CN111911375A - 一种新型混合式海洋温差发电系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型的海洋温差发电系统。该系统采用氨水混合物作为循环工质，并增加了气液分离器、回热器和吸热器。利用深层冷海水和表层温海水存在着温差，用温海水为系统的热源，加热沸点比较低的工质，使其蒸发沸腾推动发电机进行发电，用深层冷海水为系统的冷源，冷却液化工质，如此循环，持续不断的发电。为保证发电机持续稳定的工作，增加海洋风动力发电装置、蓄热装置和太阳能集热装置。风轮和汽轮的低速轴在增速齿轮箱相结合，增速后将动力传给发电机，进行发电。在增速齿轮箱上加装测风仪和风速控制装置，当风速变化时，控制装置可控制齿轮的齿距，保证发电系统持续稳定的发电、大大提高了其发电热效率也扩大了其海域适用面积。

Description

一种新型混合式海洋温差发电系统

技术领域

本发明涉及一种新型混合式海洋温差发电系统，具体涉及一种利用风能、太阳能与海洋温差能进行发电的以氨水混合物为工质的卡林纳-11循环方法，属于机械工程和新能源联合发电领域。

背景技术

能源是支撑人类文明进步的物质基础，是当今社会发展不可或缺的基本条件。随着人类对能源需求的增长，也面临着环境污染、能源枯竭等威胁。海洋能是一种蕴藏在海洋中的可再生能源，能源储量巨大，并且海洋温差能所占比重最大，所以海洋温差能的开发利用具有很好的发展前景。

海洋温差发电(Ocean thermal energy conversion简称OTEC)是利用海洋表面和海洋深处的温度差及其温、冷不同热源，经过热交换器及涡轮机来发电的新技术。这种技术的优点是利用可再生清洁能源，过程中不排放污染物，同时还可得到许多副产品，如淡水等。它的开发利用也将对缓解当前能源短缺、淡水资源日益匮乏、生态环境恶化的现状起着积极地作用，也被认为是最具潜力的能源利用方式之一。

利用海洋温差发电的概念，最早于1881 年由法国物理学家雅克登科登·阿松瓦尔在“太阳海洋能”一文中提出，我国的海洋温差能发电技术正处于研究试验阶段。从20世纪80年代初开始在广州、青岛和天津等地开始温差发电技术的研究。1986年广州研制完成开式温差能转换试验模拟装置, 1989年又完成了雾滴提升循环试验研究。2012年8月28日国家海洋局第一海洋研究所研究员刘伟民建立了我国第一个实用温差能发电装置，该项目填补了我国在此领域内的空白。

从循环系统角度来说，由于冷热海水温差通常在15～25 °C之间，纯氨工质海洋温差发电系统循环效率仅约为3%。发电效率低，很难实现大规模商业化应用。由于深表层海水温差受到昼夜、季节等因素的影响，温差不稳定，传统的OTEC很难满足发电机组稳定工作的需求。

发明内容

本发明涉及一种新型混合式海水温差发电系统，具体涉及利用风能、太阳能和海水温差能联合发电，该系统不仅克服了发电效率低、发电机组工作不稳的缺点，同时还扩大了海水温差发电的海域面积。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案。

本发明是一种新型的海洋温差发电系统，它包括泵、太阳池、太阳能集热器、脱气器、闪蒸器、蒸发器、分离器、风力发电装置、透平、发电机、吸热器、冷凝器、氨储液罐、循环工质泵、回热器和喷水装置。用氨水混合物作为循环工质，利用深层冷海水和表层温海水存在着温差，用温海水为系统的热源，加热沸点比较低的工质，使其蒸发沸腾推动发电机进行发电，用深层冷海水为系统的冷源，冷却液化工质，如此循环，持续不断的发电。

所述泵，包括温海水泵、液体工质泵、工质泵和深海水泵，温海水泵把温海水输送到太阳池和太阳能集热器中进行两次加热，液体工质泵把闪蒸器中的高温海水送人蒸发器，再在工质泵的作用下进入卡林纳-11循环，深海水泵抽取冷海水送入到冷凝器，冷却工质成液态，持续不断的循环。

所述太阳池是一种以太阳辐射为能源的人造的盐水池。它是利用具有一定盐浓度梯度的池水作为集热器和蓄热器的一种太阳能热利用系统。最上层称为上对流层，也叫保温层，一般由清水组成，其温度与环境温度相近；最下层称为下对流层，也叫蓄热层，由饱和的盐溶液组成，主要作用是储热和吸热；中间层称为非对流层，也叫梯度层，是太阳池的关键部分，梯度层溶液由于其浓度是不断增大的，这样它就能有效地防止下层池水由于温度升高而产生的竖直方向的自然对流，因而可以使得下对流区的温度比上对流区的温度高许多，从而达到收集和储存太阳能的目的。所述温海水先经过太阳池加热后在送入太阳能集热器。

所述太阳能集热器是吸收太阳辐射并将产生的热能传递到传热介质的装置，给来自太阳池的海水进一步加热，提高系统温差。

所述脱气器包括三条管路，一条是连接太阳能集热器，吸入经太阳池和太阳能集热器加热后的海水；一条是排气口，排出过程中产生的气体；一条是连接闪蒸器，把脱气后的热海水送入闪蒸器内。

所述闪蒸器是包括三条管路，一条是连接脱气器，吸入来自脱气器的热海水；一条连接到太阳池，另一条连接蒸发器，海水在闪蒸器中降压后一部分没有蒸发的热海水被排入到太阳池内循环工作，另一部分海水变成蒸汽在工作泵的作用下进入闭式卡林纳-11循环系统的蒸发器中。

所述蒸发器、分离器、透平、发电机、吸热器、冷凝器和回热器共同组成闭式卡林纳-11循环系统，并通过工质实现能量的相互转换。

所述风力发电装置，风轮和汽轮的低速轴在增速齿轮箱相结合，增速后将动力传给发电机，进行发电。在增速齿轮箱上加装测风仪和风速控制装置，当风速变化时，控制装置可控制齿轮的齿距，保证发电系统持续稳定的发电。

所述喷水装置，即从冷凝器来的冷海水温度虽然有一定的提高，但温度相对海水表面温度依然很低，所以要先经过一个小型的太阳能集热器对其预热，然后送入喷水装置，喷洒到空中，经太阳照射后洒向海中，减小冷海水对海洋表面的生态环境造的影响。

综上所述本发明的优点是：本发明综合利用了太阳能、风能和海洋温差能3种清洁新能源进行发电。增了太阳能和太阳能集热器，提高了海水的温差，同时提高了系统的发电效率，使实际发电效率可以达到14%，也扩大了海水温差发电装置的海域面积；新增了风力发电装置，大大提高了发电机组的工作稳定性；采用了闭式卡林纳-11循环系统，以氨水混合物为工质，减小了海水及工质使用量、增大净功、减小换热面积、降低透平进口压力等方面效果显著；冷海水不是直接排放到海平面，而是加装了一个小型太阳能集热器和喷水装置，使冷海水升温后排入海里，很好的保证了海洋表面的生态环境；蒸发器排出的纯净的淡水可以收集起来，供给附近的人民使用，缓解了淡水资源稀少的压力。综上所述本发明具有重要的实用价值，适用于大规模商业化推广。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是汽、风轮相结合的发电装置图。

图2是本发明的系统图。

图1中a、工质蒸汽；b、汽轮；c、风轮；d、低速转轴；e、齿轮箱；f、风速测量仪；G、发电机；h、控制系统；i、齿轮控制；j、转数控制；k、高速轴。

图2中 1、温海水泵；2、太阳池；3、太阳能集热器；4、脱气器；5、闪蒸器；6、液体工质泵；7、蒸发器；8、分离器；9、风力发电装置；10、透平；11、发电机；12、吸收器；13、冷凝器；14、按储液罐；15、工质泵；16、回热器；17、阀门；18、深海水泵；19、小型太阳能集热器；20、喷水装置；101、温海水； 102、海平面； 103、闪蒸器中浓海水； 104、流经蒸发器的淡水； 105、脱气器排气；106、来自深海的冷海水。

具体实施方式

为使本发明的技术手段、创作特征、实现目的和优点能易于明白了解，下面结合图例进一步阐述本发明。

基于海洋温差发电产业化、提高其发电效率和由于昼夜和季节等因素对海水温差的影响而导致的发电机不能稳定的工作的原因，同时考虑到风能和海洋温差能一样，即是一次能源，也是可再生能源，而且海洋表面同样蕴藏着丰富的风能，且很少具有静风期。故该系统采用风力发电和工质气化膨胀两种方式分别驱动透平叶片转动，两种动力装置的低速轴在增速齿轮箱相结合，增速后将动力传给发电机，进行发电。并在增速齿轮箱上加装测风仪和风速控制装置，当风速变化时，控制装置可控制齿轮的齿距，保证发电系统持续稳定的发电。

基于以上所述原理，汽、风轮相结合的发电装置如图1所示。

本发明所提供的新型混合式温差发电系统主要由三部分组成，半开式温海水循环系统、闭式卡林纳-11循环系统和开式冷海水循环系统。

参见图2所示，整个系统主要由太阳池、太阳能集热器、脱气器、闪蒸器、蒸发器、分离器、风力发电装置、透平、发电机、吸热器、冷凝器、氨储液罐、泵、回热器和喷水装置组成。

温海水泵、太阳池、太阳能集热器、脱气器和闪蒸器构成了半开式温海水循环系统，在该系统中温海水由泵的作用先经过太阳池进行加热，升温后的海水在进入太阳能集热器里面进行二次加热，得到的高温海水首先进入脱气器脱脱气后在送入闪蒸器，海水经降压后，一部分海水变成蒸汽在工作泵的作用下进入闭式卡林纳-11循环系统的蒸发器中，另一部分没有蒸发的高温海水被排入到太阳池内循环工作。

蒸发器、分离器、风力发电装置、透平、发电机、吸热器、冷凝器、氨储液罐、工质泵和回热器构成了闭式卡林纳-11循环系统，该系统的循环工质采用氨与水的二元混合物，工质被抽入蒸发器中，被来自闪蒸器的高温蒸汽加热，形成氨水两相混合物，蒸汽被送入透平中经透平叶片膨胀作功，驱动发电机发电，同时安装在海平面上的风力发电装置辅助提高和调整叶轮的转速，从而保证发电机持续稳定的发电。最后透平排气进入冷凝器。由于工质是沸点不同的氨水混合物，氨的沸点要比水的沸点低很多，在蒸发器中工质有一部分没有蒸发，所以要在透平前加装分离器，以保证进入透平的工质主要是气相。未蒸发的工质流入回热器中进行回热利用，最后和透平排气在吸收器中混合后一块送入冷凝器，保证工质在冷凝器中正常冷凝。

冷海水泵、小型的太阳能集热器和喷水装置构成了开式冷海水循环系统中，冷海水被送入冷凝器冷却工质变成液相，从冷凝器流出的冷海水首先经过小型太阳能集热器进行初步预热，然后在送入喷水装置内，喷水方向由下向上喷出雾状的小水滴，再喷洒的过程中经过太阳的照射温度接近海水表面温度后在排入海洋中。

基于上述原理和技术，本发明具体实施如下：

1、约20-25°C的饱和工质（温海水）在温海水泵加压后送入太阳池中，经过太阳池的加热，工质温度提升到30-50°C，然后再流入太阳能集热器，进行二次加热，工质温度被提升到60到80°C所对应的蒸发压力，仍为液体。

2、工质通过脱气器脱气后进入闪蒸器，进行低压闪蒸。闪蒸器的蒸汽进入如蒸发器冷凝换热，剩下的浓海水流入太阳池进行循环工作。

3、流经蒸发器的液态工质（氨水混合物），换热形成氨水两相混合物，蒸汽部分被送入透平中经透平叶片膨胀作功，驱动发电机发电，直接输出电能。

4、同时安装在海平面上的风力发电装置辅助提高和调整叶轮的转速，从而保证发电机持续稳定的发电。

5、由于工质是沸点不同，氨的沸点要比水的沸点低很多，在蒸发器中工质有一部分没有蒸发，所以要在透平前加装分离器，以保证进入透平的工质主要是气相。未蒸发的工质流入回热器中进行回热利用，最后和透平排气在吸气器混合后一块送入冷凝器。

6、流经冷凝器的工质被海洋深层海水冷凝降温成饱和液体。传统的海洋温差发电系统要抽取5°C左右的冷海水，要在海平面以下600-1000m的深部抽取，但本发明增加了太阳池和太阳能集热器对温海水二次加热，提高了海水温差，从而可以减小深海水的抽取深度，节约投资，进而也可以减小无菌且富含营养的深海水对海洋表面生态的影响。

7、从冷凝器流出的工质在工质泵的作用下经回热器初步升温后送入到蒸发器中，完成一个循环，实现电力的输出。整个系统不需要额外的电能补充，系统自身发电量完全可以满足其运行所需电量，并有富余，可以用于其他用途。

本发明与传统的温差发电系统相比，采用闭式卡林纳-11循环，并增加太阳池和太阳能集热器，大大提高了热源的温度，使蒸发温度达到60-80°C，相当于增加了两套温差20-30°C的发电系统，由工程热力学相关知识和基本理论，可以计算出其发电效率的绝对值可增加8-10%，减小海水及工质使用量、增大净功、减小换热面积、降低透平进口压力等方面效果显著。

该新型混合式SOTEC系统，理论效率可以达到13％左右，对环境影响很小、不消耗一次能源，既可发电也能得到淡水，实现了海洋温差能和风能的综合利用，具有重要的实用价值，适用于大规模商业化推广。同时本发明促进了我国海洋能源的开发利用，加速替代化石能源，减小环境污染，改善我们赖以生存的环境，造福子孙后代，有相当光明的应用前景。

Claims (10)

1.一种新型混合式海洋温差发电系统，其特征在于，该发电系统以温海水为热源的能量来源，以深海冷水为冷源，以氨水混合物为工质，通过卡林纳-11循环系统实现热功转换，并拖动发电机发电；其特征还在于，利用海洋风进行辅助发电，该风力发电装置的风轮与汽轮的低速轴在增速齿轮箱相结合，增速后将动力传给发电机，进行发电。

2.在增速齿轮箱上加装测风仪和风速控制装置，当风速变化时，控制装置可控制齿轮的齿距，保证发电系统持续稳定的发电。

3.如权利要求1所述的一种新型混合式海洋温差发电系统，其特征在于，所述系统的热源是温海水，经过太阳池和太阳能集热器二次加热后，温度达到60°C以上，把热量传给工质（氨水混合物）。

4.如权利要求1所述的一种新型混合式海洋温差发电系统，其特征在于，所述低沸点工质是氨水混合物。

5.如权利要求1所述的一种新型混合式海洋温差发电系统，其特征在于，所述系统的冷源是深冷海水，其温度要小于20°C。

6.如权利要求1所述的一种新型混合式海洋温差发电系统，其特征在于，蒸发器、分离器、透平、发电机、吸热器、冷凝器和回热器共同组成闭式卡林纳-11循环系统，并通过工质实现能量的相互转换。

7.如权利要求1所述的一种新型混合式海洋温差发电系统，其特征在于，风轮和汽轮的低速轴在增速齿轮箱相结合，增速后将动力传给发电机，进行发电。

8.在增速齿轮箱上加装测风仪和风速控制装置，当风速变化时，控制装置可控制齿轮的齿距，保证发电系统持续稳定的发电。

9.如权利要求1所述的一种新型混合式海洋温差发电系统，其特征在于，喷水装置，即从冷凝器来的冷海水温度虽然有一定的提高，但温度相对海水表面温度依然很低，所以要先经过一个小型的太阳能集热器对其预热，然后送入喷水装置，喷洒到空中，经太阳照射后洒向海中，减小冷海水对海洋表面的生态环境造的影响。

10.根据权利要求1所述一种太阳能-海洋温差能联合发电系统，其特征在于，所述发电系统选择连续运行。

Images