石头也会“发光”——利用新疆油田戈壁滩上石头的热能的设想

石头也会“发光”——利用新疆油田戈壁滩上石头的热能的设想

梁欢、许外保、武才泽、张盼辉、林珂正、慕辉

西安石油大学 陕西省西安市 710300

1.为何要让石头“发光”？

1.研究背景

中国能源资源储量比较丰富，拥有较为丰富的化石能源资源，但由于人口基数巨大中国人均能源资源占有量远比世界平均值要低，人均能源资源占有量煤炭仅约为世界人均水平的1/2、石油仅约1/10、天然气约1/20，因此中国相对而言能源资源不足，同时与发达国家相比较 中国是世界上少数几个以煤为主的能源消费国，2019年中国一次能源消费构成为煤炭68.8%、石油6.9%、天然气5.9%、水电(含核电)占18.4%，而同期世界一次能源消费构成为煤炭27.0%、石油33.1%、天然气24.2%、水电和核电15.7%。相比之下，中国以煤为主的一次能源消费结构严重偏离了世界能源发展的主流。 

中国巨大的能源消费规模、以煤为主的一次能源消费结构带来了一系列的环境问题，而且问题日益突出。中国每年消费的煤炭中近70%的原煤没有经过洗选直接燃烧，燃煤造成的二氧化硫和烟尘排放量约占全国排放量的70~80%，二氧化硫排放形成的酸雨面积已占国土面积的三分之一。煤炭等化石燃料的使用引起的二氧化碳排放是中国温室气体的主要来源，目前中国已是世界第一大温室气排放国。这意味着中国当前需要快速改变这一消费结构，而中国能源战略的基本内容是：坚持节约优先、立足国内多元发展、依靠科技、保护环境、加强国际互利合作努力构筑稳定、经济、清洁、安全的能源供应体系，以能源的可持续发展支持经济社会的可持续发展。

新疆地处亚欧大陆腹地，属于典型的温带大陆性干旱气候，常年干燥少雨，地表缺水沙漠广布，因沙比热容小，导致白天地表升温很快，这意味这有大量的热能资源可以利用。这种热能资源充分符合我国能源战略的要求，也可为中国后续的发展提供便利。

2.研究目的

在当今世界高速发展的时代，国家对能源的需求量也愈来愈大，在我国，石油依旧是主要能源，而石油资源的大量消耗,不仅对生态环境造成严重影响,而且随着石油对外依存度的不断增加,给国家能源安全带来潜在风险。将能源转化为电能是一项重要的研究方向，它可以清洁、高效、安全地为国家不断适应新的发展，让我国能源体系不断转型。国家电网公司总经理、党组书记刘振亚在专著《中国电力与能源》中提出,解决中国能源问题的关键在电力。因此为响应国家号召，节能减排，减少油田成本，维护国家能源安全，利用新疆油田戈壁滩上的石头热能转化为电能，可将能源利用于油田勘探，开发开采，完井储运等各个工作中。

新疆油田戈壁滩上的大石头热量高，覆盖面积大，正是利用新能源与石油能源有机结合的好资源。而让石头“发光”，也就是为了利用好戈壁滩石头上的大量热能转化为电力，将其能源利用于石油行业中。因此寻找新材料收集戈壁滩大石头的热能转化为电力不失为一种权衡之计。

2.如何才能让石头“发光”？

1.利用方法:利用温差发电芯片设计装置，布置于油田周边戈壁滩区域。

2.工艺原理

温差发电技术是利用半导体Seebeck效应将热能直接转换成电能的一种新能源技术。温差发电芯片（TEG），也称温差发电电池。当温差发电芯片两面存在温差时，p、n型半导体电偶臂同时驱动空穴和电子移动，输出端会产生电势差，形成闭合回路时，就会有持续的直流电流输出。

注:效应塞贝克效应（Seebeck effect）又称作第一热电效应，是指由于两种不同电导体或半导体的温度差异而引起两种物质间的电压差的热电现象。

3.工艺要求温差发电是是清洁能源开发利用的一个重要的发展方向，利用温差发电技术不仅可以提高能源利用率，还可以使用电设备实现自主供能，降低运行成本。因为芯片温差发电是一种绿色能源技术，是一种新型的发电方式，它具有无污染、无噪音、结构紧凑、免维护等很多优势，所以要想利用好这一技术就必须要掌握它的工艺要求。

（1）技术要求

温差发电的工作原理：将两种不同类型的热电转换材料N和P的一端结合并将其置于高温状态，另一端开路并给以低温时，由于高温端的热激发作用较强，空穴和电子浓度也比低温端高，在这种载流子浓度梯度的驱动下，空穴和电子向低温端扩散，从而在低温开路端形成电势差；如果将许多对P型和N型热电转换材料连接起来组成模块，就可得到足够高的电压，形成一个温差发电机。

（2）环境要求

温差发电最重要的就是环境条件，使用时注意温差发电组件的两面与金属散热片之间。最后涂上一层导热硅脂，以利于散热，减小热阻，另外注意温差发电组件受热要均匀，不能直接用明火烤发电组件，诱使发电组件平稳天灾，高温物体表面高峰热面额度不能超过180度，即冷面必须加装。金属散热片，并采取风冷水冷油冷或其他冷却措施确保能够。把热面传过来的热量及时带走，以保持发电组件两面的温差，提高发电效率。温差发电系统主要由高温端、冷端和热电材料组成，热端材料布置在高温壁面，但是有些情况下壁面的温度超过目前热电材料热端承受最高温度1300K，因此需要优化系统布局，高温端材料与热防护材料、烧蚀材料组合使用，使发电系统在温度允许的情况达到最优。可应用于航空、海洋、极地等多个领域。

3.结论与展望

英国石油公司BP最新发布的《2020年世界能源统计报告》显示，2019年全球一次能源消费增长1.3%，连续第十年创历史新高。其中，可再生能源消费增长41%，天然气增长36%。不过从消费总量上看，化石燃料仍占全球一次能源消费的84%，石油仍占全部能源消耗的33%以上。 由此可见石油任然是工业支柱，必不可少的一次能源。而中国近十年原油的生产占比虽然在逐年下降，但其总占比任保持在70%左右，这巨大的产量背后所投入的能源也是巨大的。倘如将能将这如此巨大的能源中的一部分替换为更清洁，更常见的戈壁滩上的热能，所能获得的经济效益将会大大提升。至于具体怎么去利用，我们团队的想法是将这些热能转化为电能，实现这一技术将会对节省油田开支起到巨大的作用。以胜利油田为例，胜利油田采油厂2020年电力消耗约为21000万千瓦时，2021在新技术的使用后风力和太阳能发电总量预计可达到7200万千瓦时，将占采油厂用电的35%。而剩下的65%将继续以传统方式发电，其中以火力发电为主。中国的煤炭人均资源并不丰富，但中国却是第一煤炭消费大国，还是世界上煤炭开采量和煤炭出口量最多的国家，合理利用其他资源将会极大改变这一国情。因为西北地区地表昼夜温差大所西北地区地表每天所储存的热能是非常巨大的，这种热能是种还未被利用的清洁能源，这一能源合理开发利用会为油田的开发近一步节约资源，也会为油田的发展提供巨大的便利。

国内在温差发电方面的研究起步相对比较晚。主要集中在理论和热电材料的制备等方面的研究，经过近几年来，在国家自然科学基金以及国家‘863’研究计划的支持下，本方向的研究已经有了一定的进步，目前我国太阳能发电光电一体化半导体发电本刚刚兴起，各地正处于快速发展阶段，半导体温差。智能领域已经取得了很多突破。在半导体温差发电领域，目前则处于刚刚导入的阶段，目前国内所有企业生产温差发电芯片，但是还没有企业具有完全的自主技术，大部分半导体。温差发电组件来自美国日本等地，局地转销产品半导体材料一基本依靠进口，我国在这一领域目前发展还不是很快，技术成熟度的量产企业产品，原料和核心技术都受到国外的限制

[1]陈国平，李明节，许涛.关于新能源发展的技术瓶颈研究[J].中国电机工程学报，2017（01）：25-32.

[2]刘国华，谷屹，孙庆丰.新能源发展趋势研究[J].石油石化绿色低碳，2018（10）：96-97.

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