本发明涉及一种地源冷却装置， 尤其涉及太阳能发电系统的地源冷却 装置。 背景技术

地球表面常年接收太阳能的辐射， 总量大约为 2. 6X1 0 ²⁴ J。 其中， 大约 50%被地球吸收， 一半能量以长波形式辐射出去， 余下的成为水循环、 空气 循环、 植物生长的动力， 使得地表面通常在 15 °C左右。 地球按照温度的变 化特性， 地球表面的地壳层可以分为三个带， 即： 可变温度带、 恒温带和 增温带； 可变温度带， 由于受太阳辐射的影响， 其温度有着昼夜、 年份、 世纪甚至更长的周期性变化， 其厚度一般为 15~20m; 恒温带中温度变化 幅度几乎为零， 其深度一般在 20-30m。

热泵技术的概念最早是英国人首先提出来的， 1 852年汤姆森发表的一 篇论文描述了一种连接压缩机和膨胀机的装置 ，可用来向建筑采暖或供冷； 利用地埋换热管换热器的地源热泵的历史最早 可以追溯到 1912年瑞士佐 伊利 （H. Zoe l ly ) 的一个专利中， 但该技术的真正应用却在 1950年左右， 美国和英国分别研究了利用地下盘管作为热源 的家庭用热泵。

随着太阳能等可再生能源利用在全世界蓬勃发 展， 太阳能聚热发电 ( CSP )逐步为人们所认识， 在 CSP体系常规岛汽轮机部分中， 冷却系统占 有很大一部分的建设资本， 大约占总成本的 15%左右， 且运行费用很高； 在我国太阳能资源丰富的地方， 大多为水资源贫瘠的沙漠地区， 无法使用 水冷系统， 只能采用空冷系统对汽轮机进行冷却， 无论是直接空冷， 还是 间接空冷电厂， 经过几十年的运行实践， 证明均是可行的。 但不排除空冷 系统在运行中， 存在种种原因引发的问题， 如严寒、 酷署、 大风、 系统设 计不够合理、 运行管理不当等。 这些问题有的已得到解决， 从国内已投运 的 200MW空冷机组运行实践证明了这一点。 从运行电站空冷系统比较， 直 接空冷系统具有主要特点： （1 )背压高； （2)由于强制通风的风机， 使电耗 大； （3)强制通风的风机产生噪声大； （4)钢平台占地， 要比钢筋混凝土塔 为小； （5)效益要比间接冷却系统大 30 %左右， 散热面积要比间冷少 30 % 左右； （6 )造价相对经济， 但整体仍然很高。

因此， 迫切需要开发一种替代技术， 以克服空冷技术所带来的 CSP建 设成本高、 运行不稳定、 维护不方便， 损耗大的缺点。

另外， 光伏转换效率与光伏电池自身的温度也有着密 切的关系， 当自 身的温度逐步升高时， 光伏转化效率也持续走低； 该特性特别显著出现在 聚光光伏（CPV )应用领域中， CPV接收高倍的太阳光线， 需要良好的自身 温度的冷却， 否则效率会急剧下降， 甚至光伏电池都会被自身的高温烧坏。 光伏系统特别是聚光光伏系统中， 也需要低成本、 高可靠的散热系统。 发明内容

本发明的地源热泵将热量释放到地表， 再向环境中緩慢放热， 达到低 成本高效率将太阳能 CSP发电系统中产生的多余热量释放的技术具有 重要 意义； 该技术可以克服空冷技术的带来的 CSP建设成本高、 运行不稳定、 维护不方便， 损耗大的缺点。

本发明提供了一种应用于太阳能发电系统的地 源冷却装置， 包括循环 介质、 地下循环冷却系统， 其特征在于， 所述地下循环冷却系统布置于地 表以下， 通过地表以下的土壤对循环介质带来的热量进 行吸收， 通过地表 向环境释放热量， 达到降低循环介质温度的目的。

进一步地， 所述地源冷却装置中还包括双回路换热系统， 实施双回路 冷却循环； 所述双回路换热系统将进入第一回路的第一循 环介质热源进行 冷凝冷却，其放出的热量被位于第二回路中循 环的第二循环介质冷源带走， 流经所述地下循环冷却系统时由地表以下的土 壤吸收并向环境释放。

进一步地， 所述地源冷却装置应用于光热发电系统， 所述循环介质为 汽轮机组热力循环工质水 -蒸汽， 对汽轮机组排汽进行冷凝冷却。

优选地， 所述地源冷却装置应用于光热发电系统时， 采用所述双回路 换热系统， 在汽轮机做功完毕排放出的蒸汽进入第一回路 进行冷凝冷却， 其放出的热量被在第二回路中循环的第二循环 介质冷源带走， 流经所述地 下循环冷却系统时由地表以下的土壤等物质吸 收并向环境释放。 进一步地， 所述地源冷却装置应用于光伏发电系统， 用所述循环介质 直接或间接对光伏电池进行循环冷却。

优选地， 所述地源冷却装置应用于聚光光伏发电系统， 用所述循环介 质对聚光光伏电池进行直接或间接循环冷却。

进一步地，所述地下循环冷却系统为阵列布置 于地表以下的换热管道； 优选地，所述换热管道为塑料管道，所述塑料 管道为 PE、 PE-X或 PE-RT 聚乙烯类管道。

进一步地， 所述换热管道垂直埋管于土壤中， 获取地下深层土壤的热 量， 整体布置成单 U型结构或双 U型结构。

进一步地， 所述换热管道水平埋管于地表土壤中， 整体水平布置， 具 有大的换热面积。

优选地， 所述换热管道布置于太阳能系统的阴影区域的 地表以下的土 壤中， 白天基本不接收或接收有限的太阳光辐射， 温度更低并且具有巨大 的土地使用面积。

优选地， 所述换热管道布置于菲涅尔阵列镜场或槽式太 阳能镜场下部 地表以下的土壤中， 具有更少的太阳能光辐射， 可获得更加优异的散热冷 却效果。

需要说明的是， 该地表以下的土壤物质是一个广义的概念， 包括土壤 本身的同时， 也包括混合于土壤物质中的砂、 石和水分， 包括沙漠地区的 地表层沙子， 包括岩石地区地表层的岩石及混合填充灌注物 质， 包括滩涂、 沼泽地带表层高水分混合物质等等；

本发明实施例的地源冷却装置埋设于地表以下 ， 不受日晒并可避免操 作人员的触碰损伤， 且土壤吸热量大， 同时可以最大限度地利用太阳能镜 场面积的土地面积的优势， 具有建设成本低廉， 运营筒单可靠的特点， 且 克服目前太阳能电站只能建设在太阳能资源相 对丰富的干旱地带， 汽轮机 冷却系统只能采用空冷技术的局限， 降低建设成本的同时， 减少了大量的 运营成本。 附图说明 下面参照附图对本发明的具体实施方案进行详 细的说明， 附图中， 图 1是本发明第一实施例的一种应用于太阳能发� �系统的地源冷却装 置示意图；

图 2是本发明第二实施例的一种应用于太阳能发� �系统的地源冷却装 置示意图；

图 3是地下循环冷却系统的一种循环冷却系统；

图 4是地下循环冷却系统的另一种循环冷却系统� �

具体实施方式

根据资料分析， 地表面接收的太阳光总热量主要包括地表漫反 射辐射 热量和土壤吸收热量； 土壤吸收的热量通过地表长波辐射、 水对流、 空气 对流、 植物生长所需吸收热量达到热量的平衡， 使得地表温度年平均温度 在 1 5 °C左右； 上述可以粗略推断地表释放热量的能力相当巨 大， 且在阴影 区域， 因无太阳光入射地表， 地表辐射热量与环境达到新的平衡， 使得地 表的平均温度将长期小于 1 5 °C ; 另外， 表层土壤具有巨大的质量， 从而具 有巨大的热储量和温度惯性。 如此利用在阴影区域的地表巨大储热、 散热 能力， 本发明提出一种可应用于太阳能发电系统的地 源冷却装置， 以克服 现有技术中存在的问题。

图 1是本发明第一实施例的一种应用于太阳能发� �系统的地源冷却装 置示意图。 如图 1所示， 地源冷却装置包括地下循环冷却系统 1和循环介 质 2。 地下循环冷却系统 1布置于地表以下， 通过地表以下的土壤物质对 循环介质 2带来的热量进行吸收， 通过地表向环境释放热量， 达到降低循 环介质 2的温度的目的。 该系统应用于太阳能光热发电系统， 所述换热管 道内部的循环介质 2可以为工质水-蒸汽， 用于汽轮机组热力循环，对汽轮 机组排汽进行冷凝冷却。 汽轮机组 3向地下循环冷却系统 1提供循环介质 热源； 地下循环冷却系统 1布置于地表以下， 循环介质 2热源可在循环辅 助装置 4的驱动下进入地下循环冷却系统 1 , 通过地表以下的土壤物质对 热量吸收和地表对热量的释放， 达到为汽轮机组 3冷却降温的目的。

循环介质可以是水。 图 1中， 汽轮机组 3接收高温高压的过热水蒸汽， 在水蒸汽的推动下只有小部分的热量完成电力 的输出， 需要向外界排出由 低压低温的蒸汽所携带的大量热量， 该汽轮机组 3提供的循环介质 2为工 质水 -蒸汽的气态（热源）。 实际太阳能发电系统中， 需要对汽轮机所排出 的低温低压工质水-蒸汽进行液体冷凝释放大� �的热量，处理过程中的常规 方式为水冷和空冷。 因为我国大部分的太阳能丰富区域都位于干涸 的沙漠 地区， 水源枯竭， 并不方便实施水冷系统对汽轮机进行冷却； 现有技术中 只能采用建设成本高和运行复杂的空冷技术进 行冷却处理。在一个例子中， 充分利用了槽式阵列太阳能镜场， 尤其菲涅尔阵列槽式太阳能镜场的布置 特点。 在菲涅尔阵列槽式太阳能镜场的情况下， 所需土地面积辽阔， 例如 50MW ( e )机组所需 1 50万平米的土地面积（带储热系统 )； 在有阳光照射 的地球表面， 大约 50°/。的入射地球表面太阳光热量被地球所直� ��吸收， 一 半能量以长波形式辐射出去， 余下的成为水循环、 空气循环、 植物生长的 动力， 使得地表面通常在 1 5 °C左右。

在一个例子中， 地下循环冷却系统 1为阵列布置于地表以下的换热管 道， 为克服腐蚀 （特别是盐碱类土壤腐蚀） 。 换热管道优选为塑料管道， 例如具体为 PE、 PE-X或 PE-RT聚乙烯类管道。换热管道水平浅埋管于土� �� 中， 获取地下深层土壤的热量。 可整体布置成单 U型结构或双 U型结构， 以获得沿轴向方向上热量均勾释放。该换热管 道布置水平埋管于大地表层， 整体水平布置， 具有大的换热面积， 水平布置深度例如为 0. 5m。 完成冷凝 和冷却的工质水， 流经循环辅助装置 4中， 例如太阳能集热器， 经过接收 会聚的太阳光热量， 再次变成高压高温的过热水蒸汽， 运输至汽轮机组 3 中进行发电， 然后变成低温低压的气态循环介质热源冷凝， 完成新的循环。

换热管道埋设于地表以下， 不受日晒并可避免操作人员的触碰损伤， 且土壤吸热量大， 同时可以最大限度地利用太阳能镜场面积的土 地面积的 优势， 具有建设成本低廉， 运营筒单可靠的优点， 且克服目前太阳能电站 只能建设在太阳能资源相对丰富的干旱地带， 汽轮机冷却系统只能采用空 冷技术的局限， 降低建设成本的同时， 减少了大量的运营成本的同时， 具 有优良的换热和储热能力。

一个例子为： 50MWe机组所需 1 50万平米的土地面积， 换热管道布置 于 0. 5m以下的土壤中， 输入温度为 4 0 °C , 假定地表温度为 1 0 °C , 土壤为 石灰岩，其热导率 0. 98W/mk;比热容为 0. 85k J /kgK;密度为 2880kg/m ³ ;汽轮 机需要排放的热量大约为 1 00MW, 排放时间为 24小时； 假定地表不向环境 释放热量，且不向 0. 5米以下的土壤释放热量，则每天排放的热量� �能使该 体积的土壤温度上升 0. 25 °C ; 假定地表对空气的对流换热系数与辐射换热 系数之和为 1 0W/m ² k，则只需要空气温度与地表面温度保持� �概 6. 5 °C温度 差即可以完成该功率的冷却 （在地表没有阳光入射或很少阳光入射的情况 下， 地表温度与环境温度具有一定的温差） ， 且国内的太阳能密度丰富区 域多为风资源丰富区域， 其换热系数较上述计算的换热系数会大很多， 具 有真实的良好的换热性能。

图 2是本发明第二实施例的一种应用于太阳能发� �系统的地源冷却装 置示意图。该地源冷却装置可应用于太阳能光 热发电系统中，如图 2所示， 该地源冷却装置包括地下循环冷却系统 1、循环介质 2和双回路换热系统 5 , 实施双回路冷却循环换热。 双回路换热系统将进入第一回路的第一循环介 质 （热源） 进行冷凝冷却， 其放出的热量被在第二回路中循环的第二循环 介质 （冷源） 带走， 流经所述地下循环冷却系统 1时由土壤物质吸收并向 环境释放。 其中汽轮机组 3与双回路换热系统 5中的第一回路形成一组回 路， 内部循环的介质为第一循环介质 2-1 ; 其中地下循环冷却系统 1布置 于地表以下， 与双回路换热系统 5的第二回路形成另一组回路， 该回路内 部的循环介质为第二循环介质 2-2。第一循环介质 2- 1与第二循环介质 1-1 在双回路换热系统 5内进行热量的交换， 将第一循环介质 2-1提供的热量 通过第二循环介质 2-2传递至地表以下， 通过土壤对热量吸收和地表对热 量的释放， 达到汽轮机组 3中第一循环介质 2- 1本身温度下降的目的； 换 热管道内部的第二循环介质 2-2可为液态水； 优选地， 所述第二循环介质 的液态水中含有防冻剂。

在一个例子中， 地下循环冷却系统 1为阵列布置于地表以下的换热管 道， 内部循环介质为液态第二循环介质， 因长期对汽轮机排出的第一循环 介质 2- 1进行换热， 其基本不会发生天冷冻结问题。 换热管道可以为塑料 管道， 具体为 PE、 PE-X或 PE-RT聚乙烯类管道， 具有优良的抗腐蚀性能。 换热管道垂直埋管于土壤中， 获取地下深层土壤的热量， 整体布置成单 U 型结构或双 U型结构， 该换热管道布置的深度可以为 1 0-1 5m。 优选地， 所 述换热管道布置于太阳能镜场阴影区域的地表 以下， 白天基本不接收或接 收有限的太阳光辐射， 利于地表面的热量向大气环境的释放， 且具有巨大 的土地使用面积。 优选地， 所述换热管道布置于菲涅尔阵列镜场或槽式太 阳能镜场阴影区域的地表以下， 具有更少的太阳能光辐射， 可获得更加优 异的散热冷却效果。 完成冷凝和冷却的第一循环介质， 流经循环辅助装置 4中， 例如太阳能集热器， 经过接收会聚的太阳光热量， 变成高压高温的 过热水蒸汽，运输至汽轮机中进行发电， 然后变成低温低压的气态工质水- 蒸汽热源， 完成新的循环。

图 3是地下循环冷却系统的一种循环冷却系统。 如图 3所示， 该地下 循环冷却系统 1主要应用于本发明装置第一实施例中， 其垂直布置于地表 以下， 具有相对较深的布置位置， 采用双 u型结构布置， 增强其对地下释 放热量的能力， 且减少垂直挖坑的数量。

图 4是地下循环冷却系统的另一种循环冷却系统� � 如图 4所示， 该地 下循环冷却系统 1主要应用于本发明的第二实施例中， 其多根换热管水平 布置于浅地面位置， 例如地表以下 0. 5m, 换热管将热量释放于浅地面的土 壤中， 通过土壤的吸收热量的能力和巨大的换热面积 将浅地面吸收的热量 释放于大气环境中， 完成汽轮机的热量的释放。

需要说明的是， 该地源冷却装置应用于光伏发电系统， 用所述循环介 质对光伏电池进行直接或间接循环冷却； 尤其应用于聚光光伏发电系统， 用所述循环介质对聚光光伏电池进行直接或间 接循环冷却； 通过流经光伏 电池背部的循环介质， 将光伏电池多余的热量释放至循环介质中， 降低自 身的问题， 保证良好的转换效率和使用寿命； 循环介质接收热量后形成介 质热源通过地上循环换热系统或者直接连接于 地下循环冷却系统， 将接收 的热量间接或直接释放至土壤内部或地表， 达到介质热源本身的温度下降 目的后， 进入下一轮的光伏电池多余热量释放的循环中 。

为最大化土壤利用率， 该应用于太阳能发电系统的地源冷却装置的换 热管路地表上方土壤实施农业种植； 提供巨大使用植被面积的同时， 有效 地防止了绿色植被的冬日防冻提供产量， 也进一步降低太阳能镜场区域的 沙漠面积。 为获得最高小的散热面积， 地源冷却装置将换热管道布置于太 阳能系统的阴影区域的地表以下； 具体为换热管道布置于菲涅尔阵列镜场 或槽式太阳能镜场下部， 获得最大使用面积、 最小阳光直射辐射、 最高效 冷却散热效果。

毋庸置疑，该发明装置可以良好地应用于其它 工业领域中的冷却系统。 显而易见， 在不偏离本发明的真实精神和范围的前提下， 在此描述的 本发明可以有许多变化。 因此， 所有对于本领域技术人员来说可以预见的 改变， 都应包括在本权利要求书所涵盖的范围之内。 本发明所要求保护的 范围由所述的权利要求书进行限定。