(57)【要約】  閉ループ固体システムは、地盤から熱を伝導するための膨大な量の水を必要とせずに、熱の流れによって坑井から取り出された地熱から発電する。本発明は、環境的に優しい方法で発電するため、枯渇した油井又はガス井及び新しく掘削された坑井の使用を意図している。地熱は、パイプの内容物を熱するために地球から熱交換要素に伝導される。パイプは、熱せられたパイプの内容物が地表まで移動する際に熱放散を最小限に抑えるために、坑井の底部と地表との間で断熱される。
2011524484.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
掘削された坑井内からの地熱を利用して発電するシステムであって、当該システムは、
閉ループ固体熱取り出しシステムを有する熱利用構成要素であって、前記閉ループ固体熱取り出しシステムが、坑井内の熱ネスト内に配置される熱交換要素と、前記熱ネストを囲む岩体から前記熱交換要素に地熱を伝導するために坑井内に挿入される熱伝導材料と、を含み、前記熱ネストを囲む岩体は、前記熱ネストを囲む岩体の表面積によって決定される平衡温度まで前記熱伝導材料を熱し、前記平衡温度は、当該平衡温度において、前記熱ネストを囲むとともに地熱を生成する岩体が、前記熱伝導材料に伝導されている地熱を断続的に取り戻し、前記平衡温度を上回る温度において、前記熱ネストを囲む岩体から前記熱交換要素まで前記熱伝導材料が熱を伝導する際に、前記熱ネストを囲む岩体によって生成される地熱が放散する温度である、熱利用構成要素と、
熱機関を含む発電構成要素であって、当該発電構成要素は、当該発電構成要素に前記熱利用構成要素を連結するパイプ構成要素の内容物から地熱を受け取り、前記パイプ構成要素は、一連の下降流パイプ及び一連の上昇流パイプを含み、上昇流パイプは、前記熱交換要素によって熱せられた前記パイプ構成要素の内容物を前記坑井の表面及び前記発電構成要素内に運ぶ、発電構成要素と、
前記坑井内に挿入される断熱材であって、パイプシステムの内容物が前記坑井の表面までポンプで送られる際にパイプシステムの内容物の温度を実質的に一定に維持するために、前記熱ネストと前記坑井の表面との間の少なくとも１地点で少なくとも前記上昇流パイプを実質的に囲む断熱材と、を備え、
前記閉ループ固体熱取り出しシステムは、前記熱ネストを囲む岩体に液体の流れを曝すことなく前記坑井内から地熱を取り出す、掘削された坑井内からの地熱を利用して発電するシステム。
【請求項２】
前記平衡温度は、前記熱ネストを囲む岩体の表面積を増大させることによって上昇する請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記岩体の表面積を増大させるために、前記岩体内に少なくとも１つの追加の穿孔が掘削される請求項２に記載のシステム。
【請求項４】
前記熱ネスト内に注入される少なくとも１つの追加材料をさらに備え、前記少なくとも１つの追加材料は少なくとも１つのボールベアリングである請求項３に記載のシステム。
【請求項５】
前記熱ネスト内に注入される少なくとも１つの追加材料をさらに備え、前記少なくとも１つの追加材料は少なくとも１つのビードである請求項３に記載のシステム。
【請求項６】
前記熱ネスト内に注入される少なくとも１つの追加材料をさらに備え、前記少なくとも１つの追加材料は網状の金属材料である請求項３に記載のシステム。
【請求項７】
前記下降流パイプは可撓性を有する請求項１に記載のシステム。
【請求項８】
前記上昇流パイプは可撓性を有する請求項１に記載のシステム。
【請求項９】
前記下降流パイプ及び前記上昇流パイプはそれぞれ、巻かれた耐食鋼ワイヤの複数の層を含む請求項１に記載のシステム。
【請求項１０】
前記下降流パイプは前記熱交換要素の第１側につながる請求項１に記載のシステム。
【請求項１１】
前記上昇流パイプは前記熱交換要素の第２側に連結される請求項６に記載のシステム。
【請求項１２】
前記熱交換要素は複数の毛管を含む請求項１に記載のシステム。
【請求項１３】
前記下降流パイプの内容物は、前記熱交換要素に流入した後に前記複数の毛管を通って分散される請求項１２に記載のシステム。
【請求項１４】
前記複数の毛管の各毛管は、前記下降流パイプの径よりも小さな径を有しており、前記パイプシステムの内容物は、前記複数の毛管を通り抜ける際に迅速に熱せられる請求項１３に記載のシステム。
【請求項１５】
前記パイプシステムの内容物は、前記熱ネスト内で熱せられる際に沸騰しない環境的に不活性な熱伝導流体である請求項１に記載のシステム。
【請求項１６】
前記パイプシステムの内容物は水である請求項１５に記載のシステム。
【請求項１７】
前記パイプシステムの内容物は気体である請求項１５に記載のシステム。
【請求項１８】
前記熱伝導材料は、前記熱ネストを囲む岩体と前記パイプシステムとの間の領域内に注入された後に前記熱ネスト内で実質的に固化する請求項１に記載のシステム。
【請求項１９】
前記熱伝導材料はグラウトである請求項１８に記載のシステム。
【請求項２０】
前記熱伝導材料は溶融金属である請求項１８に記載のシステム。
【請求項２１】
前記熱伝導材料はセラミックである請求項１８に記載のシステム。
【請求項２２】
前記熱伝導材料は網状の材料である請求項１８に記載のシステム。
【請求項２３】
前記熱伝導材料はプラスチックである請求項１８に記載のシステム。
【請求項２４】
前記熱ネストが前記熱伝導材料で充填された後に前記坑井は前記断熱材で充填される請求項１に記載のシステム。
【請求項２５】
前記熱伝導材料は、穿孔を通じて挿入されるとともに前記熱伝導材料で前記熱ネストが充填されると引き抜かれるパイプを介して前記熱ネスト内に注入される請求項１に記載のシステム。
【請求項２６】
前記熱伝導材料は、前記熱ネスト内で前記パイプシステム及び前記熱交換要素に作用する圧力を安定させる請求項１に記載のシステム。
【請求項２７】
前記平衡温度は、前記熱ネスト内の前記岩体の表面積によって少なくとも部分的に決定される温度範囲である請求項１に記載のシステム。
【請求項２８】
前記熱交換要素は、前記熱交換要素内で前記パイプシステムの内容物が流れる距離を増大させるために、前記熱交換要素内の前記パイプシステムが少なくとも１つの捻れたパイプを備える螺旋形状を有する請求項１に記載のシステム。
【請求項２９】
掘削された坑井内から地熱を生成する熱取り出しシステムであって、当該システムは、
前記熱交換要素内に流入する及び前記熱交換要素から流出するパイプシステムの内容物を平衡温度に加熱する閉ループ固体熱交換器を形成するために、熱交換要素と前記熱ネストを囲む岩体との間で掘削された坑井の底部付近の熱ネスト内の領域内に注入される熱伝導材料であって、前記平衡温度において、熱ネストを囲むとともに地熱を生成する岩体が、熱伝導材料に伝導されている地熱を断続的に取り戻し、前記平衡温度を上回る温度において、前記熱ネストを囲む岩体から前記熱交換要素まで前記熱伝導材料が熱を伝導する際に、前記熱ネストを囲む岩体によって生成される地熱が放散し、当該熱伝導材料は、前記熱ネストを囲む岩体と前記熱交換要素とから熱を伝えるために前記熱ネスト内の領域を実質的に充填するために固化し、前記パイプシステムは、前記坑井の表面から前記熱ネスト内に前記パイプシステムの内容物を持っていって前記熱ネストから前記坑井の表面まで熱せられた内容物を運び、閉ループ固体熱取り出しシステムは、前記熱ネストを囲む岩体を液体の流れに曝すことなく前記坑井から地熱を取り出す、熱伝導材料を備える、掘削された坑井内から地熱を生成する熱取り出しシステム。
【請求項３０】
前記平衡温度は、前記熱ネストを囲む岩体の表面積を増大させることによって上昇する請求項２９に記載のシステム。
【請求項３１】
前記岩体の表面積を増大させるために、少なくとも１つの追加の穿孔が前記岩体内に掘削される請求項３０に記載のシステム。
【請求項３２】
前記熱ネスト内に注入される少なくとも１つの追加材料をさらに備え、前記少なくとも１つの追加材料は少なくとも１つのボールベアリングである請求項３１に記載のシステム。
【請求項３３】
前記熱ネスト内に注入される少なくとも１つの追加材料をさらに備え、前記少なくとも１つの追加材料は少なくとも１つのビードである請求項３１に記載のシステム。
【請求項３４】
前記熱ネスト内に注入される少なくとも１つの追加材料をさらに備え、前記少なくとも１つの追加材料は網状の金属材料である請求項３１に記載のシステム。
【請求項３５】
前記パイプシステムは、前記熱交換要素内に前記パイプシステムの内容物を運ぶ可撓性を有する一連の下降流パイプと、前記熱交換要素から外側に前記パイプシステムの内容物を運ぶ可撓性を有する一連の上昇流パイプと、を含む請求項２９に記載のシステム。
【請求項３６】
前記下降流パイプ及び前記上昇流パイプの各々は、巻かれた耐食鋼ワイヤの複数の層を含む請求項３５に記載のシステム。
【請求項３７】
前記熱交換要素は複数の毛管を含む請求項２９に記載のシステム。
【請求項３８】
前記下降流パイプの内容物は、前記熱交換要素に流入した後に前記複数の毛管を通じて分散される請求項３７に記載のシステム。
【請求項３９】
前記複数の毛管の各毛管は前記下降流パイプの径よりも小さな径を有しており、前記パイプシステムの内容物は、前記内容物が前記複数の毛管を通り抜ける際に迅速に熱せられる請求項３８に記載のシステム。
【請求項４０】
前記パイプシステムの内容物は、前記熱ネスト内で熱せられる際に沸騰しない環境的に優しい熱伝導流体である請求項２９に記載のシステム。
【請求項４１】
前記パイプシステムの内容物は水である請求項４０に記載のシステム。
【請求項４２】
前記パイプシステムの内容物は気体である請求項４０に記載のシステム。
【請求項４３】
前記パイプシステムの内容物はグラウトである請求項２９に記載のシステム。
【請求項４４】
前記パイプシステムの内容物は溶融金属である請求項２９に記載のシステム。
【請求項４５】
前記パイプシステムの内容物はセラミックである請求項２９に記載のシステム。
【請求項４６】
前記パイプシステムの内容物は網状の材料である請求項２９に記載のシステム。
【請求項４７】
前記パイプシステムの内容物はプラスチックである請求項２９に記載のシステム。
【請求項４８】
前記熱伝導材料は、前記熱ネスト内で前記パイプシステム及び前記熱交換要素に作用する圧力を安定させる請求項２９に記載のシステム。
【請求項４９】
前記平衡温度は、前記熱ネスト内の前記岩体の表面積によって少なくとも部分的に決定される温度範囲である請求項２９に記載のシステム。
【請求項５０】
前記熱交換要素は、前記熱交換要素内で前記パイプシステムの内容物が流れる距離を増大させるために、前記熱交換要素内の前記パイプシステムが少なくとも１つの捻れたパイプを備える螺旋形状を有する請求項２９に記載のシステム。
【請求項５１】
掘削された坑井内からの地熱を利用して発電する方法であって、当該方法は、
閉ループ固体熱取り出しシステムを形成するために熱交換要素を囲む熱ネスト内に熱伝導材料を注入することによって、坑井内の位置に配置される熱ネストを囲む岩体から地熱を取り出す工程であって、前記熱伝導材料は、パイプシステムの内容物を熱する前記熱交換要素を熱するために前記熱ネストを囲む岩体と地熱をやりとりし、前記内容物は、平衡温度で前記熱ネスト内で熱せられ、前記平衡温度において、熱ネストを囲むとともに地熱を生成する岩体が、熱伝導材料に伝導されている地熱を断続的に取り戻し、前記平衡温度を上回る温度において、前記熱ネストを囲む岩体から熱交換要素まで前記熱伝導材料が熱を伝導する際に、前記熱ネストを囲む岩体によって生成される地熱が放散する工程と、
前記パイプシステムの内容物が前記坑井の表面までポンプで送られる際に前記パイプシステムの内容物の温度を実質的に一定に維持するために、前記熱ネストと前記坑井の表面との間の少なくとも１地点で前記パイプシステムを断熱する工程と、
前記パイプシステムの熱せられた内容物が前記坑井の表面に到達した後に前記発電構成要素内に前記パイプシステムの熱せられた内容物をポンプで送る工程と、を備え、
前記閉ループ固体熱取り出しシステムは、前記熱ネストを囲む岩体を液体の流れに曝すことなく前記坑井から地熱を取り出す、掘削された坑井内からの地熱を利用して発電する方法。
【請求項５２】
前記平衡温度を上昇させるために、前記熱ネストを囲む岩体の表面積を増大させる工程をさらに備える請求項５１に記載の方法。
【請求項５３】
前記熱ネストを囲む岩体内に少なくとも１つの穿孔を掘削する工程をさらに備える請求項５２に記載の方法。
【請求項５４】
前記熱ネスト内に少なくとも１つの追加材料を注入する工程をさらに備え、前記少なくとも１つの追加材料は少なくとも１つのボールベアリングである請求項５３に記載の方法。
【請求項５５】
前記熱ネスト内に少なくとも１つの追加材料を注入する工程をさらに備え、前記少なくとも１つの追加材料は少なくとも１つのビードである請求項５３に記載の方法。
【請求項５６】
前記熱ネスト内に少なくとも１つの追加材料を注入する工程をさらに備え、前記少なくとも１つの追加材料は網状の金属材料である請求項５３に記載の方法。
【請求項５７】
可撓性を有する一連の下降流パイプ内で前記熱交換要素内に前記パイプシステムの内容物をポンプで送り込んで、可撓性を有する一連の上昇流パイプ内で前記熱交換要素から外側に前記パイプシステムの内容物をポンプで送り出す工程をさらに備える請求項５１に記載の方法。
【請求項５８】
前記下降流パイプ及び前記上昇流パイプの各々は、巻かれた耐食鋼ワイヤの複数の層を含む請求項５７に記載の方法。
【請求項５９】
前記熱ネスト内で前記パイプシステムに連結される複数の毛管内に前記パイプシステムの内容物を分散させる工程をさらに備える請求項５７に記載の方法。
【請求項６０】
前記複数の毛管の各毛管は、前記下降流パイプの径よりも小さな径を有しており、前記パイプシステムの内容物が、前記内容物が前記複数の毛管を通り抜ける際に迅速に熱せられる請求項５９に記載の方法。
【請求項６１】
前記パイプシステムの内容物は、前記熱ネスト内で熱せられる際に沸騰しない環境的に優しい熱伝導流体である請求項５１に記載の方法。
【請求項６２】
前記パイプシステムの内容物は水である請求項６１に記載の方法。
【請求項６３】
前記パイプシステムの内容物は気体である請求項６１に記載の方法。
【請求項６４】
前記熱ネスト内に前記熱伝導材料を注入する工程をさらに備え、前記熱伝導材料は、前記熱ネストを囲む岩体と前記パイプシステムとの間の領域内に注入された後に前記熱ネスト内で実質的に固化する請求項５１に記載の方法。
【請求項６５】
前記熱伝導材料はグラウトである請求項５１に記載の方法。
【請求項６６】
前記熱伝導材料は溶融金属である請求項５１に記載の方法。
【請求項６７】
前記熱伝導材料はセラミックである請求項５１に記載の方法。
【請求項６８】
前記熱伝導材料は網状の材料である請求項５１に記載の方法。
【請求項６９】
前記熱伝導材料はプラスチックである請求項５１に記載の方法。
【請求項７０】
前記熱ネスト内に前記熱伝導材料を注入する工程は、穿孔を通じてパイプを挿入して、前記熱ネストが前記熱伝導材料で充填された際に前記パイプを引き抜く工程をさらに備える請求項６４に記載の方法。
【請求項７１】
前記熱交換要素内で前記パイプシステムの内容物が流れる距離を増大させるために、螺旋形状に前記熱交換要素の形状を形成する工程をさらに備え、前記熱交換要素内の前記パイプシステムは少なくとも１つの捻れたパイプを備える請求項５１に記載の方法。
【請求項７２】
掘削された坑井内から地熱を取り出す方法であって、当該方法は、
坑井のある深さの岩体のタイプ、前記坑井の前記深さの前記岩体の表面積、及び、前記坑井の前記深さの前記岩体の熱伝導性ファクタを決定する工程と、
前記坑井の熱地点と前記坑井の底部との間で前記坑井内の所望の地点で前記岩体の表面積を増大させる工程と、
前記坑井の底部で始まって前記坑井の前記熱地点で終わる熱ネストを前記坑井内に形成する工程と、
前記熱交換要素内に流入する及び前記熱交換要素から流出するパイプシステムの内容物を平衡温度に加熱する熱交換要素を形成するため、前記熱ネストを囲む岩体からの熱をやりとりする閉ループ固体熱取り出しシステムを形成するために前記熱ネスト内で前記熱ネストを囲む岩体と前記熱交換要素との間に熱伝導材料を注入する工程であって、前記平衡温度において、熱ネストを囲むとともに地熱を生成する岩体が、熱伝導材料に伝導する地熱を断続的に取り戻し、前記平衡温度を上回る温度において、前記熱ネストを囲む岩体から熱交換要素まで前記熱伝導材料が熱を伝導する際に、前記熱ネストを囲む岩体によって生成される地熱が放散する工程と、
前記熱ネストと前記坑井の表面との間の少なくとも１地点で前記パイプシステムを断熱する工程であって、前記閉ループ固定熱取り出しシステムが、前記熱ネストを囲む岩体に液体の流れを曝すことなく前記坑井から地熱を取り出す工程と、を備える、掘削された坑井内から地熱を取り出す方法。
【請求項７３】
前記熱ネストを囲む岩体の表面積を増大させる工程が前記平衡温度を上昇させる請求項７２に記載の方法。
【請求項７４】
前記岩体の表面積を増大させる工程は、前記熱ネストを囲む岩体内に少なくとも１つの穿孔を掘削する工程をさらに備える請求項７３に記載の方法。
【請求項７５】
前記熱ネスト内に少なくとも１つの追加材料を注入する工程をさらに備え、前記少なくとも１つの追加材料は少なくとも１つのボールベアリングである請求項７４に記載の方法。
【請求項７６】
前記熱ネスト内に少なくとも１つの追加材料を注入する工程をさらに備え、前記少なくとも１つの追加材料は少なくとも１つのビードである請求項７４に記載の方法。
【請求項７７】
前記熱ネスト内に少なくとも１つの追加材料を注入する工程をさらに備え、前記少なくとも１つの追加材料は網状の金属材料である請求項７４に記載の方法。
【請求項７８】
可撓性を有する一連の下降流パイプ内で前記熱交換要素内に前記パイプシステムの内容物をポンプで送り込んで、可撓性を有する一連の上昇流パイプ内で前記熱交換要素から外側に前記パイプシステムの内容物をポンプで送り出す工程をさらに備える請求項７２に記載の方法。
【請求項７９】
前記熱ネスト内で前記パイプシステムに連結される複数の毛管内に前記パイプシステムの内容物を分散させる工程をさらに備える請求項７８に記載の方法。
【請求項８０】
前記複数の毛管の各毛管は、前記下降流パイプの径よりも小さな径を有しており、前記パイプシステムの内容物が、前記内容物が前記複数の毛管を通り抜ける際に迅速に熱せられる請求項７９に記載の方法。
【請求項８１】
前記パイプシステムの内容物は、前記熱ネスト内で熱せられる際に沸騰しない環境的に優しい熱伝導流体である請求項７２に記載の方法。
【請求項８２】
前記パイプシステムの内容物は水である請求項８１に記載の方法。
【請求項８３】
前記パイプシステムの内容物は気体である請求項８１に記載の方法。
【請求項８４】
前記熱伝導材料はグラウトである請求項７２に記載の方法。
【請求項８５】
前記熱伝導材料は溶融金属である請求項７２に記載の方法。
【請求項８６】
前記熱伝導材料はセラミックである請求項７２に記載の方法。
【請求項８７】
前記熱伝導材料は網状の材料である請求項７２に記載の方法。
【請求項８８】
前記熱伝導材料はプラスチックである請求項７２に記載の方法。
【請求項８９】
前記坑井内に熱伝導材料を注入する工程は、穿孔を通じてパイプを挿入して、前記熱ネストが前記熱伝導材料で充填された際に前記パイプを引き抜く工程をさらに備える請求項７２に記載の方法。
【請求項９０】
前記パイプシステムを断熱する工程は、前記熱ネストと前記坑井の表面との間の少なくとも１地点で前記パイプシステムを断熱する工程をさらに備える請求項７２に記載の方法。
【請求項９１】
前記平衡温度は温度範囲である請求項７２に記載の方法。
【請求項９２】
地熱を取り出す工程は、螺旋形状に前記熱交換要素の形状を形成する工程をさらに備え、前記熱交換要素内で前記パイプシステムの内容物が流れる距離を増大させるために、前記熱交換要素内の前記パイプシステムが少なくとも１つの捻れたパイプを備える請求項７２に記載の方法。
【請求項９３】
前記熱ネストを囲む岩体の表面積は、前記熱ネストを囲む岩体を破砕することによって増やされる請求項２に記載のシステム。
【請求項９４】
前記熱ネスト内に注入される少なくとも１つの追加材料をさらに備え、前記少なくとも１つの追加材料は熱ロッドである請求項３に記載のシステム。
【請求項９５】
前記熱ネストを囲む岩体の表面積は、前記熱ネストを囲む岩体を破砕することによって増やされる請求項３０に記載のシステム。
【請求項９６】
前記熱ネスト内に注入される少なくとも１つの追加材料をさらに備え、前記少なくとも１つの追加材料は熱ロッドである請求項３１に記載のシステム。
【請求項９７】
前記平衡温度を上昇させるために前記熱ネストを囲む岩体の表面積を増大させる工程は、前記熱ネストを囲む岩体の表面積を破砕する工程をさらに備える請求項５２に記載の方法。
【請求項９８】
前記熱ネストを囲む岩体内に少なくとも１つの穿孔を掘削する工程は、前記熱ネスト内に注入される少なくとも１つの追加材料を注入する工程をさらに備え、前記少なくとも１つの追加材料は熱ロッドである請求項５３に記載の方法。
【請求項９９】
前記平衡温度を上昇させるために、前記熱ネストを囲む岩体の表面積を増大させる工程は、前記熱ネストを囲む岩体の表面積を破砕する工程をさらに備える請求項７３に記載の方法。
【請求項１００】
前記熱ネストを囲む岩体内に少なくとも１つの穿孔を掘削する工程は、前記熱ネスト内に注入される少なくとも１つの追加材料を注入する工程をさらに備え、前記少なくとも１つの追加材料は熱ロッドである請求項７４に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願は、２００８年６月１３日に出願された米国特許仮出願番号６１／１３１９６７号の優先権を主張しており、その出願の内容のすべてがここに組み入れられる。
【０００２】
本発明は概して、地熱エネルギーを電気に変える分野に関する。さらに具体的には、本発明は、掘削された坑井の深部から地熱を獲得すること、及び環境に優しい処理で発電するためにこの地熱を地表まで持ってくることに関する。
【背景技術】
【０００３】
枯渇しているか又は油やガスを二度と産出しないような油及びガスの探査のために掘削された坑井は、通常は放置される及び／又は使用されず、結局のところ埋められ得る。そうした坑井は、莫大なコストをかけて作られたものであり、当初の使用のためにもはや必要とされない場合には環境問題を引き起こす。
【０００４】
坑井はまた、熱を生成するために特に掘削されることがある。坑井内の深部からの地熱／エネルギーを利用した公知の地熱／エネルギーの方法及びシステムがある一方で（熱せられた流体（液体又は気体）を生成してそれから発電するため）、これらの方法は、環境的に重大な欠点を有しており、そうした坑井の深さに起因して油井及びガス井において通常は非効率的である。
【０００５】
さらに具体的には、地球からエネルギーを取り出す従来技術において地熱ポンプ（ＧＨＰ）システム及び拡張地熱システム（ＥＧＳ）が広く知られている。ＧＨＰシステムでは、地球からの地熱は、例えば水などのその後に加熱及び冷却に利用される流体を熱するために利用される。その後に発電するために利用される通常は水といった流体は、フラッシュ蒸気転化（flash steam conversion）と呼ばれる処理で蒸気に転化する点まで実際に熱せられる。これらのシステムは、深い坑井から地表まで熱を運ぶために既存の又は人工の貯水池を用いる。これらのシステムに利用される水は、環境に極めて有害であり、鉱物で満ちている場合には腐食性を有しているとともに帯水層を汚染し得る。こうした深い坑井の実現は、塩水の貯水池があること、又は、実際上少なくとも２つの坑井を必要とする注入井内に膨大な量の水を注入することによって貯水池が構築されること、を必要とする。両方法とも、汚染された汚い水を地表まで持ってくることを必要とする。ＥＧＳシステムの場合には、坑井内に注入された水が岩の周りを移動する際に地球内に浸透して、地下の他の物質が汚染されて腐食し、危険なものになる。
【０００６】
坑井から熱を生じさせるために水をベースにしたシステムは、重大で特定の問題を抱えている。例えば、極端に多量の水がしばしば坑井内に注入される。この水は熱せられて坑井の内部の周囲を流れて熱くなり、その後に発電するために坑井から抜き取られる。この水は、鉱物及び他の有害な物質で汚染されて、しばしば非常に腐食性であり、例えば地震の起きやすい不安定な性質及び天然熱水の兆候のかく乱などを引き起こす。さらに、周囲の帯水層を汚染させる可能性が高い。この汚染された水は、例えばパイプに鉱物を蓄積させる、及びパイプにひどく金ごけをつけるなどのさらなる問題を引き起こす。
【０００７】
地熱エネルギーは地表の下のどこにでも存在する。一般に、地球の温度は、深さが増大するにつれて、地球の地殻の底面の４００℃〜１８００℃から地球の中心の６３００℃〜８１００℃の推定温度まで、増大する。しかしながら、エネルギー源として有益であることを目的として、掘削された坑井にはアクセス可能でなければならない。このことは、地熱システムに関連した掘削のコストを増大させ、そのコストは深さが増大するにつれて増大する。
【０００８】
例えば拡張地熱システム（ＥＧＳ）などの従来の地熱システムでは、ポンプ及びパイプシステムを用いて坑井内に水や流体（液体又は気体）がポンプで送り込まれる。水はその後、高温岩体の周りを揚水井まで流れて、発電するために高温で汚い水又は流体が地表に送られる。
【０００９】
前述のように、流体（水）は、流体（水）が気体／蒸気に転化する点まで実際に熱せられ得る。熱せられた流体すなわち気体／蒸気はその後、地表まで上がって坑井から外側に移動する。熱せられた気体／蒸気が地表に到達すると、熱せられた水及び／又は気体若しくは蒸気は、熱せられた水又は気体／蒸気からの地熱エネルギーを電気に変換する熱機関に動力を供給するために使用される。
【００１０】
このタイプの従来の地熱システムは、いくつかの理由のために非常に深い坑井内では極めて非効率的である。第１に、複数の熱機関（電気タービン及び発電機）を効率的に稼働させるために必要とされる熱せられた流体を生成するために、流体は、概して１９０℃〜１０００℃の間の温度まで熱せられなければならない。従って、流体は、高温岩体の周囲から熱を得なければならない。流体が熱を獲得する際、流体はまた、流体を非常に腐食性にする鉱物、塩、及び酸性度を獲得する。浅い深度の地熱源が不足している地帯でそうした所望の温度に到達するために（すなわち、この所望の温度まで流体を熱するために）、使用される坑井は非常に深くなければならない。このタイプの従来技術のシステムでは、膨大な量の水を必要とするので、使用することが可能な地質は非常に限られている。
【００１１】
坑井が深くなるにつれて、水をベースにしたシステムを実現することはより難しくなる。さらに、坑井が深くなればなるほど、気体又は流体は、地表に到達するまでにさらに移動しなければならず、このことは熱をさらに放散させ得る。従って、従来の地熱発電システムを使用することは、坑井の底部と地表との間の大きな長さがよりすぐに熱を失う結果を招くので、非常に非効率的であり得る。この熱の損失は、これらのタイプのシステムから発電する有効性及び経済性に影響を与える。ましてやそうした深い坑井内にはさらに水が必要とされ、深い坑井内で地熱発電システムを難しいものにしてしまう。
【００１２】
従って、従来の地熱システムは、ポンプと、地下に埋め込まれるパイプシステムと、上記地熱伝達装置と、地球の高温岩体から熱を奪うために地中を循環するおびただしい量の水と、を含む。地盤は、循環する水を熱する熱源として使用される。そうした従来技術の地熱システムの成否を決定する重要な要因は掘削された坑井の深さであり、深さは、掘削コスト、パイプのコスト、及びポンプのサイズに影響を与える。掘削された坑井があまりにも大きな深度で掘削されなければならない場合、水をベースとしたシステムは実際の代替のエネルギー源になり得ない。さらに、これらの水をベースにしたシステムは、坑井内に注入された水が、水を回収する揚水井に決して到達しないので、地球内の高温岩体の浸透性の不足によってしばしば作動しなくなる。
【発明の概要】
【００１３】
本発明は概して、閉ループ固体システムにおいて地熱を坑井から地表まで経済的に伝導してその後に発電するためにこの熱を利用するシステム及び方法を開示している。GThermとして知られるこのシステム及び方法は、地球からの流体の流れがないので、環境的に信頼することができる。このシステム及び方法は、閉ループ内で地表から及び地表までポンプで供給されるパイプの内容物を熱するために、固体材料を通じた坑井内の深部の岩体からの熱の流れに完全に基づいている。
【００１４】
本発明は、掘削された坑井内からの地熱を用いて発電するシステムを開示しており、当該システムは、閉ループ固体熱取り出しシステムを有する熱利用構成要素を備える。閉ループ固体熱取り出しシステムは、坑井内の熱ネスト内に位置決めされる熱交換要素と、熱ネストを囲む岩体から熱交換要素まで地熱を伝導するために坑井内に挿入される熱伝導材料と、を含む。熱ネストを囲む岩体は、熱ネストを囲む岩体の表面積によって決定される平衡温度まで熱伝導材料を熱し、平衡温度は、熱ネストを囲んで地熱を生成する岩体が、熱伝導材料に伝導されている地熱を取り戻す温度であって、熱ネストを囲む岩体から熱交換要素まで熱伝導材料が熱を伝導する際に、熱ネストを囲む岩体によって生成される地熱が放散する温度を上回る温度である。システムはまた、熱機関と、発電構成要素であって、当該発電構成要素に熱利用構成要素に連結するパイプ構成要素の内容物から地熱を受け取る発電構成要素と、を含み、一連の下降流パイプと一連の上昇流パイプとを含み、上昇流パイプは、熱交換要素によって熱せられたパイプ構成要素の内容物を坑井の表面まで伝達して発電構成要素内に伝達する。システムは、坑井内に挿入される断熱材であって、パイプシステムの内容物が坑井の表面までポンプで供給される際にパイプシステムの内容物の温度を実質的に一定に維持するために、熱ネストと坑井の表面との間の少なくとも１地点で少なくとも上昇流パイプを実質的に囲む断熱材をさらに含む。閉ループ固体熱取り出しシステムは、熱ネストを囲む岩体を液体の流れに曝すことなく坑井から地熱を取り出す。
【００１５】
他の実施形態では、本発明は、掘削された坑井内から地熱を生成する熱取り出しシステムを開示している。熱取り出しシステムは、熱交換要素に流入して熱交換要素から流出するパイプシステムの内容物を平衡温度に熱する閉ループ固体熱交換を形成するために熱交換要素と熱ネストを囲む岩体との間で掘削された坑井の底部付近で熱ネスト内の領域内に注入される熱伝導材料を含み、平衡温度では、熱ネストを囲むとともに地熱を生成する岩体が、熱伝導材料に伝導されている地熱を取り戻し、平衡温度を上回る温度では、熱ネストを囲む岩体から熱交換要素まで熱伝導材料が熱を伝導する際に、熱ネストを囲む岩体によって生成される地熱が放散する。熱伝導材料は、熱ネスト内の領域を実質的に充填して熱ネストを囲む岩体及び熱交換要素からの熱を伝達するために固化し、パイプシステムは、坑井の表面から熱ネスト内にパイプシステムの内容物を持ってきて、熱せられた内容物を熱ネストから坑井の表面まで運ぶ。閉ループ固体熱取り出しシステムは、熱ネストを囲む岩体を液体の流れに曝すことなく坑井から地熱を取り出す。
【００１６】
他の実施形態では、本発明は、掘削された坑井内からの地熱を用いて発電する方法を開示している。当該方法は、閉ループ固体熱取り出しシステムを形成する熱交換要素を囲むために熱ネスト内に熱伝導材料を注入することによって、坑井内の所定の位置に位置決めされた熱ネストを囲む岩体から地熱を取り出す工程を備え、熱伝導材料は、パイプシステムの内容物を熱するために、熱ネストを囲む岩体から熱交換要素まで地熱をやりとりし、内容物は熱ネスト内で平衡温度で熱せられ、平衡温度では、熱ネストを囲むとともに地熱を生成する岩体が、熱伝導材料に伝導されている地熱を取り戻し、平衡温度を上回る温度では、熱ネストを囲む岩体から熱交換要素まで熱伝導材料が熱を伝導する際に、熱ネストを囲む岩体によって生成される地熱が放散する。当該方法はまた、パイプシステムの内容物が坑井の表面までポンプで送られる際にパイプシステムの内容物の温度を実質的に一定に維持するために熱ネストと坑井の表面との間の少なくとも１地点でパイプシステムを断熱する工程を備える。当該方法は、パイプシステムの熱せられた内容物が坑井の表面に到達した後、パイプシステムの熱せられた内容物を発電構成要素内にポンプで供給する工程をさらに備える。閉ループ固体熱取り出しシステムは、熱ネストを囲む岩体を液体の流れに曝すことなく坑井から地熱を取り出す。
【００１７】
さらに他の実施形態では、本発明は、掘削された坑井内から地熱を取り出す方法を開示している。当該方法は、坑井のある深さにある岩体のタイプと、坑井の前記深さにある岩体の表面積と、及び坑井の前記深さにある岩体の熱伝導性ファクタとを決定する工程と、坑井内で坑井の熱地点と坑井の底部との間の所望の地点で岩体の表面積を増大させる工程と、坑井の底部で始まって坑井の熱地点で終わる坑井内の熱ネストを形成する工程と、を備える。当該方法はまた、熱交換要素に流入して熱交換要素から流出するパイプシステムの内容物を平衡温度に熱するために熱ネストを囲む岩体から熱交換要素まで熱をやりとりする閉ループ固体熱取り出しシステムを形成するため、熱ネストを囲む岩体と熱ネスト内の熱交換要素との間に熱伝導材料を注入する工程を含み、平衡温度では、熱ネストを囲むとともに地熱を生成する岩体が、熱伝導材料に伝導されている地熱を取り戻し、平衡温度を上回る温度では、熱ネストを囲む岩体から熱交換要素まで熱伝導材料が熱を伝導する際に、熱ネストを囲む岩体によって生成される地熱が放散する。当該方法は、熱ネストと坑井の表面との間でパイプシステムを断熱する工程をさらに備える。閉ループ固体熱取り出しシステムは、熱ネストを囲む岩体を液体の流れに曝すことなく坑井から地熱を取り出す。
【００１８】
本発明の他の実施形態、特徴、及び利点は、例として本発明の原理を示す添付の複数の図面をもとにした実施形態の以下の説明から明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の一実施形態に係るシステムのブロック図であり、パイプ、熱利用構成要素、及び発電構成要素を有する閉ループシステムを示す。
【図２】本発明の一実施形態に係る熱交換構成要素の拡大図である。
【図３】本発明の一実施形態に係る坑井の穿孔内のパイプの断面図である。
【図４】本発明の一実施形態に係る発電方法のステップを示すフローチャートである。
【図５】本発明の一実施形態に係る坑井及び熱ネストの断面図である。
【図６】本発明の一実施形態に係る熱交換要素の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下の本発明の説明では、その説明の一部を形成するとともに、例として、本発明の原理と本発明がどのように実施され得るかとを示す典型的な実施形態が示される添付の図面が参照される。本発明を実施するために他の実施形態が利用され得ること、並びに、構造的及び機能的な変更が、本発明の範囲から逸脱しない限りにおいて本発明になされ得ることが理解されるべきである。
【００２１】
本発明は、坑井内の深部から地表まで地熱を経済的かつ効率的に伝導して、その後に閉ループ固体システムにおいて発電するためにこの地熱を利用する。この閉ループ固体システムは、水流によってではなく熱流によって発電し、その結果、システムは、坑井内に独立して注入される膨大な量の水を必要としない。
【００２２】
図１を参照すると、本発明は、熱利用構成要素１０と発電構成要素２０とを含む。図１に示されるように、熱利用構成要素は、熱交換要素４０と、坑井１１０の底部９０付近の高温岩体から熱交換要素４０まで地熱を伝える熱伝導材料１００と、を含む。本発明はまた、１以上の下降流パイプ６０及び１以上の上昇流パイプ８０から構成されるパイプシステム５０を含む。ポンプ機構３０によって地表から及び地表までポンプで供給されるパイプシステム５０の内容物は、閉ループシステムを通って流れて坑井１１０の表面まで熱を運ぶ熱伝導流体又は熱伝導気体を含む。発電構成要素２０は、熱を電気エネルギーに変換する熱機関１２０を含む。熱機関１２０は電気タービン及び発電機を含んでよい。パイプシステム５０は、熱利用構成要素１０と発電構成要素２０とを相互に連結する。
【００２３】
パイプシステム５０の下降流パイプ６０及び上昇流断熱パイプ８０は断熱材７０で断熱されてよい。パイプシステム５０内で用いられる下降流パイプ６０及び上昇流断熱パイプ８０の径は、変化してよく、求められる特定の流量の条件に応じて決定されるべきである。他の実施形態では、下降流断熱パイプ６０及び上昇流断熱パイプ８０は、設置を簡略化するためにできる限り十分な程度まで単一要素に統合される。
【００２４】
他の実施形態では、１以上の下降流パイプ６０及び１以上の上昇流パイプ８０は、可撓性材料から形成されており、坑井内で巻かれ得る。パイプシステム５０は従って、可撓性を有しており、巻かれた耐食鋼ワイヤと、例えばポリウレタン、ポリアミド１１、及び／又はＰＶＤなどの漏れない熱可塑性樹脂ポリマーとの複数の異なる層から構成される。パイプシステム５０内における任意の１つの特定のパイプに使用される層の数は坑井の深さ及び圧力／温度の条件に応じて決定される。
【００２５】
ポンプ機構３０及びパイプシステム５０を用いることによって、液体又は気体から構成される熱伝導流体であり得るパイプシステム５０の内容物は、１以上の下降流パイプ６０を通じて下向きに坑井１１０内にパイプ輸送される。内容物は、１以上の下降流パイプ６０を通じて下に向かって、内容物を熱するのに十分なかなりの地熱がある坑井１１０のレベルまでポンプで供給される。最初に適切な熱にぶつかるこの最小深さは以下では熱地点１３０として言及されるものの、様々なレベルに地熱が存在すること、この地熱は坑井１１０の深さが増大するにつれて大きくなることが理解される。熱地点１３０と坑井１１０の底部９０との間の地帯は熱ネスト１４０と呼ばれる。
【００２６】
熱交換要素４０は、坑井の熱地点１３０と坑井１１０の底部９０との間の所定の地点で熱ネスト１４０内に位置決めされる。下降流パイプ６０は、第１側１５０でこの熱交換要素４０に連結されて、熱交換要素４０の第１側１５０で内容物が熱交換要素４０を通り抜けることを可能にする。熱交換要素４０は、熱ネスト１４０を囲む高温岩体と相互作用する熱伝導材料１００を用いて地球から地熱を引き出して、内容物が熱交換要素４０を通り抜ける際に内容物を熱するためにこの地熱を利用する。坑井から地表まで熱せられた流体を単純に引き出して、その後に、地表レベルで流体をさらに熱するために加熱素子を用いる従来のシステムとは異なり、本発明は、坑井１１０自体内の深部に実際に収容される熱交換要素４０を有している。熱交換要素４０及び熱伝導材料１００は、水ではなく熱が流れる閉ループ固体取り出しシステムを形成する。この閉ループ固体取り出しシステムは、環境に有害な影響を有しておらず、高温岩体の存在のみを必要とする。
【００２７】
熱ネスト１４０は、周囲の岩体の表面積が、最大温度と岩体によって生成される地熱の最大流れとを保証するために増やされた後に、所望の深さに構築される。岩体の表面積を増大させるために、ここで説明される様々な技術が採用され得る。岩体の表面積を増大させることは、安定して連続した平衡温度と、周囲の岩体からの地熱の最大流れと、熱ネスト１４０が構築された後に注入される熱伝導材料１００内への地熱の最大の流れと、を確保する。従って、本発明の目的は、構築されるべき熱ネスト１４０を囲む岩体の表面積をできる限り増大させて、そうすることによって岩体から、熱伝導材料１００まで、熱交換要素４０まで、パイプシステム５０の内容物まで、の熱流を改善することを目的とする。
【００２８】
岩体の表面積を増大させる１つの方法は、表面積を拡大する裂け目及び割れ目を作り出すために、熱ネストを囲む岩体を破砕することである。本発明は、水破砕を通じて、ここで説明されるように複数の方向への穿孔を掘削することを通じて、及び、一般に、地表の下深くの岩体を破壊又は破砕する現在又は将来の任意の方法を含む岩体の破砕の多くの方法が使用され得ることを考慮する。
【００２９】
従って、本発明のシステム及び方法において、平衡温度は、温度であり、一実施形態では温度範囲であり、平衡温度では、パイプシステム５０の内容物を熱する地熱は、地熱を供給する高温岩体が、外側に伝達される熱を取り戻す又は再び生成する比率に等しい。平衡温度を上回る温度で地熱が外側に伝達されれば、高温岩体の地熱は枯渇するか又は放散するかして、熱取り出しの比率及び温度は悪化する。地熱が平衡温度以下で外側に伝達されれば、熱取り出しの比率は断続的であって安定し、それ故に安定状態の熱取り出しシステムが達成される。
【００３０】
熱交換構成要素は概して、１つの流体から別の流体に典型的に熱を伝える効率的な熱伝達のために構築される装置である。従って、こうした熱交換要素は、他方を熱する１つの流体を有するとともに流体が熱交換要素の２つの側を通って流れる流体の流れを特徴とする。これらは多くの工学プロセスで広く利用されている。いくつかの例は、発電所における中間冷却器、予熱器、ボイラー、及びコンデンサを含む。
【００３１】
図２は、本発明で用いられる熱交換要素４０を示す図である。本発明の熱交換要素４０は、本発明に係る閉ループ安定熱取り出しシステム内で水流ではなく熱流によって流体を熱する。安定状態の条件で作動する熱交換要素に熱力学の第１法則を適用することによって、我々は、
μ＝ｉ番目の流体の質量流
χ＝ｉ番目の流体の特定のエンタルピーの変化、を表す場合に、
μχ＝０を得た。
図２を参照すると、熱交換要素４０は、熱せられる必要のある流体に垂直に熱が流れる直交流熱交換器として示されており、その結果、熱流２４０は、垂直方向に熱交換器を横切って／熱交換器の周囲を通って、それによって、熱流２４０に垂直な方向から流れる流体２３０を加熱する。
【００３２】
一実施形態では、本発明の熱交換要素４０は、流体が隔壁の両側で熱を交換する回復タイプの「直交流」熱交換器から構成される高温熱交換器（「ＨＴＨＥ」）である。代替として、熱交換要素４０は、復熱式及び／又は蒸発式の設計を利用するＨＴＨＥから構成されてもよい。用いられる熱交換要素の構造に拘わらず、本発明は、熱交換要素４０を通って流れる流体が、１以上の流体の流れではなく、熱ネスト１４０を囲む岩体から地熱を取り出すことによって生成される熱流によって熱せられることを考慮している。
【００３３】
他の実施形態では、熱交換要素４０は複数の小さな毛管１７０を含む。内容物は、１以上の下降流パイプ６０から熱交換要素４０に流入し、熱交換要素４０が分散される場合に、複数の小さな毛管１７０の各々を通って流れる。毛管１７０は、１以上の下降流パイプ６０よりも細くてよい。例えば、複数の毛管１７０は、１以上の下降流パイプ６０よりも小さい径を有してよく、それによって、内容物が毛管１７０を通り抜ける際にさらに迅速に熱せられることを可能にし、そしてそれによって、熱交換要素４０全体の効果を向上させる。他の実施形態では、熱交換要素４０の毛管１７０の複合流は、１以上の下降流パイプ６０及び１以上の上昇流パイプ８０と同等以上の流れに対応することが可能でなければならない。
【００３４】
さらに他の実施形態では、熱交換要素４０は、チタン被覆チューブシートから構成されてよく、チューブシートは、高温ニッケル基の合金又はフェライト鋼から形成されてよい。このようにして、熱交換要素４０は、高温／高圧の条件下で効率的に稼働することができる。さらに、チタンの厚みは、熱交換要素４０が稼働する特定の高温及び／又は高圧の条件に応じて変化してよい。
【００３５】
本発明でも用いられ得る従来技術で公知の熱交換要素４０には他のタイプがあることが理解される。具体例は、これに限定されないものの、並列熱交換器及び／又は逆流熱交換器を含む。代替の実施形態ではこれらのタイプの交換器のいずれかが用いられ得る。熱交換要素４０の設計における主たる検討事項は、高温／高圧の条件下でその効率的な稼働を確保することである。さらに、本発明で用いられるそうした任意の熱交換要素４０は、坑井１１０の穿孔１９０内に適合する大きさでなければならない。
【００３６】
さらに、熱交換要素４０の内部構成要素は、熱交換要素４０内でできる限り内容物を熱するために、パイプシステム５０内に送り込まれる熱量を最大化するように設計された様々な形状を含む。
【００３７】
なおも図１を参照すると、パイプシステム５０の１以上の上昇流パイプ８０は、熱交換要素４０の第２の反対側１６０で熱交換要素４０に連結される。１以上の上昇流パイプ８０は、熱せられた内容物を熱交換要素４０から引き出して、熱せられた内容物を熱地点１３０から上向きに頂部１８０すなわち地表まで持ってくる。熱地点１３０から坑井１１０の頂部１８０までの穿孔１９０は、熱損失を防止するために完全に断熱される。環境から内容物を分離する熱交換要素４０及びパイプシステム５０は、完全に環境に優しいシステムを作り出す閉ループを形成する。
【００３８】
一実施形態では、熱せられるべき流体（又は、ここでも用いられる、パイプシステム５０の内容物）は、熱を運ぶことに最適化されるべきである。そうした流体の例は、自動車に用いられる不凍液である。気体又は水も流体として利用され得る。さらに、流体は、いかなる腐食性の特性を有するべきではなく、パイプシステム５０を構築するために使用される材料は流体に対して耐性を有している必要がある。さらに、パイプシステム５０内で流体には圧力が作用するので、システムは、流体がシステム中をポンプで送られる際に、坑井１１０の深さとポンプ機構３０とによって生じる圧力に耐えられることが必要である。用いられる流体は、環境的に不活性であって、パイプシステム５０を破壊するに違いない環境問題を引き起こさない。
【００３９】
図１、及び本発明に係るシステムの構成を参照すると、パイプシステム５０及び熱交換要素４０がひとたび坑井１１０内に完全に設置されると、熱ネスト１４０は熱伝導材料１００によって完全に充填される。熱伝導材料１００が熱ネスト１４０をひとたび満たすと、坑井１１０の穿孔の残余部は断熱材７０で充填される。熱伝導材料１１０は、熱伝導特性を有していなければならず、熱ネスト１４０に固着して熱ネスト１４０内で固まることが可能である。熱伝導材料１００は、熱を保持して効率的に熱を伝導するように設計されて、熱ネスト１４０中で実質的に一定の温度を維持する。熱伝導材料１００は、熱ネスト１４０を囲む高温岩体を熱交換要素４０に接続して熱利用構成要素１０を作り出す。
【００４０】
本発明で用いられる熱伝導材料１００は様々な形態をとり得る。一般に、坑井１１０内で要求される温度で熱を伝導する任意の物質又は材料が用いられ得る。こうした物質又は材料の具体例は、これに限定されないものの、グラウト、強化グラウト、プラスチック、セミラック、強化セラミック、例えば銅などの溶融金属、又はこれらの任意の組み合わせを含む。
【００４１】
さらに、本発明は、１以上の追加材料が、（例えば大径パイプ２１０などのパイプを介して）坑井１１０内に注入されてもよく、及び、岩体の表面積から生じる地熱を獲得して伝導するために用いられてもよい。こうした追加材料の具体例は、これに限定されないものの、ボールベアリング、ビード、ワイヤ網又は金属網、及びパイプを含む。こうした追加材料は、熱ネストを囲む岩体の裂け目及び割れ目を充填することによって地熱の伝導を向上させる。熱ネスト１４０を囲む岩体の表面積を拡張すること、及び、追加材料を用いることによって、それ故に熱伝導材料１００の能力が向上する。追加材料自体は伝導の表面積を増大させ、このことは、熱ネスト１４０を囲む岩体から伝導される地熱が、熱ネスト１４０内に追加材料の導入によって提供されるより大きな表面積上に放出されることを意味する。大径パイプ２１０を介して熱ネスト１４０内に注入される熱伝導材料１００はまた、追加材料を囲むそれらの裂け目及び割れ目を充填して固まり、増大した表面積によって伝導特性を向上させる。こうして、熱伝導材料１００は、熱ネスト１４０を囲む岩体の表面積を増大させる利点を得るために、こうした追加材料と関連付けて用いられてよい。
【００４２】
本発明はまた、他の実施形態において、そうした追加材料が熱伝導材料１００なしで用いられることが可能であることを考慮している。ここで説明される追加材料はまた、熱ネストを囲む岩体から熱交換要素４０まで地熱を伝導する。熱伝導材料１００が、ここで説明される追加材料とともに用いられる場合の実施形態では、熱伝導材料１００は、追加材料に結合して追加材料の周囲で固まる。
【００４３】
図３は、本発明のシステムが利用される坑井１１０の断面図を示す。坑井１１０の穿孔１９０は、その中に１以上の上昇流パイプ６０と１以上の下降流パイプ８０とを配置している。穿孔１９０の壁２００と１以上の下降流パイプ６０及び１以上の上昇流パイプ８０との間の空間は断熱材７０で充填されている。大径パイプ２１０は、熱伝導材料１００で充填され、その結果、熱伝導材料１００は１以上の上昇流パイプ６０と１以上の下降流パイプ８０とを囲む。
【００４４】
前述のように、この熱伝導材料１００は、硬化してよいものの膨張せず、パイプシステム５０又は熱交換要素４０に圧力を作用させない。熱伝導材料１００が坑井１１０内にひとたび挿入されて熱ネスト１４０内で熱交換要素４０及びパイプシステム５０の周囲で硬化すると、熱伝導材料１００は、完全に熱せられるとともに坑井１１０の底部９０で熱ネスト１４０を囲む岩体の温度に達するまで熱せられ始める。熱伝導材料１００がこの熱平衡温度に到達すると、熱伝導材料１００は、熱ネスト１４０を囲む高温岩体から熱交換要素４０に地熱をやりとりする。坑井１１０の残余部分は、熱せられた内容物が１以上の上昇流パイプ８０を通って坑井１１０を上がって行く際に、熱せられた内容物を高温のままで維持する断熱材７０で充填される。このことはエネルギー損失を最小限に抑えるので、内容物は、坑井１１０の頂部１８０で動力の生成のためにさらに効率的に利用されることが可能である。従って、熱伝導材料１００は、坑井１１０内で熱交換要素４０を囲む「熱トラック」のタイプとして稼働する。この熱トラックは、内容物の熱を最大化して、加熱利用構成要素１０を作り出す高温岩体内に熱交換要素４０を拡張する。
【００４５】
さらに具体的には、坑井１１０内の高温岩体からの地熱は、システムが平衡温度を実現するまで熱伝導材料１００を熱する。システムが平衡温度に到達すると、熱伝導材料１００は、熱ネスト１４０を囲む高温岩体と同じ熱さであるべきである。それ故、パイプシステム５０の内容物が熱ネスト１４０に流入すると、内容物はすぐさま熱くなり始める。内容物が底部９０に到達すると、内容物は完全に熱せられる。内容物が熱ネスト１４０まで上がって戻ると、熱伝導材料１００が平衡温度に到達しているので、内容物は熱を失わない。坑井１１０内で熱伝導材料１００を用いることは、坑井１１０の熱ネスト１４０から頂部１８０まで熱の移動を独自に最大限にするシステムを保証する。熱ネスト１４０と断熱材７０との組み合わせは、坑井１１０の長さが熱損失を引き起こすような深い坑井に特に有効である。
【００４６】
平衡温度は、様々な要因に依存して、各坑井内で及び様々な内容物によって異なってよいことが理解されるべきである。例えば、坑井内にある岩体のタイプは、深さ、サイズ、及び、熱ネスト１４０の構築にあたって使用される材料、熱伝導材料１００のタイプ及び品質を決定する要因であり得る。坑井内の岩体の表面積は、岩体の熱伝導性に影響を及ぼし、平衡温度に様々な温度範囲を生じさせる。従って、平衡温度は、温度範囲であってよく、内容物を所望の点まで熱するために得なければならない熱に応じて変化してよい。
【００４７】
さらなる特徴として、熱伝導材料１００は、システムに対してさらなる安定性を提供し、増大した圧力の作用を最小限に抑え、熱交換要素４０の完全性及び強度を増大させる。さらに具体的には、熱伝導材料１００が硬化すると、熱伝導材料１００は、熱交換要素４０のさらなる構造的支持を提供し、硬化した熱伝導材料１００は、圧力下にあるパイプシステム５０と１以上の下降流パイプ６０と１以上の上昇流パイプ８０との構造的支持を提供する。従って、熱伝導材料１００はシステムの剛性を増大させる。さらに、熱伝導材料１００は、坑井内の腐食環境から例えば熱交換要素４０及びパイプシステム５０の内容物などのシステムの構成要素を保護することによって、システムの安定性を向上させる。
【００４８】
図１をなおも参照すると、熱せられた内容物は加熱利用構成要素１０から発電構成要素２０内に流入する。さらに具体的には、熱せられた内容物は、坑井１１０から、地表に設置された熱機関１２０内に流入し、熱機関１２０では、内容物からの熱が、従来技術で広く知られた技術を利用して発電するために利用される。
【００４９】
図４は、本発明に係るシステム及び方法を用いて地熱を取り出して発電する処理におけるステップを示すフローチャートである。ステップ３００で、坑井１１０は掘削されて穿孔１９０を介して下調べされ、所望の深さにおいて岩体の表面積が増やされる。このステップは、坑井１１０の熱地点１３０及び底部９０が推定された時点で、熱ネスト１４０の適切な位置及びサイズを決定するステップを含む。図１及び図２に関連して、ステップ３１０で、第１側１５０に流入する１以上の下降流パイプ６０と、所望の深さで坑井１１０内に配置される反対側の第２側１６０から流出する１以上の上昇流パイプ８０とを有する熱交換要素４０を挿入することによって熱ネスト１４０が構築される。所望の深さの始点は、熱地点１３０であり、パイプシステム５０の内容物が周囲の岩体のタイプ及び表面積に基づいて熱せられるべき所望の温度に応じて決定される。熱ネスト１４０の長さは、熱交換要素４０の長さを決定し、結果として、熱交換要素４０の内部構成要素の構造を決定する。
【００５０】
ステップ３２０で、熱交換要素４０及びパイプシステム５０が坑井１１０内に設置された時点で、熱ネスト１４０は下から上に向かって熱伝導材料１００で完全に充填される。このことは、坑井１１０内に大径パイプ２１０を介して坑井１１０内に熱伝導材料１００を注入することによって実現される。代替の実施形態では、坑井１１０内に熱伝導材料１００をポンプで供給するために第３のパイプが挿入される。第３のパイプは、その後、熱伝導材料１００が熱地点１３０に到達するまで熱伝導材料１００が坑井１１０内にポンプで供給されるにつれて坑井１１０の底部９０からゆっくりと引き抜かれる。その後、ステップ３３０に示されるように、坑井１１０は熱地点１３０から坑井１１０の頂部１８０まで断熱材７０で充填される。
【００５１】
熱ネスト１４０がひとたび熱伝導材料１００で完全に充填されて第３のパイプ２１０が坑井１１０から完全に引き抜かれると、ステップ３４０で、熱伝導材料１００は、硬化し始めて平衡温度に到達するまで熱くなり、それによって、坑井１１０の底部９０で熱ネスト１４０を囲む高温岩体から熱交換要素４０に地熱を伝導する。熱伝導材料１００が平衡温度にひとたび到達すると、ステップ３５０で、流体又は気体が、坑井１１０内で１以上の下降流パイプ６０を通って熱交換要素４０内にポンプで供給される。この流体又は気体は、ステップ３６０で、パイプシステム５０の内容物を形成し、閉ループ固体熱取り出しシステムを形成するために、熱交換要素４０内で地熱によって熱せられる。その後、内容物は、１以上の上昇流パイプ８０を介して坑井１１０から引き戻される。坑井１１０内に注入された断熱材７０は、熱せられた内容物が坑井１１０を通って上方に移動する際に熱せられた内容物を高温のまま保持して、エネルギー損失を最小限に抑えるので、熱は動力の生成のために利用されることが可能である。
【００５２】
熱せられた内容物は、その後、坑井１１０から流出して、地表で発電構成要素２０及び熱機関１２０内に流入し、ステップ３７０で、熱機関１２０において内容物からの熱が、従来技術で広く知られた技術を用いて発電するために利用される。
【００５３】
代替の実施形態では、上述のように、システムは、熱伝導材料１００に関連して使用される複数の追加材料を含んでよい。図５は、坑井１１０の断面の概念図である。図５は、本発明に係る熱ネスト１４０を示しており、熱ネスト１４０を囲む岩体内に複数の孔２２０が掘削され、追加材料で複数の孔２２０を充填することによって表面積が増やされる。図５では、複数の孔２２０を掘削することによって岩体に形成される割れ目及び裂け目から地熱が流れる。本発明は、熱ネスト１４０の構築に先立って、熱伝導材料１００を介して周囲の岩体から熱交換要素４０までの地熱の流れを最大化するためにできる限り岩体の表面積を増やすことを考慮している。追加材料の使用は、さらに多くの流体が所望の温度まで熱せられて、それ故にさらに大きく発電されることを可能にする。
【００５４】
他の実施形態では、システムは、内部構成要素の多くの様々な構造とともに、複数の追加の熱交換構成要素及び／又は熱交換要素を含んでよい。熱交換要素４０の内部構成要素の異なる構造もまた可能である。パイプシステム５０の内容物が熱交換要素４０内に存在する時間を増大させることは、熱ネスト１４０内で熱せられ得る流体又は気体の量を増大させる。１つのそうした構造は、内部構成要素が、絡み合った一連のパイプである螺旋形の形態である。図６に示されるような例えば捻れパイプなどの他の構造は、パイプの長さ（及び従って、熱交換要素４０内で内容物が移動しなければならない距離）を増大させることが、熱せられ得る内容物の量を増大させる実施形態を具現化する。
【００５５】
他の実施形態が用いられ得ること、並びに、本発明の範囲から逸脱することなく構造的及び機能的な変更がなされてよいことが理解されるべきである。本発明の実施形態に関する前述の説明は例示及び説明の目的のためになされた。そのことは、網羅的であること、又は、開示された正確な形状に本発明を限定すること、を意図していない。従って、上述の教示の観点から多くの変更及び変形が可能である。例えば、複数の熱交換要素４０が熱ネスト１４０内に設置されてよい。さらに、パイプシステムの内容物が熱交換要素内に残存する時間を増大させる熱交換要素４０に任意の構造が用いられてよい。また、さらなる表面積を作り出すために熱ネストを囲む岩体内に複数の掘削孔が掘削されてよく、そうした掘削孔は、地熱エネルギーが流れ得るさらなる表面積を作り出すために、垂直方向の、水平方向の、斜め方向の、又は任意の角度の孔を掘削するために用いられてよい。従って、本発明の範囲は、この詳細な説明によって限定されないことが意図される。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【国際調査報告】
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