CN104314782A - 一种南北极地区海水大气温差热能动力装置 - Google Patents

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    • Y02E10/30—Energy from the sea, e.g. using wave energy or salinity gradient

Abstract

本发明公开了一种南北极地区海水大气温差热能动力装置，其包括气体发生器，用于将海水热量传输给循环工质，并使循环工质汽化；透平，用于将气态的循环工质在降压过程中的焓降转化为动力输出；冷凝器，用于冷凝透平的排气，并将凝结热释放至低温空气；升压泵，用于提升循环工质凝结液的压力；若干根连接用的承压管道。本装置工作时，循环工质从冷凝器的工质出口进入升压泵，升压后进入气体发生器吸收海水热量，变为气态从气体发生器流出，进入透平入口，在透平内做功，然后以低温低压状态排入冷凝器并被冷凝为液态，并再次进入升压泵，循环运行。透平对外输出功。本方案具备良好的经济性和实用性，适用于南北极冰层隔绝海水和空气的区域。

Description

一种南北极地区海水大气温差热能动力装置
技术领域
本发明涉及一种地球极地海水大气温差利用技术，尤其是涉及一种利用南北极地区海水大气温差的热能动力装置。
背景技术
在地球南北两极区域，存在着广大的、常年为厚冰层覆盖的洋面。洋流带来的热量和海底释放的地热维持着冰面下的海水温度略高于其冰点。冰面上方的空气温度比海水的温度低很多，在海水和空气之间，存在着一个显著的温差。
依据热力学理论，当热源温度高于热井温度时，就可以通过一个合适的系统或装置，产生功或动力输出。在海水绝对温度Twater，空气绝对温度Tair，系统从海水吸收热流量q条件下，系统最多可以输出动力：
 p=q(1-Tair/Twater)
上式中，热流q和p的单位是kw，Twater和Tair的单位是开氏度。
海水温度接近0度，相当于273.15开氏度，极地气温可以低于-40度，相当于233.15开氏度。这意味着，从海水中吸收的热流量，大约有10%可以被转化为动力输出。
人类社会使用煤、石油、核能、太阳能以及风能作为动力来源。而实际上，南北两极的海水能也可以作为一个来源。
与太阳能发电或风能发电相比较，位于南北两极地区的海水能有较大优势：能量容量大，比较集中，可以大规模开发。
中华人民共和国国家知识产权局于2008年06月11日公开了公开号为CN101196180A的专利文献，名称是利用海水温差能发电的方法，其包括水，水泵，采用开式和闭式两种循环系统，使表层海水中的热能向深层冷水中转移，从而做功发电。海水温差发电技术利用了表层海水与深层海水之间的温度差, 结构较为复杂。
与海水温差发电相比，本技术所利用的相对温差更大，所需要的系统设备更紧凑。
发明内容
本发明旨在提出一种动力来源, 以解决能源的可持续性问题。
本发明设计了一种热能动力装置，通过吸收极地海水热量，向极地大气释放低温热量，以产生动力输出。本发明的具体方案为：一种南北极地区海水大气温差热能动力装置，包括：
气体发生器，用于将海水热量传输给循环工质，并使循环工质汽化；
透平，用于将气态的循环工质在降压过程中的焓降转化为动力输出；
冷凝器，用于冷凝透平的排气，并将凝结热释放至低温空气；
升压泵，用于提升循环工质凝结液的压力；
若干根承压管道，用于连接气体发生器、透平、冷凝器以及升压泵，连接方式为:
a、气体发生器的工质出口和透平的入口以承压管道相连接；
b、冷凝器的工质出口和升压泵的入口以承压管道相连接；
c、升压泵的出口和气体发生器的工质入口以承压管道相连接；
所述的气体发生器设置在南北极地区冰层下方的海水中，所述透平和冷凝器设置在冰层上方的空气中；
所述循环工质为三相点温度低于环境气温且临界点温度高于零摄氏度的物质。
本装置工作时，循环工质从冷凝器的工质出口进入升压泵，升压后进入气体发生器吸收海水热量，变为较高压力的气态从气体发生器流出，进入透平入口，在透平内做功，然后以低温低压状态排入冷凝器并被冷凝为液态，并再次进入升压泵入口，循环运行。透平对外输出功。在这个循环过程中，热能动力装置从海水中吸收热量，向空气排出热量。
作为优选，所述循环工质为三相点温度低于环境气温且临界点温度高于零摄氏度的物质。
作为优选，南北极地区海水大气温差热能动力装置还包括工质贮存箱、系统补给阀、系统装量控制阀、气体发生器液位控制阀、透平负荷/转速控制阀和海水泵，海水泵与气体发生器连接，海水泵抽取海水流经气体发生器的海水侧；工质贮存箱中存有循环工质，工质贮存箱的底部出口通过系统补给阀连接升压泵的入口，工质贮存箱的底部出口还通过系统装量控制阀连接升压泵的出口；所述气体发生器液位控制阀串接在气体发生器的工质入口上；所述透平负荷/转速控制阀串接在透平的入口上。
透平负荷/转速控制阀用于控制丙烷透平的负荷及转速，并且，在发生诸如透平超速、甩负荷等威胁到透平安全的故障时，关闭此阀门以停止透平进气。
气体发生器液位控制阀用于控制气体发生器的液位或装量。
工质贮存箱通过系统补给阀和系统装量控制阀为系统补液或者溢流。
海水泵为气体发生器的海水侧提供较大流量，避免结冰。
作为优选，所述循环工质为丙烷、氟利昂和氨中的任意一种。
作为优选，南北极地区海水大气温差热能动力装置还包括发电机，所述发电机与透平连接。
通过发电机直接将装置的输出功转化为电力，供人们使用，或者用于电解水将电力转化为氢能。
冰层可以将上层空气和下层海水的温度进行隔绝，选择适合的地区就可以在较短距离获得较大温差。这种热机以海水为热源，极地周围大气为热井，提供了一种与传统能源技术不同的动力获得方法。
本发明带来的实质性效果是，具有实用价值，具有较好的经济性、环境友好性、可持续性以及丰富性。
附图说明
图1是本发明的一种结构示意图；
图2是本发明的另一种结构示意图；
图中：1、气体发生器，2、丙烷透平，3、丙烷冷凝器，4、升压泵，5、海面冰层，6、透平负荷/转速控制阀，7、气体发生器液位控制阀，8、系统装量控制阀，9、系统补给阀，10、丙烷贮存箱，11、发电机，12、海水泵。
具体实施方式
下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。
实施例1：本实施例的一种南北极地区海水大气温差热能动力装置，如图1所示，包括气体发生器1、丙烷透平2、丙烷冷凝器3、升压泵4、海面冰层5以及若干根承压管道。装置使用的循环工质为丙烷或氨。
气体发生器1的工质出口和丙烷透平2的入口以承压管道相连接；丙烷冷凝器3的工质出口和升压泵4的入口以承压管道相连接；升压泵4的出口和气体发生器1的工质入口以承压管道相连接。
气体发生器1设置在南北极地区海面冰层5下方的海水中，丙烷透平2和丙烷冷凝器3设置在海面冰层5上方的空气中。
本装置工作时，循环工质从丙烷冷凝器3的工质出口进入升压泵4，升压后进入气体发生器1吸收海水热量，变为较高压力的气态从气体发生器1流出，进入丙烷透平2入口，在丙烷透平2内做功，然后以低温低压状态排入丙烷冷凝器3并被冷凝为液态，并再次进入升压泵4入口，循环运行。在这个循环过程中，热能动力装置从海水中吸收热量，向空气排出热量。
实施例2：本实施例的一种南北极地区温差热能动力装置，如图2所示，包括气体发生器1、丙烷透平2、丙烷冷凝器3、升压泵4、海面冰层5、透平负荷/转速控制阀6、气体发生器液位控制阀7、系统装量控制阀8、系统补给阀9、丙烷贮存箱10、发电机11、海水泵12以及若干根承压管道。装置所用的循环工质为丙烷。
气体发生器1的工质出口和丙烷透平2的入口以承压管道相连接；丙烷冷凝器3的工质出口和升压泵4的入口以承压管道相连接；升压泵4的出口和气体发生器1的工质入口以承压管道相连接。
气体发生器1设置在南北极地区海面冰层5下方的海水中，丙烷透平2和丙烷冷凝器3设置在海面冰层5上方的空气中。
本装置工作时，循环工质从丙烷冷凝器3的工质出口进入升压泵4，升压后进入气体发生器1吸收海水热量，变为较高压力的气态从气体发生器1流出，进入丙烷透平2入口，在丙烷透平2内做功，然后以低温低压状态排入丙烷冷凝器3并被冷凝为液态，并再次进入升压泵4入口，循环运行。发电机11与丙烷透平2连接，丙烷透平2驱动发电机11发电。在这个循环过程中，热能动力装置从海水中吸收热量，向空气排出热量。
海水泵12与气体发生器1的海水侧连接，海水泵12抽取海水流经气体发生器1的海水侧；丙烷贮存箱10中存有丙烷，丙烷贮存箱10的底部出口通过系统补给阀9连接升压泵4的入口，工质贮存箱10的底部出口还通过系统装量控制阀8连接升压泵4的出口；气体发生器液位控制阀7串接在气体发生器1的工质入口上；透平负荷/转速控制阀6串接在丙烷透平2的入口上。
透平负荷/转速控制阀6用于控制丙烷透平的负荷及转速，并且，在发生诸如透平超速、甩负荷等威胁到透平安全的故障时，关闭此阀门以停止透平进气。
气体发生器液位控制阀7用于控制气体发生器的液位或装量。
工质贮存箱通过系统补给阀9和系统装量控制阀8为系统补液或者溢流。
海水泵12为气体发生器的海水侧提供较大流量，避免结冰。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
尽管本文较多地使用了气体发生器、透平、冷凝器等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。

Claims (4)

1.一种南北极地区海水大气温差热能动力装置，其特征在于，包括：
气体发生器，用于将海水热量传输给循环工质，并使循环工质汽化；
透平，用于将气态的循环工质在降压过程中的焓降转化为动力输出；
冷凝器，用于冷凝透平的排气，并将凝结热释放至低温空气；
升压泵，用于提升循环工质凝结液的压力；
若干根承压管道，用于连接气体发生器、透平、冷凝器以及升压泵，连接方式为:
a、气体发生器的工质出口和透平的入口以承压管道相连接；
b、冷凝器的工质出口和升压泵的入口以承压管道相连接；
c、升压泵的出口和气体发生器的工质入口以承压管道相连接；
所述的气体发生器设置在南北极地区冰层下方的海水中，所述透平和冷凝器设置在冰层上方的空气中；
所述循环工质为三相点温度低于环境气温且临界点温度高于零摄氏度的物质。
2.根据权利要求1所述的一种南北极地区海水大气温差热能动力装置，其特征在于，还包括工质贮存箱、系统补给阀、系统装量控制阀、气体发生器液位控制阀、透平负荷/转速控制阀和海水泵，海水泵与气体发生器连接，海水泵抽取海水流经气体发生器的海水侧；工质贮存箱中存有循环工质，工质贮存箱的底部出口通过系统补给阀连接升压泵的入口，工质贮存箱的底部出口还通过系统装量控制阀连接升压泵的出口；所述气体发生器液位控制阀串接在气体发生器的工质入口上；所述透平负荷/转速控制阀串接在透平的入口上。
3.根据权利要求1或2所述的一种南北极地区海水大气温差热能动力装置，其特征在于，所述循环工质为丙烷、氟利昂和氨中的任意一种。
4.根据权利要求3所述的一种南北极地区海水大气温差热能动力装置，其特征在于，还包括发电机，所述发电机与透平连接。
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