地殼的中深層和深層蘊藏著巨量的地熱資源，足以滿足人類數千年的用能需求。然而，有效可靠的開發技術缺乏，阻礙了該能源的大規模開發利用。傳統的“取水用熱”地熱開發利用技術可能導致二次環境問題，容易引發地下水位降低、地表沉降、管道/設備腐蝕結垢及地面環境污染等問題；用于開發干熱巖熱能的增強型地熱系統（EGS）推進緩慢，人工造儲、井下井間連通困難和易于誘發地震等問題一直未能獲得有效解決。近年來，重力熱管因其突出的傳熱能力和“取熱不取水”的技術特點獲得了廣泛關注。利用重力熱管開采地熱資源可以有效避免“取水用熱”和EGS地熱開采所遇到的問（難）題。然而，由于存在深液池蒸發抑制和氣液卷攜等問題，重力熱管長度延長后傳熱性能大幅下降甚至運行失敗。將重力熱管擴展到數千米長度、滿足深部地熱開發的應用需求，仍具有極大的挑戰。
中國科學院廣州能源所蔣方明研究員團隊發明了具有階梯回流結構的重力熱管。這種創新性的結構設計可以有效克服深液池蒸發抑制和氣液卷攜等問題，實現數公里長度超長重力熱管（SLGHPs）的穩定運行，再結合熱管工質流體的優選，可以使SLGHPs獲得卓越的傳熱能力。蔣方明團隊研制了一根以氨作為工質的4149 m長度的重力熱管并安裝在河北雄安一口地熱深井內。取熱實驗證明了該SLGHP地熱系統的連續熱產出可以超過1 MW，熱管徑向截面的熱通量達4×107 W/m2。此外，研究團隊還提出了熱管蒸汽直驅發電的地熱發電技術方案，首創熱管產出氨蒸汽直接驅動的地熱發電機組，并與熱管地熱開采系統集成。基于該原理研制的樣機在72小時發電測試中能夠以大約7 kW功率穩定發電，確證了該地熱發電技術路線的可行性。
近日，該研究成果以Developing Kilometers-long Gravity Heat Pipe for Geothermal Energy Exploitation為題，發表于能源領域國際頂級期刊Energy & Environmental Science。廣州能源所為論文第一單位，廣州能源研究所蔣方明研究員及中國地質科學院水文地質環境地質所王貴玲研究員為共同通訊作者，廣州能源所黃文博博士及陳娟雯博士為共同第一作者。該研究得到國家重點研發計劃項目的資助。
原文鏈接：https://doi.org/10.1039/D4EE01235F
超長重力熱管及其工作原理示意
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河北雄安4149m超長重力熱管地熱開采及熱管產出蒸汽直驅地熱發電系統?
(a) 地熱開采及發電系統;(b) 測溫曲線、井身及熱管結構等;(c) 現場圖片.
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