CN108139116B - 重建太阳池中的非对流层 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种盐度梯度太阳池(SGSP)，所述池子的底层具有饱和的盐水并且顶层具有近乎淡水，其中，在所述顶层与所述底层之间存在梯度层。由于这种盐度分层，在SGSP中，盐向上扩散是自然的。控制SGSP系统中的盐度梯度对于SGSP系统的可靠操作至关重要。在本申请中公开的所述盐度梯度控制方法，由作者创造的“池子摇晃方法”，使所述池子的非梯度层快速排出，重建所述梯度，并且按照使占地、水耗和热损失最小化的方式来恢复所述SGSP系统的所述非梯度层。允许所述池子中的所述盐随着时间向上扩散，并且在需要恢复所述梯度的情况下，使用所述池子摇晃方法来完全重建梯度和SGSP层。

Description

重建太阳池中的非对流层
相关申请的交叉引用
本申请获得于2015年6月11日提交的美国专利申请14/736,451号的优先权并且要求其权益，该案获得于2014年6月11日提交的美国临时专利申请62/010,576号的优先权并且要求其权益，这些申请的内容以引用的方式并入本文。
发明背景
发明领域
本系统和方法大体上涉及维护盐度梯度太阳池(SGSP)中的盐度梯度的实践，并且更具体地涉及一种重建SGSP中的非对流层的系统和方法。
相关技术的描述
SGSP是能够收集和贮存太阳能热能的浅的盐梯度池(参见图1)。在SGSP中，太阳能由池子的底部吸收，池子的底部还加热饱和盐流体(图 1中的“下对流层”或者LCZ)。由于LCZ盐度更高而比在其之上的层更重，加热的流体无法在池子中上升而且无法像一个正常的池子一样冷却，而是仍然在底部，随着其贮存更多的太阳能热能而变得更热。随着时间的过去，通常是最初构造的几个月，随着LCZ贮存的太阳能热能越来越多，盐水温度将接近沸腾。该收集和贮存的太阳能热能可以作为工艺用热被抽走(泵送的热盐水)，该工艺用热可以用于使用现成的低温热机来发电。
SGSP可以收集和贮存热，并且以平均的、统一的速率(基本负荷) 输出功率，或者SGSP可以在需要对功率输出进行分布控制而不是被迫仅仅在刮风或者阳光普照的时候才会产生功率的基础上(根据需要)输出功率，使得SGSP系统比间歇性的可再生能源有效许多倍。SGSP系统可以容易地被构造在大的区域中。
发明内容
本文所示的本系统和方法未被明显地预料到、明显地呈现、或者甚至单独或者按照其任何组合存在于现有机制中的任何一种中。因此，在本文中说明了本系统和方法的多个实施例。
本系统和方法，池子摇晃方法，提供了一种在盐度梯度太阳池(SGSP) 电力系统中实践梯度维护的有效措施。池子摇晃方法比之前实践的SGSP 梯度维护方法(例如，表面清洗方法)更有效，并且该提高的效率对于 SGSP电力系统的商业实践是必不可少的。SGSP技术的商业化对于可再生能源产业至关重要，尤其是在间歇性的可再生能源正导致网格管理问题和成本增加的时候。SGSP收集和贮存热，并且能够以平均的、统一的速率(基本负荷)输出功率，或者在需要对功率输出进行分布控制而不是被迫仅仅在刮风或者阳光普照的时候才会产生功率的基础上(根据需要) 输出功率。该特征连同Good Earth Mechanics,LLC(GEM)已经开发出的其它协同好处(例如，用于环境修复的大型盐水槽)使SGSP系统比间歇性的可再生能源有效许多倍。GEM团队目前从事于其SGSP技术的商业推广并且本文所公开的发明对于该商业推广至关重要。池子摇晃方法连同之前公开的能够实现池子下降方法的池子下降系统和实践对用于SGSP 技术的商业实践的盐度梯度进行GEM正控制。
Good Earth Mechanics,LLC(GEM)正使SGSP技术商业化。GEM SGSP 团队由从1985年到2002年为止世界上最大的运行SGSP工程开发和试点示范的负责人(University ofTexas,El Paso)组成(Advancements in Salinity Gradient Solar Pond TechnologyBased on 16 Years of Operational Experience,Huanmin Lu,Andrew H.P.Swift,Herbert D.Hein,Jr.,John C.Walton；J.Solar Energy Eng.,v.126,p. 759-767,May2004)。GEM将使用其250kW商业模块来构建和部署SGSP 系统，该SGSP系统将两个池子单元用于每个模块(参见图2)。池子是护道式蓄积池和挖掘型孔，其中，使用来自池子中心的污垢来形成护道。 GEM SGSP系统是可模块化扩展的：GEM SGSP电力系统站点与250kW一样小，或者通过添加多个SGSP模块而被放大到数百MW。图2中的GEM SGSP 的剖面图示出了典型的、现成的低温有机朗肯循环(ORC)热机如何使池子的热的底部盐水和凉的表面水循环。热的盐水是热源并且凉的表面水充当ORC散热器；SGSP系统的底部与顶部之间的温差驱动热机。
由于SGSP中的盐度分层，盐向上扩散是自然的。已经发现，该盐向上扩散在60gr/m2/日到80gr/m2/日的范围内(Tabor,H.；Solar Ponds, Solar Energy,v.27(3),pp.181-194,1981 and v.30(1),pp.85-86, 1983)。控制SGSP系统中的盐度梯度对于SGSP系统的可靠操作至关重要。在本申请中公开的盐度梯度控制方法，由作者创造的“池子摇晃方法”，使太阳池的上层和下层能够被快速排出并且被存储在SGSP阵列中的周围池子的对应层中(参照图2)；这在有效利用为SGSP阵列分配的占地的同时使热损失和水耗最小化。阵列的池子中的可用高度被设计为允许该周期性地增加的体积，例如，除了用于保持风浪引起的波浪作用的标称高度之外，阵列内的高度还被设计为上层和下层中的每一层的体积的另外1/3(即，针对这样一种情况：将正在维修的池子的上层和下层存储在周围的三个池子中，或者如果被存储在周围的五个池子中，则是增加的体积的1/5等)。GEM针对商业实践提出的SGSP阵列的模块性是实践池子摇晃方法的关键。
一旦池子的上层和下层已经被泵出，仅仅在正在维修的池子中留下梯度层，便可以重建梯度层(在“发明内容”中讨论用于进行这种重建的过程)。在梯度层已经被重建之后，使下层和上层的体积从周围的池子返回。通过将正在维修的池子的下层存储在周围池子的热的下层中，使热损失最小化。同样，将上层存储在周围池子中会使水耗最小化。
在池子摇晃方法中，允许池子中的盐随着时间向上扩散，并且按照需要使用方法来恢复梯度。用于控制SGSP梯度的其它方法包括图3所描绘的表面清洗方法。
在表面清洗方法中，允许盐向上扩散至表面层。随着表面层变得越来越咸，用淡水来替换表面层或者“清洗”表面层。被取代的含盐表面水在单独的蒸发池中被蒸发成浓缩盐水并且然后回到SGSP底部。由于附加的用地需求和实践方法所需的更高的水耗和热损失，该方法在对于 SGSP示范工作和在这之前的典型梯度维护实践是可行的同时对于大规模SGSP商业化来说是不实际的。池子摇晃方法在使水耗、热损失、所需的土地、和成本最小化时由于表面清洗方法。
因此，这里已经概述，相当广泛地，系统和方法大体上涉及维护盐度梯度太阳池(SGSP)中的盐度梯度的实践，并且更具体地涉及一种重建SGSP中的非对流层的系统和方法，以使得能够更好地理解随后对其进行的详细描述，以及使得能够更好地理解到本发明对现有技术的贡献。本发明的附加特征将在下文中描述并且其将构成所附权利要求的主题。
在这一方面，在详细阐释本发明的至少一个实施例之前，应理解，本发明并不限于其在以下描述中所述或者在附图中所示的详细构建和组成安排中的应用。本发明能够为其它实施例并且以各种方式实践和执行。同样，应理解，本文所使用的措词和术语是以描述为目的并且不应该被视为是限制性的。
本发明的这些和其它目的连同以本发明为特征的各种新颖性特征在所附权利要求中具体指出，所述权利要求构成本发明公开内容的一部分。为了更好地理解本发明，其操作优点和通过使用其而获得的特定目的，应该参照附图和说明性内容，其中，示出本发明的优选实施例。
附图说明
图1图示了示例性盐度梯度太阳池(SGSP)的基本工作原理的透视图。
图2A至图2C图示了可以利用每个模块的至少两个池子单元的Good EarthMechanics(GEM)250kW商业SGSP模块的一个实施例。
图3图示了在控制SGSP梯度的现有实践方法(称为“表面清洗方法”) 中已知的示例。
图4图示了与SGSP系统一起操作以维护盐度梯度的池子下降装置的一个实施例。
图5图示了本SGSP系统的一个实施例的剖面图，示出了池子的三个层的典型尺寸：上对流层、非对流层和下对流层。
图6A至图6C图示了将热的LCZ从SGSP阵列的单独池子传送至周围的七个池子中的对应LCZ的概念模式的多个实施例。
具体实施方式
以下结合附图阐述的详细描述旨在作为对本发明当前的优选实施例的说明，并且不旨在表示本发明可以构造和/或利用的唯一形式。本描述结合所示的实施例阐述了功能和用于构造和操作本发明的步骤的序列。
GEM已经开发出在商业操作中有效地维护SGSP梯度的两项实践，该两项实践中的任何一项实践本身在理论上足以维护SGSP梯度，因此，两种方法一起会确保GEM控制SGSP梯度的能力。在早期的申请中公开了第一项实践，实现池子下降方法的池子下降装置。
在图4中描绘了池子下降方法，其中，当盐在池子中向上扩散使，装置使梯度以相同的速率“下降”。第二项实践，由作者创造的“池子摇晃方法”，是本申请的主题。
第二项实践可以表明，盐自然向上扩散的速率是：
[1]
Figure GDA0002222752550000061
其中，s＝盐浓度
κs＝盐扩散率(～1.55E-09m2/s)
z＝深度(m)
V＝速度(m/s)
针对典型的GEM 250kW商业SGSP“模块”，如图2所示，扩散速度为约1.29E-09m/s、或者每年～1.6英寸。
池子摇晃方法允许盐自然扩散不减弱，并且随着时间的过去，需要重建盐度梯度。该梯度重建将“按照条件”，即，按照需要来完成。名义上，梯度需要每隔三年左右重建一次(例如，梯度向上扩展～5英寸)。要注意，GEM的池子下降装置被设计为在适当的位置维护梯度，并且如果处理得很好，则会消除对池子摇晃方法的需求。然而，在商业操作中预料到对梯度的外来有害影响(例如，削弱上梯度的大风事件、产生梯度不稳定性的生物群事件等)，并且池子摇晃方法为用于GEM的盐度梯度维护的池子下降方法提供后备计划。另外，池子摇晃方法还使GEM能够有效地排空和装填太阳池以对池子或者衬里进行维护。
为了说明池子摇晃方法(PRM)，参见图5中的典型SGSP的横截面，其示出了SGSP系统的三个不同的层：[1]上对流层(UCZ)，该UCZ是比略微咸的均匀上层淡的环境温度；[2]非对流层(NCZ)，该NCZ是待重建的梯度层(例如，因为扩散、混合等而被歪斜的梯度)；以及[3]下对流层(LCZ)，该LCZ是贮存太阳能热能的高盐度、热的底层。PRM 用于通过首先按照使热损失和水耗以及所需占地最小化的这种方式将 LCZ和UCZ从池子排出来重建独立池子中的NCZ。然后，在原位冲击NCZ，在此之后，替换LCZ和UCZ以完成PRM。
为了进行这种优化排出并且冲击独立池子，PRM并入GEM的模块化设计(图2)。来自正在维修的池子的LCZ和UCZ被泵送至周围池子的对应层，如图6所示。图6中的左边的图表图示了针对SGSP阵列内的内部池子的一般情况的LCZ的传送(要注意，在图表中示出的八个池子通常等同于基本负荷为1MW的SGSP系统，即，图2所示的四个250kW 热机)。由软管和泵组成的简单单元用于从正在维修的池子传送标称 LCZ循环流两次，在图6中用“2x”箭头表示。通常有三个这样的泵和软管单元来将标称LCZ流泵送至周围的三个池子6次。然后，周围的三个池子中的每一个池子都将流入的一半(即，标称LCZ流的一倍)重新分配给其在250kW模块中的对应池子；当配备有GEM 250kW模块来允许从一个池子抽走并且使LCZ流返回到对应池子(例如，与进行标称实践时使相同的池子再循环相对)时，不需要对该“1x”分配进行另外探究。统一，正在维修的池子将其LCZ流泵送至其对应池子。模式之间的该PRM LCZ转移使得能够将维修池子的LCZ在分配给周围池子中的7个热的LCZ，从而保留正在位流的池子的LCZ中的大部分热能。同样，将来自正在维修的池子的UCZ重新分配给周围池子的UCZ，但是由于传送的体积小，所以按照LCZ的循环速率的约三分之一。针对典型的6.25 英亩SGSP池子(平坦的底层，50英亩的基本负荷MW)和1000gpm LCZ 循环速率(例如，针对使用R134a制冷剂的Pratt&Whitney 250kW纯循环(PureCycle)单元)，“7x”传送速率需要约26小时来传送池子的33.1英亩-英寸的LCZ。在这个时候，同样传送UCZ，在维修池子中只留下待重建的NCZ。这种LCZ-UCZ传送模式需要在周围的7个池子中的暂时可用的高度的大约10”，最好在阵列的内置高度内(参见图5)。图6的右边的图表示出了末端池子(顶部图表)和SGSP阵列的角落池子 (底部图表)的再分配模式。如果阵列大小比1MW基本负荷(8个池子) 小，则在阵列池子的设计中需要附加高度来适应PRM传送模式(例如，针对需要基本负荷SGSP MW的50英亩的底部平坦的池子收集器的相同太阳辐射量)，双池子设计(即，单个GEM 250kW模块)需要暂时高度的另外5.5’。
一旦待重建的NCZ是正在维修的池子中仅存的材料，待重建的NCZ 便可用于在原位再建。用于这样做的一种方法是使用机械蒸发器来使剩下的盐水浓缩成近饱和。通过在标称湿度环境中使用典型的蒸发器1，将需要15个蒸发器单元来使NCZ在五天内浓缩(每单位约0.4英亩的蒸发面积)。利用维修池子浓缩盐水中的剩余流体，然后可以通过扫描喷射淡水(例如，如文献2所讨论的)或者用于操作层中的UCZ的其它盐度流体(例如，从海水淡化设施排放的半咸水)来再建NCZ此处考虑的标称情况的扫描喷射体积是需要约1/65天来建立梯度(按照总共 2000gpm的标称扫描喷射速率)的约14.6英亩-英尺。热的LCZ然后会从周围的池子(即，使图6中的流箭头/设备颠倒)以及UCZ恢复，从而重建SGSP梯度。PRM增强(例如，待在早期GEM SGSP实践中确定) 包括使NCZ蒸发至小于完全饱和，以便在其接触热的LCZ时，重新装填饱和LCZ“底座”的上边界以通过由喷射流体的大温差和动量促进的局部混合将界面“置于”两层之间。
考虑到准备时间3，单个池子的整体再建会花约10天(2.2天排空 /重新装填、5天浓缩、1.6天扫描喷射、1.2天准备和拆装)。与蒸发和流体传送所需的功率一起，GEM PRM产生～1.1％寄生性，从SGSP商业化观点来看被认为是非常可行的。
图1示出了盐度梯度太阳池(SGSP)的基本工作原理。SGSP是能够收集和贮存太阳能热能的浅的盐梯度池，如图所示。在SGSP中，太阳能由池子的底部吸收，池子的底部还加热饱和盐流体(图1中的“下对流层”或者LCZ)。由于LCZ盐度更高而比在其之上的层更重，加热的流体无法在池子中上升而且无法像一个正常的池子一样冷却，而是仍然在底部，随着其贮存更多的太阳能热能而变得更热。随着时间的过去，通常是最初构造的几个月，随着LCZ贮存的太阳能热能越来越多，盐水温度将接近沸腾。该收集和贮存的太阳能热能可以作为工艺用热被抽走 (泵送的热盐水)，该工艺用热可以用于使用现成的低温热机来发电。充当大型太阳能热电池，SGSP可以收集和贮存热，并且以平均的、统一的速率(基本负荷)输出功率，或者SGSP可以在需要对功率输出进行分布控制而不是被迫仅仅在刮风或者阳光普照的时候才会产生功率的基础上(根据需要)输出功率，使得SGSP系统比间歇性的可再生能源有效许多倍。
图2A至图2C描绘了可以使用每个模块的至少两个池子的Good Earth Mechanics(GEM)250kW商业SGSP模块。池子是护道式蓄积池和挖掘型孔，其中，使用来自池子中心的污垢来形成护道。GEM SGSP 系统是可模块化扩展的：GEM SGSP电力系统站点与250kW一样小，或者通过添加多个SGSP模块而被放大到数百MW。该图中的GEM SGSP的剖面图示出了典型的、现成的低温有机朗肯循环(ORC)热机如何使池子的热的底部盐水和凉的表面水循环。热的盐水是热源并且凉的表面水充当 ORC散热器；SGSP系统的底部与顶部之间的温差驱动热机。
图3示出了控制SGSP梯度的传统实践方法(称为“表面清洗方法”)。在表面清洗方法中，允许盐向上扩散至表面层。随着表面层变得越来越咸，用淡水来替换表面层或者“清洗”表面层。被取代的含盐表面水在单独的蒸发池中被蒸发成浓缩盐水并且然后回到SGSP底部。由于附加的用地需求和实践方法所需的更高的水耗和热损失，该方法在对于SGSP 示范工作和在这之前的典型梯度维护实践是可行的同时对于大规模 SGSP商业化来说是不实际的。池子摇晃方法因使水耗、热损失、所需的土地、和成本最小化而优于表面清洗方法。
图4描绘了与SGSP系统一起操作以维护盐度梯度的通用池子下降装置的基本操作。由于SGSP中的盐度分层，盐向上扩散是自然的。控制SGSP系统中的盐度梯度对于SGSP系统的可靠操作至关重要。提出以控制盐度梯度的一种方法是图中描绘的池子下降方法。图中所示的“池子下降装置”旨在通过从池子底部的饱和盐水提取水并且将水移到底部来在适当的位置继续维护盐度梯度。可以控制该下降速率或者向下速度以与SGSP中的盐向上扩散速率匹配，从而在适当的位置维护梯度。GEM 之前已经公开了一种用于应用池子下降方法的系统和实践。
图5是GEM SGSP系统的剖面图，示出了池子的以下三个层的典型大小：上对流层(对于低盐度顶层是均匀淡的)；非对流层(充当SGSP 系统内的大量热传输的阻碍的盐、温度、和密度分层的层)；以及下对流层(收集和贮存太阳能热能的均匀盐饱和下层)。图中还示出了典型 GEM SGSP系统阵列的可用高度，该典型GEM SGSP系统阵列在GEM SGSP 阵列内再建独立池子的梯度时用作共享的暂时存储器。
图6A至图6C图示了将热的LCZ从SGSP阵列中的单独池子传送至周围的七个池子中的对应LCZ的概念模式。该模式允许在使阵列内的污垢工作最小化的同时保持正在维修的池子的LCZ中的大部分热(例如，典型GEM SGSP阵列将暂时地利用图5中的小于10”的可用高度来存储其NCZ被重建的池子的UCZ和LCZ)。
本发明，池子摇晃方法，提供了一种在SGSP电力系统中实践梯度维护的有效措施。池子摇晃方法比之前实践的SGSP梯度维护方法(例如，表面清洗方法)更有效，并且该提高的效率对于SGSP电力系统的商业实践是必不可少的。SGSP技术的商业化对于可再生能源产业至关重要，尤其是在间歇性的可再生能源正导致网格管理问题和成本增加的时候。SGSP收集和贮存热，并且能够以平均的、统一的速率(基本负荷)输出功率，或者在需要对功率输出进行分布控制而不是被迫仅仅在刮风或者阳光普照的时候才会产生功率的基础上(根据需要)输出功率。该特征连同GEM已经开发出的其它协同好处(例如，用于环境修复的大型盐水槽)使SGSP系统比间歇性的可再生能源有效许多倍。GEM团队目前从事于其SGSP技术的商业推广并且本文所公开的发明对于该商业推广至关重要。池子摇晃方法连同之前公开的能够实现池子下降方法的池子下降系统和实践对用于SGSP技术的商业实践的盐度梯度进行GEM 正控制。
总而言之，本文呈现了一种用于维护盐度梯度太阳池(SGSP)中的盐度梯度的系统和方法。本发明在流程图和图中并且贯穿说明书通过示例来说明。应该理解，在遵循发明概念的同时，多种变化是可能的。这些变化被认为是本发明的一部分。
附注：
1.例如，使用SMI 420F(影响旋转叶轮的喷嘴)机械蒸发器。
2.Advancements in Salinity Gradient Solar Pond Technology Based on16Years of Operational Experience,Huanmin Lu,Andrew H.P.Swift,Herbert D.Hein,Jr.,John C. Walton；J.Solar Energy Eng.,v.126,p.759-767,May 2004.
3.为了成为设计的设备，例如，传送泵和软管单元、扩散器、扫描喷射器、处理设备等.

Claims (4)

1.一种重建盐度梯度太阳池中的非对流层的方法，其包括如下步骤：
通过利用多个传送单元来使上对流层和下对流层从盐度梯度太阳池排出，
将所述上对流层和所述下对流层存储在至少一个周围池子的对应层中；
重建所述盐度梯度太阳池的所述非对流层；以及
经由所述多个传送单元使所述上对流层和所述下对流层从至少一个周围池子返回到所述盐度梯度太阳池。
2.根据权利要求1所述的方法，其进一步包括以下步骤：
对重建的所述非对流层的下部进行调节，使得一旦热的所述下对流层返回到正在重建的所述盐度梯度太阳池并且部分地与更冷的、重建的所述非对流层混合，便会在所述下对流层与所述非对流层之间实现优化的梯度界面。
3.根据权利要求1所述的方法，其进一步包括以下步骤：
创建SGSP阵列，所述SGSP阵列包括至少两个盐度梯度太阳池，所述SGSP阵列中的一个或多个周围太阳池用于存储正在重建的太阳池的下对流层和上对流层，从而使阵列中周围太阳池中的必要高度和所述下、上对流层的传送时间最小化。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，每个传送单元包括选自由多个软管、多个管道和多个泵组成的组的至少一个装置。
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