地热能

说到温泉，人们并不陌生。从各地的一些地名就可知地球上温泉分布之广。所谓温泉，它的水温常年都在25℃～40℃之间。如果高于40℃，那就是热泉了;如果达到水的沸点，这种泉水就被称作沸泉。温泉的水流不很大时，它汩汩而出，往往会在泉眼附近形成一个热水塘，水量再大还可形成热水湖。地形合适，甚至可以形成热水河。在河北省承德市的清代皇家园林避暑山庄内有一股水量很大的热水泉，并流出后汇入名叫武烈河的热水河。因此，在河北省北部曾建省，省名就叫做“热河省”(其省会就是承德市)。由于温泉、热泉和沸泉的水体和地形各有不同，在各地大都形成了一些美丽而奇特的景观，并作为一些旅游景点而加以利用，对经济发展产生了有益的作用。

在今天，为了利用热水所蕴涵的能量，科学家对地下的热水进行了深入的研究，并开发出一些新型技术，以便合理地利用这种“免费”且清洁的能源。

地下的热能

通常地下水都是凉的，为什么有些泉水是温热的呢?一般来说，地球是一个巨大的实心球体，但内部构造就像一个煮得半熟的里外三层的鸡蛋。外层叫地壳，很薄，平均厚度只有17千米;中层为地幔，大部分是熔融的岩浆，厚度近3000千米;内层为地核。

经过钻探表明，每向下钻1000米，温度升高33℃(随着深度的增加，这个值会变小)。人们发现，有时深度达200千米时仍有岩石。但是，如果压力增大后。这些岩石就处于熔融的状态，且温度可达2000℃左右。如果超过这个深度，我们就无法测量其温度了。不过科学家还是可以根据地球上放射性元素释放的能量来推测地核温度。据此估计地核温度可达5000℃～6000℃。

此外，地球是一个大宝库，从前面的内容可见，它不仅含有大量的石油、煤炭和天然气等资源，而且作为一个巨大的热库有丰富的热能可资利用。除了温泉之外，火山爆发和彭喷泉都是地球在随意释放热能的表现形式。我们称地球内部的这种热能叫做地热能。

地热能的来源途径主要有两个，即地壳下面的热岩浆和地壳中放射性元素衰变释放的能量。从地球上能源大小排列来看，太阳能排行老大，地热能排行第二。地热能可资开发的地热能总量可达320亿千瓦。如果我们只开发地表下3000米范围的地热资源，其可供利用的热能折合成标准煤已近3万亿吨，其中仅地下热水和地热蒸汽的能量就相当于地球上煤炭总储量的1.7倍。

由于各地区地质条件的不同，地热资源分布是不均匀的，而且地热资源的质量也是不同的。这对地热的开发也是有影响的。大体上讲，世界的地热资源大致分布在5个地区，它们分别是环太平洋地热带、地中海及喜马拉雅地热带、大西洋中脊地热带、中亚地热带和红海、亚丁湾、东非裂谷地热带。

就中国的情况来看，世界上5条地热带中的3条与中国有关。具体地讲，我国有19个省、市、自治区有较好的地热资源，并已发现了地热点达3000个以上，已勘察的地热田达50多个，查明的地热贮量相当于32亿吨标准煤，估计贮量可达120亿吨标准煤的当量，远景预测可达135亿吨标准煤的当量。

地热发电

利用地热发电是十分经济的。最早尝试利用地热能发电的是意大利人，他们于1904年在拉德瑞罗城建成一个试验装置。这是利用地热蒸气发电的电站，发电功率为550瓦。由于技术条件的限制，效率很低，从经济上讲是不合算的。此后，利用地热能发电的技术发展极为缓慢，直到1960年，建立地热电站的国家只有意大利、日本和新西兰。到20世纪90年代，建立地热电站的国家已超过20个，总装机容量达6800兆瓦。其中美国的装机容量达2800兆瓦(1995年)，为世界第一;菲律宾的装机容量达1230兆瓦，为世界第二。意大利的装机容量也超过了360兆瓦，排名第四。

中国利用地热能发电是从20世纪70年代开始的，到1996年，全国地热电站的总装机容量为32兆瓦(其中台湾为3兆瓦)。我国地热电站建设中，西藏羊八井地热电站最为有名，它的总装机容量为25兆瓦。

地热发电技术是一种新技术，但它的原理并不复杂，与火力发电相似。但开发地下热水和蒸汽则涉及地质学、地球物理学、地球化学、钻探技术、材料科学和发电工程等学科，是一个综合性很强的技术学科。

利用地热发电，它的发电成本较低，大约只有火力发电的一半、水力发电的三分之二。除了初期投资较大之外，运行起来之后，管理费用是比较低的，与水力发电差不多。此外，它几乎是无污染的。

地热发电过程往往与地热能的表现形式有关。地热能的形式有3种，即地热水、热干岩石和地热蒸汽。其中地热蒸汽包括干蒸汽和水汽相混的湿蒸汽。热蒸汽是最好的，可以将这种蒸汽的腐蚀物质除去，而后即可直接用于发电。热水不能直接发电，需要使之变为蒸汽，再用于发电。

地热发电示意图

具体地说，地热发电的方法主要有3种:(1)蒸汽法:将地热井喷出的高温蒸气用管道输送至发电机组，并直接驱动涡轮机和发电机组发电。(2)减压法:将地热井喷出的热水经过减压以产生蒸汽，再用蒸汽驱动机组发电。(3)热交换法:将地热井喷出的热水或蒸汽送至热交换器，使某种低沸点的物质蒸发，其蒸汽可以驱动机组发电。

由于地热中纯干蒸汽不多，多为水和蒸汽相混，所以，蒸汽发电系统多采用减压法。它的原理是，当压强降低时，水的沸点也降低，如压强降至0．5个大气压，水的沸腾温度不是100℃，而是81℃。当地热水温度不很高时(如西藏羊八井的地热水温为150℃)，可采用扩容减压法，或多级扩容以获取更多的蒸汽来发电。

扩容法地热发电

采用扩容减压法来发电的技术已较为成熟，在许多国家得到应用。采用多级扩容减压法发电的机组，其装机容量大者可达100多兆瓦的功率，取得了较好的效益。

由于多数地热井喷出是热水，需要采用热交换法。这是一种双循环发电系统。热水进入第一个热交换器，使管道中的工作物质迅速蒸发，变成蒸汽驱动发电机组。这种工作物质的沸点很低，主要是碳氢化合物和碳氟化合物。由于碳氟化合物(如各种氟利昂)对环境有破坏作用，所以现在多采用碳氢化合物。例如，异丁烷(常压下沸点为－11．7℃)、正丁烷(－0．5℃)、丙烷(－42℃)。

所谓双循环系统是经过热交换使工作物质变成蒸汽去发电，做完功的气体在冷凝器中再还原为液态的工作物质，这些工作物质还可再回到热交换器变成蒸汽，准备再做功。而地热水降温之后再回输到地下，以避免(特别是含盐高的)地热水对地面的污染。所以，地热水有一个循环系统，而工作物质也有一个循环系统。这就是所谓的双循环系统。

这种双循环系统技术并非只适于地热资源的开发，它具有广泛的用途，像太阳能蓄热发电、海洋温差发电、利用工业余热发电均可采用这种技术。我国应大力发展这种技术，在广泛吸收国外现有技术的基础上建立自己的技术体系，完善生产工艺，以利于开发各种形式的能源资源。

上面讲的是利用扩容减压法的蒸汽发电系统和双循环发电系统都是较为成熟且已在普及的技术。此外，还有一些新技术正处于研究阶段，这里也作一简单的介绍。

首先是全流发电系统。这种系统是将地热喷井口喷出的所有物质(不管是蒸汽、热水、化学物质等)不经过处理就送进全流动力设备中膨胀做功，而后排放或进入凝汽器中。这样，可以充分利用地热流体的所有能量。我国对这种技术正在研究，主要是由天津大学承担的。

还有一种是干热岩发电系统。由于地球深部的岩层具有较高的温度，其中蕴藏着很大的地热能。如何利用这种地热能呢?20世纪70年代，美国洛斯阿拉莫斯实验室首先采用人工钻探和注水的方法进行“人造地热”试验，后来，人们又建立了发电装置。

利用干热岩发电的具体做法是，先打两口井，利用其中的一口并向地下的干热岩注水，而后利用另一口井将升温的水提升至地面。这种方法的原理就是如此简单，但试验中发现，建立起完善的技术系统是有一定困难的。除了美国，日本、德国、英国和法国等国家也在开发这种新技术。我国虽未进行干热岩发电技术的研究，但这种高新技术已开始引起我国科学家的注意，也正在准备投入资金进行研究。

地热资源的直接利用

从利用地热资源的历史来看，古代已经有利用地热的记录。以我国为例，先秦时期已有用温泉水洗浴治病和灌溉农田的记载，这种作法一直沿袭至今。今天，对地热资源的利用范围已大大扩展了(已不限于温泉)，例如采暖空调、工业烘干、农业温室、水产养殖、旅游疗养等。

由于地热直接利用方便、简捷，热能损失小，因此直接利用地热能是较为合理的。就地热能利用的现状来看，对地热水的利用远远高于地热发电。据联合国的统计，全世界于1989年利用的地热水折合成电功率约为365亿千瓦时。其中，日本利用地热水居首位，达87亿千瓦时;中国达56亿千瓦时，居世界第二位。20世纪90年代，中国的地热水利用总量已超过日本，居世界第一位;以1996年的利用量为例，总量折合标准煤达300万吨。

地热供暖是一种最为简易的办法，比起燃煤采暖来，地热采暖还避免了大气污染。近年来在北京和天津地区采用地热采暖，对节约能源和环境保护都大为有利。1996年，天津利用地热采暖面积已超过300万平方米。在日本、法国、冰岛也都广泛地使用地热采暖和提供生活热水。

由于地热水的温度变化不大，可以看做一种稳定的热源，这在轻纺、食品和造纸行业有较为广泛的用途。这种稳定的热源对保证产品质量是非常有益的，不会因为温度变化过大而损坏产品质量。在酿造业和大型沼气工程中，人们也尝试利用地热水保暖。这种稳定的热源可以控制微生物繁育的速度，提高微生物的产率。

对于温度较低的地热水，或者经过发电、采暖等的地热水可以在农业和水产养殖业发挥作用。例如，进行农业育种、栽培、禽蛋孵化、牲畜过冬、水产养殖等。利用地热水的温室在我国的20个省、市、自治区建立，总面积已超过200万平方米，其中河北省和京津地区超过了一半。在南方的地热温室还用于养甲鱼、鳗以及一些珍贵的水产品。