CN102713282B - 提高补充的海洋热能转化(sotec)系统的效率 - Google Patents

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Abstract

本发明描述了用于提高海洋热能转化(OTEC)系统的效率的系统和方法。在一些实例中，所述系统使用太阳能收集器收集热能，加热位于所述太阳能收集器内的海洋水，并将经加热的水提供至OTEC系统，如提供至热力发动机的蒸发器。在一些实例中，所述OTEC系统将电力和其他能量提供至另一系统，从而产生能量和资源的可持续经济发展的循环。

Description

提高补充的海洋热能转化(SOTEC)系统的效率
相关申请的交叉引用
本申请要求如下专利申请的优先权和权益：2010年2月13日提交的名称为“FULLSPECTRUMENERGYANDRESOURCEINDEPENDENCE”的美国临时申请No.61/304,403；2010年2月17日提交的名称为“ELECTROLYTICCELLANDMETHODOFUSETHEREOF”的美国专利申请No.12/707,651；2010年2月17日提交的名称为“ELECTROLYTICCELLANDMETHODOFUSETHEREOF”的PCT申请No.PCT/US10/24497；2010年2月17日提交的名称为“APPARATUSANDMETHODFORCONTROLLINGNUCLEATIONDURINGELECTROLYSIS”的美国专利申请No.12/707,653；2010年2月17日提交的名称为“APPARATUSANDMETHODFORCONTROLLINGNUCLEATIONDURINGELECTROLYSIS”的PCT申请No.PCT/US10/24498；2010年2月17日提交的名称为“APPARATUSANDMETHODFORGASCAPTUREDURINGELECTROLYSIS”的美国专利申请No.12/707,656；2010年2月17日提交的名称为“APPARATUSANDMETHODFORCONTROLLINGNUCLEATIONDURINGELECTROLYSIS”的PCT申请No.PCT/US10/24499；以及2009年8月27日提交的名称为“ELECTROLYZERANDENERGYINDEPENDENCETECHNOLOGIES”的美国临时专利申请No.61/237,476。这些申请中的每一个以全文引用的方式并入。
背景技术
世界的热带海洋有利于在其热表层水和其冷深层水之间的巨大热力发动机的运行。例如，表层水的典型温度可为25至27摄氏度之间，深层水温度的典型温度可为4至6摄氏度之间。这种温度差异辅助热力发动机蒸发和冷凝工作流体，这转而驱动涡轮机产生电力。这种系统常常称为海洋热能转化(OTEC)设备或系统。
不利地，存在与目前的OTEC系统相关的许多问题，包括低能量转化效率、较高的运行成本等。适于常规OTEC设备的大多数海洋位置在人口中心较远距离处，并需要昂贵且困难的运输机制以将产生的能量带入市场。当尝试放大这种运行以满足世界的显著能量需要时，这些大量的基础设施成本和固有的低效率产生较大的困难。
存在对克服如上问题以及提供另外的益处的系统和方法的需要。总的来说，一些现有系统或相关系统及其相关的局限性的本文的例子旨在为说明性的且非排他的。通过阅读如下详细描述，已有系统或现有系统的其他局限性对于本领域技术人员而言是显而易见的。
附图说明
图1A为示出了根据本公开的方面的补充的海洋热能转化系统的框图。
图1B为示出了根据本公开的方面的海洋基全面系统的框图。
图1C为示出了根据本公开的方面的可持续经济发展的一体化生产系统的框图。
图1D为示出了根据本公开的方面的可持续经济发展的一体化生产的海洋基系统的框图。
图1E为示出了根据本公开的方面的太阳能海洋热能转化系统的框图。
图2为示出了用于提高根据本公开的方面的海洋热能转化系统的效率的程序的流程图。
图3为示出了根据本公开的方面的分段太阳能收集器组件的端视图的示意图。
图4为示出了根据本公开的方面的具有封闭气囊的太阳能收集器组件的侧视图的示意图。
图5为示出了根据本公开的方面的在绝缘空间内具有网的太阳能收集器的侧视图的示意图。
图6A为示出了根据本公开的方面的具有线性透镜的分段太阳能收集器组件的端视图的示意图。
图6B为示出了产生用于根据本公开的方面的太阳能收集器组件的加压气体的装置的示意图。
图7为示出了根据本公开的方面与各种水流一起使用的太阳能收集器的示意图。
图8A为示出了根据本公开的方面的补充的OTEC系统的俯视图的示意图。
图8B为示出了根据本公开的方面的具有多个太阳能收集器组件的补充的OTEC系统的俯视图的示意图。
图8C为根据本公开的方面的太阳热能转化系统的俯视图。
图9为示出了根据本公开的方面的由多个螺旋组件补充的OTEC设备的俯视图900的示意图。
图10为示出了根据本公开的方面的由太阳能收集器驳船补充的OTEC设备的俯视图的示意图。
图11为示出了根据本公开的方面的太阳能收集器组件的侧视图1100的示意图，所述太阳能收集器组件被构造为直接加热热力发动机所用的工作流体。
图12为示出了根据本公开的方面的由太阳能收集器组件补充的陆基OTEC设备的俯视图1200的示意图。
图13为示出了根据本公开的方面的由来自地质地层的热补充的OTEC设备的示意图。
图14为示出了根据本公开的方面的由地热能补充的OTEC系统的示意图。
图15为示出了根据本公开的方面的将OTEC系统与其他能量产生系统一体化的系统的示意图。
图16为示出了根据本公开的方面的将OTEC系统与甲烷释放机制一体化的系统的示意图。
具体实施方式
本申请以全文引用方式并入如下申请的主题：2004年11月9日提交的名称为“MULTIFUELSTORAGE，METERINGANDIGNITIONSYSTEM”的美国临时专利申请No.60/626,021(代理人卷号No.69545-8013US)和2009年2月17日提交的名称为“FULLSPECTRUMENERGY”的美国临时专利申请No.61/153,253(代理人卷号No.69545-8001US)。本申请还以全文引用的方式并入同时于2010年8月16日提交的如下美国专利申请的每一个的主题，所述美国专利申请的名称如下：“METHODSANDAPPARATUSESFORDETECTIONOFPROPERTIESOFFLUIDCONVEYANCESYSTEMS”(代理人卷号No.69545-8003US)；“COMPREHENSIVECOSTMODELINGOFAUTOGENOUSSYSTEMSANDPROCESSESFORTHEPRODUCTIONOFENERGY，MATERIALRESOURCESANDNUTRIENTREGIMES”(代理人卷号No.69545-8025US)；“ELECTROLYTICCELLANDMETHODOFUSETHEREOF”(代理人卷号No.69545-8026US)；“SUSTAINABLEECONOMICDEVELOPMENTTHROUGHINTEGRATEDPRODUCTIONOFRENEWABLEENERGY，MATERIALSRESOURCES，ANDNUTRIENTREGIMES”(代理人卷号No.69545-8040US)；“SYSTEMSANDMETHODSFORSUSTAINABLEECONOMICDEVELOPMENTTHROUGHINTEGRATEDFULLSPECTRUMPRODUCTIONOFRENEWABLEENERGY”(代理人卷号No.69545-8041US)；“SUSTAINABLEECONOMICDEVELOPMENTTHROUGHINTEGRATEDFULLSPECTRUMPRODUCTIONOFRENEWABLEMATERIALRESOURCES”(代理人卷号No.69545-8042US)；“GASHYDRATECONVERSIONSYSTEMFORHARVESTINGHYDROCARBONHYDRATEDEPOSITS”(代理人卷号No.69545-8045US)；“APPARATUSESANDMETHODSFORSTORINGAND/ORFILTERINGASUBSTANCE”(代理人卷号No.69545-8046US)；“ENERGYSYSTEMFORDWELLINGSUPPORT”(代理人卷号No.69545-8047US)；“ENERGYCONVERSIONASSEMBLIESANDASSOCIATEDMETHODSOFUSEANDMANUFACTURE”(代理人卷号No.69545-8048US)；和“INTERNALLYREINFORCEDSTRUCTURALCOMPOSITESANDASSOCIATEDMETHODSOFMANUFACTURING”(69545-8049US)。
概述
描述了补充的海洋热能转化(SOTEC)系统。在一些实施例中，所述系统包括太阳能收集器，所述太阳能收集器被构造为加热提供至热力发动机的海洋水，如提供至蒸发器的水。经加热的水能够使蒸发器蒸发工作流体并驱动涡轮机，从而产生电力等。通过使用太阳能收集器，所述系统将来自海洋表面的水提供至温度高于海洋表面处的水的热力发动机。这产生了提供至蒸发器的水与提供至热力发动机的冷凝器的来自海洋较低区域的水之间的增大的温差，由此提高了热能转化系统的效率，此外还有其他益处。因此，在一些实施例中，所述系统通过利用太阳能和其他形式的能量来产生电力、氢等，而提供了用于可持续经济发展的可承受且可靠的能量。
在一些实施例中，所述系统可使用OTEC系统的各种部件(如工作流体)作为各种能源和生产系统之间的能量交换机制。补充的OTEC系统与其他系统的一体化允许各种能源提高OTEC系统的运行效率，并允许OTEC系统转而提高各种生产系统的生产效率。因此，所述系统可实现存在于世界海洋中的资源的可持续经济益处，此外还有其他益处。
在一些实施例中，所述SOTEC系统提供了如下益处：
■聚合物材料的有害废弃物组分的掺入，所述聚合物材料的有害废弃物组分对于构建能够克服目前对矿物燃料的依赖性的可持续能量转化系统是可能丰富的；
■高耐久性材料的使用，所述高耐久性材料对于构建能够克服目前对矿物燃料的依赖性的可持续能量转化系统是可能丰富的；
■在接近沿海人口中心的位置处提供OTEC设备的经济运行；
■泵送和/或用于常规OTEC设备中的其他辅助电力要求的减少；
■海洋水的蒸发冷却的防止；
■提供了自刚性化结构以防止海洋水的大面积蒸发；
■通过使用太阳能收集器提高海洋水的温度而提高OTEC系统的运行效率；
■通过提供来自太阳能的增热来提高海洋水或另一工作流体的温度，而提高OTEC系统的运行效率；
■通过提供来自另一热力发动机的增热来提高海洋水或另一工作流体的温度，而提高OTEC系统的运行效率；
■通过提供来自电化学过程的增热来提高海洋水或另一工作流体的温度，而提高OTEC系统的运行效率；
■提供来自OTEC运行的可再生燃料，并通过常规管线网络将所述燃料分布至整个大陆；
■提供来自OTEC运行的可再生燃料，在贫天然气和油贮存器中储存所述燃料，并通过常规管线网络将所述燃料分布至整个大陆；
■使用薄膜和气体绝缘组件以捕获太阳能；
■使用阻挡层以在海洋热能转化技术系统中减少水的蒸发冷却；
■改进根据OTEC应用中的任何热循环运行的热力发动机的总效率；
■使用阻挡层以在海洋热能转化技术系统中减少水的对流冷却；
■使用薄膜和气体绝缘组件以捕获太阳能，并增加在接收这种太阳能的热力发动机中的工作流体的能含量；
■提高接近表面的水的温度以改进海洋热能技术系统的效率；
■提高接近海洋表面的水的温度以提高对海洋热能技术系统的投资的回报；
■使用内燃机供热以增加用于能量转化过程的工作流体的能量转化势；
■使用燃烧供热以增加用于能量转化过程的气体的能量转化势；
■使用外燃机供热以增加用于海洋热能转化过程的工作流体的动能；
■在生产高品质电力的过程中将低成本能量的许多来源一体化；
■将用于生产高品质氢的低成本能量的许多来源一体化；
■提供储存能量的快速生产；
■生产用于与在已有管线和新管线中的天然气可交换装运的管线品质氢；
■生产用于与在已有管线和新管线中的天然气可交换装运的管线品质甲烷；
■由能量转化过程创造和产生经济发展和环境保护益处；
■电解器作为再生系统运行；
■通过压缩前体材料而加压燃料输送，所述前体材料被气化以提高压力发展；
■通过电解加压物质；
■通过由电解产生的能量而加压燃料输送；
■在能量转化状态(regime)中提供热化学过程；
■提供太阳能和/或其他能量资源向氢和/或电力的稳定保险低成本的转化；
■在电力和氢生产系统中使用普遍的活塞发动机和涡轮发动机；
■使用氢以传递来自旋转电气设备的热；
■使用氢以克服烃类的排放；
■使用氢以克服来自热力发动机的含氮化合物的排放；
■使用氢以克服来自热力发动机的颗粒的排放；
■使用氢以克服碳化合物的排放；
■使用氢以改进在混合和分布式能量应用中的发电机效率，此外还有其他效用和益处。
现在将描述所述系统的各种实施例。如下描述提供了用于彻底理解并能够描述这些实施例的具体细节。然而，本领域技术人员将理解可在无许多这些细节下实施所述系统。另外，可能未详细显示或描述一些公知的结构或功能，以避免不必要地使各种实施例的相关描述不清楚。
在如下呈现的描述中所用的术语旨在以其最广的合理方式进行解释，尽管其与所述系统的某些具体实施例的详细描述结合使用。某些术语甚至可在下文进行强调；然而，旨在以任何限制方式进行解释的任何术语将在该具体实施方式部分中明显且特别地进行定义。
补充的海洋热能转化(SOTEC)系统
图1A为示出了补充的海洋热能转化(SOTEC)系统100的框图。所述SOTEC系统100包括OTEC系统或设备110和补充102，如太阳能、热、资源、其他形式的可再生能量等的补充。
所述OTEC系统可转而将能量、资源和其他益处提供给各种补充源。例如，所述OTEC系统可将电力提供给电解器，或可将氨提供给燃料储存中心。因此，所述系统可提供能量和资源的循环路径，所述能量和资源的循环路径有利于资源的可持续经济发展，此外还有其他益处。
所述OTEC系统110包括用于产生电力和其他资源的各种部件，如热力发动机部件、水运输部件等。补充102将能量提供给所述OTEC系统110以提高所述OTEC系统的运行效率，此外还有其他益处，本文将讨论所述补充102的各种不同形式和构造。
在一些实施例中，所述系统使得能够可持续地生产氢、碳和其他资源。在一些实施例中，在可持续地生产资源的过程中且作为可持续地生产资源的结果，所述系统利用能量。在一些实施例中，所述系统通过将可再生能量输入精炼至所述系统中，并因此获得对所述系统内的原料、资源和其他物质的经济倍增效应，从而提供可持续经济发展。因此，所述系统为用于世界的海洋和其他水基区域中的全面系统。
更具体地，图1B显示了全面一体化生产系统113，其由三个互相关联的系统组成，包括用于可再生能生产和材料资源提取的全面能量园119、用于可再生养分(人类、动物和植物营养)和能量原料生产(生物质、生物废弃物和生物燃料)的全面农商网络121，以及用于可持续材料资源生产和零排放制造的全面工业园123。
图1B显示了作为系统119、121和123的综合体的系统113，以能够使能量、材料和信息在这些系统之间交换。系统113综合体，特别是系统119内的方法利用多个互相关联的热力发动机的热力学性质，所述多个互相关联的热力发动机以热学方式联接而形成热力学整体系统以有效地用作极大热力发动机，所述极大热力发动机能够获得提高的有利的生产能力和效率。在系统113内，系统119专用于在太阳热、地热、海洋热和发动机热源之间获得协同连接，以提高特定位置处的总的可用的可再生能量输出，并将能量和经提取的材料资源提供给系统121和123。
通过使用在两个或更多个阶段中加热的工作流体，全面能量园119以热学方式联接以有效地用作单个大的热力发动机，所述单个大的热力发动机的系统和子系统互相关联以建立能量级联。通过使工作流体在太阳热源、地热源、发动机热源和其他热源之间系统地移动以获得级联效应以优化工作流体的热力学性质(如温度、压力、纯度、相移和能量转化效率)，从而增加系统119的总的可用的可再生能量输出。将一个阶段的能量输出再投入至另一阶段的关键过程中，从而以再生或自生的方式运行，且运行效率和经济性提高。
全面能量园119的功能包括：在可再生能源(如太阳、风、流水、地热、生物质)和内燃机之间收集、转化并储存动能、热能和辐射能形式，以在系统之间建立自生或再生能量级联，从而产生累积和协同的益处，所述累积和协同的益处不能通过单独的收集、转化和储存任何一种可再生能源而获得。自生或再生能量方法在系统119、121和123中实施。另外，系统119涉及用于系统121和123中的许多化学品的材料资源提取。例如，热化学再生被用作提取碳的方法，所述碳作为随后在系统123处制造生产耐用品的原料(提取可在系统119、121和123中进行)。在另一例子中，热化学再生也可被用作提取氮和痕量矿物质的方法，所述氮和痕量矿物质用于随后制造生产在系统121中使用的植物肥料。另外，系统119涉及生物废弃物、生物质和生物燃料转化，通常以在系统119、121和123处获得生物甲烷气和/或氢气储存、运输和按需作为内燃机和/或燃料电池的燃料使用以进行发电和/或输电。
对太阳热、地热、海洋热和发动机热源的操纵为在位置的各种气候区域处的系统113的设施以及陆基和海洋基设施提供了高度适应的一体化平台。因此，提高位置适应性的工程显著提高了可再生能量收集的总利用率，并因此为地方、区域、国家和全球经济提供了经济上可行的解决方案。
系统121处的食物生产既可安置在陆地场所又可安置在海洋场所。作物农场、牲畜农场、大牧场、猪肉和鸡肉的工业生产设施、淡水渔业、海洋渔业、奶牛场等可被连接至系统119作为系统119中所产生的能量的消费者，但转而产生废副产品，所述废副产品被转向系统119以转化为可再生能量和可再生的材料资源。另外，系统121涉及提高这种生物燃料作物(如藻类、柳枝稷和其他作物)的能量原料生产，以提高光合作用基能量收集的可行性。用于水制备、净化和保存的方法和装置在生产系统119、121和123中的每一个中使用。然而，这些是系统121的重要组成部分，以满足在食物生产中对大量水的需要，并克服文献记载的由于常规食物生产实践造成的水浪费和水污染而导致的无可持续性的问题。
系统一体化提高了“可持续性”能力，所述“可持续性”能力定义为通过使用可再生方法而增加能量、材料资源和养分的生产，以避免天然资源的耗尽并减少或消除破坏性的环境影响，如作为生产的副产品的污染和毒物排放。可持续性需要能量、材料和食物的生产方法，所述生产方法对于后代人的长期幸福(而不仅仅是当前消费者的即时短期益处)而言是可行的。
系统一体化能够增加生产能力，从而实现“经济可扩容性”，所述“经济可扩容性”定义为能量、材料和食物生产的显著提高，所述显著提高通过复制众多综合安装场所的能力以及通过大大提高对各种气候区域的适应性(即通过适应温带、热带和北极气候的不同资源特性而适应性地采集可再生能)而增加可用场所的数量的能力而实现。需要这种经济可扩容性以增加地球的承载能力，从而承受持续的快速人口增长和发展中国家快速增长的能量需求。为了成功使用，这种生产方法和位置必须是立即可用的，且相比于使用常规化石燃料和/或核能源，必须是能量、材料和食物生产的现有生产方法的经济上可行的替代物。
系统一体化还可实现能量生产119、材料生产123和食物生产121的零排放和零浪费方法，其中：在系统121中产生的有机废弃物被系统性地导入系统119中存在的生物质、生物废弃物和生物燃料转化系统中，而不是被燃烧、掩埋或倾倒在填埋场、蓄水层、溪流、海洋中或是作为污染物排放到大气中；系统119中的能量和材料资源提取被传递至系统123以产生耐用品；系统119中的能量和材料资源提取也被传递至系统121以产生用于陆地和海洋上的人类、动物和植物生命的养分。
系统一体化创建了经济生产的单个单元，所述经济生产的单个单元有意识地将能量生产与食物生产和材料资源生产以这些生产作为相互依赖的整体运行的方式连接起来。
因此，所述全面一体化生产系统适于安装在其中目前不存在相应的可再生能基础设施、或者其中制造能力缺乏且失业是常态、或者其中食物生产不足且贫穷和营养不良是常态的场所或社区中。引入所述统一的经济生产方法的目标是能够提高国内生产总值(GDP)并具有伴随GDP提高的生活质量，以及系统性地创造工作机会并具有伴随有意义的就业而改善的生活质量。
另外，系统一体化创建了经济生产的单个单元，所述经济生产的单个单元有意识地将废弃物管理与能量转化实践连接起来，使得其作为相互依赖的整体运行以中止导致污染和环境恶化的燃烧、掩埋和倾倒的常规废弃物实践。
所述全面一体化生产系统引入了可持续的废弃物-能量转化的使用作为贯穿整个系统的一体化实践。该一体化系统的目的是保护自然环境、保存有限的自然资源、减少传染性疾病，以及减少土地、水和空气污染(包括减少推动气候变化的温室气体，如甲烷和CO2)。
所述全面一体化生产系统113提供了实现“工业生态”的方法，在“工业生态”中，人-系统生产环境模仿自然生态系统：其中在系统和废弃物之间的能量和材料流以闭合循环的方式成为用于新过程的输入，而整个系统对由太阳(太阳热)、地球(地热)、海洋(海洋热)和生物质转化(发动机热)系统所提供的可再生可持续能量是开放的。
图1C为示出了海洋基全面系统113的组成部分的框图。所述全面系统113包括用于可再生能量生产的能量园119。在一些情况中，所述能量园为OTEC系统。在一些情况中，所述能量园包括可再生能源，如太阳能源、风能源、波能源、地热能源、发动机、生物燃料源等。
所述全面系统还包括用于可再生能量生产的工业园123。在一些情况中，所述工业园可产生各种资源，如碳、氢、甲烷等。所述全面系统还包括用于可再生养分生产的农商网络121，如可持续农业、渔业和畜牧业。
更具体地，图1C为示出了可持续经济发展的全面一体化生产系统113的框图，所述全面一体化生产系统113包括与养分(例如用于人类、动物或植物营养的产品)生产和材料资源(例如氢和碳)生产同时发生的能量(例如电力和燃料)生产。系统113由一体化且相互依赖的子系统组成，并具有对自生级联能量转化的适应性控制，所述适应性控制捕集并再投入每个子系统的能量、物质和/或副产品的一些或全部。因此，在引入最少的外部能量或材料资源或不引入外部能量或材料资源下，维持系统113的连续运行。所述系统113为有利于可持续经济发展的工业生态的例子，如可再生能量的利用、食物的生产、和材料资源的生产，相比于使用常规技术所能实现的，其是更大的能量、食物和材料资源的生产，此外还有其他益处。
全面能量园119使自可再生源129(例如太阳、风、流水、地热、排出热)捕集能量的方法与自可再生原料131(例如生物废弃物145、生物质143)生成能量的方法和生产材料资源(例如氢133、碳135、其他材料资源如痕量矿物质137、纯水139)的方法配合。使用自生级联能量转化的适应性控制的方法储存、回收和运输能量，所述方法在能量生产中产生倍增效应。在能量收集和生产过程中，从用于可再生能量的生产中的生物废弃物和生物质原料中提取材料资源(例如氢和碳)。所述全面能量园119储存、回收、运输、监测并控制所述能量和所述资源以在能量、材料、资源和养分的生产中获得改进的效率。
所产生的能量129、131中的一些被提供至全面农商网络121。所产生的能量129、131中的一些被提供至全面工业园123。所产生的能量129、131中的一些被再投入至全面能量园119中。所产生的能量201、131中的一些被提供至外部接受者和/或加至国家电网和/或国家天然气管线。
全面农商网络121接收全面能量园119所产生的可再生能量，以为农业、畜牧业和渔业子系统的运行提供动力。这包括用于农场设备、车辆、小船和轮船的可再生燃料以及用于光、热和机械设备的电力等。
全面农商网络121接收由全面能量园119所产生的材料资源和副产品，如其他材料资源(例如痕量矿物质137)和纯水139，以富集农业、畜牧业和渔业子系统中的养分并在植物作物149和动物作物151的生产中产生提高的效率。
全面农商网络121收集能量原料并将其供应至全面能量园119以用在可再生能量的生产中。合适的原料包括生物质143(例如作物废材)、生物废弃物145(例如污水、农业废水、肉类加工废弃物、渔场排出物)、生物燃料原料147(例如藻类、柳枝稷)等。
全面工业园123使用由全面能量园119所产生的可再生能量，以为可持续材料资源生产和零排放制造的运行提供动力。这包括用于内燃机(例如固定式发动机、车辆)的可再生燃料和用于光、热、机械设备的电力等。
全面工业园123投入自全面能量园119接收的材料资源133、135和副产品137，以生产另外的材料资源(例如设计碳157和工业金刚石159)。
全面工业园123使用自全面能量园119接收的材料资源和副产品以制造产品，如碳基绿色能量机器155，包括太阳热装置155、风轮机155、水轮机155、电解器155、内燃机和发电机155、汽车、轮船和卡车部件161、半导体163、纳米技术165、农业和渔业设备167等。
全面工业园123将这些产品和副产品中的一些或全部提供至全面能量园119和全面农商网络121。
全面能量园119使用由全面工业园123所产生和提供的太阳热装置155、风轮机155、水轮机155、电解器155、内燃机和发电机155等生产可再生能量。
全面农商网络121使用由全面工业园123所产生和提供的内燃机和发电机155、农业和渔业设备167及其他装置生产养分。
全面一体化生产系统113所产生的能量为所有子系统提供动力，包括再投入能量以推动可再生能量的进一步生产。同时，系统113中所产生的产品和副产品中的一些或全部被投入所有子系统的运行中。同时，系统113所产生的废弃物被捕集并用作所有子系统的运行的原料。一体化且相互依赖的子系统使用适应性控制来管理自生级联能量转化和材料资源的自生再生。因此，所述系统不断地将可再生能量、可持续材料资源和其他副产品再投入至子系统(能量园、农商网络、工业园)的不同的源和过程。以此方式，相比于使用常规方法所能获得的，系统100利用更大量的自所述系统内的各种资源所供应的能量和资源。所述工业共生对自系统内的可再生原料和副产品源收集的各种资源和能量的量产生倍增效应，从而增加价值，降低成本并改善环境，此外还有其他益处。
图1D为全面一体化生产系统113的示意图，其显示了海洋基系统的各种示例性功能区。所示系统包括具有级联能量转化的适应性控制和材料资源的自生再生以及养分的生产的陆上或海洋上一体化生产系统。所述系统包括为了自可再生源收集和/或产生能量以及自可再生原料收集材料资源的目的的功能区，所述功能区储存、回收、运输、监测和控制能量和材料资源，以在能量、材料资源和养分的生产中获得提高的效率。下表1详述了与所示功能区相关的示例性输出、系统和方法。
表1：全面一体化生产系统功能区
在一些实施例中，补充102为能够产生自太阳能捕集的热并将所述热提供至OTEC设备110的组件。图1E为示出了使用太阳能作为补充102的补充的海洋热能转化系统的框图105。
OTEC设备110包括蒸发器111、冷凝器112、涡轮机113、管道114、115、116(其容纳工作流体130，并将工作流体130运输至其他部件/从其他部件运输工作流体130)，以及将工作流体从冷凝器移动至蒸发器的任选的泵117。所述OTEC设备110还包括表层水入口管140和深层水入口管150，所述表层水入口管140将相对较热的水145从海洋表面运输至蒸发器111中，所述深层水入口管150将相对较冷的水155从海洋深层运输至冷凝器112中。
太阳能收集器120联接至表层水入口管140。所述太阳能收集器120接收表层水145，将所述表层水加热至更高的温度，并将更热的水147提供至所述OTEC系统110的蒸发器111。因此，相对于非补充的常规OTEC系统，由使用太阳能收集器加热的水补充的所述OTEC系统110以提高的效率运行，此外还有其他益处。
图2为示出了用于提高海洋热能转化系统的效率的方法200的流程图。在步骤210中，太阳能收集器从海洋表面接收水。在步骤220中，所述太阳能收集器加热被接收的水。在步骤230中，所述太阳能收集器将经加热的水提供至OTEC系统。例如，所述太阳能收集器将经加热的水提供至蒸发器，所述蒸发器作为OTEC系统内的热力发动机的部分运行。
在典型的OTEC系统中，考虑到25至27摄氏度的表层水温度和约5摄氏度的深层水温度，运行的卡诺效率极限值为约6.7％。无论热力发动机的类型和/或所选的热循环为何，将补充提供至OTEC系统可改进总效率。在一些情况中，所述补充可改进运行兰金循环的OTEC系统的效率，所述OTEC系统使用氨、卤代烃、丙烷和/或烃类混合物的工作流体。在一些情况中，所述补充可改进具有“Claude”型运行的OTEC系统的效率，其中在水蒸气通过与来自海洋深层的冷水进行热交换而冷凝之前，将水蒸气从热表面条件闪蒸至真空，并膨胀通过扩张器以产生功。在一些情况中，所述补充可改进使用湿气提升(mistlift)系统、如两级湿气提升系统的OTEC系统的效率。
太阳能收集器组件
如本文所讨论，在一些实施例中，所述系统使用太阳能收集器组件捕获或捕集太阳能，以在将水提供至OTEC设备之前加热海洋表层水。图3为示出了分段太阳能收集器组件300的端视图300的示意图。所述组件300包括聚合物基壁的网，所述聚合物基壁的网包括上壁311、侧壁313和下壁312，以及上壁331、侧壁333和下壁332，所述上壁311、侧壁313和下壁312形成具有绝缘空气空间315的顶部部分310，所述上壁331、侧壁333和下壁332形成具有绝缘空气空间335的底部部分330。相对较薄的聚合物壁和/或由所述壁形成的空间捕获太阳能。被捕获的太阳能加热由通道320在子通道325中所容纳的水，所述子通道325由壁312、331和314所形成。被捕获的太阳能还防止了由通道320所容纳的水的蒸发冷却。通道320能够使组件300从海洋接收水，将水储存于组件中，在组件中加热水，并将水运输至目的地，如作为海洋热能转化系统的部分的热力发动机。
所述太阳能收集器组件300可使用大片料(sheetstock)卷焊接制造，或作为完整组件挤出和/或挤出吹塑成型，其中绝缘空气空间由各种壁形成。当前的聚合物技术提供了薄膜，所述薄膜强劲，具有低透气性和透湿性，低成本，并能够适应诸如“气泡袋”和其他类型的包装的高体积生产的应用。
在一些情况中，所述太阳能收集器组件300可在制造“透亮”或相对透明的壁中使用这种材料，所述壁用于将自太阳接收的全谱(即全部波长)能量传输至储存于通道325中或由通道325运输的水。在一些情况中，所述太阳能收集器组件300可使用透亮或透明材料用于壁311、312，并使用暗或不透明材料(例如碳微晶)用于其他壁，如壁332、314。关于在制造不透明壁中各种材料的使用的进一步的细节可见于如上引用和并入的相关共同待审的申请。具有不同光透射性质和特性的材料的选择性使用允许组件300将通过通道315的水传导加热和/或辐射加热至高温，如30-45摄氏度的温度。当然，其他因素可有助于实现温度，如水的速度、周围的寒风、海洋中的水流、可得的太阳能(日晒)等。
如上所述，加热并提供在这种温度下的水可提高所述OTEC系统的运行效率。例如，在4-6摄氏度的深层水温下使用具有排热的合适的热力学循环提供在35摄氏度的温度下的海洋水，将卡诺效率极限值由6.7％提高至约9.7％，且将海洋水加热至45摄氏度将卡诺效率极限值提高至约12.6％。
然而，实际的OTEC系统具有不利的温度下降、由于风和摩擦所导致的设备损失、以及使用一部分输出能量以驱动泵和其他辅助部件的固有需要。这些因素通常将使用25-27摄氏度的表层海洋水的OTEC系统的实际热效率降低至约3％。然而，使用太阳能收集器(如太阳能收集器300)将表层水的温度提高至35摄氏度将实际效率由3％提高至6％，且使用太阳能收集器将表层水的温度提高至45摄氏度可将实际效率提高至约9％，或为常规OTEC发电厂的实际效率的三倍。这种效率的提高实现了初始OTEC设备成本的更快回报，以及可再生能量的低得多的生产成本，和其他益处。
在一些情况中，使用具有气囊的聚合物膜制造所述太阳能收集器组件300，所述气囊类似于“气泡袋”组件中的那些。在一些情况中，所述太阳能收集器组件300使用由挤出机提供的挤压模压力从驳船或轮船挤出，以将透明聚合物原料(如丸粒)转化为壁311、312，而另一挤出机递送黑色聚合物原料以将所述原料转化为壁314、331、332。这种制造技术有利于大的太阳能收集器长度(例如1-10英里)或用于收集OTEC设备需要的特定能量水平所需的其他特定长度。
图4为示出了具有封闭气囊的太阳能收集器组件的侧视图400的示意图。所述太阳能收集器组件包括通道320和绝缘空间310和330。封闭或凹陷410和420在所述绝缘空间上形成。例如，使壁变形并焊接在一起生成所述凹陷和漂浮于水上的板组件。可用薄塑料带(未示出)覆盖所述凹陷，以在所述太阳能收集器组件的顶部和底部生成光滑表面。所述凹陷可用于保持合适的加强件和/或砝码以降低所述组件的重心。
在一些实施例中，所述太阳能收集器组件可通过将水平网510、520加至绝缘空间310、330而克服或防止对流气流损失。图5为示出了在绝缘空间内具有网510的太阳能收集器的侧视图500的示意图。网510、520提供了另外的层或壁，其中以在绝缘空间内和/或通道320内容纳热。所述网510、520可在空间之一内或在两个空间内，并可由透亮或不透明材料制造，这取决于OTEC系统的需要。
图6A为示出了具有线性透镜的分段太阳能收集器组件600的端视图的示意图。所述组件600包括透镜610和通道625，所述透镜610具有由壁612、614、620和透镜形成的绝缘空间，所述通道625储存海洋水并接收由绝缘空间615捕集的热。所述透镜610折射并收集通常将从组件的平面壁反射的清晨和/或傍晚太阳光。在一些情况中，所述透镜提供了更好的太阳能向热的每日转化，并提供了组件的桁架以改进组件的强度和刚性，此外还有其他益处。
透镜610和壁612、614、620中的一些可由透射整个太阳光谱的材料制成，而其他透镜可由透射对应于50摄氏度或更低的红外波长的材料制成。例如，所述壁可为不透明的，以将太阳辐射转化为热，所述热加热通过通道625的水。在空间615中的空气隔离通道625中的热水。将涂层施用至壁612、614、620允许反射对应于50摄氏度或更低的红外波长。
在一些实施例中，太阳能收集器组件可通过用具有比空气更低的热导率的气体填充所述绝缘空间而克服或防止对流气流损失。表1显示了适于填充所述绝缘空间的气体的相对热导率。
表1
物质 热导率
空气 0.026(W/mKsec) (100％)
Ar (氩气) 0.018 (69％)
CO (一氧化碳) 0.025 (96％)
CO2 (二氧化碳) 0.017 (65％)
He (氦气) 0.151 (580％)
H2 (氢气) 0.182 (700％)
Ne (氖气) 0.049 (188％)
N2 (氮气) 0.026 (100％)
O2 (氧气) 0.027 (104％)
C3H8(丙烷) 0.016 (63％)
H2O (水) 0.59 (2300％)
例如，二氧化碳和氩气提供了比空气低得多的热导率，并提供了对通道中的热水的更大绝缘。而且，一些所选的气体(如二氧化碳、六氟化硫或氮的氧化物)也可阻止或抑制由经加热的水的IR辐射而导致的热损失。
在一些情况中，所述太阳能收集器组件可包括加压绝缘空间以加强或刚性化所述太阳能收集器组件。在一些情况中，所述太阳能收集器组件可由低渗透性材料或复合材料层或表面处理而制得，以在所述绝缘空间内使空气或其他较低传导性的气体保持在各种所需的压力下。
图6B为示出了用于制备太阳能收集器组件的加压气体的装置650的示意图。将加压氧气通过端口652递送至陶瓷室654中，在所述陶瓷室654中供碳体656燃烧而产生二氧化碳。可使用感应加热线圈658实现对供碳体656的热传递。所述供碳体656可为任何合适的碳源，包括选自海洋垃圾累积和其他物质的聚合物(如石蜡和聚乙烯)，或圆柱棒料形式的碳(如所示)。电极662、664提供了点燃供碳体棒料656的等离子体。通过端口660将二氧化碳递送至所述装置。缩回所述供碳体棒料656允许止回球阀668旋转以切断氧气并熄灭所述反应，从而可能终止二氧化碳的产生。如果存在，则水蒸气可留下作为IR截止气体，或者可被捕获或过滤出所述装置，这取决于诸如温度和/或压力变化的环境条件。
有时，海洋条件可提供使用或产生相对较热的水流以改进向OTEC设备的热递送的机会。图7为示出了与水流一起使用的太阳能收集器的示意图。太阳能收集器700包括薄的透明聚合物的层，所述薄的透明聚合物的层可将绝缘气体(例如空气或二氧化碳)保持在绝缘空间710中以捕获在收集器以下的水715中的太阳能。被捕获的能量可防止水715的蒸发冷却，或可将经加热的水715作为补充提供至OTEC设备。这种组件或“太阳能收集器驳船”700包括由连接网713间隔开的薄的透明釉面711、712，以使组件的太阳能捕获和绝缘功能最大化。层712可反射和/或吸收对应于来自50摄氏度或更低的物质的辐射的波长，以有效捕获并保持水715中的太阳能。所述组件可包括在边缘处的气体绝缘壁720的表面下延伸件以及具有水的洪水室(floodcell)722，或可根据需要提供另外的加强件和/或砝码以在水中稳定所述组件。所述组件的构造可为直的或弯曲的，以在水717进出驳船行进时抵消或提供科里奥利加速度。
在一些情况中，驳船700可在竖直侧720上包括加强板，或在竖直侧720之间的水线以下或以上包括加强桁架梁和支柱。所述驳船可包括位置推力器以在海洋流中获得并保持驳船700的所需位置和取向。
在一些情况中，驳船700和各种层通过挤出而形成以产生挤出吹塑成型结构，所述挤出吹塑成型结构掺入了包含衍生自海洋垃圾的回收和/或重新组成的聚合物的聚合物制剂。驳船的部件可收集已被丢弃至海洋中的聚合物制品，并热塑性重新成形或者化学改变和/或掺入某些成分以形成驳船的壁的混合物或合金。例如，轮船或驳船可在海洋中对包括从海洋垃圾累积回收的材料的原料和/或对使用丢弃的或常规丢弃的聚合物产品的陆基设备进行操作，以防止这种材料被加至世界海洋中的垃圾累积。
太阳能补充的OTEC系统
如本文所述，所述系统可将补充(如本文描述的各种太阳能收集器组件)加入OTEC系统，以提高OTEC系统的热力发动机的效率。图8A为示出了补充的OTEC系统的俯视图800的示意图。
所述系统包括由协同保温螺旋围绕的OTEC设备810，所述协同保温螺旋由太阳能收集器组件820形成。所述螺旋组件820可用高强度的碳增强聚合物网(未显示)稳定化，所述高强度的碳增强聚合物网在所述螺旋组件的顶部和底部延伸。在一些情况中，可通过临时的从顶部网至底部层的联络线(tie-line)提供另外的支承和稳定。所述网在在环境温度中具有极端变化的应用中可为电测量的，从而允许每个螺旋长度和宽度变化以适应热收缩和热膨胀。在一些情况中，可通过薄的聚合物带(如用于覆盖各种成型接缝的带)提供另外的支承和稳定。在一些情况中，可通过合适的粘合剂，或通过焊接以固定所述组件而将另外的支承和稳定提供至每个另外的螺旋层。在一些情况中，可用高强度径向缆线或带以及周向带提供另外的支承和稳定。
因此，尽管所得螺旋组件由便宜的薄聚合物壁形成，其为自稳定的。在一些情况中，所述组件可被构造为提供在螺旋收集器组件820上方的气垫车辆行进，以用于人员行进至螺旋中心中的OTEC设备810或人员从螺旋中心中的OTEC设备810行进。
在运行中，来自海洋表面的水在入口开口824处进入所述螺旋组件820。水行进通过所述组件，从而在运输过程中从所述螺旋组件接收热。水经由联接至OTEC设备810的出口开口822而被提供至OTEC设备810。当然，组件820可包括比图中所示更少或更多的螺旋，可为部分螺旋的，可为纵向的，或可根据需要呈现许多其他构造。
在一些实施例中，本文所述的补充的OTEC系统改进了常规OTEC设备的材料使用效率，所述常规OTEC设备需要使用绝缘管道从相当大的距离泵送海洋水以提供来自表面的最高可得水温和来自海洋深层的最低可得温度等。在一些实施例中，所述螺旋组件有利于递送在所需温度下的经加热的水，并有利于接近所述螺旋组件收集高温水。
即，对于相同体积的材料物料，螺旋薄壁组件在用于从长距离泵送水的长管道上提供了更高的热效率。材料例子包括聚烯烃、聚氟乙烯(C2H3F)n、聚偏氟乙烯(C2H2F2)n，和许多其他高温聚合物，包括已丢弃至世界海洋中的材料。在一些情况中，组件820使用用于透明层的包括改性的抗紫外含氟聚合物(如聚氟乙烯)制造，以及使用用于黑色或选择性透射层的聚烯烃(如聚乙烯或聚丙烯)制造，所述黑色或选择性透射层提高了组件的一些部分的太阳能获得量。
图8B为示出了具有多个太阳能收集器组件的补充的OTEC系统的俯视图850的示意图。所述OTEC系统包括在驳船或轮船上的OTEC设备860，以及将经加热的水提供至所述OTEC设备的两个或更多个太阳能收集器组件820。在一些情况中，多个太阳能收集器组件820的使用允许将太阳能储存于收集器的“库”中，以在夜晚和/或在阴天天气期间将热水供应至所述OTEC设备860。例如，在白天期间，所述OTEC设备860通过被一个或多个收集器组件820加热的水进行补充，而一个或多个另外的太阳能收集器组件加热并储存经加热的水以备后用。在一些情况中，收集器水入口位于螺旋的内部以防止碎屑堵塞入口过滤器。
在储存经加热的水的太阳能收集器组件中的水可被加热至65摄氏度以实现极高的运行效率，和/或混合最热的水与未经加热的海水以产生45摄氏度下的热水，从而延长补充的OTEC设备860在夜晚和/或阴天期间的运行时间。所述太阳能收集器组件820可顺时针或逆时针缠绕，尽管在一些情况中它们可被构造为提供从被加热的水的入口至出口的科里奥利加速度。
图8C为示出了具有多个太阳能收集器组件和多个驳船及OTEC设备的补充的OTEC系统的俯视图865的示意图。所述系统包括两个或更多个太阳能收集器组件820以及两个或更多个驳船860、862、864、866。所述多个驳船可包括由来自所述太阳能收集器组件的经加热的水补充的一个或多个OTEC设备，并可包括其他类型的能量产生系统和设备，如氢产生设备、碳产生设备等。即，所述系统可有利于用其他产生加工体系(如本文描述的那些)补充OTEC设备。
在一些情况中，当OTEC设备需要更高的流动要求和/或更少的停留时间时，所述系统可引入自OTEC设备延伸的两个、三个、四个或更多个螺旋组件。图9为示出了由多个螺旋组件补充的OTEC设备的俯视图900的示意图。所述OTEC设备910从三个螺旋组件920接收经加热的水的递送，所述螺旋组件920通过连接器元件925可互换地联接至太阳能收集器驳船860。如本文所述，螺旋组件的长度在夜晚期间提供了经太阳能加热的水的递送，例如以用于使用夜晚时间矫平电力负载的某些应用(例如包括在夜晚电解水以产生氢和氧的操作)。经加热的水在所述螺旋组件内的加热和储存有利于改进的昼夜热效率，此外还有其他益处。另外，在夜晚通过电解产生氢有利于夜晚的电力销售，所述夜晚的电力销售提高了对昂贵的OTEC设备的投资的回报，此外还有其他益处。
在一些实施例中，当使用洋流的天然动量时，经加热的水的表面长度、宽度和深度与实现OTEC设备的热要求相称，并实现极低成本的太阳能收集、储存和向OTEC设备的递送。图10为示出了由太阳能收集器驳船补充的OTEC设备的俯视图1000的示意图。向OTEC设备1010移动的相对较热的水的天然或创造的洋流通过两个或更多个太阳能收集器驳船1020(用于递送和/或储存经加热的水)加热，以优化所述OTEC设备1010的运行。在一些情况中，当水通过驳船1020时，适当加热的水的深度将增加，和/或根据需要在横截面比例上变化，以优化所述OTEC设备1010中的热交换器的有效运行。
图11为示出了太阳能收集器组件的侧视图1100的示意图，所述太阳能收集器组件被构造为直接加热热力发动机所用的工作流体。例如，对于闭合循环或联合循环OTEC设备的运行，所述太阳能收集器组件可直接加热工作流体，如乙烷、丙烷、丁烷、氨和/或卤代烃，包括所选的混合物。这种组件可消除以生物燃料为燃料的热交换器的需要，并可实现相比于其他技术的工作流体的更高温度。所述太阳能收集器组件可使用热力学循环，如Larsen-McAlister循环、Brayton循环、Ericsson循环和/或Rankine循环，其中工作流体被加压以提供更大的密度和压降用于动力涡轮机中的蒸气膨胀。
所选的工作流体在目标管1116内被加热。透镜1102和1104以及网1106和1108对太阳辐射为透明的。可通过1102的表观面积与1116的表观面积之比将太阳辐射集中至所需的程度。网1106和1108用作导光管和/或反射引导件以将光递送至管1116中，取决于所选工作流体的光学和化学性质，所述管1116可为不透明的或透明的。所述管1116的支承和绝缘隔离可采用不透明聚合物网，如网1110、1112和底部网1114，如所示。在一些情况中，所述组件在通道1120、1122、1124和1126中包括绝缘的长IR截止气体，如二氧化碳、氩气、氮的氧化物或六氟化硫，以捕获递送至管1116中的流体的热，并使来自管1116的对流、传导和/或辐射损失最小化。通道1118、1120、1122和1124被设计为具有所需下沉需要的体积/压力，和/或被设计为调节所述组件的浮力或刚性。
图12为示出了由太阳能收集器组件补充的陆基OTEC设备的俯视图1200的示意图。在陆上1210的OTEC设备1212由各种不同类型的太阳能收集器组件进行补充，包括在海洋1220处的螺旋收集器组件1224和线性太阳能收集器1222，以及陆基太阳能收集器1214。
例如，OTEC设备1212可由螺旋收集器组件1224供应，所述螺旋收集器组件1224直径为约1.5英里，并用于递送所收集的太阳热能以足以从所述OTEC设备1212提供10MW电力的净产出。所述OTEC设备1212也由太阳能集中器1214供应，所述太阳能集中器1214可为点聚焦型，以将氢工作流体加热至约800摄氏度而在基于热机循环(如Stirling循环、Ericsson循环和/或Brayton循环)的再生系统中膨胀。未被再生能量转化系统转化为功和/或电力的热可用于加热进入的海洋水以改进OTEC效率，或可被排出至由导管1222递送的冷海洋水以使总能量转化效率最大化。
在一些情况中，所述系统可使用太阳能收集器组件1224的延长件作为导管以用于连续的太阳能加热和经加热的水的绝缘。在一些情况中，所述系统使用来自一个或多个太阳能收集器组件的经加热的海洋水，而一个或多个另外的太阳能收集器组件加热并储存经太阳能加热的水以在夜晚使用。
SOTEC与其他产生系统的一体化
如本文所述，在一些实施例中，将OTEC设备与其他产生系统(如氢产生系统、甲烷产生系统等)一体化。即，将OTEC设备加入用于产生资源的再循环系统可有利于提高的资源和养分的经济发展，此外还有其他益处。
图13为示出了由来自地质地层的热补充的OTEC设备的示意图1300。例如，OTEC设备1304位于在表面处水过冷或在深层处水过热的位置，以支持充分产生电力。所述OTEC设备1304由来自太阳能收集器组件1303的热补充，和/或由来自电解器1306或热力发动机1307的热补充。电解器1306和/或热力发动机1307可在合适的地质地层1314(可具有或不具有适当量的化石烃类)中使用现场和/或管道进入的地下储氢，从而以再生模式使用燃料电池以满足足够的电力产生标准。
管道1310的尺寸应足以储存产生的氢。例如，在低太阳能获得量的时间或在夜晚期间，所述系统可通过使用来自储存管道1310和/或来自地下储存贮存器1314的氢为热力发动机1307和/或可逆电解器燃料电池1306提供动力，从而满足电力需求。通过将氢经过管道1320和/或经过管道1302和/或水平延长管道1312递送至贫石油地层和/或其他合适的地层(如在接近电力和/或氢市场的大陆位置中的盐洞或石灰岩洞)提供另外的储氢。
北美和其他大陆包括在足以安全且有效地储氢的深度处为适当多孔且密封的地质地层。这种地层已储存甲烷数百万年，其中有机材料在地层的地质演进之时沉积。这种地层也已储氢数百万年，所述氢通过热橄榄石和石灰岩的大陆漂移引发的碰撞而产生。
另外，海上石油和天然气地层类似地为用于长期储存由来自OTEC设备的电力所产生的氢的经证实的地质环境。再次参照图13，从OTEC设备1304将氢递送至陆上市场通过管线1320得以促进，所述管线1320通过阀头1322连接至管线1324，并因此连接至阀1338，以将井口和管道1316供应至地下储存器1326。
在一些情况中，热力发动机1307为快速启动发动机，其可将电力和另外的热快速提供至OTEC设备1304以改进所述设备的输出。所述OTEC设备可使用补充的能量(如太阳能)将烃类(如甲烷水合物)解离为氢和碳。氢可用于热力发动机1307和/或燃料电池1306中以提供轴功和/或电力。碳可用于制造耐用品，包括利用风能、波能、水能和/或太阳能的装置。关于烃类的解离和其他类似过程的进一步的细节可见于如上引用和并入的相关共同待审的申请。
OTEC系统在不能提供表层水和深层水之间的足够温差的水中运行的能力有利于使用OTEC设备从包合物沉积物制备甲烷。关于从包合物沉积物制备甲烷的细节可见于如上引用和并入的相关共同待审的申请。
参照图13，从包合物和其他海洋资源回收的甲烷被递送至管道1310中，并通过使用电解器1306的氢的电解生产将所述氢气加压。相比于运行机械泵来加压氢，将烃类化合物或聚合物或来自包合物的甲烷进行热化学解离以产生碳和氢和/或电解水以提供加压氢显著更为有效。而且，将加压氢加入有限空间中的甲烷产生混合物，所述混合物处于比氢添加开始时的甲烷更大的压力下。因此，根据需要通过管道1320将氢和甲烷的混合物递送至在地层1314和/或1326中描述或储存的陆上市场，以改进总系统经济并满足市场条件，此外还有其他益处。
氢和/或氢及甲烷的混合物在贫油和天然气的贮存器(如地层1326)中的储存有利于增加的化石烃类的回收等。氢的储存改进了化石烃类地层的渗透性。氢的储存有利于通过在需要热的位置处引导加入氧和燃烧氢而提供所需的热，例如用于从沙漠、页岩以及贫油和天然气的地层产生化石烃类。
因此，使用来自OTEC设备1304或其他可再生能量转化操作的电力以通过电解器1330产生氧和氢。管线1332根据需要将氢递送至管线1324以富集并加压天然气和甲烷，和/或用于储存于地层1326中，如所示。由电解器1330产生并加压的氧被送往医疗市场和其他商业市场，并被递送通过导管1334以燃烧氢，从而加热烃类而用于增加来自贮存器1326的生产，如所示。
在一些实施例中，由OTEC设备，如补充的OTEC设备产生的电力被用于电解器中以产生氢和氧。补充能量(如由太阳能收集器提供的集中太阳能)的加入降低了电解器中的电解所需的电能。例如，通过等同于生成自由能ΔG(其为237.13kJ)的电功分解约18克(1克摩尔)的水。该过程为吸热的，并消耗等于(TΔS)48.7kJ/mol的另外的能量，所述另外的能量为将产生的氢和氧膨胀至标准温度和压力所做的功。
ΔH＝ΔG+TΔS等式1
(285.83kJ/mol＝237.13kJ/mol+48.7kJ/mol).
由于所述解离过程为吸热的，因此所述系统可使用太阳能和/或来自其他过程的废热。由于热降低了必须作为电功提供的Gibbs自由能(ΔG)的量，因此另外的热升高了电解的温度。因此，总施加电压小于在环境温度下解离水所需的电压。
假设吸热能量来自废热源或环境，用以解离水的最小施加电压为：
ΔG＝-nFE°等式2
由于该最小电压需要(E°)取决于自由能变化(ΔG)，因此E°等同于ΔG除以交换的电子数(n)乘以法拉第常数(F＝9.648x104)或(nF)。由于电解温度增加至25℃的标准温度以上，随着电解温度接近通过绝热化学计量燃烧反应而产生的温度，自由能接近零。
在一些情况中，增加电解压力产生在所需密度下的加压氢和氧储存。增加压力需要更高的电解电压。等式3示出了压力和电压需要的关系。可通过将用于压力升高的能斯特调整加上E°而得到电解电压(Ep)：
Ep＝E°+RT/nFlnPH2(PO2)/PH2O等式3
假设氢和氧在同一压力下产生，且进料水在同一压力下为液体，等式3简化为：
Ep＝E°+3RT/4F(lnPi/Patm)等式4
因此，用以从10,000PSI水产生10,000PSI氧和氢的电压增加为：3RT/4FlnPi/Patm＝3RT/4Fln680.3＝3(8.3144J/molK)298K(6.522)/4(9.648x104)＝0.125V。
加入热以蒸发水降低了解离水所需的电压。
ΔG°T＝ΔH°T(298K)-TΔS°298K等式5
因此，当TΔS°298K接近ΔH°T(298K)(其为285.83kJ/mol)时，解离所需的电压接近零。在标准温度下的熵变(ΔS°298K)为0.1634kJ/mol，因此
285.83kJ/mol/0.1634kJ/mol＝
1,749K或1,476℃(2,689°F).等式6
图14为示出了由地热能补充的OTEC系统的示意图。在一些实施例中，OTEC系统使用来自与冷水散热器联合的海底下方的地层和/或接近海底的甲烷冰地层的地热能。例如，所述OTEC设备可在新的循环中使用井，所述井包括新的或相对贫油或气的井。在海底下方的石油生产地层的温度通常超过海洋表面的温度。将由这种地层提供或由从这种地层提取的流体提供的热用于工作流体(如表1、如上引用和并入的共同待审的申请中所列的那些)的典型循环的可能的效率极限值总结于等式7中：
效率极限值＝1-TL/TH等式7
当通过膨胀以产生功的工作流体获得的最高温度为100℃(212°F)且在功产生结束时的排热温度为气体水合物的一般温度(如6℃(42.8°F))时，效率极限值示于等式8中：
效率极限值＝1-279°K/373°K＝25％等式8
图14示出了使用与石油生产联合的地热资源的OTEC系统1400的运行，所述地热资源如来自地热地层1402、来自合适的竖直井1404，或来自水平延伸件1406的天然气和/或油。在合适位置1412处(如接近海底)提供与所选工作流体的热交换之后，通过地层1402的压力和/或通过合适的泵1408的协助将石油递送至表面，以提供通过绝缘系统1410的递送，如所示。通过合适的热交换器(如逆流热交换器1414)传递热以蒸发和/或过热导管中的合适的工作流体，所述导管具有合适的发动机，如涡轮机1416或1420，所述发动机驱动用于电力生产的整体发电机。当所述系统还具有收集系统(如在如上引用和并入的相关共同待审的申请中所述，所述申请以全文引用方式并入本文)时，通过热交换器1418将来自工作流体膨胀和功产生的蒸气冷凝至冷的环境温度海水和/或包合物地层。通过热交换器1414加热和再蒸发经冷凝的工作流体，如所示。通过各种设置(如浮动或锚定平台1422)将石油通过递送装置1424递送至表面，以有利于管线传输(未示出)、如通过油轮1426的油轮递送等。
图15为示出了与其他能量产生系统一体化的OTEC系统1500的示意图。所述系统1500将热流体从地质地层1501(如可存在于海底以下)运输至海洋表面。在表面处或接近表面处，可提供另外的热添加，以改进从太阳能、风能、流水、热力发动机、热化学再生器或燃料电池源的能量转化效率，和/或另一工作流体的加热，以及这种工作流体的膨胀以接近在冷凝器1536(如所示用以冷凝工作流体)处的海底的冷温度(显示为液体水1538)，所述另一工作流体如来自海洋水的蒸发物，并通过流经捡拾器(pickup)1510或氨(未示出)由逆流热交换器1508、1530、1520提供。
在通过在发动机(如一个或多个膨胀涡轮机1530、1528)和导向叶片(如1532和涡轮机1534)上完成功，并进一步通过海洋水冷却而使压力和经加热的蒸气的热能的大部分耗尽之后，通过泵1550将在与冷的海底的温度相当的蒸气压下的经冷凝的纯水1538递送至管线1552，以运输至表面而通过轮船运送，或者通过管线1552运输至陆地，如所示。取决于海洋条件，在一些情况中，可将冷凝器1546置于接近海洋表面，所述海洋表面靠近膨胀涡轮机1544，从冷的深层泵送冷水以提供向下行进经过涡轮机1544的蒸汽的冷却。
在运行过程中，通过形成压和/或通过由泵1503提供的另外的压力(如所示)，来自可包括水平收集器1502的合适的井的热流体(如油、天然气等)向上经过绝缘导管组件1504至绝缘热交换井1506中的合适的热交换器1508，如所示。然后将石油储存于在合适平台(如能量驳船1536)上的容器1516中以装运至市场，或者石油的一些或全部可用于通过解离而提供更有价值的碳(其用于生产耐用品)以及氢，如对于各种烃类(CxHy)在等式9中所通常总结的那样：
CxHy+热→xC+0.5yH2等式9
能量驳船1536或另一合适的平台可承载一个或多个太阳能转化系统(如集中器1526)、一个或多个波能发电机1524，和/或一个或多个风能发电机1556。
在等式9中的热可通过利用来自风、波浪、洋流或太阳能的动能而提供，例如可通过合适的辐射捕获和/或点聚焦集中器1528或合适的线聚焦系统而提供。在一些情况中，可使用转化太阳能、风能、流水能和/或地热能的发电机驱动电阻加热系统和/或感应加热系统，所述电阻加热系统和/或感应加热系统供应等式9中所示的热的部分或全部以推动等式9中所示的吸热过程。
当存在足够的热梯度以提供由合适的过滤器和泵组件1510所递送的水蒸气的另外的加热时，使用在反应器1526中产生的氢和碳的热物料通过本文描述的逆流热交换器系统来提供对递送至反应器1526的烃类的预热。在热递送之后，氢可被储存于合适的罐1532中，且用于制造耐用品的碳可被储存于罐1532中。
在一些实施例中，光合植物连同本文描述的操作生长，且这种植物作物被厌氧加工，以提供热解离或微生物消化而产生甲烷、二氧化碳和/或一氧化碳。由反应器1518产生的氢可作为能量密集液体(如甲醇)储存。等式10和/或11总结了其中来自一个或多个合适的源的二氧化碳与氢反应形成一种或多种致密、易储存且方便运输的液体的过程：
3H2+CO2→CH3OH+H2O等式10
2H2+CO→CH3OH等式11
图16为示出了将OTEC系统与甲烷释放机制一体化的系统1600的示意图。在许多地方，OTEC系统和本文描述的其他产生系统可位于具有地震、洋流变化、海洋变暖、土地侵蚀和/或从包合物沉积物释放甲烷和其他温室气体的其他干扰的区域中。
所述系统包括在这种包合物的广泛区域上设置的不渗透膜1638(如聚乙烯)，以容纳和递送释放的甲烷、二氧化碳、水和其他物质，所述释放的甲烷、二氧化碳、水和其他物质为响应沉积物的加热而从沉积物1644释放，或通过导管1640而从源(如在涡轮机外壳1642中的热交换器1630)递送，所述沉积物的加热通过经加热的流体循环经过导管1640而进行。或者，管道或导管1636将来自海洋深层的水性有机质和矿物质(包括包合物沉积物)引导分配至鱼、虾、牡蛎养殖场等的饲养系统。
来自海洋深层和/或来自从膜1638下方的包合物释放的冰和液体水的合适的冷水通过泵1637而被递送至热交换器1630。在通过合适的热交换器(如逆流热交换器1630)加热之后，经加热的水可通过来自在平台1603上的各种能量转化过程(如OTEC过程)的工作流体的另外的热交换而被进一步加热，或者以所需的速率经过返回导管1632返回至膜1638下方的甲烷水合物地层而控制释放另外的甲烷，所述另外的甲烷被递送至用于太阳、风或流水驱动的能量转化过程的表面平台1603，所述能量转化过程支持热化学再生以从这种甲烷产生碳和氢。另外的氢可通过由井1660所产生的天然气和/或油的类似解离产生，在许多情况中所述井1660来自地热明显的深地层1662，如所示。
引入口1616将海洋水进料至太阳能收集器1602。通过热增量产生的水蒸气通过例如线1604提供电力以感应加热甲烷和/或油，从而产生氢和碳，所述热增量来自太阳能收集器1602和另外的热贡献，所述另外的热贡献从通过合适的线聚焦或点聚焦太阳能集中器1610所进行的甲烷或油的太阳能解离排放，以及从例如安装在平台1606上的风力发电机1608排放，和/或通过利用流水(如通过波能发电机1612、1650)排放。波能发电机1612、1650包括管式发电机组件以提供浮力，所述浮力用于相对锚拉紧基础电缆(basecable)。制得了各种类型的设计碳产品，包括超活性碳，所述超活性碳被收集于罐和仓库1614中以分配至各种市场，包括可再生资源工业园。
系统1600可制得添加钾、磷、铁和各种其他矿物质恢复选择的各种肥料，包括氨或硫酸铵。通过等式9公开的过程所产生的氢可与通过各种过程(如描述于如上所引用和并入的共同待审的申请中的那些)从大气收集的氮反应。在热力发动机中的剩余氢燃烧去除氧并产生水，所述水被分离以提供氢和氮的反应，从而产生氨。等式12总结了这种氨产生的过程：
3H2+N2→2NH3等式12
所述系统还可将各种产生的物质提供至鱼苗场和农场，以吸引野生鱼和其他所需的海洋生物以及生长有机质的其他实体，如孵卵所1664-1671。包合物(如甲烷水合物)被加热以释放营养物，包括有机物质和痕量的矿物质。通过合适的分配导管从合适的管道(如管道1640所示)递送这种矿物质和有机质以滋养牡蛎、虾、各种鱼选择等。
因此，所述系统可使用OTEC系统的各种组成部分(如工作流体)作为各种能源和产生系统之间的能量交换机制。补充的OTEC系统的一体化允许各种能源提高OTEC系统的运行效率，并允许OTEC系统转而提高各种产生系统的生产效率。
结论
描述了一种系统，所示系统提供了可再生能量资源向可再生燃料和电力的转化以服务当地市场和远距离市场。
尽管为了说明的目的如上描述了所述系统的具体实施例和实例，但如相关领域技术人员所认识的，在所述系统范围内的各种等同修改是可能的。例如，尽管过程或步骤以给定的顺序呈现，但可选择的实施例可进行具有不同顺序的步骤的程序，且一些过程和步骤可被删除、移动、添加、细分、组合和/或修改以提供替代方案或子组合。这些过程或步骤的每一个可以以多种不同的方式实施。而且，尽管过程或步骤有时显示为串联进行，但这些过程或步骤可改为并联进行，或可在不同时间进行。
根据前述，应了解为了说明的目的在本文描述了所述系统的具体实施例，但在不偏离所述系统的精神和范围下可进行各种修改。因此，除了通过所附权利要求书进行限制之外，不限制所述系统。

Claims (19)

1.一种海洋热能转化系统，所述系统包括：
蒸发器，所述蒸发器被构造为从海洋接收水，并使用所接收的水蒸发工作流体；
冷凝器，所述冷凝器被构造为从低于海洋表面区域的海洋区域接收水，并冷凝被蒸发的工作流体；
工作流体通道，所述工作流体通道联接至所述蒸发器和所述冷凝器，并被构造为将所述工作流体提供至所述蒸发器，且从所述冷凝器接收所述工作流体；
涡轮机，所述涡轮机联接至所述蒸发器，并被构造为使用被蒸发的工作流体产生电力；以及
太阳能收集器，所述太阳能收集器联接至所述蒸发器，并被构造为以比海洋表面区域的水的温度更高的温度将水提供至所述蒸发器，其中所述太阳能收集器是螺旋形太阳能收集器，其中所述螺旋形太阳能收集器包括在所述收集器的顶部和底部延伸的聚合物网以为所述收集器提供自稳定运行特点。
2.一种海洋热能转化系统，所述系统包括：
热力发动机，其中所述热力发动机被构造为使用海洋水产生电力；以及
太阳能收集器，其中所述太阳能收集器被构造为升高由所述热力发动机的蒸发器所接收的海洋水的温度；
所述太阳能收集器包括配置为接收海洋水进入所述太阳能收集器以及将所述接收的水保持在太阳能收集器中的通道，所述太阳能收集器包括围绕所述通道的加压绝缘空间；以及
耦合于所述太阳能收集器的设备，其被配置为产生加压气体并向所述绝缘空间提供所述加压气体。
3.根据权利要求2所述的系统，其中所述太阳能收集器被构造为将海洋水提供至所述热力发动机的蒸发器，所述蒸发器在比围绕所述太阳能收集器的海洋水的温度更高的温度下。
4.根据权利要求2所述的系统，其中所述热力发动机被构造为使用所述热力发动机的所述蒸发器所接收的海洋水加热所述热力发动机内的工作流体。
5.一种用于提高海洋热能转化系统的运行效率的方法，所述方法包括：
从海洋接收水至太阳能收集器中；
在所述太阳能收集器中加热被接收的水；以及
将经加热的水提供至所述海洋热能转化系统，其中所述太阳能收集器包括被配置为捕获太阳能的网组件以及在所述网组件之内的通道，所述通道在所述网组件的形成用于捕获太阳能的绝缘空间的上壁和下壁之间延伸，以及其中所述上壁由基本透明的材料形成并且所述下壁由基本不透明的材料形成。
6.根据权利要求5所述的方法，其中在所述太阳能收集器中加热被接收的水包括使用围绕所述通道的气穴捕集太阳能，所述通道容纳从所述海洋接收的水。
7.根据权利要求5所述的方法，其中在所述太阳能收集器中加热被接收的水包括使用围绕所述通道的透镜捕集太阳能，所述通道容纳从所述海洋接收的水。
8.根据权利要求5所述的方法，其中将水提供至所述海洋热能转化系统包括将经加热的水提供至所述太阳热能转化系统的蒸发器，其中所述蒸发器使用所提供的水加热工作流体以运行涡轮机。
9.根据权利要求5所述的方法，其中从海洋接收水至太阳能收集器中包括从所述海洋接收水至螺旋太阳能收集器组件。
10.根据权利要求5所述的方法，其进一步包括：
使用源自围绕所述海洋热能转化系统的海洋废弃物的聚合物制造太阳能收集器。
11.根据权利要求5所述的方法，其中加热所述接收的水包括从电解器收集热，所述电解器将水转化为氢和氧。
12.一种太阳能收集器组件，其包括：
通道，所述通道被构造为接收海洋水至所述太阳能收集器组件中，并将被接收的海洋水保持在所述太阳能收集器组件内；
太阳能捕获部分，包括至少部分包围所述通道以及被配置为捕获太阳能以为了提升所述由通道保持的水的温度的绝缘空气空间，其中所述绝缘空气空间包括被配置为保持用于降低所述太阳能收集器的重心的加强件和砝码至少之一的凹陷；以及
联接部分，所述联接部分被构造为将经加热的海洋水运输至海洋热能转化系统。
13.根据权利要求12所述的太阳能收集器组件，其中所述太阳能捕获部分包括被构造为捕集太阳能的气穴。
14.根据权利要求12所述的太阳能收集器组件，其中所述太阳能捕获部分包括被构造为捕集太阳能的透镜。
15.根据权利要求12所述的太阳能收集器组件，其中所述太阳能捕获部分由薄膜聚合物形成。
16.根据权利要求12所述的太阳能收集器组件，其中所述太阳能捕获部分为绝缘空气空间的网。
17.根据权利要求12所述的太阳能收集器组件，其中所述太阳能捕获部分由源自海洋废弃物的聚合物形成。
18.根据权利要求12所述的太阳能收集器组件，其中被构造为将经加热的海洋水运输至海洋热能转化系统的联接部分被构造为将经加热的海洋水运输至所述海洋热能转化系统的蒸发器。
19.一种太阳能收集器组件，包括
通道，所述通道被构造为接收海洋水至所述太阳能收集器组件中，并将被接收的海洋水保持在所述太阳能收集器组件内；
太阳能捕获部分，其包括所述通道并被配置为加热所述被接收的海洋水，所述太阳能捕获部分包括绝缘空间的网，所述绝缘空间的网被配置为至少被具有比空气的热导率更低的热导率的气体填充以防止水和捕获的太阳能的蒸发冷却，以及其中所述太阳能捕获部分是由薄膜聚合物形成的；以及
联接部分，所述联接部分被构造为将经加热的海洋水运输至海洋热能转化系统。
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