利用自地球内部的热产生电力的系统及方法
阅读说明：本技术 利用自地球内部的热产生电力的系统及方法 (System and method for generating electric power using heat from the inside of the earth ) 是由 西奥多·S·萨姆罗尔 于 2018-09-26 设计创作，主要内容包括：用于由地热层生产能源的系统及方法。可将热交换器安置于井内部以自地热层吸收热。可利用高导热性材料在井内部支撑热交换器。将热交换器连接至包括二级热交换器及涡轮机的有机朗肯循环引擎。选定一级及二级热传递流体以使有机朗肯循环的效率最大化。(Systems and methods for producing energy from geothermal layers. A heat exchanger may be disposed inside the well to absorb heat from the geothermal layer. The heat exchanger may be supported inside the well using a high thermal conductivity material. The heat exchanger is connected to an organic rankine cycle engine including a secondary heat exchanger and a turbine. The primary and secondary heat transfer fluids are selected to maximize the efficiency of the organic rankine cycle.)
背景技术
用于产生供公共消费及利用的电力的常规系统包括核动力、化石燃料供以动力的蒸汽产生设备及水力电力。这些系统的操作及维护为昂贵的且使用大量天然资源，且在一些情况下经由烃燃烧或废核燃料棒处理而导致过度污染。此外，甚至诸如太阳能及风供以动力的系统的可再生能源资源仅在每天平均仅数小时内在一些位置中可操作，而地热系统可视需要在约24/7基础上操作。
因此，此项技术中需要在约24/7基础上可用且不依赖于石油材料的进口或数十亿美元的动力设备的构建的用于廉价产生清洁电力的系统及方法。进一步需要用于利用自地球内部的热产生电力的系统及方法。
发明内容
在本文所描述的一个方面中，地热能源系统包括位于井内部的一级热交换器，井与地热部件(geothermal feature)及地热层(geothermal formation)内部的热载体接触，一级热交换器含有配置成吸收自一级热交换器中的热载体的热的第一热传递流体；与一级热交换器热连通的二级热交换器，二级热交换器含有第二热传递流体，其中第一热传递流体及第二热传递流体与彼此保持分离，且其中第二热传递流体具有低于水的闪点的闪点；及与二级热交换器流体连通的涡轮机，其中第二热传递流体在二级热交换器中进行气化且经气化第二热传递流体为涡轮机中的工作流体；以及连接至涡轮机的产生器，产生器配置成基于涡轮机的运动产生电力。
在一些实施例中，一级热交换器包括供应部分及返回部分，供应部分包括与地热部件热连通的壳体，且其中返回部分同心地位于供应部分的壳体内部。
在一些实施例中，返回部分包括隔热管，其中隔热管配置成使返回部分中的热第一热传递流体与一级热交换器的供应部分中的相对较冷的第一热传递流体隔离。
在一些实施例中，隔热管经由多个定心器悬浮于一级热交换器的壳体内部，定心器位于一级热交换器的壳体内部以使得一级热交换流体与多个定心器接触。
在一些实施例中，多个定心器与隔热管的外表面连接且不与壳体的内表面连接。
在一些实施例中，隔热返回管具有位于供应部分的壳体的底部附近的第一端及连接至二级热交换器的第二端，且其中隔热返回管的第一端闭合且其中包括多个孔洞以允许第一热传递流体自供应部分流入隔热返回管中。
在一些实施例中，壳体包括井套管，套管包括位于井内部的多个套管区段。
在一些实施例中，多个定心器在套管区段之间的接面处与套管的内表面连接。
在一些实施例中，通过具有高导热性的水泥或水泥浆在井内部支撑一级热交换器。
在一些实施例中，通过多个支撑轴环在井内部支撑一级热交换器。
在一些实施例中，一级热交换器悬浮在地球或海底的表面处或附近。
在一些实施例中，热载体包括***一级热交换器的外表面与壁的内表面之间的导热材料。
在一些实施例中，热载体为可在地热层内部流动的盐水。
在一些实施例中，多个支撑轴环中的各者包括第一及第二端，其中多个支撑轴环的第一端与井的内壁牢固地连接，且其中多个支撑轴环的第二端在井中于高于多个支撑轴环的相应第一端的点处接触一级热交换器的外壳体。
在一些实施例中，多个支撑轴环在井的底部上方的位置处支撑一级热交换器的外壳体。
在一些实施例中，多个支撑轴环位于井内部以使得多个支撑轴环与地热层中的热载体接触，且热载体能够在多个支撑轴环周围流动以接触一级热交换器。
在一些实施例中，壳体包括壳体的面向井的表面上的抗结垢涂层，涂层包括极平滑的非金属材料，该材料防止离子键结位点形成，因此防止垢形成并且还抑制腐蚀。
在一些实施例中，壳体包括壳体的面向井的表面上的抗结垢涂层，涂层包括非金属材料，诸如经由化学气相沉积或气相沉积合金化施加的碳或硼。
在一些实施例中，壳体包括壳体的面向井的表面上的抗结垢涂层，涂层包括具有大量sp3杂化碳以阻止腐蚀及结垢的非晶碳材料。
在一些实施例中，壳体包括壳体的面向井的表面上的抗结垢涂层，涂层包括氮化碳、氮化硼以防止结垢及腐蚀或使其最小化。
在一些实施例中，壳体包括壳体的面向井的表面上的抗结垢涂层，涂层包括抗结垢及腐蚀的高导热陶瓷。
在一些实施例中，第一热传递流体为纳米流体。
在本文所描述的另一方面中，利用地热能源产生电力的方法包括将第一热传递流体移动至位于井内部的一级热交换器中，井与地热部件及地热层内部的热载体接触；在第一热传递流体中吸收来自井中的热载体的热；将第一热传递流体移出一级热交换器且移出井且移至二级热交换器中；在二级热交换器内部将热自第一热传递流体传递至第二热传递流体，气化二级热交换器中的二级热传递流体；使经气化二级热传递流体流入涡轮机中，涡轮机与发电机连接且经气化二级热传递流体使涡轮机运动；且利用涡轮机的运动在发电机中产生电力。
在一些实施例中，将第一热传递流体移动至一级热交换器中包括将第一热传递流体向下移动至一级热交换器的供应部分中；且使一级热交换器的壳体及同心地安置于一级热交换器的壳体内部的返回管的表面与第一热传递流体接触。
在一些实施例中，将第一热传递流体移出一级热交换器且移出井包括使一级热传递流体流过同心地安置于一级热交换器的供应部分的壳体内部的返回管，其中使返回管隔热以使返回管内部的一级热传递流体与一级热交换器的供应部分中的一级热传递流体之间的热传递最小化。
在一些实施例中，经由具有高导热性的热水泥或水泥浆支撑井内部的一级热交换器。
在一些实施例中，经由多个支撑轴环在井内部支撑一级热交换器。
在一些实施例中，该方法进一步包括在井的内表面与一级热交换器的外表面之间及在多个支撑轴环周围流动热载体。
在一些实施例中，该方法进一步包括将一级热交换器***井中，一级热交换器具有多个支撑轴环附接于其上，多个支撑轴环中的各者的第一端与一级热交换器的外表面可移动地附接，且多个支撑轴环中的各者的第二端经由降解连接件与一级热交换器的外表面暂时连接；且降解暂时性连接以使得多个支撑轴环中的各者的第二端延伸以接触井的内表面。
在一些实施例中，井包括仅沿井的一部分延伸的套管，且该方法进一步包括利用扩展式扩孔器(under reamer)钻孔井的一部分，在该井中套管不延伸以增加井的直径；且将一级热交换器定位于具有增加直径的井的部分中。
在本文所描述的另一方面中，供地热应用利用的热交换器包括安置于井内部的套管，其具有配置成含有热传递流体的抗结垢和/或抗腐蚀层于其上，套管形成壳体以容纳热传递流体；安置于井内部的多个支撑轴环，多个支撑轴环在井内部支撑套管，以自井的内表面朝向套管大致向上的角度安置多个支撑轴环；共轴地安置于圆柱形壳体内部的返回管，其中套管及返回管的布置形成返回管与圆柱形壳体之间的环状空间，返回管的内部体积与环状空间隔热；安置于环状空间内部的多个定心器，多个定心器中的各者包括第一端及第二端，多个定心器的第一端与壳体的内表面连接且多个定心器的第二端与返回管的外表面连接，定心器具有低剖面以将对环状空间内部的流动的水力阻力最小化；且其中多个支撑轴环配置成允许井的内表面与套管之间的热载体的流动。
附图简要说明
图1为说明根据示例性实施例的用于热电系统的塞贝克效应的图。
图2说明根据示例性实施例的热电系统的热电堆。
图3说明根据示例性实施例的热电产生器。
图4为根据示例性实施例的热电产生系统的说明图。
图5为根据示例性实施例的地球表面内部的温度的说明图。
图6为根据示例性实施例的包括内部管及外部管的示例性管结构的说明图。
图7为根据示例性实施例的热电产生系统的说明图。
图8为根据示例性实施例的热电产生系统的说明图。
图9A及9B为根据示例性实施例的管系统的说明图。
图10为根据示例性实施例的热电产生系统的说明图。
图11为根据示例性实施例的热电产生系统的说明图。
图12A为地热能源生产系统的实施例的系统图。
图12B为井内部的热交换器的实施例的剖视图。
图12C为井内部的热交换器的实施例的剖视图。
图12D为热交换器的一部分的顶视图。
具体实施方式
下文现将参考附图更全面地描述本发明，其中展示本发明的示例性实施例。然而，本申请可以多种不同形式体现，且不应解译为限于本文所阐述的实施例；确切而言，提供此实施例以使得本发明将为透彻的且向本领域技术人员完整传达本发明的范围。类似编号始终指代类似组件。
本发明的一些实施例使用深井(例如废弃或未使用的油、天然气及地热井)，其可以极少的投资获得且其安装有介质再循环型系统以为电力产生、直接加热和/或水冷凝提供充足热能。举例而言，动力产生构件可包括热电产生器、斯特林引擎、朗肯引擎、马特南能源循环引擎(Matteran energy cycle engine)、闪蒸动力设备、干蒸汽动力设备、二元有机朗肯循环动力设备、闪蒸/二元组合循环及其类似者。深井可产生热能源，同时独立低温源可提供用于创造温差的冷源、散热器或其类似者，如本文所描述的各种动力产生构件所利用。举例而言，独立低温源可由获自包括海洋、海、海湾、河流、河川、小溪、湖泊、泉的各种源或获自诸如地下井的任何地下源或获自公共水系统的水提供。动力产生构件可用于为公共、私人及政府消费提供动力。
本发明的方法及系统具有由有效设计产生的多种固有优势，该设计利用可用能源来源且限制物理及生态足迹及由其利用导致的废物。举例而言，设计为闭合回路或实质上闭合回路法，一些所公开实施例可在利用时减少污染及非天然材料至周围环境中包括至地球表面、地下中及至地球大气中的不必要的引入。此外，闭合回路性质及对现存能源来源的依赖性减少通常在现行地热能源产生系统的情况下产生的额外废物或不合需要的副产物的生成。经由利用已存在于地球内部的热能，本发明的实施例可另外提供未开发的替代能源，克服当前面对的多种燃料依赖性问题。本发明的实施例亦可经由包括多种能源产生构件及多种热源，提供用于本地利用和/或用于贡献较大私人或公共网格的候补能源来扩充。另外，可经由经济上谨慎的系统建构，避免过度建构成本、时间及空间来达成可扩展性。最后，本发明的实施例为充分利用已可经由其它方面可能未利用或在使用的诸如废井或勘探井的非生产井获取的现存能源创造机会。
本文所描述的第一示例性实施例可包括热电产生器，其包括热电堆、热接面及冷接面。热电堆的热接面可耦合至包括自地球表面内部的热的高温源。另外，热电堆的冷接面可耦合至可与冷接面地理上分离的自水体的低温源。高温源及低温源因此可在用于产生电力的热电堆处创造温度梯度。
如图1中所说明，当第一材料的第一电线12与第二材料的第二电线14接合且随后在接面端部16中的一个处加热时，可产生连续流动的电流。此称为塞贝克效应。塞贝克效应具有两种主要应用：温度量测(热电偶)及动力产生。热电系统为在并入有热及电效应以将热能转化成电能或电能来减小温度梯度的电路上操作的热电系统。两个更或多个电线的组合创造整合至热电系统中的热电堆10。当出于动力产生的目的采用时所产生的电压为温度差及所利用的两个电线的材料的函数。热电产生器具有与具有充当工作流体的电子的热引擎循环密切相关的动力循环且可用作动力产生器。将热自高温源传递至热接面且随后驳回至自冷接面的低温接收器或直接驳回至大气。热接面的温度与冷接面的温度之间的温度梯度产生电压电位及电力的产生。半导体可用于显著地增大热电产生器的电压输出。
图2说明建构有n型半导体材料22及p型半导体材料24的热电堆20。对于增加的电流，重度掺杂n型材料22以创造过剩电子，而p型材料24用于创造不足电子。
热电产生器技术为功能性、切实可行性且连续性长期电源。由于天然及人造环境中出现的温度梯度的可及性，热电产生器可提供呈电力形式的连续电源供应器。能源的最丰富、普遍且可获取的源中的一种为环境热，尤其地壳内部所含有的热。
图3说明热电产生器的实施例。热电产生器300可包括至多个热接面320的输入端310及至多个热接面320的输出端330。热接面320可包括用于热传递的热的任何源。在示例性实施例中，热源为热板332。热板332可为金属或任何其它传导材料。热板332可介接热电堆350以经由传导、对流、辐射或任何其它热传递构件为热电堆提供热。本领域普通技术人员应了解，任何热电产生器可用于本文中且不限于此实施例。本文考虑允许热接近热电堆的任何系统。
热电产生器300可进一步包括多个冷接面360。冷接面360可包括用于热传递的冷板312。可替代地，可远离冷接面360辐射或对流热。冷板312可为金属或任何其它传导材料。冷板312可介接热电堆350以提供传导性散热器。可由热板332的温度与冷板312的温度之间的温度梯度跨越热电堆350创建电压电位。温度梯度愈大，可产生愈多电力。本领域普通技术人员应了解，任何热电产生器可用于本文中且不限于此实施例。
本文考虑提供介接热电堆的散热器的任何系统，包括诸如流体的热吸收的天然存在的源。在示例性实施例中，流体为水。出于本申请的目的，水可获自包括海洋、海、海湾、河流、河川、小溪、湖泊、泉的任何源或获自诸如地下井的任何地下源或获自公共水系统。由于水用于吸收热，所以自用作本文中的散热器的公共水系统的水可用于预加热水以减少公共、政府或工业加热水以用于任何所需用途所需的动力的辅助目的。作为低温源的水或任何流体通过具有更高热传递系数且因此在冷接面的情况下提供更好的热传递来提供优于空气或天然气的技术效益。
图4说明热电产生系统400的示例性实施例。热电产生器可用于热电产生系统以由低温源与高温源之间的温度梯度生产电力。热电产生系统400可位于水体402中或附近，该水体包括但不限于海洋、海湾、海、湖泊、河流、泉、小溪或任何其它相对较冷的水体。热电产生系统400使用水体402作为用于热电产生器的低温源。
水体402可为热电产生器提供显著地较低的温度以增加温度梯度。在诸如海洋、海湾、海或湖泊的水体402中，水的温度随深度而降低。在通常称为海洋斜温层的深度处，水温度显著地降低。海底斜温层出现之处的深度的平均值在30与50米之间且在全世界内变化。在低于海底斜温层的深度处低温源较佳为水以提供冷水的连续源，且较佳在电流中以允许冷水的连续流动以使得水不停滞且因此在整个能源生产操作中使温度上升。另外，邻接于相对较冷的水的某一其它表面主体的动力设备的位置应允许水流过设备且随后在最少热改变水的情况下排出。
因此，低温源可与冷接面直接接触，或可替代地可与冷接面地理上分离且通过管或介质输送的其它构件流体连通。
高温源可由地壳404内部提供。地球提供极高热的连续性廉价源。如图5中所说明，地球内部的温度一般以每60英尺深度约1华氏度的平均速率朝向地球的核升高。因此，地球内部较深的位置可用作用于热电产生器的热接面的高温源。地球内部的位置可经由钻孔或其它构件到达以用于在地面中创建孔416，且水或某种其它类型的热传递介质循环通过孔且达至或接近表面以容许通过采用高效泵或某种其它方法发生热传递。
通常称为干孔的特定孔可用于达至地壳内部的高温。干孔通常由石油工业的不成功的努力存在以定位油或天然气。石油工业钻孔井深至地壳中以用于勘探石油。全世界内经钻孔的勘探井的绝大多数不定位石油且由此表示为“干孔”。干孔提供相对较容易的地下层面入口及高温条件。干孔可位于土地上或位于水体中。干孔可到达超过30,000英尺的深度。然而，本领域普通技术人员应了解，干孔可为任何深度且可为活性或失活功能性或非功能性油、天然气和/或地热井。
图5示出示例性井的地壳中的温度与深度之间的关系。如图5中所示，井或干孔中的温度可到达极高的温度。在图5中的示例性描绘中，在6100英尺处的干井中的温度为约209℉。本领域普通技术人员应了解，本发明不限于干孔的利用且可包括地壳中的任何孔或井，其可通过热电产生器以及消耗或未利用的油及天然气井提供包括钻孔以供利用的孔的热源。图5对于一个井具有示例性。在一些井中，温度曲线可变化，且在6100英尺处的井下孔温度可高于209℉。
再次参考图4，热电产生系统可包括泵站410、管系统420、热电产生器430及热传递流体440。热电产生系统可安置于水体402中或附近。泵站410可包括泵及用于泵的相关外壳。泵可为能够使流体以合适的体积速率流动的任何市售或经特别设计的泵。泵站410可位于土地上、位于水表面上方或位于水下方。泵站410与管系统420连接。管系统420包括至少一个管422。管422可包括用于携载待由地球加热的热传递流体440的内孔或内部通道。内孔可为允许充足热传递流体440经由管系统泵送的任何合适的直径。管422自泵站410延伸至孔416中且可为实质上U形以使得管422上升离开孔。
管系统420可介接热电产生器430的热接面320。管系统420的管422的内孔对于热电产生器430的热接面320的输入端为可到达的。管系统420自热电产生器430的热接面320的输出端延伸以返回至泵站410。
因此，可在泵站410与热电产生器430之间的闭合回路或实质上闭合回路配置中配置管系统420。更具体的，将热传递介质自泵站410泵送至存在于地球表面下(例如现存井内部)的高温源中且回至表面以可使热电产生器的热接面320从不暴露于内部周围组件且完全含于管系统420中直至其介接处于热接面处。然而，应了解，可能有必要添加、替换或备足泵站410处的热传递介质。
在一些实施例中，泵站410向管系统420的第一部分提供正压且将热传递流体440自表面向下泵送至孔416中，其中流体吸收自地质层的热。随后热传递流体440向上流动通过管422的内孔至热电产生器430中，其中热传递流体440为热电产生器430提供热。随后热传递流体440再循环通过泵站410，且再次向下加压，且重复循环。
在一些实施例中，泵送站410提供吸力或真空力于管系统420上，由此自管系统420的一部分诸如自与热电产生器430热连通的管系统420的部分抽拉流体。随后重力泄放热传递流体440，或视需要向下抽拉至孔中以循环。
在图6中所说明的示例性实施例中，管系统可包括外部管423及内部管424以使得环状空间425存在于内部管424与外部管423之间。在此示例性实施例中，可将流体440经由内部管424泵送至孔中，且可将由地球加热的流体440经由环状空间425泵送出孔416至热电产生器430的热接面320。
在一些实施例中，待经由环状空间425泵送至孔中且经由内部管424泵送出孔的流体440。应了解，取决于管系统420应介接的周围环境及温度，返回经由环状空间425向下泵送的流体可另外使经由内部管424向上泵送的经加热介质隔离。
在图7中所说明的热电产生系统的另一实施例中，孔416可位于靠近水体的土地上。孔416可为如先前所描述的热接面提供高温源。水体402可为冷接面提供低温源。水体402可为河流、泉、小溪、湖泊或任何其它冷水供应源。热电产生器430的冷接面360与水体402热耦合。冷接面360可与水体402直接介接，或可利用管系统的管422或诸如热交换器的引导水的其它构件使水体定向至冷接面360。将冷接面360冷却至约介接冷接面的水的温度。热电产生器430跨越热电产生器430的热接面320及冷接面360创建电压电位。利用自地球的热以控制热接面320的温度及利用表面或接近表面的水的冷以控制冷接面360的温度使温度梯度最大化且经由采用热电模块生产大量电力。可经由动力管线450将由热电产生器430产生的电力传输至任何目的地。
在图8中所说明的热电产生系统的另一实施例中，用于冷接面360的低温源可为自滞留在地球表面处、上方或下方的冷冻器器件810的水。由于紧接在地球表面下方的低温，所以冷冻器器件810可用于降低水的温度。在示例性实施例中，冷冻器器件可置放于表面下方高达约300英尺处的深度。在表面下方约300英尺处，温度一般开始随深度而升高。本领域普通技术人员应了解，300英尺层面仅为近似值，且深度可视地球上的位置而变化且因此不限于300英尺近似值。冷冻器器件810可由自热电产生器所产生的电力供电。
使用水作为用于自地壳内部深处进行热传递的介质会造成金属管系统的腐蚀。热水，尤其当含有氧气时，会快速地腐蚀金属。为减少腐蚀，可采用诸如高真空的脱氧机制以自水中移除氧气。或者，可将非腐蚀性金属例如不锈钢用于管系统。在另一实施例中，管系统可包括耐高温性且非腐蚀性塑料管道。塑料管道的一示例性实施例为由
热电产生器可在操作期间受到保护远离低温源以延长热电产生器的寿命。保护可呈化学品保护或任何其它源的形式。冷接面可包括陶瓷材料以抗水的腐蚀。亦可密封热电产生器以使得水不接合或腐蚀热电堆。
热电产生器可包括现成的热电堆。热电产生器亦可采用经特别设计的热电堆，诸如量子井热电产生器，其将实质上增加动力产生。
热电产生器亦可采用纳米电线以提高系统的效率。纳米电线增加能态密度。纳米电线可以实质上平行数组布置以输送所产生的电力。热电产生器亦可包括量子点以提高系统的效率且降低系统的导热性。
在热电产生系统的另一实施例中，用于热接面的高温源可来自泥浆池。自泥浆池的泥浆用作用于油井钻孔的钻孔流体。泥浆延伸至进行钻孔以用于油勘探的孔的底部。由钻孔及自地球表面内部的高温加热泥浆。热电产生器的热接面可介接泥浆池以达至泥浆的高温。泥浆的高温可用于增加跨越热电堆的温度变化且用于增加电产生。
热电产生系统可以具有优于电力产生的常规系统的若干优势。举例而言，热电产生系统具有最少污染问题，这是部分由于其作为闭合回路系统的操作且依赖于最少非天然材料(若存在)的引入。热电产生系统应具有最少废物及最少大气排放物。热电产生系统亦为完全可再生的。热电产生系统亦可按比例缩小至可为局部区域提供动力的程度。热电产生系统相较于常规的动力系统对于建构及操作可为廉价的并且还可利用非生产性油井而非必须封盖非生产性井或必须钻孔新孔。
图9A及9B说明具有如上文参考图6所描述的同心布置的外部管910及内部管920的管系统900的另一示例性实施例。如由图9A所说明，内部管920包括贴附至管的外表面的多个凸片930，且这些凸片可沿管长度的至少一部分运行且径向向外延伸。在一个实例中，凸片930可延伸管的实质上整个长度。然而，在另一实例中，凸片930可沿管系统900的远程部分处或附近的长度贴附至内部管920。凸片930可促进自地球至循环通过其的介质的地热传递，且进一步促进介质内部的热消散。因此，在一实施例中，仅在管系统900的远程部分处包括凸片的管系统900在其中地热能源为最多的管系统的最深部分处或附近提供增加的热传递机制。可替代地，在由图9B说明的另一示例性实施例中，多个凸片930可贴附至外部管910且延伸以径向朝向内部管920。应进一步了解，凸片930可贴附至外部管910及内部管910且在其间延伸。凸片930可由如已知的具有高导热性的材料构成。
如所描述的凸片亦可用于具有不包括内部管或外部管的管系统的实施例，该管系统诸如如参考图4所描述的实质上U形的管系统。在这些实施例中，凸片可贴附至管的内表面且径向向内延伸，进一步改进自地球至泵送通过其的流体的地热传递。
利用泵站410经由泵对流体440加压。利用泵使流体440循环通过管422、热电产生器430的热接面320及泵站410。可连续地或当需要时通过系统将额外的流体添加至管系统420以说明在操作管系统及泵站期间的流体的任何丧失。然而，本领域普通技术人员应认识到可采用将经加热流体携带至表面或表面附近的其它方法。
当管422内部的流体440自泵站410朝向孔416的底部下降时，通过地球将其加热。可将流体440加热至接近孔416中的土壤的温度。在示例性实施例中，可将流体440加热超过200华氏度。在流体440到达管422的最低点之后，随后使经加热流体上升离开孔416且至热电产生器430的热接面320的输入端中。
管422中的经加热流体可为高温源且热耦合至热电产生器430的热接面320。流体离开管422的内孔且进入热电产生器430的热接面320的输入端中。随后流体440可经由管422的内孔离开通过热电产生器430的热接面320的输出端330。流体440继续泵站410以闭合流体的泵送循环。泵站可包括可经操作来以适当的体积速率经由管系统420及热电产生器430泵送流体440的任何泵。此外，热电产生系统可作为闭合系统或开放系统操作。
流体440可包括能够由地球加热且能够固持热的实质性部分以用于递送至热电产生器的热接面的任何流体。在示例性实施例中，流体为水，然而，可采用其它流体以减少腐蚀且以允许加热井超过水的沸点。
热电产生器430可位于水体402中且与管系统420连通。水体402用作用于热电产生器的冷接面360的低温源。在图4的示例性实施例中，热电产生器430位于水体402的热电堆的下方以使得冷接面360可达至热电堆下方的低温水。在示例性实施例中，热电产生器430可位于水体402中的电流中以获取水的流动。水体402提供用于热电产生器430的冷接面360的低温源。冷接面360可向外暴露于水体402中的水。冷接面360可受到充足的保护以防止腐蚀。水体402中的水亦可通至热电产生器的冷接面360中。冷接面360可包括用于接收水的输入端及用于离开冷水的输出端。水可流过冷接面360以向热电产生器的冷接面360提供低温源。
在示例性实施例中，高温源可在100华氏度与600华氏度之间且低温源可在约32与130华氏度之间。本领域普通技术人员应了解，高温源及低温源不限于这些温度范围但可为任何适当的温度范围。在示例性实施例中，热接面与冷接面之间的温度梯度(ΔT)可在470与68度之间。本领域普通技术人员应了解，温度梯度不限于此范围但可为任何温度梯度。
热电产生器430跨越热电产生器的热接面320及冷接面360创建电压电位。利用自地球的热以控制热接面320的温度及利用水的冷以控制冷接面360的温度使温度梯度最大化且生产大量电力。电力可生成为直流电。直流电可转换为交流电。亦可生成三相电流。可经由动力管线450将由热电产生器430产生的电力传输至任何目的地。在示例性实施例中，现存动力传递设施及动力传导管线450可向任何电流或新生成电网格网提供动力。
在另一实施例中，高温源可与蒸汽供以动力的产生器结合利用。可经由管系统将流体泵送至地壳中。接着可由地壳加热流体且泵送至表面。利用高温源以加热流体可将操作通过将水预加热至蒸汽设备的蒸汽供以动力的产生器所需的动力最小化。因此，若流体可由于地壳内部的加热而达至更高温度，则应显著地减少在烃供以动力或其它类型的电设备处的将流体加热至其沸点的成本。举例而言，若流体为水，则高温源可加热水至其沸点或接近其沸点。随后水可转化成蒸汽以供蒸汽动力产生器利用。若流体为具有大于水沸点的沸点的诸如油的流体，则可将流体加热超过212华氏度以使得在不需要任何或极少化石燃料或其它能源的情况下其可经由热交换器将热传递至待转化成蒸汽的蒸汽供以动力产生器中的水中。蒸汽供以动力的产生器可与热电产生系统结合利用或与其完全独立地利用。
在一些实施例中，本发明可包括替代性动力产生构件，而非如上文所描述的热电产生器。举例而言，替代性动力产生构件可包括斯特林引擎、朗肯引擎、马特南能源循环引擎、闪蒸动力设备、干蒸汽动力设备、二元动力设备、闪蒸/二元组合循环及其类似者。借助于说明，斯特林引擎描述为说明性实施例；但应了解，动力产生系统可包括其它动力产生构件，诸如朗肯引擎、马特南能源循环引擎、闪蒸动力设备、干蒸汽动力设备、二元动力设备、闪蒸/二元组合循环及其类似者。
斯特林引擎为与典型内燃机极不同的热引擎，且可比汽油或柴油引擎更加有效。然而，现今，斯特林引擎用途通常限于特殊化应用，诸如在海底中或作为用于游艇的辅助动力产生器，在这些应用中安静操作为重要的。斯特林引擎利用斯特林循环，其不同于用于内燃机的循环，根据卡诺循环的原理操作。示例性斯特林引擎可包括利用单个置换器活塞的α型或β型斯特林引擎或利用至少双活塞配置的γ型斯特林引擎。斯特林引擎内部所利用的气体不逸出引擎。不存在排放如汽油或柴油引擎中的高压气体且不发生燃烧的排气阀门。由于这种情况，所以斯特林引擎为极安静的。
斯特林引擎的示例性实施例可包括具有活塞的圆柱形热腔室、具有活塞的圆柱形冷腔室、气体及连接管。可将高温源施加或热耦合至热腔室以提高热腔室内部的气体的温度。可经由传导、对流、辐射或任何其它方式将自高温源的热传递至气体。可将低温源施加或热耦合至冷腔室以降低冷腔室内部的气体的温度。可经由传导、对流、辐射或任何其它方式通过冷温度源萃取自气体的热。
如本领域普通技术人员所已知，通过经由将高温源应用至热腔室且将低温源施加至冷腔室来加压及减压气体以操作斯特林引擎。亦可经由利用增加的高温源及降低的低温源以跨越热腔室及冷腔室创建实质性温度梯度来提高由斯特林引擎产生的效率及动力。跨越热及冷腔室的温度梯度应增加跨越使活塞更主动地移动的引擎的压力分布。因此，热与冷热交换器之间的温度差愈大，斯特林引擎的操作愈有效率。活塞可与轴连接以使得活塞的移动使轴旋转。电产生器可与轴附接以将旋转轴的机械能转化成电力。
图10说明采用斯特林引擎的系统的示例性实施例。以如参考图4-9及采用热电产生器的实施例所描述的多种相同方式，斯特林引擎产生系统可包括泵站1010、斯特林引擎产生器1030(其如本文中所提及包括斯特林引擎及用于产生电力的发电机)、置放于深井或地壳中的其它孔1040内部的管系统1020及流过管系统1020的热传递介质。在一个示例性实施例中，斯特林引擎产生系统可安置于水体1050中或附近。在其它示例性实施例中，斯特林引擎产生系统可与水体1050地理上分离且视情况例如通过如图7中所说明的二级管系统与其热连通。
管系统1020与斯特林引擎产生器的热接面(亦称为热热交换器)介接以便提供管系统1020内部的热传递介质与热腔室(在本文中亦称为“热接面”或“热热交换器”)之间的热连通。以与上文参考图4-8所描述的方式类似的方式，将热传递介质(例如诸如水的流体)自泵站1010向下泵送至管系统1020以用于加热。当管系统1020内部的传递介质自泵站朝向孔1040的底部下降时，通过地球将其加热。可将热传递介质加热至接近孔1040中的土壤的温度。在示例性实施例中，可将热传递介质加热超过200华氏度。在到达管系统1020的最低点之后，随后使经加热介质上升离开孔1040且朝向斯特林引擎产生器1030的热腔室。
管内部的经加热介质为与斯特林引擎产生器1030的热热交换器热介接提供高温源。因此，深井或孔1040内部可用的热提供与斯特林引擎热连通的极高温源以用于加热其中的气体。热传递介质可包括能够由地球加热且能够固持热的实质性部分以用于递送至斯特林引擎产生器1030的热腔室的任何流体。在示例性实施例中，流体为水，然而，可采用其它流体以减少腐蚀且以允许加热井超过水的沸点。
斯特林引擎产生器的冷热交换器或冷腔室(在本文中亦称为“冷接面”或“冷热交换器”)可与如上文参考图4-8所进一步描述的诸如水体的低温源热连通。在斯特林引擎产生器的一示例性实施例中，产生器的冷腔室在水体的热电堆下方的点处与水体热连通以使得冷腔室可达至热电堆下方的低温水或可将自热电堆的冷水泵送至表面以提供低温散热器。
在示例性实施例中，高温源可在100华氏度与600华氏度之间且低温源可为约32及130华氏度。然而，应了解，高温源及低温源不限于这些温度范围但可为任何适当的温度范围。在示例性实施例中，热接面与冷接面之间的温度梯度(ΔT)可在约470度与约68度之间。然而，此外，应了解，温度梯度不限于此范围但可为任何温度梯度。因此，利用可自地壳内部获得的热能以提高斯特林引擎产生器的热热交换器处的温度及利用水的冷以冷却冷热交换器的温度为自引擎的散热创建更有动力的散热器，使温度梯度最大化且生产大量电力。电力可生成为直流电。直流电可转换为交流电。亦可生成三相电流。可经由动力管线将由斯特林引擎产生器产生的电力传输至任何目的地。在示例性实施例中，现存动力传递设施及动力传导管线可向任何电流或新生成电网格网提供动力。
如先前所陈述，在较大温度差异的情况下增加优势的其它动力产生构件可通过本文所描述的系统及方法与自地壳传递的热能配合。在一个实例中，朗肯引擎可以多种相同方式用作热电产生器或斯特林引擎，使热传递介质自泵站循环至井或孔的底部，随后通过朗肯引擎且返回，同时亦充分利用诸如水体的低温源。
图11说明另一示例性实施例，包括可包括涡轮机1112及产生器1114的动力产生构件1110、泵站1120及延伸至地壳内部的深井或孔1140中的管系统1130，如参考图4-10所详细描述。如图11中所说明，管系统可包括内部管1132及外部管1134，如参考图6及9所更完全地描述。然而，应了解，这些示例性实施例中的任一个可采用其它管配置，诸如(例如)实质上U形的管。
应进一步了解，管系统1130可配置成如所已知的热管或热虹吸管。热管为可经操作以输送大量具有小温度梯度的热的热传递机制。在热管内部，在高温源处或附近，其中的热传递流体气化且自然地流动且在诸如动力产生构件1110处的低温接口上或附近冷凝。在冷凝之后，液体下落或通过毛细管作用移动回至高温源以再次蒸发且重复循环。因此，在其中管系统1130配置为热管的实施例中，可将自孔1140的底部的热快速地传递至动力产生构件1110，且萃取热且用于给涡轮机1112供以动力。应进一步了解，当参考图11描述热管及热虹吸管时，任何实施例可采用热管技术以配置其中所利用的管系统中的一些或全部。
动力产生构件1110可包括萨姆罗尔能源循环设备、马特南能源循环设备、闪蒸动力设备、干蒸汽动力设备、二元动力设备、闪蒸/二元组合循环动力设备及其类似者，其各者参考图11来更完全地描述。
在利用萨姆罗尔能源循环设备作为动力产生构件1110的示例性实施例中，热传递介质可为在正常室温下为液体但具有低于水沸点的沸点以允许其在较低温度下气化的热传递介质。在萨姆罗尔能源循环中，将低沸点介质向下直接递送至管系统1130中，而非作为经由热交换器与向下递送至管中的一级热传递介质介接的二级流体，如在如所已知的二元循环动力设备中。供萨姆罗尔能源循环利用的示例性介质可包括异丁烷、环戊烷或在低于100℃下气化的其它材料。因此，具有较低沸点的介质具有较低气化热，且因此可通过孔或井1140的底部处的管系统1130内部达成的热直接气化，且直接气体输送至动力产生构件1100中的涡轮机1112以用于驱动产生器1114来产生电能。在经由涡轮机递送之后，随后使低沸点介质再冷凝成液体且经由管系统1130向下递送回至井1140以用于下一气化循环。可称作萨姆罗尔能源循环设备的此示例性实施例可呈完全或实质上闭合回路设计，且可不需要如其它热电产生器、热引擎及其类似者中的低温源。此外，此示例性实施例可不需要利用泵站，因为热气体可自然地升高通过管系统且经重力进料至高温源。应进一步了解，可采用呈其它配置中的任一种的低沸点流体，提供热接面处的气态接口而非流体接口。
在涡轮机中利用诸如异丁烷或环戊烷的低闪点流体可引起相较于利用水或蒸汽的更好的涡轮机效能。可在较低压力及较低流速(相较于水或蒸汽)下利用低闪点流体，这引起对叶片及涡轮及其它装备的金属零件的较少磨损。利用低闪点流体允许更高流动速率，这允许利用更大直径的涡轮机。这应亦减小工作流体的速度且可引起对涡轮机组件的较少磨损及损坏。此外，低闪点流体不大可能含有可在涡轮机叶片上冲射的夹带液体、套管及其它组件及损坏涡轮机。
在另一示例性实施例中，动力产生构件1110可为马特南能源循环动力设备。马特南能源循环一般为闭合回路能源循环，其不需要利用流体进料泵，且由于其利用经由一系列可控阀门连接的致冷剂而非水作为热传递介质及冷凝机制(未显示)以再收集气体、热交换器(未显示)以在递送至用于加热的高温源之前加热冷凝材料而仅需要低温热源。因此，参考图11，动力产生构件1110可包括马特南能源循环设备。因此，此示例性实施例中的流体传递介质为如所已知的致冷剂。此外，尽管未显示，但马特南能源循环设备可包括与流体返回管1134连通以将任何剩余气体冷凝成其液态的至少一个冷凝器。此外，尽管亦未显示，马特南能源循环设备可包括与流体返回管1134连通且位于前述热交换器下游的至少一个热交换器。此外，如所已知的阀门系统可选择地控制流体在递送至管系统1130的底部及孔1140的底部以用于加热之前自涡轮机1112通过冷凝器且通过热交换器。在加热之后，可将可实质上气化的流体递送至动力产生构件1110的涡轮机1112以用于使旋转力在其中且传递至如所已知的产生器1114。在经由涡轮机1112递送之后，应再次将所使用的热传递介质向下递送至流体返回管1134中以用于后续循环，即冷凝、通过热交换器进行的加热、通过高温源进行的加热及再递送至动力产生构件1110。
在又其它实施例中，干蒸汽动力设备或闪蒸循环动力设备可用作动力产生构件1110。在干循环动力设备实施例中，将蒸汽自井(且在一个实施例中为递送存在于地壳内部的蒸汽的开放回路配置)内部递送至涡轮机1112以用于动力产生。在闪蒸蒸汽动力设备中，在递送至涡轮机1112之前，将经加热水自井(其可包括如上文参考图4-10所描述的闭合回路配置或开放回路配置)内部递送至额外的闪蒸罐(未显示)以用于生成蒸汽。类似地，二元动力设备或组合闪蒸/二元组合循环设备可采用与管系统1130热连通、随后气化以驱动涡轮机1112及产生器1114的二级工作流体。可借助于如所已知的热交换器或热交换器系列将热自泵送至井1140的底部及自其泵送的一级介质传递至二级工作流体。利用额外的工作流体允许具有相比向下泵送管系统1130至井的底部而言与涡轮机1112介接而具有不同质量的流体。
应了解，在利用术语“泵站”描述这些示例性实施例的情况下，“泵站”不必包括如所已知的实际泵或泵送能力。因此，如本文所利用的“泵站”可简单地指可经操作以进行以下的机制：经由管系统将热传递介质递送至高温源及低温源中的一或两者，且返回至动力产生构件，诸如热电产生器、示例性热引擎、示例性涡轮机产生器及其类似者。举例而言，当在一些示例性实施例中可考虑如所已知的任何泵构件时，可对其他示例性实施例进行重力进料、基于虹吸、基于排量及其类似者。
地热产生系统遭遇对有效或有成本效益的动力产生障碍。举例而言，所钻孔的全部地热井的约40％为非生产性的，这意指意指其出于包括但不限于以下的若干原因而不或无法承受低成本系统：不充足的热来源、不充足的导热性、将热盐水携带至表面的不充足的地压及其它。此外，作为地热层中的热载体的盐水可能具有大量环境及操作性问题。在传统的地热过程中，将热盐水自生产井泵送出地面，在地面上方萃取热，且将盐水泵送回至地面中。典型的系统自盐水移除约15-20％热，且将盐水以与生产井的显著距离例如1-2公里或更多再引入注入井中的地热层中。因为已自盐水移除热，所以盐水的饱和条件发生改变，且管、泵及热交换表面上可能发生盐水组分沉淀(结垢)。盐水沉淀可能堵塞管道，降低热传递能力，增加泵送动力要求及造成管爆裂。为防止盐水沉淀，必须将大量水添加回至盐水中。水要求可高达1,000英亩-英尺水/MW所生产的动力。因此，50MW地热设备可利用163亿加仑淡水/年。
另外，盐水可含有苛性及毒性组分，包括诸如镉、砷、硒的重金属及诸如硫化氢(H2S)类似物的毒性气体。移动盐水至表面会导致这些组分不合需要地暴露于环境且释放至环境中。此外，盐水为高度腐蚀性的，且必须采取步骤以保护暴露于盐水的管道系统免受腐蚀。
本发明的实施例克服常规地热动力生产问题和/或将其最小化。本文所描述的实施例将处理盐水或与其接触的管道及装备的量最小化。本文所描述的实施例不泵送盐水至表面，但交换地面中、地热层中的热。这消除对大量补充水或淡水的需求。具有危害性的盐水的组分保持在地热层内部，而非移动至表面。下文所描述的另外的系统可使用现存的、所利用的或废油及天然气井，其可能不具有将盐水移动至表面的充足的地压。
本发明关于使用具有一级热传递流体于其中的地面中热交换器、其中一级热传递流体将其热提供给二级热传递流体的地面上热交换器及使用二级热传递流体作为工作流体的产生部分的地热动力系统。系统可有利地利用有机朗肯循环，其中有机液体(二级热交换流体)具有相对较低的沸点，诸如异丁烯、异戊烷、环戊烷等，其应进行热交换器中的自液体至气体的相变且随后气体通过涡轮机且进行再冷凝及再循环。
图12A描绘用于自地热部件萃取热的系统的示例性实施例。产生系统1200包括一级热交换器部分1205、二级热交换器部分1207及产生部分1208。
一级热交换器部分1205包括钻孔至地热层1245中的孔或井1240及一级热交换器1220。井1240可为新钻孔井。地热层1245可具有地热能源的源及热载体诸如地热层内部的盐水。在一些实施例中，井1240可为干井、消耗油或天然气井或未利用的井。一级热交换器1220具有供应部分1222及返回部分1224，其***井1240中及地热层1245中或安置于其内部且与二级热交换器部分1207连通。供应部分1222及返回部分1224的部分延伸出井1240以连接至系统1200的其它组件。
在一些实施例中，井中的温度可随深度增加而升高。在一些井中，高达3000英尺的温度可能降低，亦即变得更冷。在一些实施例中，在300英尺下方温度可能增加以使得可发生自地热层1245的有用的热传递。在一些实施例中，地热部件可具有自3000英尺至12,000英尺或更深的递增的温度。600℉或更高的井下孔温度可有利于系统1200的操作。离开返回部分1224的热交换流体温度可有利地为约600℉。一级热交换器1220可沿井的全部深度或井的几乎全部深度延伸，且热传递可全部沿井的深度发生。在一些实施例中，热交换器可仅延伸穿过具有足够用于有效热传递的高地面中温度的井的部分。
一级热交换器1220将在下文更详细地描述。泵1210与供应部分1222及返回部分1224流体连通且为循环一级热传递流体通过供应部分1222及返回部分1224提供原动力。在一些实施例中，泵1210可产生正压以使一级热传递流体在地热层1245内部的井1240中下行。在一些实施例中，泵1210可提供负压以向上抽拉一级热传递流体经由返回部分1224离开井。这可为有利的，因为供应部分1222中的流体的静态头端可辅助移动一级热传递流体离开井1240。
泵1210可为离心泵、正排量泵、加压空气或惰性气体的源或任何其它类型的泵。泵1210可为电、机械或流体驱动的。本领域技术人员应理解，泵1210可为能够提供原动力以循环一级热传递流体至井1240中且离开其的任何组件。
在一些实施例中，一级热传递流体可为具有高热容量的流体，诸如水。在一些实施例中，一级热传递流体可为高温气相/液相流体或有机热传递流体。可有利地利用诸如的超高温度的热传递流体。在一些实施例中，一级热传递流体可为Therminol及纳米粉末(诸如纳米粉末镁)的混合物。与利用水及蒸汽相比，利用诸如
当将一级热传递流体向下泵送至井1240中或以其它方式经由原动力移动至井1240中时，一级热交换器1220中发生热流动。通过热载体或盐水将来自地热层1245的热运载至供应部分1222。经由供应部分1222的壁传递来自热载体或盐水的热且至一级热传递流体中。热传递流体吸收热且经由诸如泵的原动力移动至二级热交换器部分1207，其中一级热传递流体将其热释放给二级热传递流体。将较冷的一级热传递流体向下再循环至井中以重复循环。
返回至井的一级热传递流体已经加热至超过周围，因为其不将所有其热释放给二级热传递流体。在典型的地热操作中，仅自热源中萃取约15-25％热(来自盐水或蒸汽)，且远离萃取点再注入盐水或蒸汽的剩余部分且因此不进一步用于该过程中。然而，电流施加经设计成允许此残余热(在75-85％原始热之间)再注入回至自其中萃取残余热的相同井中。可在自地热层至所需温度的较少热输入以用于系统的理想热操作的情况下以此方式将一级流体再加热至理想温度。这产生系统1200中的较少废弃热且改进操作效率。
然而，应了解，可通过尽可能地增加管直径来增加一级热交换器1220的总表面积。在一些实施例中，诸如(例如)，当利用现存井时，现存井1240的直径可仅容许具有小于现存套管直径的直径的热交换器。然而，通过采用扩展式扩孔器，井的开孔部分亦即不具有套管的井的部分的直径可增加(超过现存套管的直径)，且可将如本文其它地方所描述的可膨胀套管或支撑轴环***井的开孔部分中，因此提供更大直径的一级热交换器1220。
二级热交换器部分1207包括二级热交换器1215、热流体管线1232及冷流体管线1234。在一些实施例中，二级热交换器1215可为壳管型热交换器。在一些实施例中，供应部分1222及返回部分1224与二级热交换器1215的管部分流体连通。热流体管线1232及冷流体管线1234与二级热交换器1215的壳部分流体连通。一级热传递流体流过二级热交换器1215的管部分且将其热提供给二级热交换器1215中的二级热传递流体，其在二级热交换器1215的壳侧上流动。通过一级热传递流体的热气化二级热传递流体，且经气化二级热传递流体流入产生器部分1208中。
经由进料泵1237使二级热传递流体循环通过热流体管线1232及冷流体管线1234。进料泵1237可为能够递送原动力以使二级热传递流体循环至二级热交换器1215中的任何类型的泵，且可类似于本文其它地方所描述的泵。
在一些实施例中，一级及二级热传递流体不混合且在二级热交换器1215中与彼此隔离。
二级热传递流体可为在二级热交换器1215内部达成的温度下气化的流体。在一些实施例中，二级热传递流体可为水。在一些实施例中，二级热传递流体可有利地为具有低于水的闪点的闪点的有机化合物。在一些实施例中，二级热传递流体可有利地为异丁烷或环戊烷。
产生器部分1208包括涡轮机1230、产生器1232及冷凝器1235。经气化二级热传递流体冲射涡轮机1230的叶片，这使与产生器1232机械连接的涡轮机轴旋转。当涡轮机1230旋转时，产生器1232产生电力。涡轮机1230可有利地为有机朗肯循环的部分。
冷凝器1235进行操作以利用由冷却器1238供应的冷却剂来冷凝二级热传递流体。冷却器1238可包括如此项技术中已知的一个或多个水或空气冷却塔。在一些实施例中，冷却器1238可为大型散热器，诸如水体，且冷却剂可经由泵(未显示)来泵送或自然地循环通过冷凝器1235，类似于本文其它地方所描述的散热器。将经冷凝二级热传递流体经由进料泵1237循环至二级热交换器1215中，在该泵中再次将其加热且气化。
热交换器1215及1235在本文中描述为壳管型热交换器。然而，由本发明所导引，本领域技术人员应理解，可利用任何类型的热交换器。另外，本领域技术人员应理解，在不脱离本发明的范围的情况下可改变在热交换器的壳管侧中流动的流体。
在一些实施例中，产生系统1200可不包括二级热交换器1215。在此情况下，一级热传递流体在井1240中受到加热，循环至涡轮机1230作为用于涡轮机1230的工作流体，且随后在冷凝器1235中受到冷凝以返回至井1240。
图12B描绘井1240内部的一级热交换器1220的一部分的近距截面视图。井1240可为形成于地热层内部的孔且可类似于本文其它地方所描述的孔。在地热层1245内部，可存在诸如盐水的液体。通过地质学效应在地热层1245内部加热盐水。经加热盐水在地热层1245内部及井1240内部流动且将热供应至热交换器1220。应了解，在热/干井下孔条件中，诸如其中不存在盐水的条件，可通过周围岩石的导热性传递热且可将高温及高导热材料***热交换器的外部与干井的壁之间以在热/干井下条件下增强导热性。在此情况下，高导热材料可为热载体以将热自热岩石传递至一级热交换器1220。
一级热交换器1220包括供应部分1222及返回部分1224。供应部分1222的边界为与地热层1245接触的外壳体1264且边界为返回部分1224。外壳体1264包括多个套管单元或利用套管接头或套管耦合器1227端与端彼此连接的区段。外壳体1264以此方式可长至有必要到达地热层1245的深度。套管耦合器1227连接套管的一个部分与另一部分，其形成一级热交换器1220的外部边界。
外壳体1264可为消耗或未利用的油或天然气井中的套管。在一些实施例中，可在已不具有套管的钻孔井内部提供或定位外壳体1264。在其中预先存在的套管存在于井中的情况下，可通过将返回部分1224***套管内部且密封以防止盐水内部泄漏或一级热传递流体外部泄漏来形成一级热交换器1220。如本文所描述，可在套管内部支撑返回部分1224或供应部分1222。
如上文所提及，盐水为高度腐蚀性的且易于在供应部分1222的外壳体1264上沉淀结垢。诸如硅酸铁或硫酸钡的垢材料可沉积或堆积于外壳体1264的井侧表面上。碳酸钙可能不在外壳体1264上结垢，此因为井1249中的热传递过程为等压的。堆积于外壳体1264上的垢降低外壳体1264的导热性，该导热性降低自盐水至一级热传递流体的热传递的量。
为防止或最少化腐蚀及垢堆积且为延长一级热交换器的有用的使用寿命，可谨慎地选择外壳体1264的材料。举例而言，外壳体可在不锈钢外形成，该不锈钢随后包覆有抗腐蚀材料，诸如镍合金625。镍合金625抗腐蚀及结垢，且保持外壳体1264的高导热性。抗腐蚀材料亦可为有效的垢抑制物，这是因为抗腐蚀材料抵抗垢开始形成而所需的成核位点的形成。
此外，在操作期间与盐水接触的外壳体1264的外表面1242可涂布有极平滑的非金属材料。利用诸如碳或硼的非金属材料的涂层。此非金属材料可经由化学气相沉积(CVD)或气相沉积合金化(VDA)来涂覆。非金属材料防止离子键结位点形成，因此防止垢形成。
可有利地将金刚石类碳(DLC)涂层涂覆至外壳体1264的外表面1242。DLC为具有大量sp3杂化碳原子的一类非晶碳材料。可有利地利用一种形式的DLC，例如四面体非晶碳(ta-C)。2mm厚ta-C涂层可大大地增加不锈钢(或更低或更高级钢)的抗磨耗、结垢及其它积垢性。亦可有利地利用其它形式的DLC，诸如具有氢、石墨碳或金属的形式可用于减少费用且用于赋予其它所需特性。在一些实施例中，可有利地将氮化碳、氮化硼或其它含碳或硼的材料涂覆至外壳体1264的外表面1242以防止或最少化结垢及腐蚀。氮化硼涂层(经由CVD或VDA或类似方法涂覆)可改进一级热交换器1220的可操作寿命十倍。
在一些实施例中，外壳体1264可由高导热陶瓷形成或涂布有高导热陶瓷，这些陶瓷抗盐水的结垢及腐蚀。
返回部分1224包括同心地安置于供应部分1222的外壳体1264内部的返回管1254。经由返回部分1254的流速应高于供应部分1222中的流速，这是因为返回管1254的直径小于外壳体1264的直径。当一级热传递流体在返回管1254中向上移动时，返回管1254中的更高的流速可限制经由返回管的壁至供应部分1222中的一级热传递流体的冷却器部分的热损失。
另外，为将经由返回管1254的供应部分1222与返回部分之间的热传递最小化，可将隔热层1225添加至返回管1254的表面。隔离层可防止、降低供应部分1222与返回部分1224之间的不合需要的热传递和/或将其最小化。可将隔热层1225安置于返回管1254的内表面上、外表面上或内表面及外表面上。在一些实施例中，隔热层可包括耐热聚合物，诸如(例如)聚苯并咪唑(PBI)或具有高耐热性及低导热性的其它类似材料。
在一些实施例中，返回管1254可为真空隔离导管。真空隔离导管为具有两个壁之间的抽空空间的双壁导管。抽空空间使返回管1254中的一级热传递流体与供应部分1222中的一级热传递流体隔离。在一些实施例中，返回管可为真空隔离导管且另外具有隔离涂层于其上。
在外壳体1264内部利用一个或多个定心器1228在适当位置同心地支撑返回管1254。定心器为在套管耦合器1227处或附近自外壳体1264的内表面1253延伸且与返回管1254的外表面连接的成角度的支架定心器1228自外壳体1264的内表面1253朝向返回管1254的外表面向下成一角度。尽管图12B仅描绘一级热交换器1224的一侧上的定心器1228，但其可围绕如将关于图12D描述的返回管1254的圆周延伸。定心器1228用以在外壳体1264内部支撑且保持返回管1254居中。定心器1228具有窄剖面以将水力抗一级热传递流体流动性最小化。
形成具有一个或多个孔洞1223于其中的返回管1254。一个或多个孔洞1223提供供应部分1222与返回部分1224之间的流体路径。在一些实施例中，返回管1254在下表面1255上得到封盖，且在返回管1254的底表面1255附近周向地形成孔洞。在一些实施例中，返回管1254的下表面1255未封盖且经加热一级热传递流体向上流动至返回管1254的底部中。在一些实施例中，返回管1254包括孔洞1223且在下表面1255上未封盖。
孔洞1223可有利地提供动力要求的改进以通过由于泵送作用而减小壳体的底部部分上的压力来使第一热传递流体循环通过一级热交换器1220。
一级热传递流体在由箭头1222a及1222b指示的方向上流过一级热交换器1220。为进行说明，冷或相对较冷的一级热传递流体自二级热交换器1215向下流动至供应部分1222中的井1240中，定心器1228周围，及一级热交换器1220的底表面1255处或附近，如由箭头1222a所显示。当一级热传递流体向下流动至供应部分1222中时，其经由与盐水热连接的外壳体1264拾取自地热层1245的热。自地热层的热传导通过外壳体1264且传导和/或对流至一级热传递流体中。
热或相对较热的一级热传递流体流过孔洞1223且至返回管1254中。返回管上的隔离体将返回管1254中的热一级热传递流体与在供应部分1222中向下流动的较冷的一级热传递流体之间的热传递最小化。随后热一级热传递流体在返回管1254中向上流动且至二级热交换器1215中，或在一些实施例中至涡轮机1230中。
在井1240内部在适当位置支撑一级热交换器1220的外壳体1264。外壳体1264一般具有小于井1240直径的直径以使得外壳体1264与井1240的内壁1263之间存在间隙。
在一些所利用的井或干油及天然气井中，波特兰水泥或高二氧化硅水泥已用于在井1240内部支撑套管。在本文所描述的一些实施例中，套管可形成一级热交换器1220的外壳体1264。用于井中的波特兰水泥及其它类似结构材料具有极低导热性。具体言之，波特兰水泥具有约0.2W/m·K的导热性。已发现，利用具有低导热性的载体材料大大地抑制井1240中的热传递。具有此类低导热性的支撑一级热交换器1220的结构材料应大大地抑制自地热层1245及盐水至一级热交换器1220的热传递。当利用现存井诸如干油或天然气井时，现存井的一部分已经封套管且经低传导性水泥胶结直至套管为地热层内部的井以使得地热盐水无法倒退流动且至更加浅的淡水含水层中。在特定深度下方，在一些实施例中，井的底部2/3深度，存在处于地热层1245内部的极高温下的开孔或非封套管且其中可***热交换器且其中可执行本文所描述的热传递操作的井。在一个实例中，在12,000ft.深井中，对于前三千英尺，地表下温度冷于返回一级热传递流体温度(355℉)，因此非传导性水泥防止上地层在其初始返回循环期间的热损失，且未经利用的唯一部分为3,000与4,000ft.之间的深度(其中井对地热层开放)。
已发现，用于在井1240内部支撑一级热交换器1220的结构材料的较佳导热性值为约15W/m·K。低于15W/m·K的导热性可以不向有效利用或向地热能源的最大化利用提供充足的热通量，且大于15W/m·K的导热性值进一步增加热通量但至减少返回以用于提供具有更高导热性的材料的成本的点。具有高导热性的水泥或结构材料可有利地用于在井1240内部支撑套管或外壳体1264。在一些实施例中，如下文将更详细地描述，可在不利用水泥、混凝土或水泥浆的情况下在井1240内部悬浮或支撑一级热交换器1220。
为达成支撑材料的较佳或更高导热性，可利用具有热增强的材料的混凝土或水泥浆。举例而言，可通过添加诸如铝、铜、磁铁矿等的金属粉末来热增强水泥或水泥浆。将具有高导热性值的这些材料添加至水泥或水泥浆提高所得混凝土的导热性。水泥或水泥浆应具有中性或接近中性的pH以免与所添加的金属粉末反应。碱性或酸性水泥浆可与所添加的金属材料反应，且这可引起气体产生、腐蚀及水泥或水泥浆的弱化。
在一些实施例中，诸如图12B中所描绘，通过利用热增强的水泥1260在适当位置支撑外壳体1264。热增强的水泥1260可安置于外壳体1264与井1240的内壁1263之间。热增强的水泥1260改进地热层1245与一级热交换器1220之间的热传递，且在井1240内部在适当位置支撑外壳体1264。
图12C描绘井1240内部的一级热交换器1220的实施例，其中利用多个侧向支撑轴环1261在适当位置支撑外壳体1264。侧向支撑轴环1261自井1240的内壁1263延伸且接触外壳体1264。侧向支撑轴环1261可围绕外壳体1264的圆周且沿外壳体1264的长度间隔开，且可以自外壳体1264朝向井1240的内表面1263向下的角度延伸。因此，利用侧向支撑轴环1261在井1240的内壁1263与外壳体1264之间保留间隙1246。地热层中的盐水可在间隙1246周围流动且通过其，且盐水可直接接触一级热交换器1220的外壳体1264。此布置增加自地热层至一级热交换器1220的热传递。应理解，在一些井1240中，可存在与外壳体1264接触的新鲜地下水或除盐水以外的其它热传递介质。
使侧向支撑轴环1261自外壳体1264径向向外及向下延伸亦为一级热交换器向下至井1240中或在负y轴方向上提供支撑或限制该移动，但允许向上移动、离开井1240或在正y轴方向上。侧向支撑轴环1261可在可移动的接面处或铰链处附接至外壳体1264的外表面1242。在将热交换器1220***井中之前，可经由偏置且铰接、可枢转或可移动但不可移除的接面将侧向支撑轴环的第一端固定至热交换器的外壳体。侧向支撑轴环的另一端可向下折迭抵靠外壳体1264的外表面1242，且可通过暂时性连接件或可降解材料保持在适当位置。当将热交换器1220***井1240中时，侧向支撑轴环与外壳体1264的外表面1242齐平或几乎齐平，且在无自侧向支撑轴环1261的干扰的情况下热交换器1220可延伸至井1240中。当热交换器处于井1240中的适当位置时，可降解暂时性连接件或可降解材料。当降解暂时性连接件时，侧向支撑轴环1261的第一端处的接面中的偏置力使侧向支撑轴环1261延伸至图12C中所示的位置，且冲射井1240的内表面，支撑井1240内部的热交换器1220。
在一些实施例中，由于井1240中的苛性条件或由于井1240向下的高温而引起的热降解或两者，所以暂时性连接件或可降解材料配置以降解。亦可利用另一降解机制。
此布置允许在必要时容易地向上移除一级热交换器1220离开井1240，但防止一级热交换器1220进一步向下移动至井1240中。在一些实施例中，一级热交换器1220可有利地自土地或水表面悬浮在井1240中。
图12C亦描绘与接面1229处的返回管1254连接且不与外壳体1264连接的作为水平支架的定心器1228。此布置使返回管1254在壳体1264内部居中，且使自壳体1264(或套管)或井1240中移除返回管1254以用于维护、替换、检测及其类似者成为可能。当自套管中移除返回管1254时，定心器1228与返回管1254一起移除。此布置亦允许将返回管1254***壳体1264中而不必导航与壳体1264连接的结构的数组。
在一些实施例中，可水平地布置定心器1228且连接至返回管1254及壳体1264。
尽管在具有热增强的混凝土1260的实施例中显示图12B中的成角度的定心器1228布置且在具有支撑轴环1261的实施例中显示图12C中的水平定心器1228布置，但应明确地考虑，水平定心器1228可用于由热增强的混凝土1260支撑的热交换器，且成角度的定心器可用于由支撑轴环1261支撑的热交换器。
图12D为说明定心器1228的布置的一级热交换器1220的顶视图。如所示，定心器自返回管1254径向向外且朝向外壳体1264延伸，且周向地围绕返回管1254安置。定心器1228之间存在空间以容许一级热传递流体的流动。图12D中所示的定心器1228的视图可适用于成角度或水平定心器1228。图12D描绘定心器1228应较窄以将水力抗第一热传递流体流动性最小化。
用于产生电力的系统及方法亦可适于加热及冷却设施、装备及其类似者。在加热及冷却应用中，系统不必包括涡轮机或产生器，但可利用热交换器及控制系统以提供建筑物、房间、装备及其类似者的温度控制。另外，利用吸收或吸附冷冻器可有利地为利用本文所描述的地热能源的设施及装备提供冷却或可用于冷凝大气水蒸气。
产生系统及关于图12所描述的一级热交换器的相关细节可有利地用于具有热电产生器、斯特林引擎、马特南循环、有机朗肯循环、传统朗肯循环或本文所描述的任何其它循环或方法的实施例。
在一些实施例中，举例而言，在井具有不充足的地热压力或地热层内部的热载体移动低于所需的情况下，可采取步骤以确保地热层及井内部存在充足的热载体流动。举例而言，可在井附近的区域中执行水力破裂以提高热载体对地热层的总体积暴露，且通过在一级热交换器周围、上方及上面创建循环路径进行。在一些实施例中，可利用例如包括于破裂水中的平均粒径为约80目或177微米的砂执行水力裂口。由本发明所导引，本领域技术人员应理解，其它砂直径可如何用于本文所描述的实施例。在一些实施例中，砂可涂布有垢抑制化学品或与垢抑制化学品混合。可将垢抑制化学品***水力裂口中以防止一级热交换器的外壳体上的垢形成。这些化学品可包括丙烯酸聚合物、顺丁烯二酸聚合物及膦酸盐/酯。在一些实施例中，可针对垢抑制化学品的所需溶解度、热稳定性及剂量效率特征来选择垢抑制化学品。
井的建构可通过将如本文所描述的多个支撑轴环***地热部件中的钻孔井中来实现。可在表面上组装套管单元或套管区段且随后***井中且通过支撑轴环在适当位置支撑。在一些实施例中，将套管区段单独地***井中且通过支撑轴环支撑。当套管部分为完整的时，可将返回管共轴地***套管中，可制成适当的入口及出口以及连接件。在一些实施例中，可将热交换器***井中作为完整单元，且可通过支撑轴环支撑。当热交换器已结垢或不能提供有效的热传递时，可将该单元自井中移除且用新型热交换器替换，或可清洁/修理经移除热交换器且再***井中。
应显而易见，前述内容仅关于本发明的示例性实施例，且可在不脱离如本文所定义的本申请的精神及范围的情况下在本文中作出诸多改变及修改。
以上描述公开本发明的若干方法及材料。本发明易受方法及材料方面的修改，以及制造方法及装备方面的更改。考虑到本发明或本文中所公开的本发明的实践，这些修改将对本领域技术人员变得显而易见。因此，并不期望将本发明的范围限于本文中所公开的具体实施例，但其覆盖在本发明的真实范围及精神内的所有修改及替代方案。
前述描述详述本文中所公开的系统、器件及方法的某些实施例。然而，应了解，不管前述内容如何详细出现在本文中，系统、器件及方法均可以多种方式来实践。亦如上文所陈述，应注意，当描述本发明的特定特点及方面时特定术语的利用不应暗示术语在本文中重新定义为限于包括术语所相关联的技术的特点或方面的任何特定特征。
本领域技术人员应了解，在不脱离所描述的技术的范围的情况下可作出各种修改及改变。这些修改及改变意欲落入实施例的范围内。本领域技术人员亦应了解，一个实施例中所包括的部分可与其它实施例互换；自所描绘的实施例的一个或多个部分可与其它所描绘的实施例以任何组合包括在内。举例而言，本文所描述和/或图式所描绘的各种组分中的任一者可与其它实施例组合、互换或排除在其的外。
关于本文中的实质上任何复数和/或单数术语的利用，本领域技术人员可将复数翻译为单数且/或将单数翻译为复数，如适合于上下文和/或申请。出于清楚起见，本文可明确地阐述各种单数/复数排列。
本领域技术人员应理解，一般而言，本文所利用的术语一般预期作为“开放式”术语(例如术语“包括(including)”应解释为“包括但不限于”，术语“具有”应解释为“具有至少”，术语“包括(includes)”应解释为“包括但不限于”等)。本领域技术人员应进一步理解，若期望特定数目的所介绍的权利要求记载，则此类期望将明确记载于权利要求中，且在不存在该记载的情况下不存在该期望。举例而言，作为对理解的辅助，以下随附申请专利范围可含有介绍性词组“至少一个”及“一个或多个”的利用以介绍权利要求记载。然而，这些词组的利用不应理解为暗示由不定冠词“一(a/an)”进行的权利要求记载的介绍将含有该所介绍的权利要求记载的任何特定权利要求限于仅含有一个该记载的实施例，即使在同一权利要求包括介绍性词组“一个或多个”或“至少一个”以及诸如“一(a/an)”的不定冠词时亦如此(例如“一(a/an)”通常应解释为意指“至少一个”或“一个或多个”)；这同样适用于用于介绍权利要求记载的定冠词的利用。
另外，即使明确地记载特定数目的所介绍的权利要求记载，本领域技术人员应认识到，该记载通常应解释为意指至少所记载的数目(例如，不具有其它修饰语的“两个记载物”的裸记载通常意指至少两个记载物或两个或更多个记载物)。此外，在其中利用“A、B及C中的至少一者等”的常规类似者的那些情况下，一般而言，此类解释意欲在于本领域技术人员对常规者所理解的意义上(例如“具有A、B及C中的至少一者的系统”应包括但不限于具有单独的A、单独的B、单独的C、结合的A及B、结合的A及C、结合的B及C和/或结合的A、B及C等的系统)。在其中利用“A、B或C中的至少一者等”的常规类似者的那些情况下，一般而言，此类解释意欲在于本领域技术人员对常规者所理解的意义上(例如“具有A、B或C中的至少一者的系统”应包括但不限于具有单独的A、单独的B、单独的C、结合的A及B、结合的A及C、结合的B及C和/或结合的A、B及C等的系统)。本领域技术人员应进一步理解，无论在描述内容、申请专利范围或图中，实际上呈现两种或更多种替代性术语的任何分离性词语和/或词组应理解为考虑包括这些术语中的一者、这些术语中的任一者或两种术语的可能性。举例而言，词组“A或B”应理解为包括“A”或“B”或“A及B”的可能性。
如本文所利用的术语“包括(comprising)”与“包括(including)”、“含有”或“特征在于”同义，且为包括性的或开放的且不排除额外的未记载的元素或方法步骤。
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