CN105464915B - 海洋热能转换电站 - Google Patents

Abstract

一种离岸发电结构，该结构包括浸没部，该浸没部具有：包括一体的多级蒸发器系统的第一甲板部、包括一体的多级冷凝系统的第二甲板部、容纳发电设备的第三甲板部、冷水管和冷水管连接部。

Description

海洋热能转换电站

本申请是申请人阿贝尔基金会于2012年9月21日提出的申请号为201180015212.1(对应的国际申请号为PCT/US2011/022115)、发明名称为“海洋热能转换电站”的发明申请的分案申请。

相关申请

本申请要求2010年1月21日提交的美国临时申请序列号61/297,242、2010年1月21日提交的美国申请序列号12/691,655以及2010年1月21日提交的美国申请序列号12/691,663的优先权。所有这些在先申请的全部内容通过引用合并于此。

技术领域

本发明涉及海洋热能转换电站，更具体地涉及浮式的、最小起伏平台的、多级热机的海洋热能转换电站。

背景技术

全球能源消耗和需求一直以指数速度增长。这方面的需求预计将持续上升，特别是在亚洲和拉丁美洲的发展中国家。同时，传统的能源资源、即化石燃料正在加速减少并且开采化石燃料的成本持续上升。环境和监管方面的担忧正在加剧这一问题。

与太阳相关的可再生能源是可以为不断增长的能源需求提供一部分解决方案的一种可选的能源资源。由于与太阳相关的可再生能源与化石燃料、铀、甚至热力“绿色”能源不一样，很少存在或者不存在与其使用相关联的气候风险，所以与太阳相关的可再生能源有很大吸引力。另外，与太阳相关的能源是免费的并且极为丰富。

海洋热能转换(“OTEC”)是利用在海洋的热带区域中作为热量存储的太阳能来产生可再生能源的一种方式。全世界的热带大洋和大海提供了独特的可再生能源资源。在许多热带地区(在大约北纬20°与南纬20°之间)，表面海水的温度几乎保持恒定。直到大约100英尺深度，海水的平均表面温度随着季节在75°F至85°F或者更高之间变化。在同一区域，深层海水(在2500英尺至4200英尺之间或者更深)保持在相当恒定的40°F。因此，热带海洋结构在表面提供了大的热水储藏并且在深层提供了大的冷水储藏，并且热水储藏与冷水储藏之间的温差在35°F至45°F之间。该温差在白天和夜晚保持得相当恒定，并且季节性的变化小。

OTEC过程利用表面热带海水与深层热带海水之间的温差来驱动热机以产生电能。OTEC发电在20世纪70年代后期被认同为对于能源生产而言是具有低到零碳足迹(carbonfootprint)的可能的可再生能源资源。然而，与多数传统的高压高温发电站相比，OTEC电站具有低的热力学效率。例如，利用80°F与85°F之间的平均海洋表面温度以及40°F的恒定深水温度，OTEC电站的最大理想卡诺效率(Carnot efficiency)为7.5％至8％。在实际操作中，OTEC电力系统的总电力效率经估计为卡诺极限的大约一半，或者大约3.5％至4.0％。另外，在1994年牛津大学出版社出版的由William Avery和Chih Wu发表的题为“来自海洋的可再生能源，OTEC指南”(“Renewable Energy from the Ocean,a Guide to OTEC”WilliamAvery and Chih Wu,Oxford University Press，1994)(通过引用合并于此)中所记载的、由20世纪70年代和20世纪80年代前沿研究人员所进行的分析表明：通过以ΔT为40°F进行操作的OTEC电站产生的总电力的四分之一至一半(或者更多)将被需要用于使水泵和工作流体泵运行并且为电站的其他辅助需要供电。基于此，OTEC电站的将存储在表面海水中的热能转化成净电能的低的整体净效率一直未能成为商业上可行的能源生产方案。

造成整体热力学效率进一步降低的另一因素是与用于涡轮机的精确频率调节而提供必要的控制相关联的损失。这引起了涡轮机循环中的压力损失，该压力损失限制了能够从热海水中提取的功。

这种比在高温高压下进行操作的热机的典型效率低的OTEC净效率导致能源规划者广泛持有如下假设：OTEC电站成本太高以至于无法与多数传统的发电方法抗争。

实际上，因为热水和冷水之间的温差相对小，所以寄生电力需要在OTEC电站中特别重要。为了实现热海水与工作流体之间以及冷海水与工作流体之间的最大热传递，需要大的热交换表面积，以及高的流体速度。增加这些因素中的任何一个都可能使OTEC电站上的寄生载荷显著地增大，从而降低净效率。使海水与工作流体之间的有限的温差中的能量传递最大化的高效热传递系统将增加OTEC电站的商业可行性。

除了由于看似固有的大的寄生载荷而效率相对低之外，OTEC电站的操作环境引起了也会降低这种操作的商业可行性的设计及操作方面的挑战。如之前所提到的，在深度为100英尺或者更浅的海洋表面找到了OTEC热机所需的热水。在2700英尺至4200英尺之间的深度或者更深处找到了用于冷却OTEC发动机的恒定冷水来源。在人口中心附近乃至大陆块通常都找不到这样的深度。离岸电站是必须的。

不管电站是浮式的还是固定于水下地貌，均需要2000英尺或更长的长冷水引入管。此外，由于商业上可行的OTEC操作所需的水量很大，所以冷水引入管需要具有大直径(通常在6英尺至35英尺之间或者更大)。将大直径管悬挂在离岸结构上存在稳定性、连接以及构造方面的挑战，这会预先驱使OTEC成本超出商业可行性。

另外，悬挂在动态的海洋环境中的、具有显著的长度直径比的管会沿着管的长度而遭受温差以及变化的洋流。由沿着管的弯曲和漩涡脱落(vortex shedding)而引起的应力也引起了挑战。并且，诸如波浪作用等表面影响引起了与管和浮式平台之间的连接有关的进一步挑战。具有期望的性能、连接以及构造考虑的冷水管引入系统能够提高OTEC电站的商业可行性。

与OTEC电站相关联的对环境的关注也已经成为OTEC操作的障碍。传统的OTEC系统从海洋深处抽取大量的营养丰富的冷水并且在表面或者表面附近将这些水排放。这样的排放可能以正面或负面的方式对OTEC电站附近的海洋环境产生影响，可能对处于OTEC排放下游的鱼群和珊瑚礁系统带来冲击。

发明内容

本发明的若干个方面指向于利用海洋热能转换过程的发电站。

发明的进一步的方面涉及离岸OTEC电站，该OTEC电站具有由于降低了寄生载荷而提高了的整体效率、较好的稳定性、较低的构造和操作成本以及改善了的环境足迹(environmental footprint)。其他方面包括与浮式结构一体的大容量水管道。多级OTEC热机的模块化和区室化降低了构造和维护成本、限制了离网操作并且提高了操作性能。又进一步的方面提供了具有一体的热交换区室的浮式平台，并且提供了平台的由于波浪作用而产生的最小运动。一体的浮式平台也可以提供通过多级热交换器的高效的热水流或冷水流，提高了效率并且降低了寄生电力需要。本发明的若干个方面通过将热水和冷水排放在适当的深度/温度范围内可以促进环境中性的热足迹。以电力的形式提取出的能量降低了到达海洋的整体温度。

发明的又进一步的方面涉及用于与离岸OTEC设备一起使用的冷水管，该冷水管是错开板条式的连续的管。

一个方面涉及包括具有外表面、顶端和底端的长形管状结构的管。管状结构包括多个第一和多个第二板条部，每个板条部均具有顶部和底部，其中第二板条部的顶部与第一板条部的顶部错开。

进一步的方面涉及在管状结构的外表面绕着管至少部分地卷绕有带或箍的管。带或箍可以绕着管的顶部、管的中间部或管的下部的外表面周向地卷绕。带或箍可以绕着管的整个长度周向地卷绕。带或箍可以以与管的外表面基本上平坦铺设的方式安装。带或箍可以以从管的外表面向外突出的方式安装。带或箍可以由与管相同的或不同的材料制成。带或箍可以用粘结的方式结合于管的外表面、用机械方式结合至管的外表面或者使用机械的和粘结组合的方式以安装于管的外表面。

发明的进一步的方面涉及错开板条式管，其中每个板条部进一步包括用于与相邻的板条部配合接合的第一侧上的接合舌和第二侧上的凹槽。错开板条式管可以包括主动锁定系统(positive locking system)以将一个板条的第一侧机械地联接至第二个板条的第二侧。板条可以利用条接合从一个板条的顶部在垂向上接合至相邻的板条的底部。在可选的实施方式中，板条的顶部和板条的底部可以均包括接合空孔，使得当第一板条的顶部与第二板条的底部接合时，该接合空孔对准。柔性树脂可以注射到对准的接合空孔内。柔性树脂可以用于填充任何接合表面中的空隙。在发明的若干个方面中，柔性树脂是甲基丙烯酸酯粘结剂。

本发明的单个板条可以是任何长度。在若干个方面中，从板条底部到顶部测量的每个板条部均在20英尺至90英尺之间。板条部可以被制成能够用标准联运集装箱(inter-modal container)航运的尺寸。单个板条部的宽度可以在10英寸至80英寸之间。每个板条部的厚度可以在1英寸至24英寸之间。

在发明的若干个方面中，板条部可以被拉挤成型、挤出成型或模塑成型。板条部可以包括聚氯乙烯(PVC)、氯化聚氯乙烯(CPVC)、纤维增强塑料(FRP)、增强聚合物砂浆(RPMP)、聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE)、交联高密度聚乙烯(PEX)、聚丁烯(PB)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)；聚酯、纤维增强聚酯、乙烯基酯、增强乙烯基酯、混凝土、陶瓷或上述材料中的一种或多种的组合物。

在发明的进一步的方面中，板条部可以包括至少一个内部空孔。然后至少一个空孔可以填充有水、聚碳酸酯泡沫或复合泡沫塑料。

在发明的若干个方面中，管是OTEC电站用的冷水引入管。

发明的又进一步的方面涉及离岸发电结构，该结构包括浸没部，浸没部进一步包括：热交换部；发电部；和包括多个错开的第一板条部和第二板条部的冷水管。

发明的更进一步的方面涉及形成用于在OTEC电站中使用的冷水管的方法，该方法包括：形成多个第一板条部和多个第二板条部；以使得第二板条部与第一板条部错开的方式使交替的第一板条部和第二板条部接合，以形成连续的长形管。

发明的进一步的方面涉及浸没垂向管连接结构，其包括：浮式结构，该浮式结构具有垂向管接收凹部，其中接收凹部具有第一直径；用于插入到管接收凹部内的垂向管，该垂向管具有比管接收凹部的第一直径小的第二直径；部分球形或弧形的支承面；以及可与支承面一起操作的一个或多个可动爪、小齿轮或凸耳，其中，当爪与支承面接触时，爪限定与第一直径或第二直径不同的直径。

发明的另外的方面涉及将浸没垂向管连接至浮式平台的方法，该方法包括：提供具有垂向管接收凹部的浮式结构，其中所述管接收凹部具有第一直径；提供具有上端部的垂向管，上端部具有小于第一直径的第二直径；将垂向管的上端部插入到接收凹部内；提供用于支撑垂向管的支承面；将一个或多个爪展开使得一个或多个爪具有不同于第一直径或第二直径的直径；使一个或多个爪与支承面接触以使垂向管悬挂于浮式结构。

在发明的若干个方面中，一个或多个爪可以与垂向管为一体。一个或多个爪可以与接收凹部为一体。一个或多个爪包括限定小于第一直径的直径的第一缩回位置。一个或多个爪包括限定大于第一直径的直径的展开位置。支承面与管接收凹部为一体并且可与一个或多个爪一起操作。支承面可以包括球形支承面。一个或多个爪进一步包括构造成接触支承面的配合面。一个或多个爪进一步包括构造成接触球形支承面的配合面。球形支承面和配合面有利于垂向管与浮式结构之间的相对运动。

在又进一步的方面中，一个或多个爪包括限定大于第二直径的直径的第一缩回位置。一个或多个爪包括限定小于第二直径的直径的展开位置。支承面与垂向管为一体并且可与一个或多个爪一起操作。

若干个方面可以包括用于使爪展开或缩回的驱动器，该驱动器可以是液压控制的驱动器、气动控制的驱动器、机械控制的驱动器、电控制的驱动器或者机电控制的驱动器。

进一步的方面可以包括：包括第一成角度的管配合面的管接收凹部；和包括第二成角度的管配合面的垂向管，其中，第一和第二成角度的管配合面构造成在将垂向管插入到管接收凹部内的过程中协作引导垂向管。

在又进一步的方面中，提供冷水管与柱筒(spar)的下部之间的静态接口，其包括：具有锥形下表面的接收凹部；和用于与冷水管上提凸缘的锥形凸缘面密封型接合的接触垫。

在将冷水管连接至柱筒的下部的示例性方法中，方法提供的步骤包括：将上提保持缆绳连接至冷水管的上部，其中冷水管的上部包括具有锥形连接面的上提凸缘；利用上提保持缆绳将冷水管拉到柱筒接收凹部内，其中接收凹部包括用于接收冷水管的上部的锥形面和接触垫；使冷水管的锥形连接面与接收凹部的接触垫产生密封型接触；并且用机械的方式将上提缆绳固定以保持连接面与接触垫之间的密封型接触。

在再进一步的方面中，提供一种冷水管，用于静态连接至柱筒的下部，其中冷水管包括第一纵向部和第二纵向部；第一纵向部连接至柱筒的下部并且第二纵向部比第一纵向部更有柔性。在一些方面中，第三纵向部可以包括在冷水管中，该第三纵向部不如第二纵向部有柔性。第三纵向部可以比第一纵向部更有柔性。第三纵向部可以包括冷水管的长度的50％或更多。第一纵向部可以包括冷水管的长度的10％或更少。第二纵向部可以包括冷水管的长度的1％至30％之间。第二纵向部可以允许冷水管的第三纵向部偏斜量在0.5°至30°之间。

发明的进一步的方面涉及具有优化了的多级热交换系统的浮式的最小起伏的OTEC电站，其中热水供给管道和冷水供给管道以及热交换器柜在结构上与电站的浮式平台或结构一体化。

又进一步的方面包括浮式海洋热能转换电站。诸如柱筒的最小起伏结构或者改进型半潜式离岸结构可以包括第一甲板部，该第一甲板部具有结构一体化的热海水通道、多级热交换表面和工作流体通道，其中，第一甲板部提供工作流体的蒸发。第二甲板部也设置有结构一体化的冷海水通道、多级热交换表面和工作流体通道，其中，第二甲板部提供用于使工作流体从蒸汽冷凝成液体的冷凝系统。第一和第二甲板工作流体通道与第三甲板部连通，该第三甲板部包括由一个或多个蒸汽涡轮机驱动的发电机，以用于发电。

在一个方面中，提供一种离岸发电结构，其包括浸没部。浸没部进一步包括：第一甲板部，该第一甲板部包括一体化的多级蒸发器系统；第二甲板部，该第二甲板部包括一体化的多级冷凝系统；第三甲板部，该第三甲板部容纳有电力产生和转换装置；冷水管和冷水管连接部。

在进一步的方面中，第一甲板部进一步包括形成高容量热水管道的第一级热水结构通道。第一甲板部还包括与第一级热水结构通道协作配置以将工作流体加热成蒸汽的第一级工作流体通道。第一甲板部还包括直接联接至第二级热水结构通道的第一级热水排放部。第二级热水结构通道形成高容量热水通道并且包括联接至第一级热水排放部的第二级热水引入部。第一级热水排放部到第二级热水引入部的配置提供第一级与第二级之间的热水流中的最小压力损失。第一甲板部还包括与第二级热水结构通道协作配置以将工作流体加热成蒸汽的第二级工作流体通道。第一甲板部还包括第二级热水排放部。

在进一步的方面中，浸没部进一步包括第二甲板部，该第二甲板部包括用于形成高容量冷水管道的第一级冷水结构通道。第一级冷水通道进一步包括第一级冷水引入部。第二甲板部还包括与第一甲板部的第一级工作流体通道连通的第一级工作流体通道。第二甲板部的第一级工作流体通道与第一级冷水结构通道协作以将工作流体冷却成液体。第二甲板部还包括第一级冷水排放部，该第一级冷水排放部直接联接至形成高容量冷水管道的第二级冷水结构通道。第二级冷水结构通道包括第二级冷水引入部。第一级冷水排放部和第二级冷水引入部配置成提供从第一级冷水排放部到第二级冷水引入部的冷水流中的最小压力损失。第二甲板部还包括与第一甲板部的第二级工作流体通道连通的第二级工作流体通道。第二级工作流体通道与第二级冷水结构通道协作将第二级工作流体通道中的工作流体冷却成液体。第二甲板部还包括第二级冷水排放部。

在进一步的方面中，第三甲板部可以包括第一蒸汽涡轮机和第二蒸汽涡轮机，其中第一甲板部的第一级工作流体通道与第一涡轮机连通，并且第一甲板部的第二级工作流体通道与第二涡轮机连通。第一和第二涡轮机能够联接至一个或多个发电机。

在又进一步的方面中，提供一种离岸发电结构，其包括浸没部，该浸没部进一步包括：四级蒸发器部、四级冷凝器部、四级发电部、冷水管连接部和冷水管。

在一个方面中，四级蒸发器部包括热水管道，该热水管道包括：第一级热交换表面、第二级热交换表面、第三级热交换表面和第四级热交换表面。热水管道包括浸没部的垂向结构构件。第一、第二、第三和第四热交换表面与工作流体管道的第一、第二、第三和第四级部协作，其中，流过工作流体管道的工作流体在第一、第二、第三和第四级部中的每一个处被加热成蒸汽。

在一个方面中，四级冷凝器部包括冷水管道，该冷水管道包括：第一级热交换表面、第二级热交换表面、第三级热交换表面和第四级热交换表面。冷水管道包括浸没部的垂向结构构件。第一、第二、第三和第四热交换表面与工作流体管道的第一、第二、第三和第四级部协作，其中，流过工作流体管道的工作流体在第一、第二、第三和第四级部中的每一个处被加热为蒸汽，并且在各依次级处ΔT越来越低。

在再一方面中，蒸发器部的第一、第二、第三和第四级工作流体管道与第一、第二、第三和第四蒸汽涡轮机连通，其中，蒸发器部第一级工作流体管道与第一蒸汽涡轮机连通并且排出至冷凝器部的第四级工作流体管道。

在再一方面中，蒸发器部的第一、第二、第三和第四级工作流体管道与第一、第二、第三和第四蒸汽涡轮机连通，其中蒸发器部第二级工作流体管道与第二蒸汽涡轮机连通并且排出至冷凝器部的第三级工作流体管道。

在再一方面中，蒸发器部的第一、第二、第三和第四级工作流体管道与第一、第二、第三和第四蒸汽涡轮机连通，其中蒸发器部第三级工作流体管道与第三蒸汽涡轮机连通并且排出至冷凝器部的第二级工作流体管道。

在再一方面中，蒸发器部的第一、第二、第三和第四级工作流体管道与第一、第二、第三和第四蒸汽涡轮机连通，其中蒸发器部第四级工作流体管道与第四蒸汽涡轮机连通并且排出至冷凝器部的第一级工作流体管道。

在又进一步的方面中，第一发电机由第一涡轮机或第四涡轮机驱动，或者由第一和第四涡轮机的组合驱动。

在又进一步的方面中，第二发电机由第二涡轮机或第三涡轮机驱动，或者由第二和第三涡轮机两者的组合驱动。

发明的另外的方面可以包含一个或多个以下特征：第一和第四涡轮机或第二和第三涡轮机产生9MW至60MW之间的电力；第一和第二涡轮机产生大约55MW的电力；第一和第二涡轮机形成海洋热能转换电站中的多个涡轮发电机组中的一个；第一级热水引入部不与第二级冷水排放部发生干涉；第一级冷水引入部不与第二级热水排放部发生干涉；第一或第二级工作流体通道内的工作流体包括商业制冷剂。工作流体包括氨、丙烯、丁烷、R-134或R-22；第一和第二级工作流体通道内的工作流体温度增加12°F至24°F；第一工作流体流过第一级工作流体通道，并且第二工作流体流过第二级工作流体通道，其中，第二工作流体以低于第一工作流体进入第一蒸汽涡轮机的温度进入第二蒸汽涡轮机；第一和第二级工作流体通道中的工作流体温度降低12°F至24°F；第一工作流体流过第一级工作流体通道，并且第二工作流体流过第二级工作流体通道，其中，第二工作流体以低于第一工作流体进入第二甲板部的温度进入第二甲板部。

发明的进一步的方面也可以包含一个或多个以下特征：在第一或第二级热水结构通道内流动的热水包括：热海水、地热加热水、太阳能加热储藏水；变热了的工业冷却水，或这些水的组合；热水以在500,000gpm(加仑/分钟)至6,000,000gpm之间的流量流动；热水以5,440,000gpm的流量流动；热水以在300,000,000lb/hr至1,000,000,000lb/hr之间的流量流动；热水以2,720,000lb/hr的流量流动；在第一或第二级冷水结构通道内流动的冷水包括：冷海水，冷淡水、冷地下水或者这些的组合；冷水以在250,000gpm至3,000,000gpm之间的流量流动；冷水以3,420,000gpm的流量流动；冷水以在125,000,000lb/hr至1,750,000,000lb/hr之间的流量流动；冷水以1,710,000lb/hr的流量流动。

发明的若干个方面还可以包含一个或多个以下特征：离岸结构是最小起伏结构；离岸结构是浮式柱筒(spar)结构；离岸结构是半潜式结构。

发明的又进一步的方面可以包括用于在海洋热能转换电站中使用的高容量低速度热交换系统，该系统包括：第一级柜，该第一级柜进一步包括用于与工作流体热交换的第一水流动通道；第一工作流体通道；联接至第一级柜的第二级柜，该第二级柜进一步包括用于与工作流体热交换的第二水流动通道，第二水流动通道以使从第一水流动通道流至第二水流动通道的水的压降最小化的方式联接至第一水流动通道；和第二工作流体通道。第一和第二级柜包括电站的结构构件。

在一个方面中，水从第一级柜流至第二级柜，并且第二级柜在蒸发器中位于第一级柜的下方。在另一方面中，水从第一级柜流至第二级柜，并且第二级柜在冷凝器中位于第一级柜的上方且在蒸发器中的第一级柜的下方。

本发明的方面可以具有一个或多个以下优点：连续的错开板条式冷水管比分段式管构造轻；连续的错开板条式冷水管具有比分段式管少的摩擦损失；单个板条可以将大小做成容易运输至OTEC电站操作现场；板条可以构造成期望的浮力特征；OTEC发电需要少至没有的用于能源生产的燃料成本；与高压高温发电站中使用的高成本的特殊的材料相比，OTEC热机中涉及的低压力和低温度降低了组成元件成本并且需要普通材料；电站可靠性可以与商业制冷系统媲美，连续操作多年而不用重大的维修；与高压高温电站相比降低了构造时间；以及安全、对环境无害的操作和发电。另外的优点可以包括：与传统OTEC系统相比增加了净效率、降低了牺牲性电力载荷；降低了热水和冷水通道中的压力损失；模块化组成部件；较低频率的离网发电时间；针对波浪作用使起伏最小化并且减少了敏感性；冷却水在表面水位下方排放，热水的引入不与冷水排放发生干涉。

在附图以及以下的说明中阐述了发明的一个以上的实施方式的细节。发明的其他特征、目的和优点将从说明和附图以及从权利要求书变得明显。

附图说明

图1示出示例性现有技术的OTEC热机。

图2示出示例性现有技术的OTEC电站。

图3示出本发明的OTEC结构。

图3A示出本发明的OTEC结构。

图4示出本发明的OTEC结构的错开板条式管。

图5示出本发明的错开板条图案的细节图。

图6示出本发明的错开板条式冷水管的横截面图。

图7A至图7C示出本发明的单个板条的各种图。

图8示出本发明的单个板条的舌槽配置。

图9示出本发明的两个板条之间的主动卡合锁扣。

图10示出本发明的包含有加强箍的错开板条式冷水管。

图11示出本发明的冷水管构造的方法。

图12示出万向节管连接的现有技术的示例。

图13示出本发明的冷水管连接。

图14示出本发明的冷水管连接。

图15示出本发明的冷水管连接方法。

图16示出本发明的具有柔性冷水管的冷水管连接。

图17示出本发明的冷水管连接。

图18示出本发明的具有上提凸缘的冷水管。

图19示出本发明的一个方面的剖切立体图。

图20示出本发明的热交换器甲板的甲板平面图。

图21示出本发明的柜式热交换器。

图22A示出传统的热交换循环。

图22B示出级联的多级热交换循环。

图22C示出混合级联的多级热交换循环。

图22D示出蒸发器压降和关联的发电。

图23A至图23B示出本发明的示例性OTEC热机。

除非另作说明，各图中相似的附图标记表示相似的元件。

具体实施方式

本发明涉及利用海洋热能转换(OTEC)技术发电。本发明的方面涉及浮式OTEC电站，该OTEC电站具有优于以前的OTEC电站的改善了的整体效率、降低了的寄生载荷、较好的稳定性、较低的构造和操作成本以及改善了的环境足迹。其他方面包括与浮式结构一体的大容量水管道。多级OTEC热机的模块化和区室化降低了构造和维护成本、限制了离网操作并且提高了操作性能。又进一步的方面提供了具有一体的热交换区室的浮式平台，并且提供了平台由于波浪作用而产生的最小运动。一体的浮式平台也可以提供通过多级热交换器的高效的热水流或冷水流，提高了效率并且降低了寄生电力需要。本发明的方面通过将热水和冷水排放在适当的深度/温度范围内而促进了中性热足迹。以电的形式提取出的能量降低了到达海洋的整体温度(bulk temperature)。

OTEC是用储存在地球海洋中的来自太阳的热能来发电的过程。OTEC利用了较热的上层海水与较冷的深层海水之间的温差。该温差典型地至少为36°F(20℃)。这些条件存在于热带地区，大致在南回归线和北回归线之间，甚至是在南北纬20°之间。OTEC过程利用温差向兰金循环(Rankine cycle)提供动力，其中热的表面水用作热源，冷的深层水用作冷源(heat sink)。兰金循环的涡轮机驱动用于产生电力的发电机。

图1示出典型的OTEC兰金循环热机10，该热机10包括热海水入口12、蒸发器14、热海水出口15、涡轮机16、冷海水入口18、冷凝器20、冷海水出口21、工作流体管道22和工作流体泵24。

在操作中，热机10可以使用多种工作流体中的任何一种，例如，诸如氨等商业制冷剂。其他工作流体可以包括丙烯、丁烷、R-22和R-134a。也可以使用其他商业制冷剂。大约75°F至85°F之间或者更高温度的热海水经由热海水入口12被从海洋表面或比海洋表面稍低的位置抽取，进而对穿过蒸发器14的氨工作流体进行加热。氨沸腾产生大约9.3标准大气压(atm)的蒸汽压。蒸汽沿着工作流体管道22被输送至涡轮机16。氨蒸汽在穿过涡轮机16时膨胀，产生了驱动发电机25的动力。然后氨蒸汽进入冷凝器20，在那里氨蒸汽被从大约3000英尺深的深层海洋抽取的冷海水冷却为液体。冷海水以大约40°F的温度进入冷凝器。在冷凝器20中的温度为大约51°F的氨工作流体的蒸汽压为6.1标准大气压。因此，显著的压力差可用于驱动涡轮机16并产生电力。当氨工作流体冷凝时，液态工作流体经由工作流体管道22被工作流体泵24泵回至蒸发器14内。

图1的热机10与大多数蒸汽涡轮机的兰金循环实质上相同，除了OTEC由于利用不同的工作流体和较低的温度及压力而不同。图1的热机10也与商业制冷设备相似，除了OTEC循环沿相反的方向运行使得热源(例如，热海水)和冷的冷源(例如，深层海水)被用于产生电力。

图2示出浮式OTEC设备200的典型组成部件，这些组成部件包括：船舶(vessel)或平台210、热海水入口212、热水泵213、蒸发器214、热海水出口215、涡轮发电机216、冷水管217、冷海水入口218、冷水泵219、冷凝器220、冷海水出口221、工作流体管道22、工作流体泵224和管连接部230。OTEC设备200还可以包括发电、转换和传输系统、诸如推进器、推动器等位置控制系统或者锚泊系统(mooring system)以及各种辅助和支持系统(例如，人员住宿、应急电源、饮用水、污水和废水、消防、损害控制、储备浮力以及其他常见的船上或海事系统)。

利用图1和图2中的基本的热机和系统实现的OTEC电站具有3％或更小的相对低的整体效率。由于该低的热效率，所以产生每千瓦电力的OTEC操作都需要大量的水流过电力系统。这进而在蒸发器和冷凝器中需要具有大的热交换表面积的大的热交换器。

这样的大量的水和大表面积需要热水泵213和冷水泵219具有相当大的泵取能力，降低了可用于配送至岸基设备或船上工业目的的净电力。此外，多数水面船舶的有限空间也不太可能便于大量的水导入并流过蒸发器或冷凝器。实际上，大量的水需要大直径管和管道。将这样的结构放在有限的空间内需要多个弯道来容纳其他机械。典型的水面船舶或结构的有限空间不太可能便于OTEC电站的最大效率所需的大的热交换表面积。因此，OTEC系统以及船舶或平台历来较大并且昂贵。这导致如下工业结论：与利用较高温度和压力的其他能源生产方案相比，OTEC操作是一种高成本、低产出的发电方案。

本发明的方面解决了技术挑战，以提高OTEC操作的效率并且降低构造和操作成本。

船舶或平台210需要低运动，以使冷水管217与船舶或平台210之间的动态力最小化，并且为平台或船舶中的OTEC设施提供良性的操作环境。船舶或平台210还应该支持冷水入口和热水入口(218和212)的体积流量使得以适当的程度引入足够的冷水和热水，以确保OTEC过程的效率。船舶或平台210还应该使得冷水和热水能够经由船舶或平台210的水线下方的适当位置的冷水出口和热水出口(221和215)排放，以避免热回流进入到海洋表面层。另外，船舶或平台210应该经受得住恶劣天气而不会干扰发电操作。

OTEC热机10应该采用用于最大效率和最大发电的高效热循环。沸腾和冷凝过程中的热传递以及热交换器材料和设计均限制了从每磅热海水能够提取出的能源的量。蒸发器214和冷凝器220中使用的热交换器需要高的热水和冷水流量以及低的水头损失(headloss)以使寄生载荷最小化。热交换器也需要高的热传递系数以提高效率。热交换器可以包含能够被调节成适应(tailor)热水入口温度和冷水入口温度的材料和设计，以提高效率。热交换器设计应该使用材料用量最少化的简单的构造方法，以降低成本和体积。

涡轮发电机216应该具有内部损失最小化的高效率，并且可以被调节成适应工作流体以提高效率。

图3示出提高以前的OTEC电站的效率并且克服与其相关联的多个技术挑战的本发明的实施。该实施包括船舶或平台用柱筒(spar)，柱筒上一体设置有热交换器和相关联的热水管路和冷水管路。

OTEC柱筒310容纳有用于与OTEC发电站一起使用的一体化多级热交换系统。柱筒310包括在水线305下方的浸没部311。浸没部311包括热水引入部340、蒸发器部344、热水排放部346、冷凝器部348、冷水引入部350、冷水管351、冷水排放部352、机械甲板部(machinery deck portion)354。甲板室360设置在柱筒的顶部以容纳电气开关装置、辅助和应急机械及系统、小船装卸设备以及诸如办公室、寝室、通讯中心和控制室等载人空间。

图3A示出本发明的示例性机械布局，包括：热水引入部340、热水泵室341、堆叠式蒸发器部344、涡轮发电机349、堆叠式冷凝器部348、冷水引入部350和冷水泵室351。

在操作中，75°F至85°F之间的热海水通过热水引入部340而被引入并且通过未示出的结构一体化的热水管道在柱筒中向下流动。由于OTEC热机所需的水流量大，所以热水管道将水流以500,000gpm至6,000,000gpm之间的流量引导至蒸发器部344。这样的热水管道具有6英尺至35英尺之间或更大的直径。由于该尺寸，所以热水管是柱筒310的垂向结构构件(vertical structural member)。热水管道可以是强度足够垂向支撑柱筒310的大直径管。可选地，热水管道可以是与柱筒310的构造为一体的通道。

热水然后流过蒸发器部344，该蒸发器部344容纳有用于将工作流体加热至蒸汽的一个或多个堆叠式多级热交换器。热海水然后经由热水排放部346从柱筒310排放。热水排放可以位于或靠近温度与热水排出温度大致相同的海洋热层处，或者经由热水排放管被引导至或被引导靠近温度与热水排放温度大致相同的海洋热层的深度，以使环境冲击最小化。热水排放可以被引导至能够确保与热水引入或冷水引入均没有热回流的足够的深度处。

冷海水经由冷水管351被从2500英尺至4200英尺之间或更深的深度抽取，温度大约为40°F。冷海水经由冷水引入部350进入柱筒310。由于OTEC热机需要大的水流量，所以冷海水管道将水流以500,000gpm至3,500,000gpm之间的流量引导至冷凝器部348。这样的冷海水管道具有6英尺至35英尺之间或者更大的直径。由于该尺寸，所以冷海水管道是柱筒310的垂向结构构件。冷水管道可以是强度足够垂向支撑柱筒310的大直径管。可选地，冷水管道可以是与柱筒310的构造为一体的通道。

冷海水然后向上流到堆叠式多级冷凝器部348，在那里冷海水将工作流体冷却成液体。冷海水然后经由冷海水排放部352从柱筒310排放。冷海水排放可以位于或靠近温度与冷海水排放温度大致相同的海洋热层处，或者经由冷海水排放管被引导至或被引导靠近温度与冷海水排放温度大致相同的海洋热层的深度。冷水排放可以被引导至能够确保与热水引入或冷水引入均没有热回流的足够的深度处。

机械甲板部354可以被定位成在垂向上位于蒸发器部344和冷凝器部348之间。将机械甲板部354定位在蒸发器部344的下方允许几乎直线状的热水从引入部流动经过多级蒸发器并且排放。将机械甲板部354定位在冷凝器部348的上方允许几乎直线状的冷水从引入部流动经过多级冷凝器并且排放。机械甲板部354包括涡轮发电机356。在操作中，来自蒸发器部344的被加热成蒸汽的热工作流体流到一个以上的涡轮发电机356。工作流体在涡轮发电机356中膨胀从而驱动用于发电的涡轮机。工作流体然后流到冷凝器部348，在那里工作流体被冷却成液体并且被泵送至蒸发器部344。

热交换器的性能受到流体之间可用的温差以及热交换器的表面处的热传递系数的影响。热传递系数一般随着经过热传递表面的流体的速度而变化。流体速度越高需要的泵取功率越高，由此降低了电站的净效率。混合级联的多级热交换系统有利于较低的流体速度和较大的电站效率。堆叠式混合级联热交换设计也有利于通过热交换器的较低的压降。并且垂向的电站设计有利于整个系统的较低的压降。在2010年1月21日提交的名称为“海洋热能转换电站”的美国专利申请No.12/691,663(律师签号：25667-0004001)中描述了混合级联的多级热交换系统，该申请的全部内容通过引用合并于此。

冷水管

如上所述，OTEC操作需要温度恒定的冷水源。冷却水中的变化可能大大影响OTEC电站的整体效率。因此，从2700英尺至4200英尺之间或更深的深度抽取大约40°F的水。需要长引入管以将该冷水抽送至表面以便被OTEC电站使用。这样的冷水管由于在构造适合性能和耐久性的管时的成本而已经妨碍了商业上可行的OTEC操作。

这样的冷水管由于在构造适合性能和耐久性的管时的成本而已经妨碍了商业上可行的OTEC操作。OTEC需要处于期望温度的大量的水，以确保发电时的最大效率。以前的针对OTEC操作的冷水管设计包括段式构造(sectional construction)。筒形管段以串联的方式螺栓连接或机械接合到一起直到获得足够的长度。在电站设备附近组装管段并且接着将完全构造好的管竖立并安装。这样的方式具有包括在管段之间的连接点处的应力和疲劳在内的显著的缺点。此外，连接器件(connection hardware)增加了管的整体重量，进一步使管段连接处以及完全组装好的CWP与OTEC平台或船舶之间的连接处的应力和疲劳考虑复杂化。

冷水管(“CWP”)用于从2700英尺至4200英尺之间或更深的海洋深度处的冷水储藏中抽取水。冷水用于对从电站涡轮机出来的蒸汽状的工作流体进行冷却和冷凝。CWP及其与船舶或平台的连接被构造成承受由管重量施加的静态及动态负载、遭受波浪时管和平台的相对运动及高达百年一遇的强度(severity)的海流负载以及由水泵泵取引起的溃缩负载。CWP的尺寸制造成以低的阻力损失(drag loss)操作所需的水流量，并且CWP由在海水中具有耐久性和耐腐蚀性的材料制成。

冷水管的长度根据从温度大约40°F的深度抽取水的需要而限定。CWP的长度可以在2000英尺至4000英尺之间或者更长。在本发明的方面中，冷水管的长度可以是大约3000英尺。

CWP的直径由电站的大小和需要的水流量来确定。通过管的水流量由期望的电力输出和OTEC电站效率来确定。CWP可以以500,000gpm至3,500,000gpm之间或更高的流量将冷水输送至船舶或平台的冷水管道。冷水管的直径可以在6英尺至35英尺之间或者更大。在本发明的方面中，CWP的直径大约为31英尺。

以前的针对OTEC操作的冷水管设计包括段式构造。长度在10英尺至80英尺之间的筒形管段以串联的方式螺栓连接或接合到一起直到获得足够的长度。采用多个筒形管段，能够在电站设备附近组装CWP并且能够将完全构造好的管竖立并安装。这种方式具有包括在管段之间的连接点处的应力和疲劳在内的显著的缺点。此外，连接器件增加了管的整体重量，进一步使管段连接处以及完全组装好的CWP与OTEC平台或船舶之间的连接处的应力和疲劳考虑复杂化。

参照图4，示出了连续的错开板条式冷水管。冷水管451没有像以前的CWP设计一样使用段式接合，而是利用了错开板条式构造。CWP451包括用于连接至浮式OTEC平台411的浸没部的顶端部452。与顶端部452相反的是底端部454，该底端部454可以包括压舱物系统、锚泊系统和/或引入口拦网。

CWP451包括被构造成形成筒体的多个错开板条。在一个方面中，多个错开板条可以包括交替的多个第一板条465和多个第二板条467。每个第一板条均包括顶边缘471和底边缘472。每个第二板条均包括顶边缘473和底边缘474。在一个方面中，第二板条467与相邻的第一板条部465在垂向上错开使得(第二板条部467的)顶边缘473从(第一板条部465的)顶边缘471在垂向上位移3％至97％之间。在另外的方面中，相邻的板条之间的错位可以为大约5％、10％、15％、20％、25％、30％、35％、40％、45％、50％或者更大。

图5示出本发明的一个方面的错开板条图案的细节图。图案包括多个第一板条465，每个均具有顶边缘部471、底边缘部472、连接边缘480和错开边缘478。图案还包括多个第二板条467，每个均具有顶边缘部473、底边缘部474、连接边缘480和错开边缘479。在形成冷水管时，第一板条部465以如下的方式接合至第二板条部467：当从顶边缘471向底边缘472测量时，连接边缘480是第一板条部465的长度的大约3％至97％。在一方面中，连接边缘480是板条长度的大约50％、55％、60％、65％、70％、75％、80％、85％或90％。

可以理解的是，在完全构造好的管中，第一板条465可以沿着连接边缘480接合至第二板条467。第一板条465也可以沿着错开边缘478连接至另外的板条，包括另外的第一板条部、另外的第二板条部或者任何其他板条部。类似地，第二板条467可以沿着连接边缘480接合至第一板条部。并且第二板条467可以沿着错开边缘479接合至另一板条，包括另外的第一板条部、另外的第二板条部或者任何其他板条部。

在若干个方面中，多个第一板条465和多个第二板条467之间的连接边缘480可以是固定长度(consistent length)或者是每个板条的绕着管周向的板条长度的百分比。多个第一板条465和多个第二板条465之间的连接边缘480可以是固定长度或者是每个板条的沿冷水管451的长轴的板条长度的百分比。在进一步的方面中，连接边缘480的长度可以在交替的第一板条465和第二板条467之间变化。

如图5所示，第一板条465和第二板条467具有相同的尺寸。在若干个方面中，第一板条465的宽度可以在30英寸至130英寸之间或者更宽，长度可以是30英尺至60英尺，并且厚度可以在1英寸至24英寸之间。在一个方面中，板条尺寸可以是大约80英寸宽、40英尺长以及4英寸至12英寸厚。可选地，第一板条465可以具有与第二板条467不同的长度或宽度。

图6示出冷水管451的横截面图，该图示出了交替的第一板条465和第二板条467。各板条均包括内表面485和外表面486。相邻的板条沿着连接面480接合。单个板条的相反侧上的任何两个连接面限定了角度α。角度α通过360°除以板条的总数量来确定。在一个方面中，α可以在1°至36°之间。在一个方面中，α可以是对于16板条管而言的22.5°或者是对于32板条管而言的11.25°。

冷水管451的单个板条可以由如下材料制成：聚氯乙烯(PVC)、氯化聚氯乙烯(CPVC)、纤维增强塑料(FRP)、增强聚合物砂浆(RPMP)、聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE)、交联高密度聚乙烯(PEX)、聚丁烯(PB)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)；聚氨酯、聚酯、纤维增强聚酯、尼龙增强聚酯、乙烯基酯、纤维增强乙烯基酯、尼龙增强乙烯基酯、混凝土、陶瓷，或它们中的一个或多个的组合物。单个板条可以利用标准制造技术模塑成型、挤出成型或者拉挤成型(pulltruded)。在一个方面中，单个板条被拉挤成型为期望的形状和形式，并且包括纤维或尼龙增强乙烯基酯。乙烯基酯可以从肯塔基州卡温顿的阿施兰德化学公司(AshlandChemical)得到。

在一个方面中，板条可以利用适合的粘合剂结合至相邻的板条。柔性树脂可以被用于提供柔性接合以及均匀的管性能。在本发明的若干个方面中，包括了增强乙烯基酯的板条利用乙烯基酯树脂被结合至相邻的板条。也可以使用甲基丙烯酸酯粘合剂，如马萨诸塞州丹佛斯的Plexis Structural Adhesives生产的MA560-1。

参照图7A至图7C，示出了各种板条的构造，其中单个板条465包括顶边缘471、底边缘472和一个以上的空孔(void)475。空孔475可以是空的、填充有水、填充有树脂、填充有粘合剂或者填充有诸如复合泡沫塑料等泡沫材料。复合泡沫塑料是树脂和小玻璃珠的基体(matrix)。小珠子可以是空心的或者实心的。空孔475可以被填充以影响板条和/或冷水管451的浮力。图7A示出单个空孔475。在一个方面中，多个空孔475可以沿着板条的长度均匀地隔开，如图7B中所示。在一个方面中，可以朝向板条的一个端部、例如朝向底边缘472放置一个以上的空孔475，如图7C中所示。

参照图8，各单个板条465可以包括顶边缘471、底边缘472、第一长边491和第二长边492。在一个方面中，长边491包括接合构件(joinery member)，如接合舌493。接合构件可以可选地包括条(biscuit)、半搭接头或其他接合结构。第二长边492包括配合接合面，如凹槽494。在使用时，第一板条的第一长边491与第二板条的第二长边492配合或接合。虽然未示出，但是也可以在顶边缘471和底边缘472处使用诸如舌槽等接合结构或者其他结构，以将板条接合至长度方向上相邻的板条。

在本发明的若干个方面中，第一长边可以包括用于与第二长边492配合接合的主动卡合锁扣连接491。在美国专利No.7,131,242中大概描述了主动卡合锁扣连接或卡合锁扣连接，该专利的全部内容通过引用合并于此。接合舌493的整个长度可以包含主动卡合锁扣或者部分接合舌493可以包括主动卡合锁扣。接合舌493可以包括卡合铆钉。可以理解的是，当接合舌493包括卡合锁扣结构时，在具有凹槽494的第二长边上设置适当的接收结构。

图9示出示例性主动卡合锁扣系统，其中阳部970包括凸缘972。阳部970与包括内凹的凸缘安装部977的接收部975机械接合。使用时，将阳部970插到接收部975中使得凸缘部972与内凹的凸缘安装部977接合，从而允许阳部970的插入而防止松开或脱出。

错开板条式管的板条部之间的主动卡合锁扣接头可以用于将两个板条部机械地锁定到一起。主动卡合锁扣接头可以单独使用，或者与树脂或粘合剂组合使用。在一个方面中，柔性树脂与主动卡合锁扣接头组合使用。

图10示出具有错开板条式构造的冷水管451，该错开板条式构造包括多个交替的第一板条465和第二板条467，并且进一步包括覆盖冷水管451的外表面的至少一部分的螺旋状卷绕带497。在若干个方面中，带从冷水管451的底部454连续至冷水管451的顶部452。在其他方面中，带497仅设置在管451的由于水通过冷水管451的运动而经历涡流脱落的那些部分中。带497为冷水管451提供径向和长度方向上的支撑。带497还防止沿着冷水管的振动并且降低由于海洋流运动而引起的涡流脱落。

带497可以具有与冷水管451的单个板条相同的厚度和宽度，或者可以是厚度为单个板条的厚度的两倍、三倍、四倍或更宽，并且宽度为单个板条的宽度的最高达10倍(例如，2倍、3倍、4倍、5倍、6倍、7倍、8倍、9倍或10倍)。

带497可以以沿着外表面基本上平坦铺设的方式安装在冷水管的外表面上。在一个实施方式中，带497可以从冷水管451的外表面向外突出以形成螺旋状卷绕箍。在发明的方面中，可以在带或箍497的各个部分上附加翅片、叶片或翼片。这样的翅片可以形成绕着冷水管的一部分卷绕的或者绕着冷水管的整个长度卷绕的螺旋结构。翅片可以成角度并且可以以任何数量绕着箍设置以防止由冷水管引起的漩涡情况。在一些方面中，翅片可以从管表面突出管直径的1/32至1/3之间的距离(例如，约管直径的1/32，约管直径的1/16，约管直径的1/8，约管直径的1/7，约管直径的1/6，约管直径的1/5，约管直径的1/4，以及约管直径的1/3)。

带497可以由与形成冷水管451的多个板条的材料兼容的任何适合的材料制成，包括：聚氯乙烯(PVC)、氯化聚氯乙烯(CPVC)、纤维增强塑料(FRP)、增强聚合物砂浆(RPMP)、聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE)、交联高密度聚乙烯(PEX)、聚丁烯(PB)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)；聚氨酯、聚酯、纤维增强聚酯、乙烯基酯、增强乙烯基酯、混凝土、陶瓷或它们中的一个或多个的组合物。带497可以利用标准制造技术模塑成型、挤出成型或拉挤成型。在一个方面中，带497被拉挤成型为期望的形状和形式，并且包括与冷水管451的板条所使用的材料相似的纤维增强或尼龙增强乙烯基酯。带497可以利用包括上述材料中任何一个的树脂的适合的粘合剂或树脂接合至冷水管451。

在一些方面中，带497不沿着冷水管451的长度连续。在一些方面中，带497不沿着冷水管451的周向连续。在一些方面中，带497包括附着于冷水管451的外表面的竖条。在一些方面中，当需要径向或其他结构支撑时，带497可以是绕着冷水管的外表面的周向支撑构件。

带497可以利用适合的柔性粘合剂以粘附的方式结合于或附着于冷水管的外表面。在一个方面中，带497可以利用多个主动卡合锁扣以机械的方式联接于冷水管451的外表面。

关于图11，用于组装冷水管的示例性方法提供了冷水管451的高效运输和组装。通过将交替的第一板条部和第二板条部排列成如上所述的期望的错开形式1110来组装垂向筒形管段。然后将第一板条部和第二板条部接合以形成筒形管段1120。可以用多种接合方法中的任意一种来接合错开的第一板条和第二板条。在一个方面中，利用舌槽配置和柔性粘合剂来接合多个错开的第一板条部和第二板条部。在一个方面中，利用机械的主动卡合锁扣来接合多个第一板条部和第二板条部。可以使用舌和槽、卡合锁扣机构和柔性粘合剂的组合。

在将多个第一板条部和第二板条部进行接合以形成具有错开的第一板条部和第二板条部的筒形管段1120之后，可以将保持带、可充气套筒或其他夹具装在筒形管段上1122以便为管段提供支撑和稳定性。可以重复进行排列多个错开的第一板条部和第二板条部1110以及接合多个错开的第一板条部和第二板条部1120的步骤以形成任何数量的预制的筒形管段1124。可以理解的是，可以在OTEC电站设备处预制筒形管段，或者远程地预制筒形管段然后被运输至OTEC电站设备用于附加的构造，以形成完全组装好的冷水管451。

组装好具有错开板条的至少两个筒形管段后，将上、下筒形管段接合并且使各管段的错开板条对齐1126。将柔性粘合剂施加至上、下筒形管段的错开板条的对接接头(buttjoint)处1130。可以用包括条接合的各种端部对接接头将两个管段的板条接合。在一个方面中，上、下筒形管段的错开的板条可以设置有找平用接合空孔，该空孔进而可以填充有柔性粘合剂。

管段中的空隙和之间的接头或者任何单个板条中的空隙和之间的接头均可以用附加的柔性树脂填充。一旦两个管段已经接合好并且在需要的位置施加了树脂，则允许固化两个管段1134。

然后从下管段上去掉保持带并且装上螺旋状卷绕箍1136。可以利用粘结的方式结合、例如主动卡合锁扣的机械结合或者粘结和机械结合的组合来安装螺旋状卷绕箍。

在组装方法的一个方面中，在将螺旋箍安装到下管段上之后，可以使整个管组件位移，例如向下位移，使得之前的上管部变成新的下管部1138。然后以与以上所述相同的方式组装上新的上筒形管段1140。也就是，对第一板条部和第二板条部进行排列以获得期望的错位1142。然后将第一板条部和第二板条接合以形成新的筒形管段，例如新的上管段1144。如前所述，可以使用保持带、可充气套筒或其他夹具以便在构造冷水管451的过程中为筒形管段提供支撑和稳定性。

组装好新的上管段1144后，将新的下管段和新的上管段的错开板条对准并且将其拉到一起1146。如上所述将粘合剂或柔性树脂施加于端部对接接头1148，例如配合使用条接合或找平用接合空孔。新的下管段与新的上管段之间的或者任何两个板条部之间的任何空隙都可以用附加的柔性树脂填充1150。然后可以使整个组件固化1152。可以如之前那样将保持夹具去掉并且将螺旋箍安装在新的下管段上1154。并且，如之前那样，可以使整个管组件移位以便为接下来的筒形管段做准备。采用这种方式，可以重复该方法直到实现期望的管长度。

可以理解的是，可以采用与本发明一致的多种方式来完成具有错开板条的筒形管段的接合。将错开板条进行接合的方法提供了连续的管而在管段之间无需庞大的、笨重的或者会产生干扰的接合器件。提供了这样一种包括柔性和刚性在内的材料特性几乎均匀的连续的管。

实施例

提供冷水管组件以便于在现场构造大约3000英尺长的连续的错开板条式管。另外，板条式设计负责应对分段式管构造惯常经历的不利于航运和装卸的载荷。例如对传统构造的分段式冷水管的拖拽和竖立会在管上施加有危险的载荷。

板条式构造允许在设备外制造多个40英尺至50英尺长的板条。各板条大约52英寸宽且4英寸至12英寸厚。可以以堆叠的方式或用集装箱将板条航运至离岸平台，然后可以在平台上由多个板条构造成冷水管。这消除了用于组装管段的单独的设备的需要。

板条部可以用弹性模量在约66,000psi(磅/平方英寸)至165,000psi之间的尼龙增强乙烯基酯构成。板条部可以具有约15,000psi至45,000psi之间的极限强度，以及约15,000psi至45,000psi之间的拉伸强度。在一个方面中，板条部可以具有150,000psi的弹性模量、30,000psi的极限强度以及30,000psi的屈服强度，使得安装好的CWP表现得与软管(hose)相似而不是纯刚性管。由于管更有柔性并且避免了开裂或折断，所以这在风暴条件下是有利的。在一个方面中，管可以在未连接的下端从中心偏斜大约两个直径。未连接的下端处的偏斜不能大到与OTEC电站的锚泊系统以及电站运行中涉及到的任何其他水下系统发生干涉的程度。

冷水管连接至OTEC电站的底部。更具体地，冷水管利用动态支承与图3的OTEC柱筒的底部连接。在1994年牛津大学出版社出版的Avery和Wu发表的题为“来自海洋的可再生能源，OTEC指南”第4.5节中描述了OTEC应用中的冷水管连接部，该部分的全部内容通过引用合并于此。

用柱筒浮标作为平台的显著的优点之一是，即使在非常严重的百年一遇的风暴条件下这样做也能使得在柱筒自身和CWP之间产生相对小的转动。另外，柱筒和CWP之间的垂向和横向力使得球形球与其底座之间的向下的力将支承面保持为总是接触。由于也用作水密封的该支承不会从与其配合的球形底座脱离接触，所以无需安装用于将CWP在垂向上保持在合适位置的机构。这有助于简化球形支承设计，并且还使得在不同方面中由任何附加的CWP管约束结构或器件引起的压力损失最小化。通过球形支承传递的横向力也足够低，使得该横向力能够被充分地容纳而无需CWP的垂向约束。

冷水通过一个或多个冷水泵经由冷水管被抽取并且通过一个或多个冷水通道或管道流入多级OTEC电站的冷凝器部。

在2010年1月21日提交的题为“海洋热能转换电站冷水管”的美国专利申请No.12/691,655(律师签号：25667-0003001)中描述了冷水管的结构和性能的进一步细节，该申请的全部内容通过引用合并于此。

冷水管连接

冷水管351与柱筒平台311之间的连接引起了构造、维护和操作方面的挑战。例如，冷水管是悬在动态海洋环境中的2000英尺至4000英尺的垂向圆柱。冷水管所连接至的平台或船舶也浮在动态海洋环境中。此外，管被理想地连接在水线的下方，并且在一些方面中，远低于水线并且靠近船舶的底部。将完全组装的管调运到适当的位置并且将管固定于船舶或平台是一项艰巨的任务。

冷水管连接支撑着从平台上悬下来的管的静态重量，并且负责应对平台和悬着的管之间的由于波浪作用、管振动和管运动而产生的动态力。

在1994年牛津大学出版社出版的William Avery和Chih Wu发表的题为“来自海洋的可再生能源，OTEC指南”第4.5节中公开了多种OTEC冷水管连接部，包括万向节、球窝和通用连接部，这些通过引用合并于此。只对万向节连接部进行了操作性试验，该万向节连接部包括允许30°转动的两轴万向节。如Avery和Wu所述，在万向节的平面中，球形壳形成了管的顶部。具有由尼龙和聚四氟乙烯(Teflon)制成的扁平环的筒形帽在管中的冷水和周围平台结构之间提供了滑动密封。图12中示出了万向节式管连接部。

以前的冷水管连接部被设计用于传统的船型和平台，这种传统的船型和平台由于重量以及波浪作用所以展现出比柱筒平台更大的垂向移位。用柱筒浮标作为平台的显著的优点之一是，即使在非常严重的百年一遇的风暴条件下这样做也能使得在柱筒自身和CWP之间产生相对小的转动。另外，柱筒和CWP之间的垂向和横向力使得球形球与其底座之间的向下的力将支承面保持为总是接触。在若干个方面中，CWP与连接支承面之间的向下的力在0.4g至1.0g之间。由于也用作水密封的该支承不会从与其配合的球形底座脱离接触，所以无需安装用于将CWP在垂向上保持在合适位置的机构。这有助于简化球形支承设计，并且还使得在不同方面中由任何附加的CWP管约束结构或器件引起的压力损失最小化。通过球形支承传递的横向力也足够低，使得该横向力能够被充分地容纳而无需CWP的垂向约束。

本发明的若干个方面允许冷水管向上垂向插过平台的底部。这通过将完全组装的冷水管从平台下方提升到适当位置来完成。这便于同时地构造平台和管以及提供了维护时容易地安装和移走冷水管。

参照图3，冷水管351在冷水管连接部375处连接至柱筒平台310的浸没部311。在一个方面中，冷水管利用动态支承与图3的OTEC柱筒的底部连接。

在本发明的一个方面中，冷水管连接部设置成包括管凸缘，该管凸缘经由球形面落座于活动爪(movable detent)。活动爪联接至柱筒平台的基部。包含活动爪允许冷水管垂向地插入冷水管接收凹部(bay)以及从冷水管接收凹部垂向地移走。

图13示出其中冷水管连接部375包括管接收凹部776的示例性方面，其中管接收凹部776包括凹部壁777和爪壳体778。接收凹部776进一步包括接收直径780，该接收直径780由凹部壁777之间的直径的长度限定。在若干个方面中，接收直径大于冷水管351的外凸缘直径781。

冷水管连接部375和柱筒311的下部可以包括结构加强件和支撑件以承受一旦悬挂了冷水管351时施加于并且传递至柱筒311的重量和动态力。

参照图14，冷水管连接部375包括爪壳体778和活动爪840，活动爪840机械地联接至爪壳体778以允许爪840从第一位置移动至第二位置。在第一位置中，活动爪840容纳在爪壳体778内使得爪840不朝向接收凹部776的中央向内突出，并且保持在接收直径780的外侧。在第一位置中，冷水管351的顶端部385可以在不受活动爪840的干扰的情况下插入管接收凹部776中。在可选的方面中，活动爪840可以以如下方式被容纳在第一位置：使得活动爪840的任何方面都没有朝向接收凹部776的中央向内突出超过外凸缘直径781。在进一步的方面中，第一位置中的活动爪840不与冷水管351的通过接收凹部776的垂向运动发生干涉。

在第二位置中，活动爪840展开超出爪壳体778并且朝向接收凹部776的中央向内突出。在第二位置中，活动爪840向内展开超过外凸缘直径781。可以利用液压致动器、气动致动器、机械致动器、电致动器、机电致动器或上述的组合将活动爪840从第一位置调整或移动至第二位置。

活动爪840包括部分球形或弧形的支承面842。弧形支承面842被构造成在活动爪840位于第二位置时为冷水管支承凸缘848提供动态支承。

冷水管支承凸缘842包括凸缘支承面849。弧形支承面842和凸缘支承面849可以协作落座以便提供动态支承，以支撑冷水管351的悬挂重量。另外，弧形支承面842和凸缘支承面849协作落座以负责应对冷水管351与平台310之间的相对运动而不使冷水管351离座。弧形支承面842和凸缘支承面849协作落座以提供动态密封使得，一旦冷水管351经由冷水管连接部375连接至平台310时相对热的水就不会进入管接收凹部776并且最终不会进入冷水引入部350。当悬挂上冷水管351时，冷水通过一个或多个冷水泵经由冷水管被抽取并且通过一个或多个冷水通道或管道流入多级OTEC电站的冷凝器部。

弧形支承面842和凸缘支承面849可以用诸如聚四氟乙烯涂层等涂层进行处理，以防止两表面之间产生原电池反应(galvanic interaction)。

可以理解的是，动态支承面和活动爪或小齿轮的用于将冷水管连接至浮式平台的任何组合都在权利要求书以及此处公开的考虑范围内。例如，在若干个方面中，弧形支承面可以被定位在活动爪的上方、弧形支承面可以被定位于活动爪的侧面甚至是被定位在活动爪的下方。在若干个方面中，活动爪可以与如上所述的浮式平台的底部为一体。在其他方面中，活动爪可以与冷水管为一体。

图15示出将冷水管安装至浮式平台、更具体地安装至OTEC浮式平台的示例性方法。该方法包括将导绳和收帆索从平台操纵(rigging)至完全组装的冷水管。然后使冷水管下降到平台的下方并且使冷水管对准正确的位置。然后使冷水管上升到管接收凹部内，使活动爪或小齿轮展开并且使管落座在弧形支承面上。

更具体地，将引导缆绳安装至完全组装的冷水管351(910)。在示例性实施方式中，冷水管351可以包括一个或多个可充气套筒以便在冷水管的构造、移动和竖立的过程中提供浮力。在将导索安装至冷水管910之后，可以将一个或多个可充气套筒放气915使得冷水管具有负浮力。在实施方式中，冷水管也可以包括能够部分或全部填充水或其他压舱材料以便为冷水管提供负浮力的配重块或其他压舱物系统。

然后使冷水管下降到浮式OTEC平台310的冷水管连接部375的下方的位置920。可以再次调整压舱物。调整导索以便将冷水管正确地定位在冷水管连接部375的下方925，并且可以通过视频、远程传感器和其他手段对对准情况进行检查和确认930。然后使冷水管组件上升至冷水管支承凸缘848位于冷水管连接组件的活动爪840上方的位置935。可利用导索、可充气套筒、可拆卸气球或这些的组合来完成使冷水管上升到冷水管连接部内的动作。

在使冷水管上升到冷水管连接部内935之后，使活动爪展开940以便为冷水管提供动态支承面。然后通过调整导索、使可充气套筒或可拆卸气球放气或者通过调整配重块或其他压舱物系统来使冷水管下降。也可以使用这些方法的组合。

可以理解的是，导索、充气线、压舱物线等应该在冷水管的移动过程中保持不会相互妨碍。此外，冷水管的移动不应该与OTEC平台的锚泊系统发生干涉。

在发明的进一步的方面中，可以在冷水管和柱筒结构之间设置静态连接。在这样的方面中，可以通过改变管的在管顶部附近的柔性来负责应对管与柱筒之间的动态力。通过允许冷水管的下部和中间部的移动，降低或完全避免了对动态管连接的需要。避免万向节式连接部的需要去掉了高价的移动部件，并且使下面的柱筒部分以及冷水管两者的制造均得以简化。

参照图16，冷水管1651以没有采用上述动态支承的方式连接至柱筒1611的下部。图16示出了处于已移位和未移位两个构造的、被连接至柱筒结构的下部的冷水管。冷水管1651的上部(即，在柱筒1611的下部和连接的位置处及下方不远的部分)被硬化以提供冷水管的相对不可弯曲的上部1651A。在不可弯曲的上部1651A的下方设置相对柔性的中间部1651B。在柔性中间部1651B的下方是适度柔性的下部1651C，该下部1651C可以包括冷水管组件的最大部分。配重块或压舱物系统可以固定在适度柔性的下部1651C的底部或任何其他部分。

如图所示，柔性中间部1651B允许冷水管的下部偏斜远离冷水管的悬挂线。偏斜量可以在0.25°到30°之间，取决于冷水管的从柱筒1011悬挂下来的长度和直径。

参照图17，详细地描述了静态的冷水管-柱筒连接。柱筒1611的下部包括用于接收冷水管1651的上部1651A的接收凹部1713。接收凹部1713包括锥形部1714和接触垫1715。冷水管1651的上部1651A包括具有锥形凸缘面1756和吊环(lifting lug)1775的凸缘1755。冷水管1651通过上提保持缆绳1777被连接至柱筒1611，上提保持缆绳1777在吊环1775处被固定于冷水管。缆绳1777被安装至容纳在柱筒1611的下部中的机械绞盘1779。

在用于将冷水管连接至柱筒平台的示例性方法中，使完全制造好的冷水管下降至柱筒平台正下方的点位处。通过远程操作工具将上提保持缆绳1777连接于吊环1775。利用前述的容纳在柱筒1611的下部中的机械绞盘拉紧缆绳。在冷水管1651的上部1651A进入接收凹部1713时，通过锥形部1714将其引导到正确位置直到在锥形凸缘面1756和接触垫1715之间形成牢固的连接。一旦冷水管在接收凹部中位置正确并且连接牢固，则用机械方式将缆绳1777锁定以防止冷水管1651的向下移动。由于水在冷水管的内部以及围绕管的外侧流动，所以在冷水管和柱筒结构之间的交界处无需压力密封。在一些实施中，冷水管与柱筒结构之间的密封使得通过密封的水最少化。通过上提缆绳、冷水管的浮力或者两者的组合可以赋予施加在连接垫上的向上的力。

可以理解的是，上提缆绳1777和相应的吊环1775的数量取决于冷水管1651的尺寸、重量和浮力。在一些方面中，冷水管1651可以具有正浮力、中性浮力或负浮力。上提缆绳1777和相应的吊环1775的数量也取决于与冷水管相关联的任何压舱物以及附接于冷水管的配重块的重量和浮力。在发明的若干个方面中，可以使用2条、3条、4条、5条、6条或更多的上提保持缆绳。

G33

在发明的另外的方面中，吊环1775可以包括吊耳(pad eyes)，吊耳利用已知的紧固和连接技术被直接螺栓连接于冷水管的顶部。例如，在冷水管的板条顶部中可以包含筒状插座、六角插座、coddler销等等。

在其他方面中，上提凸缘(lifting collar)可以安装于冷水管的顶部，该上提凸缘包括凸缘连接面1756和吊环1755。上提凸缘的材料可以与冷水管的材料相同或不同。上提凸缘安装于冷水管时，与和上部1651A相关联的刚性相比，可以提高冷水管的刚性。图18是安装于板条式冷水管1651的上提凸缘1775的说明图。上提凸缘可以机械结合、化学结合或热结合于冷水管的上部1651A。例如，可以使用与用于连接冷水管的单个板条构件相同的结合树脂来将上提凸缘连接至冷水管。

热交换系统

图3、图3A和图19以及图20示出了本发明的实施，其中，围绕OTEC柱筒410的周围配置了多个多级热交换器420。热交换器420可以是OTEC热机中使用的蒸发器或冷凝器。热交换的周围布局可以与OTEC柱筒平台的蒸发器部344或冷凝器部348一起使用。周围配置可以支撑任何数量的热交换器(例如，1个热交换器，在2个与8个之间的热交换器，8个至16个热交换器，16个至32个热交换器，或者32个或更多的热交换器)。一个或多个热交换器可以沿周向配置在OTEC柱筒410的一个甲板或多个甲板(例如，2个、3个、4个、5个、或6个或更多的甲板)上。一个或多个热交换器可以在两个或多个甲板之间沿周向错开地设置使得没有两个热交换器在垂向上上下对准。一个或多个热交换器可以沿周向配置成使得一个甲板中的热交换器在垂向上与相邻的另一个甲板上的热交换器对准。

单个热交换器420可以包括多级热交换系统(例如，1个、2个、3个、4个、5个、或6个或更多热交换系统)。在一个实施方式中，单个热交换器420可以是被构造成为通过热交换器的热海水流、冷海水流和工作流体提供最小压力损失的柜式热交换器(cabinet heatexchanger)。

参照图21，柜式热交换器520的实施方式包括多个热交换级521、522、523和524。在一个实施中，堆叠的热交换器容纳从第一蒸发器级521向第二蒸发器级522、第三蒸发器级523、第四蒸发器级524地向下流过柜的热海水。在堆叠的热交换柜的另一实施方式中，冷海水从第一冷凝器级531向第二冷凝器级532、第三冷凝器级533、第四冷凝器级534地向上流过柜。工作流体流过工作流体供给管道538和工作流体排放管道539。在一个实施方式中，工作流体管道538和539与热海水或冷海水的垂向流动相比横向地进入和离开各热交换器级。柜式热交换器520的垂向多级热交换设计有利于一体化的船舶(或柱筒)和热交换器设计、去除了热交换器级之间的相互连接管路的需要并且确保了几乎所有热交换器系统压降发生在整个热传递表面上。

在一个方面中，可以利用表面的形状、处理以及间距使热传递表面优化。诸如铝合金等的材料选择提供了超过传统的钛基设计的优异的经济性能。热传递表面可以包括1000系列、3000系列或5000系列的铝合金。热传递表面可以包括钛和钛合金。

已经发现：多级热交换器柜使得能够在OTEC热机的相对低的可用的温差范围内从海水中传递最大能量给工作流体。任何OTEC电站的热力学效率都是工作流体的温度如何接近海水的温度的函数。热传递的物理现象决定了传递能量所需的面积随着工作流体温度接近海水温度而增加。为了消除表面积的增加，增加海水的速度可以增大热传递系数。但是，这大大增加了泵取所需的电力，从而增加了OTEC电站上的寄生电载荷。

参照图22A，是利用热表面海水在热交换器中使工作流体沸腾的传统的OTEC循环。该传统的兰金循环中的流体特性受到了将离开的工作流体限制在离开的热海水温度的大约3°F以下的沸腾过程的制约。采用相似的方式，循环的冷凝侧被限制为比将离开的冷海水温度高得不小于2°F。对于工作流体而言总的可用的温度下降为大约12°F(在68°F和56°F之间)。

已经发现：级联的多级OTEC循环允许工作流体温度更加紧密地匹配海水的温度。该温差上的增大增加了与OTEC热机相关联的涡轮机所能够完成的功。

参照图22B，级联的多级OTEC循环的一个方面采用了多个沸腾和冷凝步骤以扩大可用的工作流体温度下降。各步骤需要独立的热交换器，或者图5的柜式热交换器520中的专用热交换器级。图6b的级联的多级OTEC循环允许涡轮机的输出与用于海水和工作流体的期望的泵取负载相匹配。该高度优化的设计将需要专用和定制的涡轮机。

参照图22C，示出了混合的仍然优化的级联OTEC循环，该循环在保持图22B的纯正级联配置的热力学效率或优化的同时便于使用同样的设备(例如，涡轮机，发电机，泵)。在图22C的混合级联循环中，用于工作流体的可用的温差的范围从约18°F至约22°F。该缩窄的范围允许热机中的涡轮机具有同样的性能规格，从而降低了构造和操作成本。

利用混合级联循环大大地增加了OTEC电站的系统性能和电力输出。表A将图22A的传统循环的性能与图22C的混合级联循环的性能进行了比较。

表A

针对100MW净输出的估算性能

采用四级混合级联热交换循环降低了流体之间的传递所需的能量的总量。这进而用于减小所需的热交换表面的总量。

热交换器的性能受流体之间可用的温差以及热交换器表面的热传递系数的影响。热传递系数基本上随着通过热传递表面的流体的速度而变化。流体速度越高需要的泵取功率越大，从而降低了电站的净效率。混合级联的多级热交换系统有利于较低的流体速度和较高的电站效率。堆叠的混合级联热交换设计也有利于较低的通过热交换器的压降。并且垂向电站设计有利于较低的穿过整体系统的压降。

图22D示出传输100MW电力给电网时热交换器压降对OTEC电站总体产出的影响。使通过热交换器的压降最小化大大地提高了OTEC电站的性能。通过设置一体化的船舶或平台-热交换器系统降低了压降，在所述系统中，海水管道形成了船舶的结构构件并且允许海水从一个热交换器级流到串联的另一个热交换器级。以在从引入部进入船舶的方向变化最小的方式流过泵、热交换器柜进而通过串联的各热交换器级并最终从电站排放的近似直线状的海水流允许最小的压降。

实施例

本发明的若干个方面提供了利用热带和亚热带区域中的表面水和深层海水之间的温差发电的一体的多级OTEC电站。该若干个方面通过用离岸船舶或平台的结构作为管道或流动通道消除了用于海水的传统的管路线路。可选地，热海水管路线路和冷海水管路线路可以使用为船舶或平台提供垂向或其他结构支撑的足够的尺寸和强度的管道或管。这些一体化的海水管道段或通道用作船舶的结构构件，从而降低了另外增加钢材的需要。作为一体化的海水通道的一部分，多级柜式热交换器提供了多级的工作流体蒸发而无需外部的水喷嘴或管路连接。一体的多级OTEC电站允许热海水和冷海水沿着其自然的方向流动。热海水在被排放到海洋的较冷的区域之前被冷却时向下流过船舶。采用相似的方式，来自海洋深处的冷海水在被排放到海洋的较热的区域之前被加热时向上流过船舶。这样的配置避免了改变海水流动方向的需要并且避免了相关联的压力损失。该配置也降低了需要的泵取能量。

多级柜式热交换器允许使用混合级联OTEC系统。这些热交换器堆叠体包括多个热交换器级或者热交换器段，海水连续地通过该多个热交换器级或热交换器段以使工作流体适当地沸腾或冷凝。在蒸发器段中，热海水通过第一级，在该第一级处随着海水被冷却热海水使一些工作流体沸腾。然后热海水沿着堆叠体向下流到下一个热交换器级并且使另外的工作流体以稍低的压力和温度沸腾。该过程沿着整个堆叠体顺次地发生。在柜式热交换器的每一级或每一段都将工作流体蒸汽提供给产生电力的专用涡轮机。每个蒸发器级均在涡轮机的排出口处具有对应的冷凝器级。冷海水沿着与蒸发器相反的顺序通过冷凝器。

参照图23，提供了采用混合级联热交换循环的示例性多级OTEC热机710。热海水通过热水泵712被从热海水引入口(未示出)泵入，以大约1,360,000gpm的流量和大约79°F的温度从泵排出。从热水引入口到热水泵以及从热水泵到堆叠的热交换器柜的所有或部分热水管道都可以形成船舶的一体的结构构件。

来自热水泵712的热海水然后进入第一级蒸发器714，在那里使第一工作流体沸腾。热水以大约76.8°F的温度离开第一级蒸发器714并向下流到第二级蒸发器715。

热水以大约76.8°F进入第二级蒸发器715，在那里使第二工作流体沸腾并以大约74.5°F的温度离开第二级蒸发器715。

热水从第二级蒸发器715向下流动以大约74.5°F的温度进入到第三级蒸发器716，在那里使第三工作流体沸腾。热水以大约72.3°F的温度离开第三级蒸发器716。

然后热水从第三级蒸发器716向下流动以大约72.3°F的温度进入到第四级蒸发器717，在那里使第四工作流体沸腾。热水以大约70.1°F的温度离开第四级蒸发器717然后从船舶排放。虽然未示出，但是排放可以被引导至温度与热海水的排放温度相同或近似的海洋深度处的热层。可选地，电站的容纳有多级蒸发器的部分可以位于使得热水排放到适当的海洋热层的结构所在范围内的深度处。在若干个方面中，从第四级蒸发器到船舶的热水排放的热水管道可以包括船舶的结构构件。

类似地，冷海水通过冷海水泵722被从冷海水引入口(未示出)泵入，以大约855,003gpm的流量和大约40.0°F的温度从泵排出。从大约2700英尺和4200英尺之间或更深的海洋深处抽取冷海水。从船舶的冷水引入口到冷水泵以及从冷水泵到第一级冷凝器的用于输送冷海水的冷水管道可以全部包括或部分包括船舶的结构构件。

来自冷海水泵722的冷海水进入第一级冷凝器724，在那里使来自第四级锅炉717的第四工作流体冷凝。冷海水以大约43.5°F的温度离开第一级冷凝器并且向上进入第二级冷凝器725。

冷海水以大约43.5°F的温度进入第二级冷凝器725，在那里使来自第三级蒸发器716的第三工作流体冷凝。冷海水以大约46.9°F的温度离开第二级冷凝器725并向上流入第三级冷凝器。

冷海水以大约46.9°F的温度进入第三级冷凝器726，在那里使来自第二级蒸发器715的第二工作流体冷凝。冷海水以大约50.4°F的温度离开第三级冷凝器726。

然后冷海水从第三级冷凝器726向上以大约50.4°F的温度流入到第四级冷凝器727。在第四级冷凝器中，冷海水使来自第一级蒸发器714的第一工作流体冷凝。然后冷海水以大约54.0°F的温度离开第四级冷凝器并且最终从船舶排放。冷海水排放可以被引导至温度与冷海水的排放温度相同或近似的海洋深度处的热层。可选地，电站的容纳有多级冷凝器的部分可以位于使得冷海水排放到适当的海洋热层的结构所在的范围内的深度处。

第一工作流体以56.7°F的温度进入第一级蒸发器714，在那里被加热至温度为74.7°F的蒸汽。然后第一工作流体流到第一涡轮机731并且接着流到第四级冷凝器727，在该第四冷凝器727中第一工作流体被冷凝为温度大约56.5°F的液体。然后液态的第一工作流体通过第一工作流体泵741被泵回到第一级蒸发器714。

第二工作流体以大约53.0°F的温度进入第二级蒸发器715，在那里被加热为蒸汽。第二工作流体以大约72.4°F的温度离开第二级蒸发器715。然后第二工作流体流到第二涡轮机732并接着流到第三级冷凝器726。第二工作流体以大约53.0°F的温度离开第三级冷凝器并流到工作流体泵742，该工作流体泵742进而将第二流体泵回到第二级蒸发器715。

第三工作流体以大约49.5°F的温度进入第三级蒸发器716，将在那里被加热为蒸汽，并且以70.2°F的温度离开第三级蒸发器716。然后第三工作流体流到第三涡轮机733并接着流到第二级冷凝器725，在该第二级冷凝器725中被冷凝为温度大约49.5°F的流体。第三工作流体离开第二级冷凝器725并且通过第三工作流体泵743被泵回到第三级蒸发器716。

第四工作流体以大约46.0°F的温度进入第四级蒸发器717，将在那里被加热为蒸汽。第四工作流体以大约68.0°F的温度离开第四级蒸发器717，并流到第四涡轮机734。第四工作流体离开第四涡轮机734并流到第一级蒸发器724，在该第一级蒸发器724中被冷凝为温度大约46.0°F的流体。第四工作流体离开第一级冷凝器724并且通过第四工作流体泵744被泵回到第四级蒸发器717。

第一涡轮机731和第四涡轮机734协作驱动第一发电机751并且形成第一涡轮发电机对761。第一涡轮发电机对将产生大约25MW的电力。

第二涡轮机732和第三涡轮机733协作驱动第二发电机752并且形成第二涡轮发电机对762。第二涡轮发电机对762将产生大约25MW的电力。

图7的四级混合级联热交换循环允许从热海水和冷海水之间的相对低的温差提取出最大量的能量。此外，所有热交换器都可以直接支持利用相同组成涡轮机和发电机来发电的涡轮发电机对。

可以理解的是，多个多级混合级联热交换器和涡轮发电机对可以包含到船舶或平台设计中。

实施例

离岸OTEC柱筒平台包括四个独立的电力模块(power module)，每个电力模块在额定设计条件下产生约25MW净电力。每个电力模块均包括四个独立的电力循环或级联热力学级，这四个独立的电力循环或级联热力学级在不同压力和温度水平下运行并且在四个不同级中从海水中提取热量。四个不同的级串联运行。在额定设计条件(全负载-夏季条件)下四个级的大致的压力和温度水平如下：

工作流体通过从热海水(WSW)中提取热量而在多个蒸发器中被加热沸腾。饱和的蒸汽在蒸汽分离器中被分离并且通过标准重量管表(STD schedule)无缝碳钢管被导入氨涡轮机。在冷凝器中冷凝的液体通过两个100％的电机驱动匀速供给泵被泵回到蒸发器。循环1和循环4的涡轮机驱动一个共用发电机。类似地，循环2和循环3的涡轮机驱动另一共用发电机。在一个方面中，在每个电站模块中有两个发电机并且在100MW电力的电站中总共有8个发电机。蒸发器的供给由供给控制阀控制以维持蒸汽分离器中的水平。冷凝器的水平由循环流体控制阀控制。供给泵的最小流量由再循环线路确保，该再循环线路通过由供给线路上的流量表调节的控制阀导入冷凝器。

在操作中，模块的四(4)个电力循环独立地运行。循环中的任何一个均可以根据需要、例如在故障或维护的情况下关闭而不会妨碍其他循环的运行。但是这样会降低作为整体模块的电力模块的净发电量。

本发明的若干个方面需要大量的海水。将具有用于控制冷热海水的独立的系统，每个系统均具有自己的泵送装置、水管、管路、阀、热交换器，等等。海水比淡水的腐蚀性强，可能与海水接触的所有材料都需要考虑这一点仔细选择。用于构造海水系统的主要组成部件的材料将是：

大口径管路： 玻璃纤维增强塑料(FRP)

大的海水管和室： 环氧涂层碳钢

大口径阀： 橡胶里衬蝴蝶型

泵的叶轮： 合适的青铜合金

如果不用合适的方式控制，海水系统内部的生物生长可能会引起电站性能的显著的损失，并且可能会引起热传递表面的积垢，导致电站的低输出。这种内部的生长还可能会增加水流的阻力导致需要更大的泵送电力，使系统流量降低等，甚至在更严重的情况中可能会使流路完全阻塞。

利用从深海抽取的水的冷海水(“CSW”)系统应该具有非常小的或者没有生物积垢问题。在这样的深度中的水没有接收到太多的阳光并且缺氧，所以里面具有很少的活生物体。然而一些类型的厌氧细菌可能能够在一些条件下生长。冲击加氯法(shockchlorination)将用于对付生物积垢。

热海水(“WSW”)系统处理来自表面附近的热海水时将不得不防止受到生物积垢的损害。已经发现：在适于OTEC操作的热带公海水域中的积垢速度比沿海水域中的积垢速度低得多。结果，可以使用符合环保标准的剂量非常小的化学制剂来控制OTEC系统中的生物积垢。投放少量的氯被证明在对付海水中的生物积垢方面是非常有效的。以每天一小时约70ppb的速度投放的氯的剂量在防止海洋生物的生长方面是非常有效的。该剂量速度仅为EPA规定的环境安全水平的二十分之一。可以在低剂量处理的方式之间不时地使用其他类型的处理(热冲击、冲击加氯法、其他生物杀灭剂等)，以去除耐氯生物。

投放入海水流所必须的氯在电站船的船上通过电解海水产生。该类型的电解-加氯设备可以从市场上得到并且已经被成功地用于生产投放用的次氯酸盐溶液。电解-加氯设备可以连续地操作以充满储藏罐，并且这些罐里的容纳物用于周期性的上述投放。

所有海水管道都避免任何死角，在死角处可能沉淀沉淀物或者生物可能会驻留下来开始繁殖。从水管的低点设置冲刷配置以冲掉可能聚集在那里的沉淀。水管和水室的高点处开口以允许被困住的气体排出。

冷海水(CSW)系统将由用于电站船的通用深水引入口、以及水泵取/分配系统、具有相关联的水管路的冷凝器和用于使水返回至大海的排放管构成。冷水引入管向下延伸至超过2700英尺(例如在2700英尺至4200英尺之间)的深度，在该深度处海水温度大约为恒定的40°F。通向管的入口用拦网保护以阻止大的生物被吸入入口。进入管之后，冷水朝向海水表面向上流并且被传送至位于船舶或柱筒底部附近的冷井室。

CSW供给泵、分配管、冷凝器等位于电站的最低高度。泵从横管抽吸并且将冷水送至分配管系统。为每个模块设置四个25％的CSW供给泵。每个泵均独立地与入口阀构成回路使得泵能够隔离并且当需要时可以被打开用于检查、维护等。泵由高效电机驱动。

冷海水流过串联的循环的冷凝器，然后CSW流出物被排放回大海。CSW沿着期望的顺序流过串联的四个电站循环的冷凝器热交换器。冷凝器安装配置成允许其被隔离并且当需要时被打开用于清洁和维护。

WSW系统包括位于大海表面下方的水下引入口格栅、用于将进入的水输送至泵的入口腔室(intake plenum)、水泵、控制热传递表面的积垢的生物灭杀剂定量投放系统、防止被悬浮物质阻塞的水过滤系统、具有相关联的水管路的蒸发器以及用于使水返回至大海的排放管。

引入口格栅设置在电站模块的外壁中以从大海表面附近吸入热水。引入口格栅处的迎面速度保持为小于0.5英尺/秒以使海洋生物的夹带最小化。这些格栅也防止大的悬浮碎片的进入，并且其净开口基于能够安全地通过泵和热交换器的固体的最大尺寸。通过这些格栅之后，水进入位于格栅后方的入口腔室并且沿着管路进入WSW供给泵的抽吸口。

WSW泵位于泵地板的相反侧上的两个组中。每侧上有一半的泵，并且针对每个组具有来自入口腔室的分开的抽吸连接部。该配置将通过入口腔室的任何部分的最大流量限制为总流量的大约十六分之一，并且因此降低了引入系统中的摩擦损失。每个泵均在入口侧设置有阀使得泵能够被隔离并且在需要时能够打开用于检查、维护等。泵由高效电机驱动，采用变频驱动以使泵输出与负载匹配。

需要控制WSW系统的生物积垢，特别是在系统的热传递表面上需要控制生物积垢，并且为此将在泵的抽吸口处剂量投放适合的生物灭杀剂。

热水流可能需要过滤以去除可能阻塞热交换器中的狭窄通道的较大的悬浮颗粒。如果需要，可以为此使用大型自动过滤器或“碎片过滤器”。悬浮物质可能被保留在拦网上然后通过反冲洗来去除。携带悬浮固体的反冲洗流出物将沿着管路到达电站的排放流以便返回至海洋。用于此目的的确切的要求将在收集更多与海水质量有关的数据之后对设计进行的进一步发展过程中决定。

过滤后的热海水(WSW)被分配至蒸发器热交换器。WSW沿着期望的顺序流过串联的四个电站循环的蒸发器。从最后一个循环出来的WSW流出物在大海表面下方的大约175英尺或更深的深度处被排放。然后慢慢地下沉至海水的温度与流出物的温度(因此密度)匹配的深度处。

虽然本文中的实施方式描述了浮式离岸船舶或平台中的多级热交换器、通过连续的错开板条式冷水管抽取冷水，但是可以理解的是其他实施方式也在发明的范畴内。例如，冷水管可以联接至岸上设备。连续的错开板条式管可以用于长度与直径比显著的其他引入或排放管。错开板条式结构可以包含在传统分段式管构造中使用的管段中。多级热交换器和一体化的流体通道可以包含在包括了岸基OTEC设备的岸基设备中。此外，热水可以是热的淡水、地热加热水或者工业排放水(例如，来自核电站或其他工业设备的排放的冷却水)。冷水可以是冷的淡水。本文中描述的OTEC系统和组成部件可以用于电能生产或者用于其他使用领域，包括：盐水脱盐；水提纯；深层水再生利用；水产业；生物质或生物燃料的生产；还有一些其他行业。

本文中涉及到的所有引用文献的全部内容通过引用合并于此。

其他实施方式在随附的权利要求书的范围内。

Claims (12)

1.一种海洋热能转换电站，其包括：

船舶，该船舶具有上提设备、上提缆绳、第一锥形连接面和接触垫；和

冷水管，该冷水管包括：

第一纵向部，该第一纵向部包括具有第二锥形连接面和吊耳的上提凸缘；和

第二纵向部，该第二纵向部在所述第一纵向部的下方，

其中所述第二纵向部的柔性大于所述第一纵向部的柔性，

其中利用所述冷水管的与所述船舶静态连接的所述第一纵向部来使所述冷水管被定位。

2.根据权利要求1所述的海洋热能转换电站，其特征在于，所述冷水管进一步包括：

第三纵向部，该第三纵向部在所述第二纵向部的下方，其中所述第三纵向部的柔性小于所述第二纵向部的柔性。

3.根据权利要求2所述的海洋热能转换电站，其特征在于，所述冷水管的所述第三纵向部比所述冷水管的所述第二纵向部长。

4.根据权利要求1所述的海洋热能转换电站，其特征在于，所述第二锥形连接面与所述船舶的所述接触垫接触以形成水密密封。

5.根据权利要求1所述的海洋热能转换电站，其特征在于，

所述船舶限定了管接收凹部，所述管接收凹部具有第一直径；

其中所述冷水管具有比所述管接收凹部的所述第一直径小的第二直径和布置在所述冷水管上的支承面；并且

其中在所述管接收凹部上布置有一个或多个爪，所述一个或多个爪能与所述支承面操作，当所述爪与所述支承面接触时，所述爪限定与所述第一直径或所述第二直径不同的第三直径。

6.根据权利要求1所述的海洋热能转换电站，其特征在于，所述冷水管是板条式管。

7.根据权利要求6所述的海洋热能转换电站，其特征在于，所述冷水管是错开板条式管。

8.根据权利要求1所述的海洋热能转换电站，其特征在于，所述冷水管的所述第一纵向部的壁比所述冷水管的所述第二纵向部的壁厚。

9.一种将冷水管连接至海洋热能转换电站的船舶的方法，所述方法包括：

以如下方式将所述冷水管的第一纵向部插入到所述船舶的管接收凹部内：所述冷水管的所述第一纵向部与所述船舶静态连接，使得柔性比所述冷水管的所述第一纵向部大的所述冷水管的第二纵向部从所述冷水管的所述第一纵向部向下延伸。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括从所述冷水管的所述第二纵向部支撑所述冷水管的第三纵向部，所述冷水管的第三纵向部的柔性比所述冷水管的所述第二纵向部的柔性小。

11.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，将所述冷水管的所述第一纵向部插入所述管接收凹部内包括：在所述管接收凹部的第一锥形连接面和所述冷水管的所述第一纵向部的第二锥形连接面之间进行牢固的连接。

12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，在所述管接收凹部的第一锥形连接面和所述冷水管的所述第一纵向部的第二锥形连接面之间进行牢固的连接包括：

在所述管接收凹部的第一锥形连接面和所述冷水管的所述第一纵向部的第二锥形连接面之间形成水密密封。