利用沙漠表层温度差发电的设想

 
2005年8月23日
(气象港*20050823*wz6*张学文*这是2005年8月投给中国气象报的文章的原稿,他们发表在2005年8月18日3版(科技)头条,内容做了修订)

 

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利用沙漠表层温度差发电的设想


张学文( zhangxw@mail.xj.cninfo.net  


1.
新的想法:利用沙漠表层温度差发电

我国目前需要大量进口石油,寻找新能源具有战略意义和现实意义。结合一些国家已经在海水温度差发电方面做了大量的实验工作。笔者提出一个类似的动议:利用沙漠表层温度差发电。

2.温度差就是能源

有个表演:一个小机器放到手掌上,它的轮子就可以自己转动,而不需要电池。这里轮子转动的能量来源就是手掌的温度与环境的温度差。这小机器十分生动的说明温度差就是能源。物理学早就测量了不同的金属导线放到有温度差的环境中,金属导线上就有电位差存在。利用热电偶通过的电流反测温度差是温度测量的重要手段,并且延用多年。

如果具有温度差的物质很少,它可以生成的电能也少,如果有大量的物质具有明显的温度差,就可以设法生成大量的电能。“海水温度差发电”就是要利用大量海水的温度差发电。

3.海水温度差发电的实验

1881年法国科学家已经提出了利用热带地区海水表层的温度高而深层海水凉的特点来发电的设想,20世纪法国、美国、日本进行了广泛的试验。试验中的海洋表面温度大约是25-28度摄氏。而深层(500-1000米)海水温度是4-7度摄氏,它们的温度差大约是20度摄氏。把不同温度的海水抽到一个热机里轮流给工作介质(如阿摩尼亚)加热、冷却就可以推动涡论旋转从而使发电机产生电力。目前技术和成本是制约它实用化的重要环节。附图是温度差发电的实验船。

 4.沙漠温度差发电的设想之一

我国沙漠地区日光充足,而沙漠本身的热容量小,它在暖季的白天很容易形成40-60度(摄氏)的高温,而2-3米的深度处的沙漠的温度却不到20度(摄氏)。也就是说海洋里要在500米的深度差才具有20度的温度差,而沙漠地区在2-3米的距离内就形成了更大的温度差。从这个侧面看沙漠温度差发电比海水温度差发电的条件要好100倍以上。

但是用沙漠本身(代替水)做循环物质可能有困难,可以设想在沙漠表面和2米以下布设一些封闭的水管,利用水管与沙漠的充分接触把沙漠的温度差变成水的温度差,再把这些水抽到热机里循环,也就实现了沙漠发电了。

另外一个考虑是用空气代替水或者沙漠。在沙漠表层铺设上朔料薄膜,直接利用薄膜下的热空气作为循环的热物质。另外再抽取地下的凉空气或者50米以上的空气作为循环的冷物质(冷源)也是可以的。把大量的不同温度的空气抽到工作的热机里再配合发电机,就可以发出电力。

10公顷(150亩)沙漠维持一个发电机,或者100公顷沙漠维持一个发电机可能是比较合适的考虑。目前的思路是仅利用暖季的沙漠温度差发电。但是冷季那里依然存在温度差(方向反了,也可以用)。

5.沙漠地区的能量很多

沙漠地区没有水,种不了庄稼,可那里的太阳能丰富。我国沙漠地区每年每平方米可以得到的太阳能大约是5000-6000兆焦耳。我国40万平方公里沙漠面积上每年得到的太阳能是2×1021次方(10后面210)焦耳。它大约折合每年700亿吨标准煤。它是太阳每年送给沙漠地区的无污染的能量。如果我们的热机可以提取这个能量的1%,每年就可以得到7亿吨煤的能量。21世纪我们应当找到有效利用沙漠太阳能的经济办法。

6. 其他的沙漠发电技术设想

6.1直接用放在沙漠地区的大量太阳能板(电池)发电。这个办法肯定可以,目前只是价格太高,难大面积推广。

6.2沙漠温度差发电的最直接设想是用热电偶,即两种不同材料的金属电线,直接插入沙漠表层和深层,并且把多个联接起来而得到电力。这就省了发电机和它需要的热机。但是合适的电线的成本等环节需要研究。据说:

温差电技术研究始于20世纪40年代,于20世纪60年代达到高峰,并成功地在航天器上实现了长时发电。当时美国能源部的空间与防御动力系统办公室给出鉴定称,“温差发电已被证明为性能可靠、维修少、可在极端恶劣环境下长时间工作的动力技术”。近几年来,温差发电机不仅在军事和高科技方面,而且在民用方面也表现出了良好的应用前景。
6.3
太阳能气流发电

一个网页文章介绍说:

太阳能电站既不烧煤,也不用油,其烟囱并不是用来排烟的,而是用来抽吸空气的,所以把它称为太阳能气流电站就显得更确切一些。 
  建造这种电站的设想,最初是由前联邦德国的史兰赫博士提出的。19781月,他在论文中首次大胆地阐述了这种不冒烟的太阳能烟囱电站的构想。后来,史兰赫得到了德国联邦政府的支持和帮助,这才使得他的构想有了变成现实的机会。20世纪80年代初,一座造型奇特的太阳能气流电站,终于在德国拔地而起,并且通过试验获得了成功。它为人类利用太阳能开辟了一条新途径。 
  矗立在太阳能气流电站中央的大烟囱,是波纹薄钢板卷制而成的,其直径达10.3米,高度达200米,总重量达200吨。在烟囱周围是巨大的环形曲面半透明塑料大棚。大棚的中央部分高8米,周边处高2米,周长252米,这个庞然大物是在金属骨架上安装塑料板而建成的,而汽轮发电机则安装在烟囱的底部。 
  在太阳光的曝晒之下,大棚内空气的温度可比棚外高出20℃左右,由于空气具有热升冷降的特点,加之烟囱具有向外(向上)排风的作用,于是热空气在通过烟囱之后快速排出,以驱动安装在烟囱底部的汽轮发电机进行发电。 
  据报道,德国的这座太阳能气流电站白天可发电100兆瓦;在夜间尽管没有阳光的照射,但棚内空气的温度仍然相当高,足以发电40千瓦。其发电成本与核电相当。 
  太阳光透过半透明的塑料大棚,需要将棚内的空气加热到2050℃,并使热空气以2050/秒的速度从烟囱里排出,才能驱动安装于烟囱底部的汽轮发电机进行发电。
  专家们指出,太阳能气流电站的建成和推广使用,不仅为进一步开发利用太阳能开辟了新途径,同时也为改造和开发利用沙漠地带打开了新的思路。

7.小结

7.1.在我们谈资源气象时,不应当忽略了我国40万平方公里沙漠地区的太阳能是很大的能源,它相当于每年700亿吨煤的热量。沙漠表面附近3米以内的垂直温度差很大(20-40℃),利用它可以提取上述能源的一小部分作为可控制的、绿色的、巨大的、可再生的新能源;
7.2.
把这种能量变成电能的方法不止一个。类似目前利用海水温度差的热机发电的技术、热电偶发电技术、热气流发电技术、太阳能电池都是可参考的。我们自己需要针对沙漠展开试验研究。