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地熱發電:淺層地熱應用-地源熱磊

2018/03/12
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淺層地熱儲集層根據各國定義所在深度於10~400公尺間,目前溫泉為最常在台灣看見的淺層地熱使用,但歐美國家在發展地源熱磊已行之有年,常被當作住宅或飯店的冷暖房系統,可節省能源開銷,為一兼具環保又經濟的應用方式,期盼台灣能引進發展。
 
 
 

根據地熱儲集層所在的深度不同,可將之分為淺層地熱與深層地熱發電。從地表至地底深度約10公尺處,地溫會隨各個季節大氣溫度的差異而變化,至地底10~20公尺之間,地溫趨於穩定,不易被大氣溫度變化影響;位於此區段至400公尺深之地熱儲集層,被稱為「淺層地熱」。根據工研院估計,台灣淺層地熱實際可開發之發電潛能約有150 MWe。

 

淺層地熱有許多可應用的範圍,舉凡溫泉、養殖漁業、冷暖房系統等,由於淺層地熱深度淺,地溫低,無法像深層地熱一般擁有足夠熱源直接利用,需要透過地源熱磊(Ground Source Heat Pump)來達到較好的取熱效益。

 

地源熱磊可分為兩種:開放式與閉迴路式。開放式地源熱磊,其取熱方式為直接利用地層水,但只能使用在水源與熱源皆充足的淺層地熱儲集層中,相較於閉迴路式地源熱磊,其取熱成本較低,但由於地層水會直接接觸井壁,維護井的成本較高,並且通常需要較大規模的開發使用。閉迴路式地源熱磊,並不直接使用地層水作取熱,而是使用一熱交換性質良好的介質取熱。根據其安裝管線的角度不同又可將之分為垂直與水平閉迴路地源熱磊,垂直閉迴路地源熱磊又被稱為井孔熱交換器(Borehole Heat Exchanger),由於其安裝只需要較少的地表面積,為目前被廣泛使用的地源熱磊形式。

 

在西班牙馬德里設有一井孔熱交換器淺層地熱示範園區,自2009年開始運轉,目前有32口井,最深的井為145米,總共有三組井孔熱交換器,總冷卻效益達120 kW,在夏天時冷房,冬天時直接利用地熱加熱房子。水平閉迴路地源熱磊在北美與歐洲有各自不同的形式,歐洲使用的管線安排型式可分為串聯或並聯,以S型管線在一定深度水平面繞行,以增長液體熱交換時間,美式的管線安排則像是彈簧一樣圓形排列,有垂直於地面的彈簧排列(Svec Spiral Collector)與水平排列的彈簧型式(Slinky Collector)。

 

地源熱磊需要提供能源給幫浦,根據計算,其幫浦耗能大約是生產能量的22 %~30 %,最常應用於公私人住宅、飯店業,作為冷暖房系統,目前在德國與美國皆有成功實行的案例,歐洲更是不乏井孔熱交換器的應用案例。台灣目前對於淺層地熱地使用停留於溫泉觀光使用,若能擴大發展,應用於養殖漁業或冷房系統,將可為台灣節省化石燃料能源開銷。

 

(本文由科技部補助「新媒體科普傳播實作計畫」執行團隊撰稿)

審校:沈建豪

 

名詞解釋

MWe:為Megawatt的縮寫,是電廠計算電度的單位,百萬瓦

1 Gwe (十億瓦)=1,000 MWe (百萬瓦)=1,000,000 kWe (千瓦)

 
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