1.本发明涉及从具有可提取热的地质地层中进行闭合环路能量回收，并且更特别地，涉及一种使用闭合环路生产系统按需提供能量的方法。
背景技术：2.地质热/电力生产领域的先前活动已经被良好地记录。早期示例中的一个参见于2012年7月12日公布的vaughan等人的美国专利公开案20120174581。
3.其他示例包括2004年4月21日公布的mickelson的美国专利公开案2007024572、2009年8月26日公布的mchargue的美国专利公开案201100480、2012年10月9日公布的lakic的美国专利第8,281,591号、以及最近2020年1月7日公布的muir等人的美国专利第10,527,026号。
4.这些参考文献代表了现有技术中用于发电体的热回收的先驱发展。尽管如此有用，但在解决电力生产需求问题以及这些问题如何与间歇性可再生能源混合的问题上，它们并不具有指导性或权威性。
5.间歇性可再生能源最近变得与化石燃料价格竞争，并且现在某些管辖区(加州、德国等)中生产大部分(30-45％)电力。
6.这些无碳源有可能大幅减少温室气体排放。然而，由于能量产生的固有间歇性，太阳能/风能可以进入电网的数量是有限的。这些间歇性或可变的产生源也被称为不可调度的。
7.太阳能/风能在电网中的高普及率导致了系统整合的问题，这是因为在没有阳光和没有风的情况下很难替代所产生的能量。这集中体现在加州，那里有很高的太阳能普及率，并形成了俗称的“鸭曲线(duck curve)”；(https://en.wikipedia.org/wiki/duck_curve)。
8.目前，在加州，如果没有一些能量储存措施，通常是2-4小时的锂离子电池储存，太阳能电站就无法建造。然而，真正的8小时或更长时间的能量储存能力是非常昂贵的。
9.由nrel“发电基线报告”(https://www.nrel.gov/docs/fy17osti/67645.pdf)撰写的关于电力源的综合报告描述了整合不可调度技术的问题。目前，还没有可行的解决方案来使剩余的大约50％的电网脱碳。
10.整合间歇性可再生能源的另一问题是，它们往往会非常快速地下降，称为向下快速渐变。因此，在可调度电源中期望的一个重要且有价值的特征是向上的“快速渐变”能力，以抵销风能/太阳能的快速下降。许多技术缺乏这种快速渐变的能力(例如，煤、核能和一些类型的气体发电不能快速渐变)。
11.面临的挑战是开发一种具有成本效益的能量系统，以便在太阳能/风能不可用时调度晚间和夜间的负荷。
12.传统的地热似乎是提供可再生可调度电力的天然选择。然而，由于几个基本问题，传统的地热系统以基本负荷的方式运行，这些问题阻碍了提供灵活/可调度的电力输出的
能力。
13.来自地热储层的流体不能在不引起大量寄生泵送损失的情况下被加速。这是由于岩石储层内的达西流态和裂缝流态；需要大量能量来将流动速率加速到正常基本负荷工作点以上。
14.储层可以加压，但是，这可能会导致储层封闭性丧失、引发压裂和诱发地震。
15.除了抵消渐变过程中任何总功率增加的寄生损失之外，在传统地热中，由于流量大幅上下渐变、出砂、衬管故障、泵运行范围、液体/气体流态可变性、热膨胀和冷却过程导致储层内的地质力学问题、注入井堵塞等，还存在许多运行问题。
16.美国能源部的招标书(https://www.sbir.gov/sbirsearch/detail/1523867)指出：“可调度发电指的是可以打开或关闭的电源，或者可以根据订单调整其功率输出。地热发电厂通常用于基本负荷电力，而不是可调度电力。夏威夷的8mw普纳扩建设施(puna expansion facility)是第一个完全可调度的地热发电厂(nordquist等人，grc transactions，第37卷，2013)。正如ormat团队所描述，将基本负荷发电厂改造成完全可调度性并不容易。电厂需要快速调整其功率输出，以响应要求的渐变率，并将其频率维持在电网功率的精密公差内。这对地热发电厂来说是一个挑战，因为热源不能自然地快速响应需求的变化。为了解决这一挑战，ormat决定维持地热流体以相对稳定的速率流动，同时根据需要在发电设备周围设置旁路。在部分负荷下，一些地热流体被泵送到地面，绕过发电设备，并被重新注入地下，而没有提取任何有用的焓。这种方法是稳健的，但是由于恒定的全流量泵送功率需求，在部分负荷下必然导致高寄生功率消耗。”17.以上示例中的地热储层(地下系统)并未满负荷生产。所谓的可调度性实际上只是基于地热地下容量以低容量因数运行，或者在大多数时间以低于地热系统的潜在热输出容量运行系统，并且在调度时以等于潜在热输出容量运行。
18.其他研究人员集中于使用地下作为空气储层压缩空气能量储存的储存介质；在文章https://asmedigitalcollection.asme.org/memagazineselect/article/137/12/36/380449/earth-batterycarbon-dioxide-sequestration-utility中为co2，或加压水。这些系统都面临类似的缺点。关键问题是它们是开放系统(系统内工作流体的体积不断变化)，并且因此面临着控制和管理多孔介质和大量可变裂缝网络中的流量的挑战。此外，它们主要是能量储存系统，而不是能量产生系统。
19.还有其他研究人员在研究使用热能储存(tes)，即在地面储存地热系统产生的热的系统，以优化终端用户的日常能量输出。然而，一个关键的挑战是显热(sensible heat)交换器造成的温度损失，以及由此导致的较低的往返效率。此外，适合于发电的大规模高温tes的安装成本目前令人望而却步。
20.一个非常不同但仍然相关的现有技术领域是低温地下热能储存系统。这些有两种类型，钻孔热能储存(btes)和含水层热能储存(ates)。ates和btes本质上是低温热泵系统，从夏季到冬季储存和提取季节性能量，且反之亦然。btes在夏季储存空调废热的热，经由与周围岩石的热传导，然后在冬季提取这些热。ates和btes都不是能量产生系统，甚至不是简单的能量储存系统。相反，它们与能量驱动的热泵一起工作，并且整个系统是能量消耗者，尽管比标准的ac和空间加热技术更有效。
21.低温空气储存是一种有吸引力的技术，用于储存可再生系统产生的多余电力，并
在需要时放电。当与地热结合使用时，储存技术的往返效率增加。一些研究人员已经对这种类型的整合进行了研究，例如等人在《地热能源驱动的低温储能》，第77卷《地热》，2018年)。
22.上述学术论文考虑了以基本负荷方式运行的地热系统，而不是这里公开的可调度地热系统。这种方法和其他现有技术的主要挑战是低温放电发生在几个高峰小时，然而地热输出是基本负荷(即24小时内的平稳输出)。
23.改善当前技术和基本负荷限制问题所需的是一种新的范例，它可以随时向终端用户按需提供电力，并在需要时补充和优化间歇性可再生能源。
24.本文将进一步论述的本技术解决了当前在发电、基础设施和配电中的所有问题，而不依赖于基本负荷源、不可调度的可再生能源或电池。
技术实现要素：25.本发明的一个实施例的一个目的是提供一种利用闭合环路工程地质热回收系统来生产可调度、可扩展和快速渐变的电力的方法。
26.本发明的一个实施例的另一目的是提供一种地热电力输出系统，该系统具有大致等同于在配电周期内平均的振荡不连续输出周期的基本负荷配电。
27.本发明的一个实施例的另一目的是提供一种用于优化井系统的特性潜在热输出容量的方法，该井系统包括能够从地层热充电的工作流体，该系统具有入口井和出口井并且设置在具有特性潜在热输出容量的地层内，该方法包含：调节井系统内工作流体的循环，以使来自热充电工作流体的热输出关于该特性预定潜在热输出容量振荡，其中平均振荡热输出大致等于地层的预定潜在热输出容量。
28.在此实施例中，热输出是不稳定的，并且在通过来自地层的热传导对工作流体进行热充电的充电操作与移除热能进行处理的放电操作之间循环。
29.处理可以包含转换为电能、热能和其组合中的至少一个。
30.在调节方面，这可以采用许多形式，包括工作流体的流速变化、在系统中的停留时间、振荡持续时间、热充电持续时间、热放电及其组合中的至少一个。
31.该方法的实践允许通过充电工作流体与发电设备之间的交互为终端用户按需产生能量。
32.本发明的一个实施例的另一目的是提供一种利用井系统向终端用户按需提供电力的方法，该井系统在产热地质地层(geologic formation)中具有入口井、出口井，该方法包含：用可操作地连接入口和出口的发电设备形成闭合环路；以预定的停留时间在该环路中循环工作流体，以通过来自地层的传导热加载循环的工作流体；以及基于用户需求调节用于发电的环路内的热加载工作流体的流速。
33.根据属于地层的具体参数，入口井和出口井可以与互连区段可操作地和流体地连接，该互连区段被设置用于在产热地质地层中传导。
34.为了增强热回收和井系统的联网以及许多其他优点，入口井和出口井可以在地层内以预定的型式与多个互连区段连接。由于申请人的专利和公开技术，从系统设计的角度来看，井系统、互连段、井系统网络的图案化被简化且不受限制。
35.为了发电、输出管理和可调度性，可以在井系统的多个互连区段的预定区段内进
行工作流体循环的选择性调节，以使来自热充电工作流体的热输出关于地层的特性预定潜在热输出容量振荡，其中平均振荡热输出大致等于所述地层的所述预定潜在热输出容量。
36.在井系统包括具有多个互连区段的多个井系统的情况下，可以在井系统的各个互连区段中、在一些或所有互连区段中以特定的时间和特定的顺序以及以用户选择的方式与相邻的井系统一起实现工作流体的选择性调节。
37.该方法基于部署的灵活性，并且因此，具有的温度高于90℃的任何地质地层都可以被开采，而与岩石类型无关，即高渗透率、低渗透率、干热岩、地热地层、沉积地层、火山地层、可变渗透率地层及其组合。为了提高灵活性，该方法不受岩石地层不协调性的限制，即自然裂开的、断裂的或破裂的岩石、合成裂开的、断裂的或破裂的岩石及其组合。该方法可以适用于任何场景。
38.在工作流体方面，期望的流体可以是水，其可以包括减阻添加剂，诸如表面活性剂、聚合化合物、悬浮液、生物添加剂、稳定剂、防垢剂、防腐剂、减阻剂、防冻化学品、杀生物剂、烃、醇、有机流体及其组合。
39.其他适合的流体可以包含超临界二氧化碳、低级烷烃，例如c1-c10、包含相变材料的流体、制冷剂。这些示例很多，并且很容易从现有技术中推导出来。
40.促进井系统的维护的添加剂被考虑用于工作流体中，作为增强工作流体的热力学效率的化合物。
41.本发明的一个实施例的另一目的是提供一种利用地热机制向终端用户按需提供能量的方法，该机制包括入口井、出口井和在地质地层中它们之间的互连区段，该方法包含：利用连接入口和出口的发电设备形成封闭的地热环路；以预定的停留时间在该环路中循环工作流体，以通过来自地层的传导热加载循环的工作流体；以及基于用户需求调适环路内的热加载工作流体的流速。
42.地热井和互连区段可以是新形成的或现有的。如果是现有的，本文的方法可以容易地适用于改进现有的装置以提高效率。
43.根据建议的最终用途，能量可以是电能或热能，停留时间足以促进在用户需求的持续时间内的发电。
44.该环路内充电工作流体与发电设备之间的交互包括通过增加该充电工作流体的流速来最小化停留时间。
45.为了进一步增加效率，来自充电工作流体的热能可以储存在地热地层中，并且工作流体可以用来自地层中相邻井的能量充电工作流体补充。补充可以根据用户需求采用将工作流体从相邻的井改变路线到井和发电设备的形式。
46.本发明的一个实施例的另一目的是提供向终端用户按需输送电力的方法，包含：提供入口井、出口井和井互连区段，该井互连区段在入口井与出口井之间并设置在温度至少为90℃的地质地层内，该地层具有预定的潜在热容量；通过将出口井连接到发电设备而在地层内实现闭合环路布置，以在该井与发电设备之间的闭合环路中从井布置回收能量，闭合环路布置具有在可用的潜在热容量内的预定能量输出；至少在互连区段内以预定的停留时间在环路内循环工作流体，以最大化来自地层的能量传送以形成能量充电的工作流体；以及通过充电工作流体与发电设备之间的交互为终端用户按需产生能量。
47.与本方法已经建立的灵活性相一致，互连区段可以是加套管的、无套管的、加衬里
的、化学处理以增强电导率、化学密封的、密封时自愈合的、热密封的，包括任选穿孔的单管、任选穿孔的同轴管及其连续或不连续配置的组合。工作流体可以被设计成通过密封裂口或产生的渗透率来维持钻井孔的完整性。如果钻井孔有崩落或压缩破坏的风险，可以增加流体密度，以在地层上提供足够的压缩强度。相反，如果地层被充分冷却，它可能有拉伸破坏的风险，在这种情况下，可以选择具有降低密度的流体。
48.工作流体可以在环路内以变化的流速循环，以使热输出关于预定的能量输出容量振荡，从而按需生产电力，其中平均的热输出可以等于该预定的潜在热输出容量。
49.在替代实施例中，入口井和出口井共有的多个互连区段(多边)被设置成一种配置，以使来自所述地层的热梯度的热回收最大化。如果布置的占用空间是个问题，入口井和出口井可以被共址。
50.在进一步替代实施例中，为了利用地层内的热梯度，互连区段可以被布置成：相对于相邻的互连区段对称、相对于相邻的互连区段不对称、与相邻的互连区段成叉指关系、与相邻的互连区段成共面关系、与相邻的互连区段成平行平面关系、在独立或分组的网络中、以及其合适组合。
51.为了改善配电(这将在下文中进一步阐述)，具有相邻环路的出口井的多个闭合环路可以选择性地连接到附加井的入口井，该附加井采用菊花链配置的形式，该菊花链配置可以进一步装有阀门以供用户选择。
52.本发明的一个实施例的另一目的是提供一种用于优化预先存在的电网上的电力分配的方法，包含：在预先存在的电网上提供具有设计的最大发电量和第二有效发电量的间歇性发电布置；将能量回收和生产闭合环路定位在邻近该间歇性发电布置的热承载地质地层内，该环路包括入口井、出口井、该入口井与出口井之间的互连段，该互连段定位在地层中以促进地层中的热回收，该地层具有可用的潜在热容量；将闭合环路定位在地层内的配置中，以从可用的潜在热容量生产预定的能量输出；以预定的停留时间在环路内循环工作流体，以通过来自该地层的传导对循环工作流体进行热充电；以及通过间歇性发电布置选择性地对工作流体热放电，以将发电增加到高于该第二有效发电量并低于设计最大发电量的量，由此使用该预先存在的电网优化总发电量。
53.该间歇性发电布置和能量回收和生产闭合环路可以位于共同的地理占用空间上以按需生产能量。
54.通过间歇性发电布置的工作流体的选择性热放电在显著的用户电力需求时段期间实现，并且使用该间歇性发电布置的预先存在的电网的传输容量和基础设施来传输。间歇性能源是众所周知的风能、太阳能和电池能源。
55.本发明的一个实施例的另一目的是提供一种发电方法，包含：提供用于将生产的电力传输到终端用户的输电网，该电网具有输出容量；在电网上提供具有设计的最大发电量和第二有效发电量的发电布置；将能量回收和生产闭合环路定位在邻近该间歇性发电布置的热承载地质地层内，该环路包括入口井、出口井、该入口井与出口井之间的互连段，该互连段定位在地层中以促进地层中的热回收，该地层具有可用的潜在热容量；将闭合环路定位在地层内的配置中，以从可用的潜在热容量生产预定的能量输出；以预定的停留时间在该环路内循环工作流体，以通过来自该地层的传导对循环工作流体进行热充电；以及通过该发电布置选择性地对工作流体进行热放电，以将整个输电网的发电量维持在该容量。
56.输电网可以包括多个单独的配电区，用于在地理区域内配电，配电区中的至少一些包括能量回收和生产闭合环路。
57.因此，本发明的一个实施例的另一目的是提供一种用于向用户提供预定配电的发电厂，包含：热能回收装置，其被配置成调节产热地层中工作流体的循环，由此热能被传送到工作流体中，该装置用于振荡在配电周期内平均的不连续输出周期；以及用于分配平均电力输出作为用户预定电力输出的配电装置。
58.因此已经大致描述了本发明，现在将参考附图。
59.工业实用性
60.本文的技术可应用于能量回收和发电领域。
附图说明
61.图1是设置在热承载地质地层中的能量回收布置的示意图；
62.图2a至图2d是用于回收布置中的替代互连区段或多边区段的示意图；
63.图3是回收布置的替代方案；
64.图4是一系列运行场景的图形表示，描绘了每个场景的温度(热输出)与时间的函数关系；
65.图5是类似于图4的曲线图，呈现了几天内的数据；
66.图6是图4和图5中引用的特定场景下30年内的热输出示意图；
67.图7是与其他不可调度的可再生能源整合的可调度地热系统的示意图；
68.图8是网络中多个可调度地热环路的示意图；
69.图9是示出计划、控制和优化不可调度的可再生能源与可调度的地热系统的整合的过程的流程图；
70.图10是发电机网络的组合功率输出容量的示意图；
71.图11是用间歇性电源减轻电网饱和的示意图；以及
72.图12是本发明的替代实施例的示意图。
73.附图中使用相同的数字表示相同的元件。
具体实施方式
74.现在参考附图，图1示出了用于实践本文描述的方法的实施例的总体布置的示例。数字10总体上指代整体布置。具有热能的地质地层12的温度为至少90℃，并且通常可以高于150℃，或者甚至600℃或更高，该地质地层12包括具有入口井14和出口井16的地下环路布置，入口井14和出口井16可以被共址，与至少一个互连区段18互连。在示例中，描绘了几个区段18。热梯度将取决于地层特性。
75.在地面20处，入口14和出口16连接到发电设备22。设备22完成了闭合环路的环路布置，为简单起见，该闭合环路将被称为l。显而易见，为了从周围地层12回收热能，区段18被设置在地质地层内。为了清晰性，闭合环路l且特别是区段18可以包括裂缝、裂口、裂纹，流体可以在这些裂缝、裂口、裂纹内输送，然而，这不会偏离闭合环路概念的要点；尽管事实上可能存在局部的多方向流动异常，但是流动型式在入口、互连、出口、发电设备22元件的组合中保持封闭。
76.地质地层可以是如上所述提供温度的任何地层。就此而言，示例包括地热地层、低渗透率地层、干热岩、沉积地层、火山地层、高温地层、可变渗透率地层及其组合。这些只是示例；任何数量的其他地层都在本发明的范围内。
77.根据其性质，地层将具有预定的潜在热输出容量，该容量可以通过本领域技术人员已知的合适技术预先分析。当然，每个地层将具有不同的输出容量。
78.考虑到这一点，每个环路l将具有预定的潜在热输出容量，该容量反映了其设计参数，诸如区段18的数量、其几何布置、深度、长度、地层温度、地层岩石特性等。所有这些参数对技术人员来说都是显而易见的。
79.为了回收，工作流体通过环路l循环，并从出口井16流出，流过发电设备22，该发电设备将热能和/或动能转换成电力，供总体上用数字24指代的终端用户使用，和/或在26处重新分配，用于下文将论述的替代用途。一旦如所示的那样循环，工作流体被重新引入入口14。
80.通过在充电周期期间以相对低的流速循环工作流体通过闭合环路l，工作流体被热“充电”或加载。工作流体在地下流动路径内的停留时间增加，并且因此流体经由与周围地层12的热传导被加热到高温。
81.通过显著增加流速并冲洗出闭合环路l的热地下部分内的加热工作流体的体积，系统被“放电”。
82.工作流体可以包含水、超临界二氧化碳等，并且包括减阻添加剂，诸如表面活性剂、聚合化合物、悬浮液、生物添加剂、稳定剂、防垢剂、防腐剂、减阻剂、防冻化学品、杀生物剂、烃、醇、有机流体及其组合。本领域技术人员将了解其他合适的示例。可以设想，在地下热特性变化的情况下，可以动态地改变工作流体的成分。
83.现在参考图2a、图2b、图2c和图2d，示出互连区段18的可能配置和组合的示意图。该图总体上示出相邻的互连区段可以是对称的、相对于相邻的互连区段不对称的、与相邻的互连区段呈叉指关系的、与相邻的互连区段呈共面关系的、与相邻的互连区段呈并行平面关系的、在隔离的或成组的网络中的以及其组合。具体的几何配置将根据温度梯度特性而变化。附图仅仅是示例性的；设计者将会了解合适的变化。
84.图3示出示例，其中环路l包括多个互连区段18，其中一个区段18的输出16用作相邻区段18的输入14，在发电设备22处共同收集。以此方式，环路l被细分成用于该方法操作的菊花链配置。
85.潜在热输出容量是系统的最大可持续热能输出。热输出可以用本文公开的方法临时改变，但是长期平均输出(即几个月或几年的平均)不能超过潜在的热输出容量。
86.系统的整体地热效率等于平均热输出除以潜在热输出容量，这通常被称为地热“容量因数”。有利的是具有高容量因数，或者对可用的潜在热输出容量的高利用率。常规地，这是通过处于或接近潜在热输出容量的恒定热输出来实现的。许多地热系统以这种方式在大于90％的容量因数下运行，有时被称为“基本负荷”运行。所公开的方法能够实现高地热容量因数，同时还提供灵活的按需能量输出，而不是恒定输出。
87.图4示出了基于申请人的共同未决申请no.pct/ca2019000076等中描述的闭合环路多边系统的瞬态热力学建模的示例。热力学模型的输入见下表。
88.图4示例性数据
[0089][0090][0091]
该图示出了同一地热环路的三种运行场景：以恒定流速的基本负荷方式运行(基本情况)，在这种情况下，热输出等于潜在的热输出容量；以33kg/s的速度充电16小时且然后以130kg/s的速度放电8小时来运行；以及以30kg/s的速度充电12小时且然后以100kg/s的速度放电12小时来运行。
[0092]
通常，充电周期将在能源价格较低或可变可再生能源供应过剩时进行。这允许本文先前提到的互连区段18从地层中回收热能。
[0093]
图5示出了3天时间范围内的重点细节。如果系统以基本负荷方式运行，则在组合充电/放电周期内的平均流速大约等于最佳固定流速。在此示例中，如果以基本负荷方式运行，与前面图中所示相同的地下井布置在流速等于60l/s时，将始终等于潜在的热输出容量。通俗地说，该系统将以全部地下地热容量来运行。这是与一些现有技术(普纳的ormat)的一个关键区别，在现有技术中，组合的“充电”和“放电”周期的平均地热输出明显低于长期容量。
[0094]
在入口井14中的冷流体相对于出口井16中的热流体的密度差的驱动下，充电周期建立了强热虹吸。在充电周期期间，热虹吸压力驱动高于维持所需流速所需的压力。因此，通过使用流量控制阀或其他装置(未示出)施加压降来抑制出口井16下游的流动，从而控制流速。流量控制阀是自动的，并且可以用软件控制，该软件使用热力学模型来计算阀的所需位置。控制阀也有助于管理地下环路中的压力，以基于工作流体的密度和泵排出压力将其
保持在期望的界限内。
[0095]
当放电时，可以通过释放阻风门(打开控制阀)来立即增加流速。这种近乎瞬时的流速增加实现了快速渐变能力。流速可以增加到，直到通过闭合环路的液压损失等于热虹吸压力驱动。
[0096]
使用泵可以将流量增加到超过这个水平，这将需要寄生功率负荷。然而，只要大部分压力驱动是由热虹吸效应产生的，寄生负荷实际上是可接受的。
[0097]
使用这些方法，通过充放电周期和工作流体在环路中的停留时间，可以控制流速以使功率输出与终端用户的需求相匹配。
[0098]
在现有技术的传统开放式地热系统或多孔介质中的流动中，放电时达到高流速所需的泵送压力导致不可接受的高寄生泵负荷，并显著降低或消除净功率输出的任何增益。已经发现，当回路(circuit)中的压力损失与热虹吸压力驱动之比约为1.5时，达到了实际极限。该系统必须被设计成液压损失小于热虹吸压力驱动的1.5倍。理想情况下，压力损失小于热虹吸驱动的1倍，并且整个流动通过热虹吸驱动。因此，不存在寄生泵负荷。
[0099]
能量储存在工作流体本身中。在充电周期期间，需要足够的停留时间来加热工作流体以适应放电周期。例如，如果放电周期通常为8小时长，流体回路传输时间必须至少为8小时(放电和充电周期的平均值)。
[0100]
在充电周期期间，能量也可以暂时储存在地下流动路径和出口井16附近的岩石中。在低流速下，热从地层12中较热的岩石传导传送到工作流体中，并且随着流体前进通过系统，它遇到较冷的岩石(通常较浅，例如在出口井16中)，在此能量从流体传送到较冷的岩石并被临时储存。在放电周期期间，平均流体温度下降，并且储存的热被传送回工作流体。
[0101]
闭合环路避免了传统地热系统的运行问题，如本文所论述，当流量急剧变化时，这些运行问题会加剧。例如，常见的运行问题是由盐水、固体、结垢、堵塞和溶解气体引起的。
[0102]
本文公开的可调度性与低温空气储存(ces)、制氢或其他使用储存电能的系统很好地整合。下文展示处理流程的示例。ces充电周期可以使用来自电网或共址可再生能源的廉价过剩电力(例如，白天高峰时段的太阳能)。ces还可以使用生产的地热能来充电，但这不是必须的。在一个实施例中，地热系统将在整个充电和放电周期中产生固定量的电力。在涡轮中膨胀之前，放电周期期间生产的热能的增加用于加热来自ces过程的空气流。
[0103]
将ces与可调度地热一起使用有几个优点：
[0104]
热机(其将热能转换为电力)的大小仅适用于充电周期，而不是放电周期的峰值输出，从而大大降低了设备和资产成本。
[0105]
需要较小的附加设施来向ces设施供热。
[0106]
ces只在一天中的几个高峰时段放电。可调度的地热系统放电周期可以匹配ces放电周期。
[0107]
图6示出了前面图中提到的“基本情况”和“8小时可调度情况”的30年的热输出。基本情况以基本负荷方式运行，并等于可用的热输出容量，而“8小时可调度情况”尽管以可调度输出运行，但仍获得约97％的有效容量因数，且因此大致等于地层的预定潜在热输出容量。
[0108]
这说明了主要的发明，即输出可以是可调度的，同时仍然保持高的地热容量因数，通常超过80％并且接近100％。
[0109]
上述瞬态热力学模拟在加拿大阿尔伯塔省中部的一个原型地热系统中进行了测试。该系统包括2.4km深的多边u形管热交换器，并且从地面站点到站点为2.5km。结果验证了建模，并证实了可调度性可以通过在本实施例中使用出口井处的自动控制阀调节流速来预测和控制。经验结果证实，该系统是非常快速渐变的，并且当与诸如有机朗肯循环(orc)的发电系统结合时，可以满足与太阳能系统整合的快速渐变需求。
[0110]
图7表明了在与其他不可调度的可再生能源整合时可调度地热系统如何使用。该系统在太阳能高峰时段调低，并在太阳能下降时斜升。可调度的地热填补了能量需求与不可调度的可再生能源之间的缺口。这仅仅是示例，并且可以修改输出以匹配充电/放电周期的任何组合，并且可以改变流速以满足物理限制内的任何形状的输出。
[0111]
太阳能发电被用作示例，然而，相同的可调度机制可以被用于整合到直接热利用应用中，诸如区域加热系统或区域冷却系统中。
[0112]
图8示出网络中的多个可调度地热环路。可以为每个环路预定充电/放电周期，使得总输出满足所需的成形输出曲线。使用与热力学模型耦合的自动控制系统来控制每个环路中的流速、热虹吸和温度。根据情况和每个环路的参数，充放电周期可以是依序的或同时的。
[0113]
图9是用来计划、控制和优化不可调度的可再生能源与可调度的地热的整合的过程流程图。提供一种电网系统，该电网系统具有随时间变化的需求曲线、来自不同的不可调度的可再生资源(如pv、风能、基本负荷核能等)的现有供应曲线，该控制技术优化了可调度的可再生地热发电机的网络，以填补现有的不可调度的供应曲线和需求曲线之间的缺口。优化参数可以是满足净需求，或者可以是最大化接收的价格或收入(价格乘以容积)，或者任何其他因素的组合。这些可能仅形成优化/调度算法的一部分。
[0114]
在可调度地热环路的网络中，将利用发电模块网络(未示出)，其将势能和热能转换成电力。这些发电系统可以是orc、闪蒸设备、压力驱动系统、直接涡轮机或任何其他转换部件。发电模块可以串联或并联或组合布置。控制系统基于接近性、调度、温度和其他相关因素将来自每个地热环路的流引导至适当的转换模块。
[0115]
图10示出了发电机网络的组合功率输出容量，其必然高于地热环路网络的潜在热输出容量。发电容量被设计为在调度时满足地热网络的峰值输出，其可以被设置为满足来自终端用户的峰值需求。该图说明，虽然地下系统具有高的地热容量因数，超过80％并且通常超过90％，(其中分母是潜在的热输出容量)，但是地面电力转换模块具有相对较低的容量因数以实现调度。
[0116]
图11示出了本发明的一个实施例，该实施例被设计成利用间歇性电源来减轻电网饱和。在示例中，太阳能回收布置30可操作地连接到环路l(环路布置或解决方案)，并且更具体地在32处连接到阵列30。发电设备22与具有特定容量的电网(未示出)电连通。这通常由参考标号34表示。
[0117]
对于以下示例，环路布置或环路解决方案旨在包含本文先前论述的布置，即在可以包括发电设备22的热承载地质地层中的井14、16和互连18。
[0118]
在当今向更新更清洁的能源形式转变的过程中，太阳能处于领先地位。然而，成功也会带来自身的复杂性。许多电网现在已经饱和了风能和太阳能，以至于很难吸收更多的间歇性能源。在这种情况下，需要可扩展的绿色可调度电力。本文的技术可以补充新的或者
甚至现有的太阳能发电厂。
[0119]
一个典型的10mw环路l单元将5mw地下基本负荷解决方案与orc和扩展到10mw的地面设施相结合。这是为了促进由环路l产生的能量的固有可调度性。这然后可以通过简单地添加更多的环路布置l来进一步扩展。举例来说，200mw环路l布置具有以下运行数据。
[0120]
示例
–
电网饱和减轻
[0121][0122]
仅太阳能解决方案
[0123]
对于200mw的太阳能发电厂来说，由于其间歇性，平均只能生产40mw的电力。如果希望将平均发电量增加3.5倍或平均增加附加的100mw，则必须增加附加的500mw太阳能发电厂和附加的500mw传输容量，原因很简单，太阳能负荷因数将在10％与25％之间。不幸的是，这不仅需要增加3.5倍的地面占用空间，还需要将传输网络升级3.5倍(或者更不希望的是，建立新的传输线路到新的太阳能发电厂)。这种情况进一步恶化，因为大部分增加的容量将在一天中可以实现远低于平均价格的时间生产。
[0124]
环路解决方案
[0125]
相比之下，通过将200mw环路解决方案直接并入到当前或计划中的太阳能发电厂的现有地面占用空间之下，可以获得相同的结果。有利的是，不需要新的土地征用。此外，由于环路布置将利用其固有的可调度性来生产太阳能发电厂的20％负荷因数左右的电力，因此不需要任何附加的传输容量，从而节省了时间和金钱。最后，虽然在中午左右的太阳能生产高峰时段期间，环路不具有生产太多的传输容量，但是中午的生产(通常没有什么价值)可以转变为有吸引力的货币化，因为对于可调度的电力，而不是间歇性或基本负荷的电力，可以实现定价溢价。
[0126]
太阳能+电池解决方案
[0127]
当然，太阳能可以通过添加足够的电池来模仿环路解决方案，但成本相当高。太阳能开发商需要增加500mw的太阳能容量，而不是仅仅增加200mw的环路解决方案，这需要大规模扩展表面占用空间和200mw的8小时电池储存，导致不可避免地增加成本和延迟。
[0128]
作为该示例的变体，图11描绘了使用风车36作为原动机的布置。
[0129]
现参考图12，展示该示例的另一变体。数字40表示地理区域，在该地理区域上，配电中心42被布置成经由44向输电网(未示出)提供电力输送。众所周知，电网具有输出容量。中心42为地理区域40上的发电系统做出贡献，该发电系统具有设计的最大发电量和电网上的第二有效或“实际”发电量。
[0130]
显然，在中心42之间的广阔区域40上，由于本领域技术人员已知的各种原因，诸如大量用户需求的峰值或中心42之间的重新分配，偶尔会出现“限电”或其他输送异常。
[0131]
为了减轻不一致的输送问题，可以在中心42的回路上，诸如在相邻的电通信中心42之间，整合环路布置l。如同先前示例和这里的说明，闭合环路配置可以在下面的地质地层内提供，以从属于地层的可用的潜在热容量生产预定的能量输出。
[0132]
然后，工作流体可以如已经论述的那样循环，并且选择性地通过所述发电布置22热放电，以将发电维持到整个所述输电网的能力。这相应地减轻了上文提到的异常或不规则性。
[0133]
取决于地理区域和其他因素，包含多个环路布置l的主配电中心46可以增加或替换一些或全部中心42和单独定位的环路l。
技术特征：1.一种用于优化井系统的特性潜在热输出容量的方法，所述井系统包括能够从地层热充电的工作流体，所述系统具有入口井和出口井并且设置在所述地层内，所述方法包含：调节所述井系统内所述工作流体的循环，以使来自热充电工作流体的热输出关于所述特性预定潜在热输出容量振荡，其中平均的振荡热输出大致等于所述地层的所述预定潜在热输出容量。2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述热输出是不稳定的。3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述热输出在通过来自所述地层的热传导对所述工作流体进行热充电的充电操作与移除热能进行处理的放电操作之间循环。4.根据权利要求3所述的方法，其中，处理包含转换为电能、热能和其组合中的至少一个。5.根据权利要求3所述的方法，其中，调节包括所述工作流体的流速变化、在所述系统中的停留时间、振荡持续时间、热充电持续时间、热放电及其组合中的至少一个。6.根据权利要求1至5中的任一项所述的方法，还包括：通过所述充电工作流体与发电设备之间的交互为终端用户按需产生能量的步骤。7.根据权利要求1至6中的任一项所述的方法，其中，所述热充电工作流体在放电周期中在所述特性潜在热输出容量之上循环，以按需产生功率。8.根据权利要求1至7中的任一项所述的方法，其中，所述地质地层选自包含以下各项的群组：地热地层、低渗透率地层、沉积地层、火山地层、高温地层、可变渗透率地层及其组合。9.根据权利要求1至8中的任一项所述的方法，其中，所述地质地层不包含实质的裂纹、裂隙、空隙和或裂口。10.根据权利要求1至9中的任一项所述的方法，其中，在所述地层中诱发裂纹、裂隙、空隙和或裂口。11.根据权利要求10所述的方法，还包括：密封所述裂纹、裂隙、空隙和或裂口的步骤与钻探所述井同时进行。12.根据权利要求10所述的方法，还包括：密封所述裂纹、裂隙、空隙和或裂口的步骤发生在钻探所述井之后。13.根据权利要求1至12中的任一项所述的方法，其中，所述工作流体包括减阻添加剂、表面活性剂、聚合化合物、悬浮液、生物添加剂、稳定剂、防垢剂、防腐剂、减阻剂、防冻化学品、杀生物剂、烃、醇、制冷剂、相变材料、有机流体及其组合。14.根据权利要求6所述的方法，其中，所述充电工作流体与所述发电设备之间的所述交互包括通过增加所述充电工作流体的所述流速来最小化所述停留时间。15.根据权利要求1至14中的任一项所述的方法，还包括：在所述地层中储存来自所述充电工作流体的热能的步骤。16.根据权利要求1至15中的任一项所述的方法，还包括：用来自所述地层中相邻井的能量充电工作流体补充所述工作流体的步骤。17.根据权利要求16所述的方法，其中，补充包括根据用户需求将工作流体从相邻的井改变路线到井和发电设备。18.根据权利要求1至17中的任一项所述的方法，其中，所述工作流体的循环通过诱发
的热虹吸实现。19.根据权利要求18所述的方法，其中，运行中的液压损失小于热虹吸压力的量的1.5倍。20.根据权利要求18所述的方法，其中，运行中的液压损失小于所述热虹吸压力的所述量的1.0倍。21.根据权利要求1至20中的任一项所述的方法，还包括：将间歇性可再生能源发电方法与根据权利要求1所述的方法合并的步骤。22.根据权利要求21所述的方法，其中，所述间歇性可再生能源发电方法包括风能、太阳能和电化学方法。23.一种利用井系统向终端用户按需提供电力的方法，所述井系统在产热地质地层中具有入口井和出口井，所述方法包含：用可操作地连接所述入口和所述出口的发电设备形成闭合环路；以预定的停留时间在所述环路中循环工作流体，以通过来自所述地层的传导热加载循环的工作流体；以及基于用户需求来调节用于发电的所述环路内的热加载工作流体的流速。24.根据权利要求23所述的方法，还包括：用流体连通的互连区段互连所述入口井和所述出口井，所述互连区段的至少部分被设置用于在所述产热地质地层中的传导。25.根据权利要求24所述的方法，还包括：在所述地层内以预定型式用多个互连区段互连所述入口井和所述出口井的步骤。26.根据权利要求25所述的方法，还包括：在所述井系统的所述多个互连区段的预定区段内选择性地调节所述工作流体的循环的步骤，以使来自热充电工作流体的热输出关于所述地层的特性预定潜在热输出容量振荡，其中平均的振荡热输出大致等于所述地层的所述预定潜在热输出容量。27.根据权利要求23至26中的任一项所述的方法，其中，所述地质地层选自包含以下各项的群组：地热地层、低渗透率地层、沉积地层、火山地层、高温地层、可变渗透率地层及其组合。28.根据权利要求23至27中的任一项所述的方法，其中，所述地热机制包括预先存在的井。29.根据权利要求28所述的方法，其中，所述地热地层包括干热不可渗透岩石、自然裂开的、断裂的或破裂的岩石、合成裂开的、断裂的或破裂的岩石及其组合中的至少一个。30.根据权利要求24所述的方法，其中，所述互连区段是加套管的、无套管的、加衬里的、化学处理的、化学密封的、热密封的，包括单管、同轴管以及它们的连续或不连续配置的组合。31.根据权利要求23至30中的任一项所述的方法，其中，所述入口井和所述出口井被共址。32.根据权利要求25所述的方法，其中，所述互连区段被布置成：相对于相邻的互连区段对称；相对于相邻的互连区段不对称；与相邻的互连区段成叉指关系；
与相邻的互连区段成共面关系；与相邻的互连区段成平行平面关系；在独立或分组的网络中；以及其组合。33.根据权利要求25所述的方法，还包括：提供多个闭合环路中的至少一个的步骤，其中相邻环路的出口井选择性连接到附加井的入口井、共同连接的相邻井的入口井、共同连接的相邻井的出口井以及其组合。34.根据权利要求33所述的方法，还包括：在所述井系统的所述多个环路的预定环路内选择性地调节所述工作流体的循环的步骤，以使来自热充电工作流体的热输出关于特性预定潜在热输出容量振荡，其中平均的振荡热输出大致等于所述预定潜在热输出容量。35.根据权利要求33所述的方法，其中，选择性连接包含带有温度监视的阀门连接。36.根据权利要求33所述的方法，其中，所述选择性连接包含菊花链连接。37.根据权利要求36所述的方法，其中，所述菊花链连接是连续、间歇性及其组合中的至少一个。38.根据权利要求23至37中的任一项所述的方法，还包括：将所述方法与间歇性可再生能源发电方法合并的步骤。39.根据权利要求38所述的方法，其中，所述间歇性可再生能源发电方法包括风能、太阳能和电化学方法。40.一种用于向终端用户按需输送电力的方法，包括：提供入口井、出口井和井互连区段，所述井互连区段在所述入口井与所述出口井之间并且设置在温度至少为90℃的地质地层内，所述地层具有预定的潜在热容量；通过将所述出口井连接到发电设备而在所述地层内实现闭合环路布置，以在所述井与所述发电设备之间的闭合环路中从所述井布置回收能量，所述闭合环路布置具有在可用的潜在热容量内的预定能量输出；至少在所述互连区段内以预定的停留时间在所述环路内循环工作流体，以通过来自所述地层的热传递形成能量充电的工作流体；以及通过所述充电工作流体与所述发电设备之间的交互为终端用户按需产生能量。41.根据权利要求40所述的方法，其中，所述停留时间足以促进在用户需求的持续时间内的发电。42.根据权利要求40或41所述的方法，其中，所述充电工作流体与所述发电设备之间的所述交互包括通过增加所述充电工作流体的流速来最小化所述停留时间。43.根据权利要求40至42中的任一项所述的方法，还包括：在所述地热地层中储存来自所述充电工作流体的热能的步骤。44.根据权利要求40至43中的任一项所述的方法，还包括：用来自所述地层中相邻井的能量充电工作流体补充所述工作流体的步骤。45.根据权利要求44所述的方法，其中，补充包括根据用户需求将工作流体从相邻的井改变路线到井和发电设备。46.根据权利要求40至45中的任一项所述的方法，其中，所述工作流体的循环通过诱发的热虹吸实现。
47.根据权利要求40至46中的任一项所述的方法，其中，运行中的液压损失小于热虹吸压力的量的1.5倍。48.根据权利要求40至47中的任一项所述的方法，其中，运行中的液压损失小于所述热虹吸压力的所述量的1.0倍。49.根据权利要求40至48中的任一项所述的方法，其中，所述地层具有可用的潜在热容量，并且所述闭合环路位于所述地层内的配置中，以生产可从所述预定潜在热容量中回收的预定能量输出。50.根据权利要求49所述的方法，包括：通过将所述发电装置中的所述工作流体向终端用户热放电来促进按需能量输送，所述热放电间歇地超过所述预定能量输出，同时在预定时间范围内维持所述预定能量输出的输送能量输出平均值。51.根据权利要求49所述的方法，其中，间歇性持续时间的能量输送是用户需求相对于整个预定时间范围较高的时间范围。52.根据权利要求1所述的方法，还包括：由具有所述发电设备的低温空气储存器驱动的涡轮机。53.根据权利要求23所述的方法，还包括：由具有所述发电设备的低温空气储存器驱动的涡轮机。54.根据权利要求40所述的方法，还包括：由具有所述发电设备的低温空气储存器驱动的涡轮机。55.一种用于优化预先存在的电网上的电力分配的方法，包括：在所述预先存在的电网上提供具有设计的最大发电量和第二有效发电量的间歇性发电布置；将能量回收和生产闭合环路定位在邻近所述间歇性发电布置的热承载地质地层内，所述环路包括入口井、出口井、所述入口井与所述出口井之间的互连段，所述互连段定位在所述地层中以促进所述地层中的热回收，所述地层具有可用的潜在热容量；将所述闭合环路定位在所述地层内的配置中，以从所述可用的潜在热容量生产预定的能量输出；以预定的停留时间在所述环路内循环工作流体，以通过来自所述地层的传导对循环工作流体进行热充电；以及通过所述间歇性发电布置选择性地对所述工作流体热放电，以将发电增加到高于所述第二有效发电量并低于所述设计的最大发电量的量，由此使用所述预先存在的电网来优化总发电量。56.根据权利要求55所述的方法，其中，所述间歇性发电布置和所述能量回收和生产闭合环路位于共同的地理占用空间上。57.根据权利要求56所述的方法，其中，所述能量回收和生产闭合环路按需产生能量。58.根据权利要求56或57所述的方法，其中，通过所述间歇性发电布置的所述工作流体的选择性热放电在显著的用户电力需求时段期间被实现。59.根据权利要求56至58中的任一项所述的方法，其中，使用所述间歇性发电布置的所述预先存在的电网的传输容量和基础设施来传输增加的发电量。60.一种发电方法，包含：
提供用于将生产的电力传输到终端用户的输电网，所述电网具有输出容量；在所述电网上提供具有设计的最大发电量和第二有效发电量的发电布置；将能量回收和生产闭合环路定位在邻近所述间歇性发电布置的热承载地质地层内，所述环路包括入口井、出口井、所述入口井与所述出口井之间的互连段，所述互连段定位在所述地层中以促进所述地层中的热回收，所述地层具有可用的潜在热容量；将所述闭合环路定位在所述地层内的配置中，以从所述可用的潜在热容量生产预定的能量输出；以预定的停留时间在所述环路内循环工作流体，以通过来自所述地层的传导对循环工作流体进行热充电；以及通过所述发电布置选择性地对所述工作流体进行热放电，以将整个所述输电网的发电量维持在所述容量。61.根据权利要求60所述的方法，其中，所述输电网包括多个单独的配电区，用于在地理区域内配电，所述配电区中的至少一些包括能量回收和生产闭合环路。62.根据权利要求60或61所述的方法，其中，所述发电布置包括间歇性电源。63.根据权利要求60至62中的任一项所述的方法，其中，所述发电布置包括基本负荷电源。64.一种用于向终端用户按需提供电力的方法，包括：提供入口井、出口井和互连区段，所述互连区段在所述入口井与所述出口井之间并且设置在具有预定的潜在热容量的地质地层内，所述地层具有至少90℃的温度；将所述出口井连接到发电设备，以在所述井与所述发电设备之间的闭合环路中从所述井布置回收能量；以及在所述环路内以变化的流速循环工作流体，以使热输出关于所述预定的潜在热输出容量振荡，从而按需生产电力，其中平均的热输出可以等于所述预定的潜在热输出容量。65.一种地热电力输出系统，具有大致等同于在配电周期内平均的振荡不连续输出周期的基本负荷配电。66.一种用于向用户提供预定配电的发电厂，包括：热能回收装置，所述热能回收装置被配置成调节产热地层中工作流体的循环，由此热能被传送到所述工作流体中，所述装置用于振荡在配电周期内平均的不连续输出周期；以及用于分配平均电力输出作为用户预定电力输出的配电装置。
技术总结公开了在各种实施例中用于向终端用户按需提供电力的方法。闭合环路热回收布置被设置在具有预定潜在热输出容量的地质地层内。发电设备被并入到该环路中以回收能量。工作流体在该环路内以变化的流速循环，以使热输出关于预定的潜在热输出容量振荡，以按需生产电力，其中平均热输出可以等于该预定的潜在热输出容量。提供了与间歇性可再生能源的整合，其优化了性能和配电。了性能和配电。了性能和配电。
技术研发人员：马修
受保护的技术使用者：埃沃尔技术股份有限公司
技术研发日：2020.11.24
技术公布日：2022/11/1
