[发明专利]地热能系统以及使用其产生电力的方法

说明书

一种地热能系统（10）利用围绕轮轴（52）旋转的凯瑟琳轮（50）来产生电力。所述凯瑟琳轮（50）具有多个从轮轴（52）径向向外延伸的轮臂（60）。翅片部分（70）以偏置角度从径向部分（61）延伸到排放端（74）。第一工作流体，例如，超临界二氧化碳，流过轮臂（60）内的臂导管（66），第二工作流体，例如，简单的碳氢化合物，与第一工作流体混合，并且这两个工作流体都流过涡轮机（90）。涡轮机（90）配置在轮臂导管（66）内，随着组合工作流体的蒸发而转动。流体被排出后，第二工作流体可以冷凝和再循环，而第一工作流体可以排回到地热储层（14）中。所述地热能系统（10）通过使用地热能蒸发碳氢化合物，来高效和有效地产生电力。

交叉引用相关申请：

本申请要求2018年12月13日提交的题为Geothermal Energy System And MethodOf Producing Power Using Same的美国临时专利申请号62/598,026的优先权；该申请的全部内容通过引用结合于此。

技术领域

本发明涉及地热能系统，尤其涉及一种包含凯瑟琳轮的地热能系统。

背景技术

在基于二氧化碳的增强型/工程地热系统(EGS)的配置的过去设计中，即，利用来自地热储层的超临界二氧化碳的地热能系统通常利用从二氧化碳经由热交换器传递到第二有机工作流体的热量。第二有机工作流体将通过膨胀器蒸发，来产生功率。然而，这些系统因机械部件浪费了大量能量。

如Donald W.Brown的美国专利号6,668,554中所述，“二元传热系统方法可用于实现优越的热力学效率，比直接膨胀涡轮机方法的热利用率高大约三倍，特别是当二氧化碳是循环的超临界流体时。”然而，这种说法只有在使用纯二氧化碳时才成立。由韩国仁川大学和韩国机械与材料研究所的学生进行的数值模拟进一步表明，即使使用回热器，仅使用超临界二氧化碳的斯特林循环也只能达到7.3％左右的效率。即使热源和冷凝温度分别设置为700℃和40℃。因此，可以得出结论，在利用如地热储层这样的热源来提高效率方面，直接使用单一种类的二氧化碳可能不利于膨胀机的动力循环设计。然而，另一方面，使用双循环的增强型地热系统的有机朗肯循环(ORC)，就像D.Brown提出的建议一样，可能不像看起来那样有效。根据来自澳大利亚的研究人员所做的模拟，E.Sauret和A.S.Rowlands发现，当分别在413K下使用R143a和正戊烷时，ORC的效率分别为9.51％和10.43％，这可能明显低于D.Brown估计的值。

根据最新的研究，膨胀机的腔室内产生涡旋膨胀机的轴功率的流体混合过程将有助于膨胀机的效率的提高，其原理是对于单个膨胀部件，等温膨胀过程比绝热膨胀更有效。推断这一原理可以进一步应用于其它膨胀机，例如，轴向燃气轮机、径向流入式涡轮机、凯瑟琳轮、欧拉涡轮机或其它类型的径向流出式反动涡轮机。正如Woo Young Kim和其他研究人员的文章所提到的，在压缩和膨胀过程中与不凝性气体混合的非挥发性液体能够有助于产生等温过程，该过程比单一种类膨胀表示的绝热膨胀过程具有更高的效率。因此，提出了一种流体混合过程，通过混合作为超临界CO₂的地质流体和另一种工作流体(主要是在有机分级循环中使用的那些流体)，来满足提高基于CO₂的地热发电系统的效率的目标。

发明内容

本发明涉及一种地热能系统，其包括围绕轮轴旋转以产生功率的凯瑟琳轮。发电机可以耦合到轮轴，当轮轴旋转时，生成电力。凯瑟琳轮具有从轮轴沿着径向向外延伸的多个轮臂。轮臂具有从轮轴沿着径向向外延伸的径向部分和以偏置角度从径向部分延伸到排放端的翅片部分。第一工作流体，例如，来自地热储层的二氧化碳，流过轮臂内的臂导管，第二工作流体，例如，简单的碳氢化合物，与第一工作流体混合，并且二者流过涡轮机。涡轮机配置在臂导管内，并且随着组合的工作流体的蒸发或膨胀而转动。旋转气体涡轮机向其先前的压缩机施加力，并迫使压缩机对流过臂导管的超临界二氧化碳做功，从而提高其密度和温度。能量可以由涡轮机产生并在系统中使用，或者可以有助于系统发电。