CN103047085A - 一种深海能源综合利用系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种深海能源综合利用系统，包括风力机、温差能发电装置、波浪能利用装置和洋流能利用装置，温差能发电装置包括闪蒸器、工质循环单元和发电机，工质循环单元中液态工质由工质泵输运至蒸发换热器，在蒸发换热器中吸热变为不饱和气体，推动汽轮机做功，之后进入冷凝换热器凝结为液态回流至工质泵；洋流能利用装置中，塔柱上端固接于浮台底部，靠近下端设置水力涡轮，水力涡轮驱动工质泵；波浪能利用装置包括多个浮子动力单元，位于浮台下方并靠近海面布置，其中至少一个浮子动力单元Ⅰ的进水口与表层海水连通，出水口与闪蒸器进口连通；至少一个浮子动力单元Ⅱ的进水口通过管路与深层海水连通，出水口与冷凝换热器进口连通。

Description

一种深海能源综合利用系统

技术领域

本发明涉及一种海上能源综合利用系统，尤其是一种深海漂浮式海上风能，温差能，波浪能，洋流能综合利用系统。该系统着眼于建立深海能源综合利用平台，具有良好的稳定性与经济性。

背景技术

海洋中存储着丰富的能源，其中风能，温差能，波浪能，洋流能是取之不尽用之不竭的绿色可再生能源。目前，风能转化技术较成熟，离岸越远风速越大，未来海上风电将向着离岸更远的海域发展。然而深海风电一般采用漂浮式浮台，它容易受波浪影响而发生摇摆和垂荡。甚至风力机会因重心过高而发生倾覆。并且输出功率易波动，导致并网困难。温差能利用海水表面与深处恒定的20摄氏度左右温差提供稳定的电力输出。但是该发电方式能量密度小，发电效率低，必须规模化或者与其他发电形式结合才具有经济性。波浪能能量密度高，分布广，但是波动性大，需要多级转换，最终发电效率为10%到30%，需要占用较大的海上空间。洋流能功率密度大，有较强的规律性和可预测性，发电稳定，对海洋环境影响小，但是目前垂直轴涡轮机的转换效率为30%左右。以上问题都导致了海洋能转化装置的可靠性以及经济性下降，是目前海洋能利用中急需解决的关键问题。

发明内容

（一）要解决的技术问题

为了解决目前海上漂浮式风力机电力输出不稳定，浮台可靠性差，以及温差能，波浪能，洋流能单独利用时发电效率低，经济性差的问题。本发明提出一种海上能源综合利用系统。该系统风力发电机为驳船式或者半潜式漂浮于海上，与温差能发电系统共用一个漂浮平台。波浪能与洋流能利用装置安装于平台下方，提供温差能发电系统循环的部分驱动能量。该系统结合海上各种能量的特点，实现了风能，温差能，波浪能，洋流能的综合利用，在复杂多变的深海发电环境中提高发电系统的可靠性与经济性。

（二）技术方案

针对上述所要解决的技术问题，本发明所采取的技术方案如下：

一种深海能源综合利用系统，包括浮台、风力机、温差能发电装置、波浪能利用装置和洋流能利用装置，其特征在于，

所述风力机设于浮台上方，

所述温差能发电装置包括闪蒸器、工质循环单元和发电机，其中，所述工质循环单元包括通过管路依次连接的蒸发换热器、汽轮机、冷凝换热器和工质泵，液态工质由工质泵输运至蒸发换热器的冷侧，在蒸发换热器的冷侧中吸收热量后变为不饱和气体，推动汽轮机做功，之后进入冷凝换热器的热侧释放热量凝结为液态回流至工质泵；所述汽轮机驱动发电机；

所述洋流能利用装置设于浮台下方，包括塔柱及垂直轴水力涡轮，所述塔柱上端固接于浮台底部，靠近下端的位置设置所述垂直轴水力涡轮，所述垂直轴水力涡轮驱动工质泵；

所述波浪能利用装置包括围绕所述塔柱均布的多个浮子动力单元，所述多个浮子动力单元位于浮台下方并靠近海面布置，其中至少一个浮子动力单元Ⅰ的进水口直接与表层海水连通，出水口通过管路与所述闪蒸器的进口连通，所述闪蒸器的出口与所述蒸发换热器的热侧进口连通；至少一个浮子动力单元Ⅱ的进水口通过管路与深层海水连通，出水口通过管路与所述冷凝换热器的冷侧进口连通。

进一步地，所述蒸发换热器的热侧出口通过管路与一个浮子动力单元Ⅲ的进水口连通，所述冷凝换热器的冷侧出口通过管路与一个浮子动力单元Ⅳ的进水口连通。

进一步地，所述蒸发换热器的热侧出口、所述冷凝换热器的冷侧出口直接与表层海水连通。

进一步地，所述闪蒸器、蒸发换热器、汽轮机、冷凝换热器设于浮台上方。

进一步地，所述浮子动力单元包括漂浮于海面上的浮子和浸没于海水中的活塞缸，所述浮子通过连杆与活塞缸中的活塞相连，活塞将活塞缸分隔成两部分，活塞缸底部和顶部各设有两个孔，每侧安装着两个方向相反的单向液阀，一个用于进水，一个用于出水，分别构成活塞缸的进水口和出水口。

进一步地，所述浮台为驳船式或半潜式平台结构。

进一步地，所述温差能发电装置还包括备用泵，至少在所述闪蒸器的入水口、冷凝换热器冷侧的入水口的供水管路上设备用泵，在所述闪蒸器的入水口、所述蒸发换热器热侧的出水口、所述冷凝换热器冷侧的入水口及出水口布置流量传感器，当波浪能不足时，所述流量传感器检测到海水流量低于门限值，启动相应的备用泵，进行动力补充，当流量恢复时，则关闭备用泵。

进一步地，在所述垂直轴水力涡轮的输出轴布置转速传感器，当处于非洋流期时，转速传感器检测到所述垂直轴水力涡轮转速低于门限值，离合器将所述垂直轴水力涡轮输出轴与工质泵驱动轴分开，改用电驱动工质泵运行，当洋流期到来时，洋流能涡轮输出轴重新与工质泵连接运行。

进一步地，所述备用泵与工质泵均由工质汽轮机的部分电力驱动。

进一步地，所述温差能发电装置发出的电一部分用于自身的动力补充，以及风力机控制系统，和/或变桨偏航机构，和/或空调，和/或电梯供电，另一部分存入蓄电池中。当风力机发出的电力因波动而不足时，启动蓄电池发电，迅速补偿输出功率，实现电力输出的稳定。

本发明的温差能发电装置包括三部分，热海水循环，工质循环，冷海水循环。热海水循环与冷海水循环为开式循环，工质循环为闭式循环。热海水循环中波浪能利用装置将表层海水泵入闪蒸器，闪蒸器将海水蒸发为水蒸气，之后通过换热器将能量传递给工质后凝结为液态，最后再由波浪能利用装置将海水泵回海中。工质循环中采用氨等低沸点的物质作为工质，洋流能利用装置带动工质泵将液态工质抽到海水表层的换热器，吸收热量，变为不饱和气体，然后推动位于平台上的工质汽轮机旋转发电。做完工的工质流入冷凝器凝结为液态进行下次循环。冷海水循环中波浪能利用装置将深海的冷海水泵入冷凝器，吸收工质的热量，再用波浪能利用装置将冷海水泵出。

波浪能利用装置包括安装于风力机平台下方的活塞缸以及漂浮于海面上的浮子。浮子通过连杆与活塞缸中的活塞相连，活塞将缸体分隔成两部分。缸体底部和顶部都各打有两个孔，安装着两个方向相反的单向液阀，用于该侧缸体内海水与外界的交换。波浪起伏带动浮子的上下运动，驱动连杆带动活塞上下运动，将海水压出或泵入活塞缸。按照在系统中作用的不同，波浪能利用装置可分为泵入与泵出热海水，泵入泵出冷海水四种。负责泵入热海水的波浪能装置将活塞缸的出水口连接并入到闪蒸器的入口，负责泵出热海水的波浪能装置将活塞缸的入水口连接并入到热交换器的出口，这样在活塞运动时就完成了海水在热海水循环中的泵入与泵出作用。负责泵入冷海水的波浪能装置将活塞缸的出水口连接并入到冷凝器的入口，活塞缸的入水口连接并入到深海水域；负责泵出冷海水的波浪能装置将活塞缸的入水口连接并入到冷凝器的出口，活塞缸的出水口连接并入到深海水域，这样在活塞运动时就完成了海水在冷海水循环中的泵入泵出作用。

本发明最终输出的电通过电缆伸向海底，通向大陆。

（三）有益效果

本发明将海上能源多种利用形式安装在一个浮台上，节约了成本本。

本发明用稳定的温差能电力来补偿波动的风电，使输出功率更加稳定，易于并网。

本发明用波浪能利用装置代替热冷海水泵进行热冷海水的循环动力，一方面，在波浪能利用时只采用一级能量转换，提高了能量利用效率，另一方面，该装置为系统节约了能量。

本发明用垂直轴洋流涡轮机直接驱动工质泵，节约了能量以及电机成本。

本发明将洋流能涡轮与波浪能装置安装于浮台下方，降低了风力机的重心，波浪能利用装置吸收部分波浪能，使得浮台更加稳定，不易倾覆，提高系统的可靠性。

附图说明

图1深海能源综合利用系统示意图

图2波浪能利用装置示意图

图3系统能量流，工质流，备用泵与传感器分布示意图。

图4a热海水入口备用泵与传感器分布示意图。

图4b热海水出口备用泵与传感器分布示意图。

图4c洋流能涡轮转速传感器分布示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，对本发明进一步详细说明。

如图1所示，风力机1固定于于驳船式或半潜式浮台2上，海风带动风轮旋转发电。浮台上布置有温差能发电系统。包括热海水循环，工质循环，冷海水循环。热海水循环中波浪能利用装置3入口与表层海水相通，出口与闪蒸器4相通，将表层海水泵入闪蒸器4，闪蒸器将海水蒸发为水蒸气，之后通过换热器5将能量传递给工质后凝结为液态，最后流进波浪能利用装置6，它的入口与换热器5出口相通，出口与表层海水相通，将热海水泵回海中。工质循环中，洋流能利用装置7带动工质泵8将液态工质抽到海水表层的换热器5，吸收热量，变为不饱和气体，然后推动位于平台上的工质汽轮机9旋转发电。做完工的工质流入冷凝器10凝结为液态进行下次循环。冷海水循环中波浪能利用装置11入口与深海水域相通，出口与冷凝器相通，将深海的冷海水泵入冷凝器10，吸收工质的热量，再流进波浪能利用装置12，它入口与冷凝器10出口相通，出口与深海水域相通，将冷海水泵出。

图2所示为波浪能利用装置示意图，该装置包括安装于风力机平台下方的活塞缸13以及漂浮于海面上的浮子14。浮子通过连杆15与活塞缸13中的活塞16相连，活塞16将活塞缸13分隔成两部分。缸体底部和顶部都各打有两个孔17，18，19，20，安装着两个方向相反的单向液阀，用于该侧缸体内海水与外界的交换。波浪起伏带动浮子的上下运动，驱动连杆带动活塞上下运动，将海水压出或泵入活塞缸。

图3所示为系统能量流，工质流以及传感器示意图。温差能系统中工质汽轮机发出的电一部分作为工质泵，备用泵的备用电源，一部分为风力机内部件提供电力，剩下的存入蓄电池中，当风力机发出的电力因波动而不足时，启动蓄电池发电，迅速补偿输出功率，实现电力输出的稳定。

图4a所示为系统中热海水进口备用泵与传感器分布示意图。传感器1，2上测得的流量分别为V1，V2。正常工况下流量V1与V2介于V_down与V_up之间，活塞泵维持热海水循环，洋流能涡轮维持工质的循环。备用泵不开启。当波浪能装置输入水量超过额定值时V1>V_up，节流阀限制流入闪蒸器的流量最大值V2=V_up，多余的水流入储能器。备用泵不开启。当波浪能装置输入水量低于额定值时V1<V_down，储能器先将水流回主管道进行补充。当流量传感器2测得的流量小于门限值时V2<V_down，开启备用泵。当流量传感器2测得流量达到额定值且流量传感器1测得流量超过最大值V_down<V2<V_up且V1>V_up，水开始流入储能器，备用泵关闭。

图4b为系统中热海水出口备用泵与传感器分布示意图。流量传感器3检测出口水流量V3，当V3介于V_down与V_up之间时，备用泵不开启。当波浪能不足时，热水泵出流量不足，V3<V_down，开启备用泵，增大流出海水的流量。当V3>V_up时关闭备用泵。

图4c为系统中洋流能涡轮机转速传感器分布示意图。转速传感器检测洋流能涡轮机的输出转速，当n介于n_down和n_up之间时，由洋流能涡轮机直接带动工质泵旋转。当处于洋流期之外，转速传感器测得洋流能涡轮机转速n<n_down时，涡轮机与工质泵轴间离合器将轴分开，同时由工质汽轮机输出的部分电能驱动工质泵旋转。当转速传感器测得洋流能涡轮转速n>n_down，表示洋流期又到来了，停止电驱动工质泵，离合器重新将洋流能涡轮机和工质泵连接，让洋流能涡轮带动工质泵旋转。

冷海水备用泵与传感器工作流程与热海水一致，不再叙述。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明。所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种深海能源综合利用系统，包括浮台、风力机、温差能发电装置、波浪能利用装置和洋流能利用装置，其特征在于，

所述风力机设于浮台上方，

所述温差能发电装置包括闪蒸器、工质循环单元和发电机，其中，所述工质循环单元包括通过管路依次连接的蒸发换热器、汽轮机、冷凝换热器和工质泵，液态工质由工质泵输运至蒸发换热器的冷侧，在蒸发换热器的冷侧中吸收热量后变为不饱和气体，推动汽轮机做功，之后进入冷凝换热器的热侧释放热量凝结为液态回流至工质泵；所述汽轮机驱动发电机；

所述洋流能利用装置设于浮台下方，包括塔柱及垂直轴水力涡轮，所述塔柱上端固接于浮台底部，靠近下端的位置设置所述垂直轴水力涡轮，所述垂直轴水力涡轮驱动工质泵；

所述波浪能利用装置包括围绕所述塔柱均布的多个浮子动力单元，所述多个浮子动力单元位于浮台下方并靠近海面布置，其中至少一个浮子动力单元Ⅰ的进水口直接与表层海水连通，出水口通过管路与所述闪蒸器的进口连通，所述闪蒸器的出口与所述蒸发换热器的热侧进口连通；至少一个浮子动力单元Ⅱ的进水口通过管路与深层海水连通，出水口通过管路与所述冷凝换热器的冷侧进口连通。

2.根据权利要求1所述的深海能源综合利用系统，其特征在于，所述蒸发换热器的热侧出口通过管路与一个浮子动力单元Ⅲ的进水口连通，所述冷凝换热器的冷侧出口通过管路与一个浮子动力单元Ⅳ的进水口连通。

3.根据权利要求1所述的深海能源综合利用系统，其特征在于，所述蒸发换热器的热侧出口、所述冷凝换热器的冷侧出口直接与表层海水连通。

4.根据权利要求1至3任一项所述的深海能源综合利用系统，其特征在于，所述闪蒸器、蒸发换热器、汽轮机、冷凝换热器设于浮台上方。

5.根据上述任一项权利要求所述的深海能源综合利用系统，其特征在于，所述浮子动力单元包括漂浮于海面上的浮子和浸没于海水中的活塞缸，所述浮子通过连杆与活塞缸中的活塞相连，活塞将活塞缸分隔成两部分，活塞缸底部和顶部各设有两个孔，每侧安装着两个方向相反的单向液阀，一个用于进水，一个用于出水，分别构成活塞缸的进水口和出水口。

6.根据上述任一项权利要求所述的深海能源综合利用系统，其特征在于，所述浮台为驳船式或半潜式平台结构。

7.根据上述任一项权利要求所述的深海能源综合利用系统，其特征在于，所述温差能发电装置还包括备用泵，至少在所述闪蒸器的入水口、冷凝换热器冷侧的入水口的供水管路上设备用泵，在所述闪蒸器的入水口、所述蒸发换热器热侧的出水口、所述冷凝换热器冷侧的入水口及出水口布置流量传感器，当波浪能不足时，所述流量传感器检测到海水流量低于门限值，启动相应的备用泵，进行动力补充，当流量恢复时，则关闭备用泵。

8.根据上述任一项权利要求所述的深海能源综合利用系统，其特征在于，在所述垂直轴水力涡轮的输出轴布置转速传感器，当处于非洋流期时，转速传感器检测到所述垂直轴水力涡轮转速低于门限值，离合器将所述垂直轴水力涡轮输出轴与工质泵驱动轴分开，改用电驱动工质泵运行，当洋流期到来时，洋流能涡轮输出轴重新与工质泵连接运行。

9.根据上述任一项权利要求所述的深海能源综合利用系统，其特征在于，所述备用泵与工质泵均由工质汽轮机的部分电力驱动。

10.根据上述任一项权利要求所述的深海能源综合利用系统，其特征在于，所述温差能发电装置发出的电一部分用于自身的动力补充，以及风力机控制系统，和/或变桨偏航机构，和/或空调，和/或电梯供电，另一部分存入蓄电池中。当风力机发出的电力因波动而不足时，启动蓄电池发电，迅速补偿输出功率，实现电力输出的稳定。

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