、用于主繩纜74和次繩纜75的滑輪(ratchet) 242及246系統(繩纜未示)。圖21顯示了用于裝配、降低或提升地下自給式地熱發電機100的可選的塔241的橫截面示意圖，其上帶有風力機M5。當地熱發電工廠位于多風區域時，該風力機245可以作為額外的能量來源。塔241與圖20所示的塔240類似，其具有附加的擴展部件235。這里同時顯示了結構框架M9、井19、井的內襯M7、基礎平臺M8、用于主繩纜75和次繩纜74 的滑輪242和246系統(繩纜未示)。這里同時顯示了常規發電機，其具有齒輪箱244和葉片對3。這種附加設置的目的是將組裝的塔同時作為一個風力機平臺。可以理解塔241可以是長期的，也可以是暫時的。本發明介紹了一種如何使用無限的地熱能源的方法，這種方法迄今尚無人使用。 本發明介紹了如何使用我們星球內部的熱量，在地下深處發電并通過電線將發的電傳送到地表。本發明介紹了地下自給式地熱發電機，介紹了其基本部件，基本部件的形狀、結構、相互之間的配合、作用。在本介紹中，透平、發電機、泵、控制閥、安全釋放閥未詳細介紹，但是有許多用于發電裝置、蒸汽機、海事工廠及類似環境的可靠的、阻熱的、自動的、快速反應的泵、控制閥、 透平、發電機，這些部件可能適用于本發明的實施方式中。此外，根據本發明的特殊實施方式，間隔的長度不限于本發明公開的附圖中描繪的特定尺寸，而是可以為任意需要的長度。本發明的部件的尺寸，例如直徑，限于當今的鉆井技術，井的直徑以及組件的實際重量。此外，本發明的特殊實施方式可以使用繩纜、鎖鏈或其它合適的裝置以將地熱發電機降低到預先鉆好的井中。這里披露了具體實施方式
和實施例，以最好地解釋本發明及其具體應用，并使本領域的普通技術人員能夠制造和使用本發明。然而，本領域的普通技術人員應該認識到，前面的詳細描述和介紹實施例的目的，僅僅是為了清楚披露本發明。該描述不是為了窮舉本發明或限制本發明于公開的內容。在不脫離本發明的精神和范圍的前提下，可以根據上述教導做出許多修改和變化。
權利要求
1.一種利用自給式地熱發電機的方法，其包括將地熱發電機從地表向下降低到指定的深度，在所述指定的深度處周圍的高溫巖石具有指定的溫度；利用容納于所述自給式地熱發電機內的水形成蒸汽；利用所述的蒸汽形成電能；將所發的電能從所述指定的深度傳輸到地表。
2.如權利要求1所述的方法，其進一步包括使所述蒸汽從所述自給式地熱發電機的鍋爐艙流動到所述自給式地熱發電機的透平艙。
3.如權利要求2所述的方法，其進一步包括使所述蒸汽從所述透平艙經轉換器和發電機而到達冷凝器。
4.如權利要求3所述的方法，其進一步包括使所述蒸汽冷凝，并使冷凝后的蒸汽從冷凝器流動到所述鍋爐艙。
5.如權利要求4所述的方法，其中，使冷凝后的蒸汽流動的步驟進一步包括使冷凝后的蒸汽經過管道組，該管道組在所述自給式地熱發電機里構成封閉回路。
6.如權利要求5所述的方法，其中，所述管道組位于所述冷凝器內，所述冷凝器位于內筒和外筒之間的空間內。
7.如權利要求6所述的方法，其進一步包括使冷卻的水循環到所述內筒和外筒之間的空間，以冷卻所述自給式地熱發電機的冷凝器。
8.如權利要求7所述的方法，其中，水的循環是響應于水泵的啟動而發生的。
9.如權利要求2所述的方法，其進一步包括除鍋爐外使所述自給式地熱發電機的所有部件隔熱。
10.如權利要求1所述的方法，其中，傳輸電能的步驟進一步包括將電線連接到所述自給式地熱發電機，其中，所述的電線從指定的深度延伸到地表。
11.如權利要求1所述的方法，其中，形成電能的步驟進一步包括使用所述蒸汽驅動透平旋轉。
12.如權利要求1所述的方法，其進一步包括通過使用所述地熱發電機的封閉回路管道在地表進行換熱。
13.如權利要求12所述的方法，其進一步包括傳送熱量，以供外部使用。
14.一種地熱發電機，其包括 容納水的鍋爐；透平艙，其具有至少一個帶有透平軸的透平； 發電機；冷凝器，其具有配送器腔和外腔，其中，一組管道容納于所述外腔之內，并連接到所述配送器腔； 電線；其中，所述的鍋爐能用水產生高壓過熱的蒸汽，所述蒸汽經過閥門進入所述透平艙； 所述至少一個透平響應蒸汽流經所述透平艙而旋轉； 所述發電機響應所述至少一個透平的旋轉而運行； 所述電線響應所述發電機的運行，而傳送電能；所述蒸汽經過所述冷凝器的配送器腔，當所述蒸汽經過位于所述外腔內的管道組時， 所述配送器腔適于將所述蒸汽冷凝為水、并凝結于所述鍋爐內。
15.如權利要求14所述的地熱發電機，其進一步包括絕熱層，所述絕熱層包圍所述地熱發電機除鍋爐外的所有部件。
16.如權利要求14所述的地熱發電機，其進一步包括齒輪箱，所述齒輪箱機械連接于所述透平的透平軸和所述發電機之間，其中，所述齒輪箱使所述發電機的旋轉方向與所述透平的旋轉方向相反，以使所述透平的扭矩被所述發電機的扭矩抵消。
17.如權利要求14所述的地熱發電機，其進一步包括位于所述地熱發電機每個部分的多個緊固銷，所述多個緊固銷連接到多條單獨的次繩纜，其中，在降低或提升地熱發電機的過程中，所述多條次繩纜能降低主繩纜的拉力。
18.如權利要求14所述的地熱發電機，其進一步包括第一管道和第二管道，所述第一管道使水流進鍋爐，所述第二管道使空氣流出鍋爐，所述鍋爐內的水位能響應于經第一管道流進鍋爐的水和經第二管道流出鍋爐的空氣而被調節；其中，所述鍋爐能在降到井內后充滿水。
19.如權利要求14所述的地熱發電機，其進一步包括連接于配送器腔和外腔之間的結構骨架，以提高所述地熱發電機在高壓環境下的結構完整性。
20.如權利要求14所述的地熱發電機，其進一步包括風力機，其機械連接于系統，以提供額外的產生能量的方法。
21.一種地熱發電機，其包括封閉回路管道，該封閉回路管道包括在所述地熱發電機內、位于地下的熱交換器以及位于地表的熱交換器；水泵，其使水經過所述封閉回路管道流動。
22.如權利要求21所述的地熱發電機，其中，位于地下的熱交換器為盤管。
23.如權利要求21所述的地熱發電機，其中，位于地表的熱交換器為盤管。
24.如權利要求21所述的地熱發電機，其進一步包括在所述位于地表的熱交換器內的第二液體，該第二液體的沸點低于水。
25.如權利要求M所述的地熱發電機，其中，所述的發電機適于連接到雙循環地熱發電裝置。
26.一種地熱發電裝置，其包括多臺地熱發電機，每臺地熱發電機可移動地容納于一口井內；多個雙循環發電單元，其連接于所述多臺地熱發電機，每個雙循環發電單元對應于幾臺地熱發電機；其中，每個雙循環發電單元包括具有多個熱交換器的鍋爐；透平；冷凝器；和發電機。
27.如權利要求沈所述的發電裝置，其中，所述多個熱交換器連接于多個地熱發電機的冷凝器，所述多個熱交換器適于進行換熱并將冷卻后的水送回冷凝器。
28.如權利要求27所述的發電裝置，其中，所述多個透平響應于所述多個熱交換器所交換的熱量而旋轉。
29.如權利要求觀所述的發電裝置，其中，所述多個發電機響應于所述多個透平的旋轉而進行發電。
全文摘要
本發明公開了一種自給式地熱發電機，其包括鍋爐、透平艙、發電機、冷凝器、電線。冷凝器包括配送器腔、外腔、位于腔之間的管道組。冷凝器的外腔包圍并冷卻透平、發電機和冷凝器部分的選擇器。冷凝器冷卻并將使用后的蒸汽轉化為液體狀態，并將其送回鍋爐重新加熱。在使用這種地熱發電機的方法中，地下預先鉆好的井中所容納的高溫巖石，將鍋爐的水被轉化為高壓、過熱的蒸汽。蒸汽用于發電，該電力通過電線輸送到地表。“雙循環”發電裝置可通過多個熱交換器組成的系統使用多臺地熱發電機。
文檔編號F24J3/08GK102203522SQ200980141933
公開日2011年9月28日 申請日期2009年8月21日 優先權日2008年8月22日
發明者尼古拉·萊克 申請人:尼古拉·萊克