浮式太阳能集热器辅助海洋热能转换发电机 |
|||||||
| 申请号 | CN201380045175.8 | 申请日 | 2013-08-12 | 公开(公告)号 | CN104603553A | 公开(公告)日 | 2015-05-06 |
| 申请人 | 查尔斯·M·格里姆; | 发明人 | 查尔斯·M·格里姆; | ||||
| 摘要 | 一种海洋 热能 转换(OTEC)系统，所述系统包括一具有一上游侧及一下游侧的 涡轮 。温 水 在部分 真空 条件下转换为一 蒸汽 ，在一由所述温水的 温度 控制的压 力 下，所述蒸汽被供应至所述涡轮的上游侧。所述涡轮的下游侧设置有一 冷凝器 ，以使所述蒸汽在经过所述涡轮之后经历相转变而恢复为液体，而此液体可作为 饮用水 使用。所述冷凝器连接至一 冷却液 源，而在所述涡轮下游侧的蒸汽的压力由所述冷却液的温度决定。小温差导致小压差，这限制了所述涡轮的有效性。一挠性浮式 太阳能 集热器在高于标准 环境温度 的温度条件下，向所述上游侧供应所述暖温液体。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种海洋热能转换(OTEC)系统，包括：一具有一上游侧及一下游侧的涡轮，所述涡轮具有一上游侧及一下游侧的涡轮，所述涡轮机械地连接至一发电机；一转换器，所述转换器连接至所述涡轮的上游侧，所述转换器具有一温水入口及一部分真空源；一冷凝器，所述冷凝器连接至所述涡轮的下游侧，所述冷凝器具有一出口及一冷却液源；一浮式太阳能集热器，所述浮式太阳能集热器连接至所述转换器的所述温水入口；以及一饮用水分配器，所述饮用水分配器连接至所述冷凝器的所述出口。 |
||||||
| 说明书全文 | 浮式太阳能集热器辅助海洋热能转换发电机[0001] 相关申请的交叉引用 [0002] 本申请涉及于2012年8月29日提交的美国61/743,236号临时专利申请(US Provisional Applications Serial Number 61/743,236)及于2013年2月5日提交的美国61/849,927号临时专利申请(US Provisional Applications Serial Number61/849,927)，并对上述美国临时专利申请的所有权益提出要求。 背景技术[0003] 自1920年代后期及1930年代早期，人们已经对海洋热能转换(Ocean Thermal Energy Conversion,OTEC)系统进行了研究，并且根据于19世纪中叶开发的“朗肯循环”(Rankine Cycle)的原理，对小规模的海洋热能转换系统进行了试验。这些系统涉及一种具有一上游侧及一下游侧的涡轮。在所述涡轮的上游侧，暖温液体在部分真空条件下转换为一蒸汽，而在此过程中，蒸汽压力则由暖温液体的温度控制。所述涡轮的下游侧设置有一冷凝器，以使所述蒸汽在经过所述涡轮之后经历相转变而恢复为液体。所述冷凝器连接至一冷却液源，而在所述涡轮下游侧的蒸汽的压力由所述冷却液的温度决定。小温差导致小压差，这限制了所述涡轮的有效性。 [0004] 为了增加温差，海洋热能转换(OTEC)系统通常位于可利用深水而且海洋表面温度为最高且日照时间最长的地方。一般上，最有利的场址接近赤道。为了进一步增加温差，典型的海洋热能转换(OTEC)系统利用从大约1000米的极端海洋深度抽上来的海水作为冷却液。然而，典型的海洋热能转换(OTEC)系统利用它们所能产生的能量的大约80％来泵送温热表面水以及从所述极端深度将冷却水泵上来。 [0005] 图1中显示一典型的采用先前技术的陆基开环海洋热能转换(OTEC)系统10毗邻一水体。所述系统10具有一温水入口14，该温水入口14靠近水体表面40，一般上在该温水入口14处的水温度t2为大约27℃。在深度为大约1000米处设有一冷水入口12，一般上在该冷水入口12处的水温度t1为大约5℃。温水通过温水入口14带入并泵入一温水脱气箱16。借助一真空泵22，从蒸发箱18泵出空气，以实现部分真空。脱气温水接着从所述脱气箱16泵入所述蒸发箱18，这导致一部分脱气温水闪蒸为蒸汽，因此使蒸发箱18中的压力增加至一初始压力P1。所述蒸汽接着被进给至涡轮26的上游侧。所述蒸汽接着经过涡轮26，到达涡轮26的下游侧，然后进入冷凝器20。由于获供由泵24从冷水入口12泵上来的冷水，所述冷凝器20的温度保持在温度t1。所述蒸汽在冷凝器20中冷凝导致冷凝器20中及涡轮26下游侧的压力降低至一排出压力P2，排出压力P2低于初始压力P1。压差ΔP＝P1–P2导致蒸汽流动通过涡轮26，使涡轮26旋转。涡轮26接着驱动发电机28。以冷凝蒸汽为形式的水可以从冷凝器20中抽取，然后存储在一水箱30中，作为饮用水或蒸馏水使用。所述发电机28可以连接至一合适电网42，供分配及使用。 [0006] 许多较大困难已经阻止采用先前技术的海洋热能转换(OTEC)系统实现商业上之成功。第一困难在于在面对海洋中经常遇到的汹涌海流条件下，在1000米深处设置及维护直径为10米的大管。第二困难在于典型系统的固有无效率。在温度变化Δt＝t2–t1为20℃条件下对“卡诺效率”(Carnot efficiency)进行的分析显示，一系统能够达到的最佳效率为大约7％。在实践中，由于涡轮入口及出口之间的泵压差ΔP低(大约0.4psi)、泵气损失及温度变化Δt's小，目前的海洋热能转换(OTEC)系统的效率介于大约1％及2％之间。 [0007] 到目前为止人们试图设计的许多所述系统的另一问题在于它们是陆基系统，而深海冷水不仅必须从所述深度处泵上来，还必须泵送经一可观横向距离才能到达岸上发电厂，这导致压力损失及冷却水升温。海滨土地可能昂贵得让人不敢问津，而且由于飓风而存在危险。温差最高地区(赤道大西洋)并不靠近需要大量能量的地区。在过去，整个系统的生物污损也曾导致严重故障。 [0009] 本设计的海洋热能转换(OTEC)系统可以包括一连接至所述温水入口的大型挠性浮式太阳能集热器。所述太阳能集热器可以向所述蒸发器-蒸汽产生器供应大量的很热的水(温度为大约80℃～85℃)，这减少了为提供所需蒸汽量而需要的水量。在温度变化Δt为73℃至78℃时，提高的入口温度使“卡诺效率”改进至大约21％。 [0010] 本设计的海洋热能转换(OTEC)系统可以包括一位于海水表面或靠近海水表面(而不是位于大深度处)的冷却水入口。利用表面海水(而不是深海水)来冷却所述冷凝器去除了对深水水管的需要，而且在温度变化Δt为53℃至58℃时使“卡诺效率”只降低至大约17％。 [0011] 连同在一船只上放置所述发电机涡轮以及围绕所述船只连接所述大型挠性浮式太阳能集热器一起建造本设计的海洋热能转换(OTEC)系统的所述蒸发器部分及冷凝器部分，使泵送距离最小化并因此使由于压力损失及热损失而造成的效率损失最小化。可以添加一大型绝缘浮池，热水可以在白天从所述太阳能集热器沉积在所述大型绝缘浮池中，然后在傍晚及夜间抽取，以使所述发电机船每周7日、每日24小时保持运作。 [0012] 此外，本设计的海洋热能转换(OTEC)系统不再需要位于赤道上以获得最大温度变化Δt's来改善效率。现在因为有了以所述太阳能集热器热水器改善的系统，一海洋热能转换(OTEC)系统可以有效率地安装在水不结冰及有有效日照的任何地方。如果所述系统在一船只上，则也可以移动该系统以避免严酷天气。 [0013] 从以下关于附图中描绘的优选实施例的讨论，本海洋热能转换(OTEC)系统的其他特征及优势以及这些特征的相应优势当变得显然。所述附图中的构件并非一定成比例，而附图的重点是放在描绘操作原理。此外，附图尽可能在全部视图中以相同编号指明相应的部件。 附图说明[0014] 图1为一典型的采用先前技术的陆基开环海洋热能转换(OTEC)系统的示意图。 [0016] 图3为本设计的一挠性浮式太阳能集热器/热交换器的示意图。 [0017] 图4为本设计的具有一浮式太阳能集热器/热交换器及一近表面冷却水入口的一陆基开环海洋热能转换(OTEC)设施的示意图。 [0018] 图5为本设计的具有一浮式太阳能集热器/热交换器及一近表面冷却水入口的一船基开环海洋热能转换(OTEC)设施的示意图。 [0019] 图6为类似图3的一示范性太阳能集热器的测得温度上升的曲线图。 具体实施方式[0020] 图2显示本设计的一海洋热能转换(OTEC)系统的第一实施例，所述系统可以包括一个或多个大型浮式太阳能集热器32。所述太阳能集热器32设计用来使被引入温水入口14的水加热至超过水体40的毗邻水体的表面温度的一温度t2。所述太阳能集热器32可以不昂贵地建造，例如通过缝合至少两层塑料材料以形成一浮式支撑，用于支持一连接至所述温水入口14的管。在图2显示的实施例中，如同图1显示的先前技术一样，由于获供由泵24从冷水入口12泵上来的冷水，所述冷凝器20保持在温度t1。进入温水入口14的水的这个较高温度t2转化为一比结合图1讨论的采用先前技术中存在的温度变化来得更大的温度变化Δt。此外，由于水被引入所述蒸发箱18以形成蒸汽，一般代表引入体积的 90％或更多的未被转换为蒸汽的水，可以通过一再循环管19再循环到所述太阳能集热器 32。再循环水的温度已经通过蒸汽蒸发过程冷却，但其温度还是比表面海水来得高，从而减少为达到所需温度t2而需要的太阳能的量。这种再循环也使得用于使进入所述脱气箱18的水脱气所需的能量减少多达七倍，这是由于所述进水的至少一部分先前已经通过所述脱气过程。 [0021] 在一实施例中，所述太阳能集热器32可以是图3中显示的一挠性浮式太阳能集热器，其以沿着一接合缝31彼此毗邻接合的多个反射片33建造。一透明或半透明的覆盖件35也可以沿着接合缝31连接至所述反射片33的边缘。所述反射片33与所述覆盖件35之间的空间可以以一轻于水的材料(比如空气)填充，以使所述反射表面保持一接近类似抛物线槽的外形。也可以包括附加的中腹板35A，以增强所述反射片33与所述覆盖件35之间的结构关系。可以将一管34(优选黑色或其他光吸收颜色或质地)安装到所述覆盖件35的中间部分，使得能够定位于相对所述太阳能集热器32的反射曲面33的一最佳位置，以将阳光发射到所述管34。所述管34可以包括弯曲的中间部分34A，使得形成设置在毗邻的覆盖件35的最佳点的一蜿蜒图样。优选地，所述反射片33将照射在管34的所述集热器32上的可用阳光的大约60％聚焦。可以将多个挠性浮式太阳能集热器32排列在一起，使得当一个太阳能集热器32存在任何维护问题时，可以在不影响经加热的水从其余功能正常的太阳能集热器32流出的情况下将所述有问题的太阳能集热器32拿掉。 [0022] 管34可以具有一连接到温水入口14的出口端。一与管34的所述出口端相对的入口端可以轻易地置入毗邻水表面的周围水体40，而且也可以连接至再循环管19。未在所述蒸发箱18中转换为蒸汽的水的温度可以相对比周围环境的温度来得高(一般大约为58℃)。使此水循环通过再循环管19可以提供额外效率，这是由于此水已经“预热”及脱气，而且此举可以更快地使此水经太阳能加热至介于80℃至85℃范围的期望输出温度。使用简单的水平式太阳能跟踪器，可以使泵经管34的水由入射阳光加热至介于80℃至85℃范围的温度。经加热的水可以运送至所述蒸发箱18，而经加热的水在所述蒸发箱18在约为 8.4psi的降低压力P1下变成蒸汽。这个降低压力蒸汽接着流经所述涡轮26而进入所述冷凝器20。所述冷凝器20中的压力P2随着所述蒸汽冷凝为水而降低至大约0.5psi。所述蒸发箱18与所述冷凝器20之间的压差ΔP确保蒸汽以期望流率流经所述涡轮26。所述涡轮26入口侧的相对较高蒸汽压力，加上所述涡轮26出口侧的相对较低压力，导致所述涡轮26旋转。与以上讨论的使用先前技术的装置相比，这个压差ΔP的20倍增量可使所述涡轮26以高得多的速率及以更高的总效率驱动所述发电机28。 [0023] 图4中显示的实施例去除所述深水水管及该水管的深水维护、位置限制、从深处泵送大量冷水的成本、冷水的温度在其被带到表面的过程中提高而造成的热损失。在本实施例中，进给至所述冷凝器20的水的输入口12是位于与毗邻水体的表面40毗邻处，该处的温度一般为27℃。从这个表面位置取得的温度较高的水一般只造成“卡诺效率”从大约21％降低至大约17％，降幅为4％。图4中显示的实施例提供来自多个太阳能集热器32的热水温度(t1＝85℃)与来自水体40表面的冷凝液的冷却水温度(t2＝27℃)之间的一个温度变化Δt(t1-t2＝58℃)。图4的实施例提供的温度变化Δt大于图1的先前技术提供的17℃的温度变化Δt(Δt＝t1-t2)，其中t1为来自毗邻水体的表面40的温水的温度(t1＝27℃)，而t2为抽自深水的冷凝液的温度，温度约为10℃。 [0024] 图5中显示的另一实施例可以包括一大型浮式热水箱36，用于存储在白天取自所述太阳能集热器32的热水，以及在傍晚及夜间流出热水，因此可每周7日、每日24小时工作。可以添加另外的太阳能集热器32以便在其余的太阳能集热器32供应热水至所述蒸汽产生器18时填充热水箱36。一个50x50x50立方英尺的水箱36将能存储大约一百万加仑的热水。在一温度为27℃的海洋中，这样的一个水箱36将在大约12小时的时间内从大约85℃冷却至大约80℃，因此其可能提供一昼夜作业的太阳能热水来源。这个实施例也可以包括一浮式可移动支撑38(比如一船只或一驳船)，所述浮式可移动支撑38上具有一蒸发器18、一涡轮26、一发电机28、一冷凝器20以及连接至所述浮式可移动支撑38周围的多个大型挠性浮式太阳能集热器32。浮式热水存储箱36也可以连接到所述浮式可移动支撑38或作为所述浮式可移动支撑38的一组成部分。可以相对于所述浮式太阳能集热器32的出口，监测所述浮式热水存储箱36中的水温度。可以在所述热水存储箱36中的水温度超过所述太阳能集热器32的出口处的温度的任何时候，从所述浮式热水存储箱36抽取热水。 [0025] 本实施例也使用一装置42来将所产生的电配送到岸上的接收站，但由于本实施例可移动，因此可避免恶劣天气。例如，所述配电装置42可以包括一条或多条海底电力电缆，各海底电力电缆的第一端连接至一陆基电力配送网络，其第二端由一浮筒支撑在海洋中的期望位置。由所述浮式可移动支撑38支撑的系统可以定位为连接至海底电力电缆的浮筒支撑第二端的其中之一，使得图5中显示的系统所产生的电力可以在岸上利用。 [0026] 图6为类似图3的一示范性太阳能集热器的测得温度上升的曲线图。所述示范性太阳能集热器34由外直径大约为5cm的黑色单壁高密度聚乙烯波纹管组成。所述管34位2 于一总面积为1.98m的40cm宽反射器32之上的中间位置。图6中显示的测试开始时空气及水的环境温度为27℃。在经过49分钟暴露于阳光之后，所述管34中的水温度上升至 88℃。按比例加大这样的一个太阳能热交换器，面积大约一公顷的太阳能集热器将含有稍多于27kL(千升)的水。如果这样的系统中的水以稍高于9L/s(升/秒)的流率循环，则水的循环时间将会是所述报道试验中使用的49分钟，而这个时间足以在每一循环让水的温度提高接近60℃，以及足以将所增加的热量输送到所述蒸汽产生器18。 [0027] 以上说明中的描述并非意在限制本发明于此中揭示的材料。相反地，这些描述只是为了阐明目的而已，这是由于本领域的技术人员能够轻易地按比例决定本发明的尺寸及材料，以从小到大、从大约10kW(千瓦)至1GW(千兆瓦)的任何规模的海洋热能转换(OTEC)系统进行工作。开环系统产生供发电的蒸汽，然后使蒸汽冷凝，产生大量的蒸馏水。这种系统的小版本将可轻易地用于任何滨海场址，在紧急状况下向任何滨海场址提供电力及淡水。小系统可以用于向远程位置(比如石油钻塔或小岛)供应水及电力。不需为系统运送化石燃料。一个10兆瓦的发电厂每天将产生超过1百万加仑的蒸馏水，而事实上其价值可能超过世界上某些地区产生的电力。 |
||||||
