地热和太阳能联合发电系统及地热和太阳能联合发电方法

技术领域

本发明涉及地热和太阳能联合发电系统，还涉及地热和太阳能联合发电方法。

背景技术

现有的以二氧化碳为工质的地热和太阳能联合发电系统通过采用抽气压缩回热提高系 统的热效率，其原因在于：二氧化碳的比热容随着压力的变化有较大的差异，例如，在200 摄氏度内，15MPa的二氧化碳和8MPa的二氧化碳的比热容相差较大。这样，采用简单回 热循环时，高压低温二氧化碳和低压高温二氧化碳在换热器中的热容(质量流量和比热容 的乘积)相差较大，则传热温差会加大，系统的传热不可逆性加大。采用从低压乏汽中抽 气压缩后回热和部分冷却的方法，可以降低高压侧的热容以使之与低压侧的二氧化碳的热 容相匹配，减少传热温差，从而使得透平出口的乏汽中的热量通过回热得到尽可能的利用。

但是抽气压缩回热的实现需要压缩机在高温高压下高效运行。具体而言，在超临界流 体布雷顿循环中，抽气压缩回热用的压缩机的工作环境非常恶劣，虽然压比不大，但二氧 化碳的绝热指数大，二氧化碳的压缩终态的温度可能高达200摄氏度，运行压力也在20MPa 以上，这给压缩机的设计和制造带来了许多问题。

目前，在高温高压下高效运行的压缩机还未商业化，从而导致利用抽气压缩回热来提 高现有的地热和太阳能联合发电系统的热效率的方法还停留在实验室阶段。即便以后制造 出在高温高压下高效运行的压缩机，也会极大地增加地热和太阳能联合发电系统的制造难 度、制造成本和运行成本。

发明内容

本申请是基于发明人对以下事实和问题的发现和认识作出的：二氧化碳经过注入井的 注入过程，热储层中的吸热过程以及产出井的产出过程以后，相比于注入井，二氧化碳在 产出井井口的温度和压力皆高于注入井的注入温度和压力。也就是说，随着温度的变化， 二氧化碳的密度变化比较大，这使得增强型地热系统不仅对二氧化碳起到了一个热源的加 热作用，而且起到了一个压缩机的压缩作用。在相同注入压力和透平出口压力下，产出井 产出的二氧化碳的温度和压力随着热储层深度的增加而提高。

因此，可以利用增强型地热系统的加热和压缩作用，来取代太阳能热发电系统中的压 缩机(即背景技术部分提及的在高温高压下高效运行的压缩机)。由于太阳能热发电中需要 不同品位的热源，因此可以对热储层进行分层激发，由此不仅可以充分地利用注入和产出 井，而且可以获得不同品位的热源。

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明提出一 种具有制造成本低、热效率高的优点的地热和太阳能联合发电系统。

本发明还提出一种利用所述地热和太阳能联合发电系统实施的地热和太阳能联合发电 方法。

根据本发明第一方面实施例的地热和太阳能联合发电系统包括：至少三个热储层，所 述至少三个热储层沿上下方向间隔开地设置；至少三个注入井和至少三个产出井，所述至 少三个注入井的出气口与所述至少三个热储层一一对应地相连以便向所述至少三个热储层 注入二氧化碳，所述至少三个产出井的进气口与所述至少三个热储层一一对应地相连以便 输出二氧化碳；至少三个地热透平，所述至少三个地热透平的进气口一一对应地与所述至 少三个产出井的出气口连通；气体冷却器，所述气体冷却器的进气口与所述至少三个地热 透平的第一出气口连通，所述气体冷却器的出气口与所述至少三个注入井的进气口连通； 第一回热器和第二回热器，所述第一回热器的高压气体进口与所述至少三个产出井中的位 于最上方的一个的出气口连通，所述第一回热器的低压气体出口与所述气体冷却器连通， 所述第二回热器的高压气体进口与所述至少三个地热透平中的一个的第二出气口和所述第 一回热器的高压气体出口连通，所述第二回热器的低压气体出口与所述第一回热器的低压 气体进口连通，其中所述至少三个地热透平中的所述一个的进气口与所述至少三个产出井 中的除了位于最上方的一个之外的一个产出井的出气口连通；太阳能接收器，所述太阳能 接收器的进气口与所述第二回热器的高压气体出口连通；和太阳能透平，所述太阳能透平 的进气口与所述太阳能接收器的出气口连通，所述太阳能透平的出气口与所述第二回热器 的低压气体进口连通。

根据本发明实施例的地热和太阳能联合发电系统具有制造成本低、热效率高的优点。

另外，根据本发明上述实施例的地热和太阳能联合发电系统还可以具有如下附加的技 术特征：

根据本发明的一个实施例，所述地热和太阳能联合发电系统进一步包括至少三个压缩 机，所述至少三个压缩机的进气口与所述气体冷却器的出气口连通，所述至少三个压缩机 的出气口一一对应地与所述至少三个注入井的进气口连通。

根据本发明的一个实施例，所述至少三个注入井包括上注入井、中注入井和下注入井， 所述至少三个产出井包括至少一个上产出井、至少一个中产出井和至少一个下产出井，所 述至少三个热储层包括与所述上注入井的出气口和所述上产出井的进气口相连的上热储 层、与所述中注入井的出气口和所述中产出井的进气口相连的中热储层以及与所述下注入 井的出气口和所述下产出井的进气口相连的下热储层，所述至少三个地热透平包括第一地 热透平、第二地热透平和第三地热透平，所述第一地热透平的进气口与所述上产出井的出 气口连通，所述第二地热透平的进气口与所述中产出井的出气口连通，所述第三地热透平 的进气口与所述上产出井的出气口连通。

根据本发明的一个实施例，所述第一地热透平的进气口通过第一流量调节阀与所述上 产出井的出气口连通，所述第一回热器的高压气体进口通过第二流量调节阀与所述上产出 井的出气口连通。

根据本发明的一个实施例，所述第二回热器的高压气体进口与所述第二地热透平的第 二出气口连通，所述地热和太阳能联合发电系统进一步包括：第三回热器，所述第三回热 器的高压气体进口与所述第三地热透平的第二出气口和所述第二回热器的高压气体出口连 通，所述第三回热器的高压气体出口与所述太阳能接收器的进气口连通，所述第三回热器 的低压气体进口与所述太阳能透平的出气口连通，所述第三回热器的低压气体出口与所述 第二回热器的低压气体进口连通。

根据本发明的一个实施例，所述第二地热透平的第二出气口通过第三流量调节阀与所 述第二回热器的高压气体进口连通，所述第三地热透平的第二出气口通过第四流量调节阀 与所述第三回热器的高压气体进口连通。

根据本发明第二方面实施例的利用根据本发明第一方面所述的地热和太阳能联合发电 系统实施的地热和太阳能联合发电方法，所述地热和太阳能联合发电方法包括以下步骤： 提供所述至少三个热储层；通过所述至少三个注入井一一对应地向所述至少三个热储层内 注入二氧化碳，以便利用所述至少三个热储层对二氧化碳进行加热；通过所述至少三个产 出井一一对应地向所述至少三个地热透平输送被加热的二氧化碳，二氧化碳在所述至少三 个地热透平中膨胀做功以便产生电能和第一二氧化碳乏汽；利用所述气体冷却器冷却所述 第一二氧化碳乏汽，然后通过所述至少三个注入井一一对应地向所述至少三个热储层内注 入所述第一二氧化碳；和在用电高峰时，通过所述至少三个产出井中的位于最上方的一个 将一部分被加热的二氧化碳输送到所述第一回热器内，二氧化碳在所述第一回热器内被第 二二氧化碳乏汽加热，当所述至少三个地热透平中的所述一个内的二氧化碳膨胀到压力等 于所述至少三个产出井中的位于最上方的一个产出的二氧化碳的压力时，所述至少三个地 热透平中的所述一个内的二氧化碳的一部分被输送到所述第二回热器并在所述第二回热器 内与来自所述第一回热器的被加热的二氧化碳一起被所述第二二氧化碳乏汽加热，余下的 二氧化碳继续膨胀做功；然后所述第二回热器内的被加热的二氧化碳进入到所述太阳能接 收器内并吸收太阳能以便达到运行温度，最后达到运行温度的二氧化碳进入到所述太阳能 透平中并膨胀做功以便产生电能和所述第二二氧化碳乏汽。

根据本发明的一个实施例，所述地热和太阳能联合发电方法进一步包括利用所述至少 三个压缩机将冷却后的所述第一二氧化碳乏汽压缩到相应的预定压力，然后通过所述至少 三个注入井一一对应地向所述至少三个热储层内注入相应的具有预定压力的所述第一二氧 化碳。

根据本发明的一个实施例，注入到所述中注入井的二氧化碳的压力大于注入到所述上 注入井的二氧化碳的压力且小于注入到所述下注入井的二氧化碳的压力，注入到所述中注 入井的二氧化碳的温度大于注入到所述上注入井的二氧化碳的温度且小于注入到所述下注 入井的二氧化碳的温度，注入到所述中注入井的二氧化碳的流量大于注入到所述上注入井 的二氧化碳的流量且小于注入到所述下注入井的二氧化碳的流量，所述中产出井产出的二 氧化碳的温度大于所述上产出井产出的二氧化碳的温度且小于所述下产出井产出的二氧化 碳的温度，所述中产出井产出的二氧化碳的压力大于所述上产出井产出的二氧化碳的压力 且小于所述下产出井产出的二氧化碳的压力。

根据本发明的一个实施例，所述地热和太阳能联合发电方法进一步包括：当所述第三 地热透平内的二氧化碳膨胀到压力等于所述上产出井产出的二氧化碳的压力时，所述第三 地热透平内的二氧化碳的一部分被输送到所述第三回热器并在所述第三回热器内与来自所 述第二回热器的被加热的二氧化碳一起被所述第二二氧化碳乏汽加热，余下的二氧化碳继 续膨胀做功；和所述第三回热器内的被加热的二氧化碳进入到所述太阳能接收器内并吸收 太阳能以便达到运行温度。

根据本发明的一个实施例，所述第一回热器的高压气体出口处的二氧化碳的温度等于 从所述第二地热透平输送到所述第二回热器的二氧化碳的温度，所述第二回热器的高压气 体出口处的二氧化碳的温度等于从所述第三地热透平输送到所述第三回热器的二氧化碳的 温度。

根据本发明的一个实施例，所述太阳能透平产生的所述第二二氧化碳乏汽的压力等于 每个所述地热透平产生的所述第一二氧化碳乏汽的压力。

附图说明

图1是根据本发明实施例的地热和太阳能联合发电系统的结构示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图 描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面参考附图描述根据本发明实施例的地热和太阳能联合发电系统10。如图1所示， 根据本发明实施例的地热和太阳能联合发电系统10包括至少三个热储层、至少三个注入 井、至少三个产出井、至少三个地热透平、气体冷却器105、第一回热器1061、第二回热 器1062、太阳能接收器1071和太阳能透平1072。

至少三个热储层沿上下方向间隔开地设置。至少三个注入井的出气口与至少三个热储 层一一对应地相连以便向至少三个热储层注入二氧化碳，至少三个产出井的进气口与至少 三个热储层一一对应地相连以便输出二氧化碳。至少三个地热透平的进气口一一对应地与 至少三个产出井的出气口连通。

换言之，热储层的数量、该注入井的数量、该产出井的数量和该地热透平的数量可以 相等，一个该注入井的出气口与一个热储层相连，一个该产出井的进气口与一个热储层相 连，一个该地热透平的进气口与一个该产出井的出气口连通。

气体冷却器105的进气口与至少三个地热透平的第一出气口连通，气体冷却器105的 出气口与至少三个注入井的进气口连通。也就是说，每个该地热透平的第一出气口均与气 体冷却器105的进气口连通，每个该注入井的进气口均与气体冷却器105的出气口连通。

第一回热器1061的高压气体进口与至少三个产出井中的位于最上方的一个的出气口连 通，第一回热器1061的低压气体出口与气体冷却器105连通。第二回热器1062的高压气 体进口与至少三个地热透平中的一个的第二出气口和第一回热器1061的高压气体出口连 通，第二回热器1062的低压气体出口与第一回热器1061的低压气体进口连通。

其中，至少三个地热透平中的所述一个的进气口与至少三个产出井中的除了位于最上 方的一个之外的一个产出井的出气口连通。也就是说，与至少三个地热透平中的所述一个 的进气口连通的产出井不是位于最上方的一个产出井。换言之，与第二回热器1062的高压 气体进口连通地热透平称之为回热地热透平，那么与该回热地热透平的进气口连通的产出 井不是位于最上方的一个产出井。

太阳能接收器1071的进气口与第二回热器1062的高压气体出口连通。太阳能透平1072 的进气口与太阳能接收器1071的出气口连通，太阳能透平1072的出气口与第二回热器1062 的低压气体进口连通。

二氧化碳经过注入井的注入过程，热储层中的吸热过程以及产出井的产出过程以后， 相比于注入井，二氧化碳在产出井井口的温度和压力皆高于注入井的注入温度和压力。也 就是说，随着温度的变化，二氧化碳的密度变化比较大，这使得增强型地热系统不仅对二 氧化碳起到了一个热源的加热作用，而且起到了一个压缩机的压缩作用。在相同注入压力 和透平出口压力下，产出井产出的二氧化碳的温度和压力随着热储层深度的增加而提高。

因此，可以利用增强型地热系统的加热和压缩作用，来取代太阳能热发电系统中的压 缩机(即背景技术部分提及的在高温高压下高效运行的压缩机)。由于太阳能热发电中需要 不同品位的热源，因此可以对热储层进行分层激发，由此不仅可以在充分地利用注入和产 出井的情况下，充分开发热储层的热量，而且可以获得不同品位的热源。

根据本发明实施例的地热和太阳能联合发电系统10可以包括地热发电系统和太阳能热 发电系统。其中，该地热发电系统包括至少三个热储层、至少三个注入井、至少三个产出 井、至少三个地热透平和气体冷却器105，该太阳能热发电系统包括第一回热器1061、第 二回热器1062、太阳能接收器1071和太阳能透平1072。

下面参考图1描述利用根据本发明实施例的地热和太阳能联合发电系统10实施的地热 和太阳能联合发电方法(即地热和太阳能联合发电系统10的)工作过程。根据本发明实施 例的地热和太阳能联合发电方法包括以下步骤：

提供至少三个热储层；

通过至少三个注入井一一对应地向至少三个热储层内注入二氧化碳，以便利用至少三 个热储层对二氧化碳进行加热；

通过至少三个产出井一一对应地向至少三个地热透平输送被加热的二氧化碳，二氧化 碳在至少三个地热透平中膨胀做功以便产生电能和第一二氧化碳乏汽；

利用气体冷却器105冷却第一二氧化碳乏汽，然后通过至少三个注入井一一对应地向 至少三个热储层内注入第一二氧化碳；和

在用电高峰时，通过至少三个产出井中的位于最上方的一个将一部分被加热的二氧化 碳输送到第一回热器1061内，二氧化碳在第一回热器1061内被第二二氧化碳乏汽加热，

当至少三个地热透平中的所述一个内的二氧化碳膨胀到压力等于至少三个产出井中的 位于最上方的一个产出的二氧化碳的压力时，至少三个地热透平中的所述一个内的二氧化 碳的一部分被输送到第二回热器1062并在第二回热器1062内与来自第一回热器1061的被 加热的二氧化碳一起被该第二二氧化碳乏汽加热，余下的二氧化碳继续膨胀做功；

然后第二回热器1062内的被加热的二氧化碳进入到太阳能接收器1071内并吸收太阳 能以便达到运行温度，最后达到运行温度的二氧化碳进入到太阳能透平1072中并膨胀做功 以便产生电能和该第二二氧化碳乏汽。

根据本发明实施例的地热和太阳能联合发电系统10通过设置至少三个热储层，从而可 以使除了位于最上方的一个产出井之外的其他产出井相当于压缩机以便对二氧化碳进行压 缩。由此地热和太阳能联合发电系统10的该太阳能热发电系统无需再设置压缩机，从而可 以使采用抽气回热的地热和太阳能联合发电系统10得以实现。

而且，根据本发明实施例的地热和太阳能联合发电系统10通过设置第二回热器1062， 从而可以对该地热透平中的部分二氧化碳进行抽气回热，由此可以极大地提高地热和太阳 能联合发电系统10的热效率。

因此，根据本发明实施例的地热和太阳能联合发电系统10具有结构简单、制造成本低、 热效率高、易于实施等优点。

如图1所示，根据本发明的一些实施例的地热和太阳能联合发电系统10包括上注入井 1021、中注入井1022、下注入井1023、至少一个上产出井1031、至少一个中产出井1032、 至少一个下产出井1033、上热储层1011、中热储层1012、下热储层1013、第一地热透平 1041、第二地热透平1042、第三地热透平1043、三个压缩机108、气体冷却器105、第一 回热器1061、第二回热器1062、第三回热器1063、太阳能接收器1071和太阳能透平1072。

其中，地热透平是指用于该地热发电系统的透平，太阳能透平1072是指用于该太阳能 热发电系统的透平。

有利地，根据本发明实施例的地热和太阳能联合发电系统10的地热发电系统为增强型 地热(EGS)发电系统。换言之，地热和太阳能联合发电系统10为增强型地热和太阳能联 合发电系统。

具体而言，上热储层1011的深度为1900米-2100米，中热储层1012的深度为3900米 -4100米，下热储层1013的深度为5900米-6100米。下热储层1013的温度大于中热储层 1012的温度，中热储层1012的温度大于上热储层1011的温度。

注入到下注入井1023的二氧化碳的压力大于注入到中注入井1022的二氧化碳的压力， 注入到中注入井1022的二氧化碳的压力大于注入到上注入井1021的二氧化碳的压力。注 入到下注入井1023的二氧化碳的温度大于注入到中注入井1022的二氧化碳的温度，注入 到中注入井1022的二氧化碳的温度大于注入到上注入井1021的二氧化碳的温度。注入到 下注入井1023的二氧化碳的流量大于注入到中注入井1022的二氧化碳的流量，注入到中 注入井1022的二氧化碳的流量大于注入到上注入井1021的二氧化碳的流量。

下产出井1033产出的二氧化碳的温度大于中产出井1032产出的二氧化碳的温度，中 产出井1032产出的二氧化碳的温度大于上产出井1031产出的二氧化碳的温度。下产出井 1033产出的二氧化碳的压力大于中产出井1032产出的二氧化碳的压力，中产出井1032产 出的二氧化碳的压力大于上产出井1031产出的二氧化碳的压力。

如图1所示，上热储层1011与上注入井1021的出气口和至少一个上产出井1031的进 气口相连，中热储层1012与中注入井1022的出气口和至少一个中产出井1032的进气口相 连，下热储层1013与下注入井1023的出气口和至少一个下产出井1033的进气口相连。由 上注入井1021注入到上热储层1011内的二氧化碳被上热储层1011加热，由中注入井1022 注入到中热储层1012内的二氧化碳被中热储层1012加热，由下注入井1023注入到下热储 层1013内的二氧化碳被下热储层1013加热。

第一地热透平1041的进气口通过第一流量调节阀1091与上产出井1031的出气口连通， 第二地热透平1042的进气口与中产出井1032的出气口连通，第三地热透平1043的进气口 与上产出井1031的出气口连通。加热后的二氧化碳在第一地热透平1041、第二地热透平 1042和第三地热透平1043内膨胀做功，并产生第一二氧化碳乏汽。也就是说，第一地热 透平1041、第二地热透平1042和第三地热透平1043中的每一个都产生第一二氧化碳乏汽。

气体冷却器105的进气口与第一地热透平1041、第二地热透平1042和第三地热透平 1043中的每一个的第一出气口连通，以便对第一地热透平1041、第二地热透平1042和第 三地热透平1043排出的第一二氧化碳乏汽进行冷却。

如图1所示，三个压缩机108的进气口与气体冷却器105的出气口连通，即每个压缩 机108的进气口都与气体冷却器105的出气口连通。三个压缩机108的出气口一一对应地 与上注入井1021的进气口、中注入井1022的进气口和下注入井1023的进气口连通。

具体而言，第一个压缩机108的出气口与上注入井1021的进气口连通，第二个压缩机 108的出气口与中注入井1022的进气口连通，第三个压缩机108的出气口与下注入井1023 的进气口连通。由此可以利用三个压缩机108将冷却后的第一二氧化碳乏汽压缩到相应的 预定压力，然后通过上注入井1021、中注入井1022和下注入井1023分别注入到上热储层 1011、中热储层1012和下热储层1013内。

通过设置压缩机108，从而可以使第一地热透平1041、第二地热透平1042和第三地热 透平1043膨胀到理想的压力，以便提高第一地热透平1041、第二地热透平1042和第三地 热透平1043的输出功。

在本发明的一个具体示例中，气体冷却器105的出气口通过第五流量调节阀1095与第 一个压缩机108的进气口连通，气体冷却器105的出气口通过第六流量调节阀1096与第二 个压缩机108的进气口连通，气体冷却器105的出气口通过第七流量调节阀1097与第三个 压缩机108的进气口连通。由此可以通过第五流量调节阀1095、第六流量调节阀1096和 第七流量调节阀1097调节进入到上注入井1021、中注入井1022和下注入井1023内的二 氧化碳的流量。

如图1所示，在本发明的一些示例中，第一回热器1061的高压气体进口通过第二流量 调节阀1092与上产出井1031的出气口连通，第二地热透平1042的第二出气口通过第三流 量调节阀1093与第二回热器1062的高压气体进口连通，第三地热透平1043的第二出气口 通过第四流量调节阀1094与第三回热器1063的高压气体进口连通。

其中，第一回热器1061的低压气体出口与气体冷却器105的进气口连通。第二回热器 1062的高压气体进口与第一回热器1061的高压气体出口连通，第二回热器1062的低压气 体出口与第一回热器1061的低压气体进口连通。第三回热器1063的高压气体进口与第二 回热器1062的高压气体出口连通，第三回热器1063的低压气体出口与第二回热器1062的 低压气体进口连通。第三回热器1063的高压气体出口与太阳能接收器1071的进气口连通， 第三回热器1063的低压气体进口与太阳能透平1072的出气口连通。

在用电高峰时，将上产出井1031产出的二氧化碳的一部分输送到第一回热器1061内， 二氧化碳在第一回热器1061内被第二二氧化碳乏汽加热。

当第二地热透平1042内的二氧化碳膨胀到压力等于上产出井1031产出的二氧化碳的 压力时，第二地热透平1042内的二氧化碳的一部分被输送到第二回热器1062并在第二回 热器1062内与来自第一回热器1061的被加热的二氧化碳一起被该第二二氧化碳乏汽加热， 第二地热透平1042内的余下的二氧化碳继续膨胀做功。

当第三地热透平1043内的二氧化碳膨胀到压力等于上产出井1031产出的二氧化碳的 压力时，第三地热透平1043内的二氧化碳的一部分被输送到第三回热器1063并在第三回 热器1063内与来自第二回热器1062的被加热的二氧化碳一起被该第二二氧化碳乏汽加热， 第三地热透平1043内的余下的二氧化碳继续膨胀做功。

第三回热器1063内的被加热的二氧化碳进入到太阳能接收器1071内并吸收太阳能而 达到运行温度。最后，达到运行温度的二氧化碳进入到太阳能透平1072中并膨胀做功以便 产生电能和该第二二氧化碳乏汽。

有利地，第一回热器1061的高压气体出口处的二氧化碳的温度等于从第二地热透平 1042输送到第二回热器1062的二氧化碳的温度，第二回热器1062的高压气体出口处的二 氧化碳的温度等于从第三地热透平1043输送到第三回热器1063的二氧化碳的温度。

在本发明的一个示例中，太阳能透平1072产生的第二二氧化碳乏汽的压力等于每个地 热透平产生的第一二氧化碳乏汽的压力。

本发明可以根据增强型地热系统的特性和激发情况，来确定该地热发电系统(基本负 荷发电系统)和该太阳能热发电系统的发电负荷(峰值负荷发电系统)。

本发明可以根据增强型地热系统的特性和激发情况以及太阳能接收器1071的运行参 数，来确定地热和太阳能联合发电系统10的运行压力、上注入井1021的注入压力、中注 入井1022的注入压力和下注入井1023的注入压力。本发明根据上产出井1031的出口温度 (即出口处二氧化碳的温度，以下同)、中产出井1032的出口温度和下产出井1033的出 口温度，按照能量匹配的原则，将不同热储层产出的不同品位的二氧化碳分别注入循环系 统中。

地热和太阳能联合发电系统10的回热级数可以依据高低压流体的比热容随温度的变化 特点、以及上产出井1031的出口温度、中产出井1032的出口温度和下产出井1033的出口 温度来确定，以使各个回热器中的高压流体通道和低压流体通道内的流体以最优传热温差 运行。

本发明通过热储层传热流动计算、能量匹配方法以及二氧化碳物性分析，精确设计回 热级数、各流道流量，以达到最优的热功转换效率。在不考虑除三个压缩机108之外的辅 助及保障系统的用电，地热和太阳能联合发电系统10的净输出比单独的增强型地热发电和 太阳能热发电的输出之和有所提高，使得热效率提高了1％。同时，通过流量分配使得地热 和太阳能联合发电系统10在最小投资的情况下，既能够满足基本用电负荷，同时也能够保 证峰值用电负荷。

在本发明的一个具体示例中，上热储层1011位于地下1900米-2100米深处，上热储层 1011的温度为115℃，中热储层1012位于地下3900米-4100米深处，中热储层1012的温 度为205℃，下热储层1013位于地下5900米-6100米深处，下热储层1013的温度为295 ℃。

向上注入井1021中注入压力为9.4MPa、温度为40℃、流量为39.0kg/s的二氧化碳， 二氧化碳通过上注入井1021注入上热储层1011，二氧化碳在上热储层1011中吸收热量后 通过上产出井1031产出。上产出井1031产出压力为13.0MPa、温度为75.2℃的二氧化碳。

向中注入井1022注入压力为9.8MPa、温度为41.5℃、流量为39.6kg/s的二氧化碳， 二氧化碳通过中注入井1022注入中热储层1012，二氧化碳在中热储层1012中吸收热量后 通过中产出井1032产出。中产出井1032产出压力为20MPa、温度为147.9℃的二氧化碳。

向下注入井1023注入压力为10.6MPa、温度为44.3℃、流量为40.2kg/s的二氧化碳， 二氧化碳通过下注入井1023注入下热储层1013，二氧化碳在下热储层1013中吸收热量后 通过下产出井1033产出。下产出井1033产出压力为27.9MPa、温度为226.4℃的二氧化碳。

上产出井1031产出的流量为39.0kg/s的二氧化碳通过第一流量调节阀1091和第二流 量调节阀1092分成两股。其中，通过第一流量调节阀1091的流量为20.3kg/s的二氧化碳 进入第一地热透平1041中膨胀做功后变成第一二氧化碳乏汽，压力降低到8.2MPa。该第 一二氧化碳乏汽进入气体冷却器105中被环境介质冷却到35℃。第五流量调节阀1095将 从气体冷却器105排出的35℃的二氧化碳的流量调节为39.0kg/s。流量为39.0kg/s的二氧 化碳进入第一个压缩机108，第一个压缩机108将二氧化碳流体从8.2MPa压缩到9.4MPa， 二氧化碳流体的温度从35℃升高到40℃。第一个压缩机108排出的压力为9.4MPa、温度 为40℃的二氧化碳通过上注入井1021进入上热储层1011中。

中产出井1032产出的流量为39.6kg/s的二氧化碳进入第二地热透平1042中膨胀做功。 当二氧化碳经过膨胀压力降低到13.0MPa时，即从第二地热透平1042中抽出5.6kg/s的二 氧化碳，将之引入第二回热器1062的高压气体进口。余下的34.0kg/s的二氧化碳在第二地 热透平1042中继续膨胀到8.2MPa，变成第一二氧化碳乏汽。该第一二氧化碳乏汽进入气 体冷却器105中被环境介质冷却到35℃，第六流量调节阀1096将从气体冷却器105排出 的35℃的二氧化碳的流量调节为39.6kg/s。流量为39.6kg/s的二氧化碳进入第二个压缩机 108，第二个压缩机108将二氧化碳从8.2MPa压缩到9.8MPa，二氧化碳的温度从35℃升 高到41.5℃。第二个压缩机108排出的压力为9.8MPa、温度为41.5℃的二氧化碳通过中注 入井1022进入中热储层1012中。

下产出井1033产出的流量为40.2kg/s的二氧化碳进入第三地热透平1043中膨胀做功。 当二氧化碳经过膨胀做功压力降低到13.0MPa时，即从第三地热透平1043中抽出5.7kg/s 的二氧化碳，将之引入第三回热器1063的高压气体进口。余下的34.5kg/s的二氧化碳在第 三地热透平1043中继续膨胀到8.2MPa，变成第一二氧化碳乏汽。该第一二氧化碳乏汽进 入气体冷却器105中被环境介质冷却到35℃，第七流量调节阀1097将从气体冷却器105 排出的35℃的二氧化碳的流量调节为40.2kg/s。流量为40.2kg/s的二氧化碳进入第三个压 缩机108，第三个压缩机108将二氧化碳从8.2MPa压缩到10.6MPa，二氧化碳的温度从35 ℃升高到44.3℃。第三个压缩机108排出的压力为10.6MPa、温度为44.3℃的二氧化碳通 过下注入井1023进入下热储层1013中。

通过第二流量调节阀1092的流量为18.7kg/s的二氧化碳进入第一回热器1061的高压 流体通道，与第一回热器1061的低压流体通道内的二氧化碳乏汽换热后，温度升高到112.3 ℃。温度为112.3℃的二氧化碳与中产出井1032产出的流量为5.6kg/s的同温同压的二氧化 碳(即从第二地热透平1042引来的二氧化碳)混合后进入第二回热器1062的高压流体通 道，并与第二回热器1062的低压流体通道内的第二二氧化碳乏汽换热后，温度升高到158.3 ℃。温度为158.3℃的二氧化碳与下产出井1033产出的流量为5.7kg/s的同温同压的二氧化 碳(即从第三地热透平1043引来的二氧化碳)混合后进入第三回热器1063的高压流体通 道，并与第三回热器1063的低压流体通道内的二氧化碳乏汽换热后，温度升高到518.5℃。

温度为518.5℃的二氧化碳进入太阳能接收器1071中，吸收太阳能后温度升高到600 ℃，成为高温、高压的具有做功能力的二氧化碳。有利地，太阳能接收器1071可以是塔式 太阳能接收器。

温度为600℃的二氧化碳进入太阳能透平1072中膨胀做功，得到温度为548.2℃、压力 为8.2MPa的高温第二二氧化碳乏汽。该高温第二二氧化碳乏汽依次进入第三回热器1063、 第二回热器1062和第一回热器1061的低压流体通道内，并向高压流体通道内的二氧化碳 放热，温度降低。来自第一回热器1061的流量为30kg/s的第二二氧化碳乏汽与来自第一地 热透平1041、第二地热透平1042和第三地热透平1043的第一二氧化碳乏汽混合后进入气 体冷却器105被冷却。

在太阳能辅助的地热发电系统，由于太阳能的加入，相对于原基本负荷循环，混合系 统的运行性能和净输出会有所提高。但是，没有人对混合系统的净输出与太阳能系统和基 本负荷系统的净输出之和进行比较。因为一般说来，混合系统的净输出会低于太阳能系统 和基本负荷系统的净输出之和。

针对400℃-600℃的太阳能最高加热温度，地热和太阳能联合发电系统10的净输出高 于该地热发电系统和该太阳能热发电系统的净输出之和，即地热和太阳能联合发电系统10 不但解决了高温高压压缩的关键技术问题，同时还提高了系统的净输出。

使地热和太阳能联合发电系统10的净输出提高的主要原因在于：

(1)以至少三层热储层产出的二氧化碳作为太阳能系统的基本流体和补充流体，使得 至少三级回热器中高压侧的流体与低压侧的流体的热容得到很好的匹配，减少了传热温差。 以400℃太阳能最终加热温度为例，工作流体经过三级回热之后，温度升高到了326℃，而 太阳能透平1072的出口乏汽的温度为353℃，即太阳能透平1072产生的乏汽的废热被高 压侧的工作流体充分吸收。在太阳能接收器1071中，工作流体的温升只有73℃，即充分 利用了太阳能的高品位特性，因此该太阳能热发电系统的可用能效率得到极大的提高。

发明人对三级回热器中的温度分布进行了模拟计算。在计算中，假设第一回热器1061、 第二回热器1062和第三回热器1063均为逆流套管式换热器，高温乏汽走管内，低温高压 工作流体走管外。管内换热系数采用Dang的经验关联式，管外二氧化碳被加热条件下的换 热系数采用Jackson的经验关联式。第一回热器1061、第二回热器1062和第三回热器1063 的套管内外流体的热容匹配非常好，以至于在近似等温差下传热，因此极大地减少了传热 的不可逆损失，从而极大地提高了热量的利用率。

(2)由于地热和太阳能联合发电系统10的该太阳能热发电系统无需设置压缩机，因 此减少了压缩机消耗的功。以400℃的工作温度且该太阳能热发电系统设置三级压缩机为 例，该太阳能热发电系统的三级压缩机的总耗功量为0.612MW，占太阳能透平1072的输 出功(1.527MW)的40％。在混合循环中，利用增强型地热系统对二氧化碳的加热和升压 作用，代替压缩机，而无需压缩功支出，使得该太阳能热发电系统的净输出大大增加 (1.5748MW)，而用于太阳能循环的增强型地热系统产生的二氧化碳如果进行单独的热发 电循环，可多发出的功仅为0.472MW，即将增强型地热流体用于太阳能热发电系统中可获 得的收益更大。

以二氧化碳为工质的EGS发电系统不但在系统性能方面具有优势，而且还可获得二氧 化碳埋存的附加效益。由于EGS的开发成本在当前技术水平下仍然较高，因此二氧化碳 -EGS发电系统宜承担基本用电负荷，峰值负荷可用其他能源来代替。在地热能丰富的地区， 一般来说太阳能也很丰富，因此可用太阳能来承担峰值用电负荷。

本发明提出了一个太阳能辅助的EGS混合发电系统，其中由二氧化碳-EGS承担基本 用电负荷，而太阳能辅助EGS混合发电系统承担峰值用电负荷。地热和太阳能联合发电系 统10降低了以二氧化碳为工质的太阳能热发电系统的工作参数，且无需耐高温高压的压缩 机，使系统更易实现。而且，地热和太阳能联合发电系统10的净输出大于该地热发电系统 和该太阳能热发电系统的净输出之和。也就是说，地热和太阳能联合发电系统10不仅降低 了对系统硬件的要求，而且可以提高系统的净输出。

地热和太阳能联合发电系统10得以实现并具有较好的运行性能的原因如下：

1、充分利用二氧化碳的物性特点：二氧化碳在注入井和产出井中密度有极大的不同， 而产生浮升力，最终使得二氧化碳在产出井的井口压力大于在注入井的注入压力，即二氧 化碳在热储层中的注入产出过程中，热储层既具有热源的作用，也具有泵的作用，从而使 二者耦合后，全部取消了太阳能系统所需要的耐高温高压的抽气回热压缩机。同时，常规 太阳能热发电系统中需要的庞大的储热系统不再需要。

2、多层激发的概念的提出：多层(至少三层)激发将降低钻井成本，且使热储层的热 量得到尽可能的开发利用，多层激发可产生不同温度品位的二氧化碳，可满足太阳能系统 的优化需要。

3、与太阳能耦合层数取决于太阳能接收器1071的出口温度、该太阳能热发电系统的 吸热压力和太阳能透平1072的出口压力，保证在该太阳能热发电系统的吸热压力和太阳能 透平1072的出口压力对应的比热容相差较大的温度范围内通过流量的补充得到较好的热 匹配。

地热和太阳能联合发电系统10将太阳能与EGS相结合，可实现二者的优化利用，有 利于发电量与用电负荷的匹配。在用电高峰期，来自产出井的高压二氧化碳一部分直接进 入地热透平做功，另一部分则通过回热器预热后进入太阳能接收器1071被进一步加热到高 温，然后进入太阳能透平1072做功，这样就可以做到在用电高峰期利用太阳能将EGS输 出的CO2提高品位而多输出功。而在用电负荷较低的夜晚，可切换为仅利用地热产生的二 氧化碳驱动地热透平发电的EGS发电运行模式。

而且，以EGS与先进太阳能热发电技术相结合，极大地降低了该太阳能热发电系统的 运行压力(从21MPa降低到了不到15MPa)，系统运行的安全性得到提高，设备的设计难 度、用料降低。

此外，经过优化匹配的地热和太阳能联合发电系统10的净输出高于该地热发电系统和 该太阳能热发电系统的净输出的和。峰值电量由该太阳能热发电系统提供，从而可以避免 EGS的过度开发，可延长其使用寿命。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、 “厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、 “外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于 附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所 指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发 明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性 或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示 或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两 个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定” 等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是 机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相 连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于 本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可 以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第 一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或 斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、 “下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特 征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示 例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者 特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述 不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以 在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领 域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进 行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的， 不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例 进行变化、修改、替换和变型。