CN111486068B - 一种太阳能辅助海洋温差发电系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种太阳能辅助海洋温差发电系统。一种太阳能辅助海洋温差发电系统,其特征在于包括太阳能辅热模块、OTEC发电模块、PLC能量管理模块;OTEC发电模块以低沸点的有机工质作为循环工质,以大海表层温海水为热源对有机工质进行预热,太阳能辅热模块的太阳能作为补充热源对有机工质进行二次加热;大海深层900‑1100米的冷海水作为冷源,通过有机朗肯循环实现热功转换,过热工质气体进入汽轮机推动叶轮旋转,驱动发电机发电;PLC能量管理模块对太阳能辅热模块和OTEC发电模块实现能量调度和运行控制。以太阳能光热作为辅助热源的海洋温差发电系统,大幅提高了系统发电效率,有利于海洋温差发电系统的推广应用。

Description

一种太阳能辅助海洋温差发电系统
技术领域
本发明涉及机械工程和新能源领域,具体涉及一种太阳能辅助海洋温差发电系统。
背景技术
海洋温差能是指海洋表层海水和深层海水之间温差储存的热能,可以实现热力循环并发电。我国南海地处北回归以南,属热带气候,太阳辐射强烈,表层水温全年在25℃以上,而1000m以下的深层水温在5℃以下,温差达20~25℃,蕴藏着丰富的温差能资源。
海洋温差能在可再生能源中以其资源储存量大,清洁无污染等特点在近几年备受关注。海洋温差发电(OTEC)是利用海水浅层与深层的温差能使工质经热交换器换热后驱动涡轮机发电的技术,它发电波动小,能量密度高且储量巨大,是一种清洁、高效的发电方式。我国海南省三沙市作为中国最年轻的地级市,拥有丰富的海洋温差能资源储量,约为3.67亿kW,占全球海洋温差能储量的1/14,在节能减排和低碳发展形势下积极开发海洋温差能资源可有效解决三沙市能源供应不足问题,在满足我国南海地区经济开发与国防建设的能源电力需求的同时,对加快实现科技兴海战略也具有重要意义。
据报道,日本冲绳县久米岛50kW海洋温差能发电站于2013年3月首次发电成功;2015年8月夏威夷岛100kW的海洋温差能发电系统成功并网发电,并将海洋温差能发电作为新能源途径发电的主要方式;法国法属留尼汪岛也将于2025年交付100~150MW的大功率OTEC发电站组;中国国家海洋局曾开展“海洋温差能开发利用技术研究与试验”项目,致力于提高海洋温差发电热效率,目前正处于研发阶段,未见考虑引入太阳能辅助的海洋温差发电系统的相关报道。
目前,如何高效利用海洋温差能,促进我国南海地区经济发展,解决国防建设对能源电力的急切需求成为了必须面临的问题。本发明基于工程热力学的基本原理,结合相关领域的工程实践,提出一种太阳能辅助海洋温差发电系统。
发明内容
本发明的目的在于提出一种太阳能辅助海洋温差发电系统,可大幅提高系统发电效率,实现系统夜间和阴雨天气条件下连续稳定供电,有利于海洋温差发电系统的推广应用。
为了实现上述目的,本发明采用了以下技术方案:一种太阳能辅助海洋温差发电系统,其特征在于包括太阳能辅热模块、OTEC发电模块、PLC能量管理模块;OTEC发电模块以低沸点的有机工质作为循环工质,以大海表层温海水为热源对有机工质进行预热,太阳能辅热模块的太阳能作为补充热源对有机工质进行二次加热;大海深层900-1100米的冷海水作为冷源,通过有机朗肯循环实现热功转换,过热工质气体进入汽轮机推动叶轮旋转,驱动发电机发电。
上述方案中,PLC能量管理模块对太阳能辅热模块和OTEC发电模块实现能量调度和运行控制。
上述方案中,所述太阳能辅热模块选用导热油作为中间介质,导热油泵将导热油罐中导热油通过太阳能集热器吸收太阳辐射能,再通过蓄热水箱内的换热盘管将热量传递到蓄热水箱中的淡水,换热后导热油回到导热油罐;蓄热水箱中的淡水通过蒸发器对OTEC发电模块中的经大海表层温海水预热后的有机工质进行二次加热。
上述方案中,所述OTEC发电模块将有机工质由工质泵加压输送到以表层温海水为热源的预热器预热,液氨等压吸热后进入蒸发器,湿蒸汽状态的工质在蒸发器中被高温热源水二次加热变成过热工质气体,过热工质气体进入汽轮机后流经喷嘴膨胀为高速气流,推动汽轮机叶轮旋转,驱动发电机发电;从汽轮机排出的氨气经冷凝器冷却成液氨,冷疑器由海洋深层低温海水作为冷却液,再由工质泵加压后送入预热器,完成工质动力循环过程。
上述方案中,所述PLC能量管理模块控制导热油泵,将导热油通过太阳能集热器吸收太阳能后再通过换热盘管将热量传递到蓄热水箱内的水实现热量的储存;所述PLC能量管理模块控制淡水泵将蓄热水箱中的高温热源水通入蒸发器中与工质换热,实现循环工质的蒸发与过热。
上述方案中,太阳能辅热模块1包括太阳能集热器10、导热油泵11、导热油罐12、蓄热水箱13、换热盘管14、蒸发器9;太阳能集热器10的输出端由管路与换热盘管14的输入端相连通,换热盘管14的输出端由管路与导热油罐12的输入端相连通,导热油罐12内装有导热油,换热盘管14位于蓄热水箱13内,蓄热水箱13内装有用于进行热交换的水;导热油罐12的输出端由管路与导热油泵11的输入端相连通,导热油泵11的输出端由管路与阳能集热器10的输入端相连通,导热油泵11由导线与PLC能量管理模块的控制端相连。
上述方案中,OTEC发电模块2包括第一海水管5、温海水泵6、第二海水管7、预热器8、蒸发器9、淡水泵15、汽轮机16、发电机17、储油罐19、滑油泵20、油分离器21、冷凝器23、冷海水泵24、第三海水管25、第四海水管26、工质泵28;第二海水管7的输入端位于大海4的表层内,第二海水管7的输出端与预热器8的第一介质的输入端相连通,第二海水管7上安装有温海水泵6,预热器8的第一介质的输出端与第一海水管5的输入端相连通;预热器8的第二介质的输出端由管路与蒸发器9的第二介质输入端相连通,蒸发器9的第二介质输出端由管路与汽轮机16的工质气体输入端相连通;汽轮机16的输出轴由联轴器与发电机17的旋转轴相连,发电机17的电源输出端由电源线与负载18相连;淡水泵15的输入端由管路与太阳能辅热模块1的蓄热水箱13的循环淡水输出口相连通,淡水泵15的输出端由管路与蒸发器9的第一介质的输入端相连通,蒸发器9的第一介质的输出端由管路与蓄热水箱13的循环淡水输入口相连通;
汽轮机16的工质气体输出端由管路与油分离器21相连通;油分离器21的油出口由管路与储油罐19相连通,储油罐19的输出口由管路与滑油泵20的输入口相连通,滑油泵20的输出口由管路与汽轮机16的滑油输入口相连通;油分离器21的工质气体出口由管路22与冷凝器23的第二介质的输入端相连通,冷凝器23的第二介质的输出端由管路27与工质泵28的输入口相连通,工质泵28的输出口由管路与预热器8的第二介质的输入端相连通;第三海水管25的输入端位于大海4深度900-1100m处,第三海水管25的输出端与冷海水泵24的输入端相连通,冷海水泵24的输出端由管路与冷凝器23的第一介质的输入端相连通;冷凝器23的第一介质的输出端与第四海水管26的输入端相连通;温海水泵6、淡水泵15、滑油泵20、冷海水泵24、工质泵28分别与PLC能量管理模的控制端相连。
上述方案中,所述PLC能量管理模块包括PLC控制系统、辐照传感器、温度传感器、流量传感器、模拟量单元;辐照传感器、温度传感器、流量传感器的输出端分别与模拟量单元的输入端相连,模拟量单元的输出端与PLC控制系统的信号输入端相连,PLC控制系统与人机界面相连,温海水泵6、导热油泵11、淡水泵15、滑油泵20、冷海水泵24、工质泵28分别与PLC控制系统的控制端相连,管路上的阀门与PLC控制系统的控制端相连;辐照传感器安装设置的立柱上,温度传感器安装在蓄热水箱13的上部,测量蓄热水箱内部温度,流量传感器安装在蓄热水箱的进口处的管路上。
上述方案中,所述PLC能量管理模块控制系统以ABB AC500系列PLC为核心,检测太阳能辅热模块1、OTEC发电模块2中各元件的电压信号和电流信号,采用模糊PID控制算法,在控制柜中通过控制对系统动力设备的启停及各部分的运行参数来对太阳能辅热模块1和OTEC发电模块2进行实时控制。
上述方案中,太阳能集热器10采用新型多曲面复合槽式太阳能集热器。
上述方案中,蒸发器9采用的印刷电路板式蒸发器;预热器8采用螺旋板式预热器。
上述方案中,蓄热水箱13内部设计并安装了三层换热盘管,从上到下依次为高温区、过渡区和低温区,高温区为主要的储能区;蓄热水箱13内部压力用限压阀维持在4.8bar;蓄热水箱箱壁分三层:内层为硅酸盐针毡板,中间层为酚醛泡沫保温板,内层和中间层用来保温,最外层为316不锈钢板。
换热盘管14为针对温度分层原理设计的三层换热盘管,蓄热水箱箱壁分三层:内层为硅酸盐针毡板,中间层为酚醛泡沫保温板,最外层层为316不锈钢板。
本发明的有益效果在于:
1.本发明所述发电系统不仅利用了海洋温差能,而且也充分利用了太阳能作为辅助能源,不仅热力性能优良,而且循环系统简单、设备紧凑,降低了低品位海洋温差能的开发利用难度,实现了海洋温差发电系统高效率发电的可行性。
2.本发明开展了太阳能辅助海洋温差发电系统的最佳工况点设计,较传统闭式海洋温差发电系统,可有效提升循环热效率,由原来的3%-4%提升至6.18%左右,通过增加蓄热装置,实现系统在不良光照下的稳定运行。
3.系统采用海洋温差能和太阳能,能源资源储存量大,清洁无污染,对环境影响小。
4.本发明具有能量控制模块,可将不稳定的自然能源转化为能够连续供应的电能,独立微网工作时比较持续稳定。
5.由于配置了蓄热水箱,系统可实现全天候稳定发电。本发明实现系统夜间和阴雨等天气条件下向特定负载连续稳定供电,有利于海洋温差发电系统的推广应用。
6.本发明所述发电系统的发电效率高于纯海洋温差发电,其产生的电能可以用于发电系统附近大陆、海岛的工农业生产和海上石油平台、海水水产品加工等,多余的电能还可以用于大规模制氢等清洁能源的生产与储备,具有显著的经济效益和应用前景。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明,附图中:
图1是本发明太阳能辅助海洋温差发电系统的整体示意图;
图2是本发明太阳能辅助海洋温差发电系统中PLC能量管理模块示意图;
图3是本发明太阳能辅助海洋温差发电系统中循环工质温熵图。
图中:1、太阳能辅热模块;2、OTEC发电模块;4、大海;5、第一海水管;6、温海水泵;7、第二海水管;8、预热器;9、蒸发器;10、太阳能集热器;11、导热油泵;12、导热油罐;13、蓄热水箱;14、换热盘管;15、淡水泵;16、汽轮机;17、发电机;18、负载;19、储油罐;20、滑油泵;21、油分离器;22、管路;23、冷凝器;24、冷海水泵;25、第三海水管;26、第四海水管;27、管路;28、工质泵。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解,现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。
如图1所示,为本发明实施例的一种太阳能辅助海洋温差发电系统,包括太阳能辅热模块1、OTEC发电模块2、PLC能量管理模块;OTEC发电模块2以低沸点的有机工质(如:低沸点的液氨)作为循环工质,以大海(海洋)表层温海水为热源对有机工质进行预热,太阳能辅热模块1的太阳能作为补充热源对有机工质进行二次加热(提升工质在膨胀机前的过热度);大海(海洋)深层900-1100米的冷海水作为冷源,通过有机朗肯循环实现热功转换,过热工质气体进入汽轮机推动叶轮旋转,驱动发电机发电;PLC能量管理模块对太阳能辅热模块1和OTEC发电模块2实现能量调度和运行控制。
所述太阳能辅热模块1选用导热油作为中间介质,导热油泵11将导热油罐12中导热油通过太阳能集热器10吸收太阳辐射能,再通过蓄热水箱13内的换热盘管14将热量传递到蓄热水箱中的淡水,换热后导热油回到导热油罐12;蓄热水箱中的淡水通过蒸发器9对OTEC发电模块2中的经大海表层温海水预热后的有机工质进行二次加热(有机工质热交换后形成过热工质气体)。
所述OTEC发电模块2将有机工质(如:液氨)由工质泵28加压输送到以表层温海水为热源的预热器8预热,液氨等压吸热后进入蒸发器9,湿蒸汽状态的工质在蒸发器中被高温热源水二次加热变成过热工质气体,过热工质气体进入汽轮机后流经喷嘴膨胀为高速气流,推动汽轮机叶轮旋转,驱动发电机发电;从汽轮机排出的氨气经冷凝器23冷却成液氨,冷疑器23由海洋深层低温海水作为冷却液,再由工质泵加压后送入预热器8,完成工质动力循环过程。
所述PLC能量管理模块控制导热油泵11,将导热油通过太阳能集热器10吸收太阳能后再通过换热盘管14将热量传递到蓄热水箱13内的水实现热量的储存;所述PLC能量管理模块控制淡水泵15将蓄热水箱13中的高温热源水通入蒸发器9中与工质换热,实现循环工质的蒸发与过热。
参照图1、图2,太阳能辅热模块1包括太阳能集热器10、导热油泵11、导热油罐12、蓄热水箱13、换热盘管14、蒸发器9(通过管路依次连接并形成回路);太阳能集热器10的输出端由管路与换热盘管14的输入端相连通,换热盘管14的输出端由管路与导热油罐12的输入端相连通,导热油罐12内装有导热油,换热盘管14位于蓄热水箱13内(换热盘管14位于蓄热水箱13内的水中),蓄热水箱13内装有用于进行热交换的水(淡水);导热油罐12的输出端由管路与导热油泵11的输入端相连通,导热油泵11的输出端由管路与阳能集热器10的输入端相连通,导热油泵11由导线与PLC能量管理模块的控制端相连。由于配置了蓄热水箱,系统可实现全天候稳定发电。
参照图1、图2,OTEC发电模块2包括第一海水管5、温海水泵6、第二海水管7、预热器8、蒸发器9、淡水泵15、汽轮机16、发电机17、储油罐19、滑油泵20、油分离器21、冷凝器23、冷海水泵24、第三海水管25、第四海水管26、工质泵28;第二海水管7的输入端位于大海4的表层内,第二海水管7的输出端与预热器8的第一介质(温海水)的输入端相连通,第二海水管7上安装有温海水泵6(利用大海4表层25℃左右的温海水作为预热源,温海水被温海水泵6通过海水管7送入预热器8中),预热器8的第一介质(温海水)的输出端与第一海水管5的输入端相连通;预热器8的第二介质(有机工质,或称饱和液相工质氨)的输出端由管路与蒸发器9的第二介质(工质,或称饱和液相工质氨)输入端相连通,蒸发器9的第二介质(即工质)输出端由管路与汽轮机16的工质气体输入端相连通;汽轮机16的输出轴由联轴器与发电机17的旋转轴相连(工质在蒸发器9中进一步吸热、蒸发后变成过热气体,具有一定压力、温度的过热工质气体进入汽轮机16后流经喷嘴膨胀为高速气流,推动汽轮机16的叶轮旋转,带动发电机17发电并输送给负载18),发电机17的电源输出端由电源线与负载18相连;淡水泵15的输入端由管路与太阳能辅热模块1的蓄热水箱13的循环淡水输出口相连通,淡水泵15的输出端由管路与蒸发器9的第一介质(循环的淡水)的输入端相连通,蒸发器9的第一介质(循环的淡水)的输出端由管路与蓄热水箱13的循环淡水输入口相连通;
汽轮机16的工质气体输出端由管路与油分离器21相连通;油分离器21的油出口由管路与储油罐19相连通,储油罐19的输出口由管路与滑油泵20的输入口相连通,滑油泵20的输出口由管路与汽轮机16的滑油输入口相连通;油分离器21的工质气体(即过热氨气)出口由管路22与冷凝器23的第二介质(工质,或称工质氨)的输入端相连通,冷凝器23的第二介质(工质,或称工质氨)的输出端由管路27与工质泵28的输入口相连通,工质泵28的输出口由管路与预热器8的第二介质(饱和液相工质氨)的输入端相连通;第三海水管25的输入端位于大海4深度900-1100m处,第三海水管25的输出端与冷海水泵24的输入端相连通,冷海水泵24的输出端由管路与冷凝器23的第一介质(冷海水)的输入端相连通;冷凝器23的第一介质(冷海水)的输出端与第四海水管26的输入端相连通(由汽轮机16排出的过热氨气,沿管路22进入冷凝器23;冷海水泵24抽取大海4深度1000m左右、5℃左右的冷海水作为冷源,冷海水通过海水管25进入冷凝器23冷凝过热氨气,然后从海水管26排出;过热氨气被冷凝为液氨,沿管路27进入工质泵28继续进行循环);温海水泵6、淡水泵15、滑油泵20、冷海水泵24、工质泵28分别与PLC能量管理模的控制端相连。
所述PLC能量管理模块包括PLC控制系统(PLC控制电路)、辐照传感器、温度传感器、流量传感器(液体流量传感器)、模拟量单元;辐照传感器、温度传感器、流量传感器(液体流量传感器)的输出端分别与模拟量单元的输入端相连,模拟量单元的输出端与PLC控制系统(PLC控制电路)的信号输入端相连,PLC控制系统与人机界面相连,温海水泵6、导热油泵11、淡水泵15、滑油泵20、冷海水泵24、工质泵28分别与PLC控制系统的控制端相连(即:PLC能量管理模块对太阳能辅热模块1和OTEC发电模块2实现能量调度和运行控制),管路上的阀门与PLC控制系统的控制端相连;辐照传感器安装设置的立柱上,温度传感器安装在蓄热水箱13的上部,测量蓄热水箱内部温度,流量传感器安装在蓄热水箱的进口处的管路上。根据实时辐照强度和历史数据、各部件中工质的温度、压力等参数预测系统发电量,经模糊PID控制策略,调节蓄热水及冷海水流量大小,对太阳能辅热海洋温差发电系统进行能量管理。
所述OTEC发电模块的汽轮机的各个轴承需要油润滑和冷却,每台汽轮机都配有一套滑油系统。
进一步优化,本实施例中,所述PLC能量管理模块控制系统以ABB AC500系列PLC为核心,检测太阳能辅热模块1、OTEC发电模块2中各主要元件的电压信号和电流信号,采用模糊PID控制算法,在控制柜中通过控制对系统动力设备的启停及各部分的运行参数来对太阳能辅热模块1和OTEC发电模块2进行实时控制。
进一步优化,本实施例中,太阳能集热器10采用新型多曲面复合槽式太阳能集热器,集热性能好。
进一步优化,本实施例中,蓄热水箱13内部设计并安装了三层换热盘管,从上到下依次为高温区、过渡区和低温区,高温区为主要的储能区。蓄热水箱13内部压力用限压阀维持在4.8bar左右。蓄热水箱箱壁分三层:内层为硅酸盐针毡板,中间层为酚醛泡沫保温板,内层和中间层用来保温,防止热量损失,最外层为316不锈钢板,避免了海洋环境下对蓄热水箱的腐蚀。导热油通过换热盘管14与蓄热水箱13内的水进行分层换热,实现水箱内储热介质的温度分层。由于温度分层和保温层的设计,大大提高了蓄热水箱的储热效率,确保了在夜间本系统也能以取电工作模式稳定运行。
换热盘管14为针对温度分层原理设计的三层换热盘管,蓄热水箱箱壁分三层:内层为硅酸盐针毡板,中间层为酚醛泡沫保温板,降低了热量损失;最外层层为316不锈钢板,避免了海洋环境对箱体的腐蚀。
参照图1、图2,OTEC发电模块2利用大海4表层25℃左右的温海水作为预热源,温海水被温海水泵6通过第二海水管7送入预热器8。有机工质(饱和液相工质氨)被工质泵28绝热压缩后,输送到预热器8与预热器8内的大海4表层的温海水进行热量交换,等压吸热后进入蒸发器9,预热器8内经过热交换后的温海水则从预热器8通过第一海水管5排出。蓄热水箱13内的循环淡水被导热油加热为高温热源水,然后流入蒸发器9,与湿蒸汽状态的工质在蒸发器9中进行换热。工质在蒸发器9中进一步吸热、蒸发后变成过热气体,具有一定压力、温度的过热工质气体进入汽轮机16后流经喷嘴膨胀为高速气流,推动汽轮机16的叶轮旋转,带动发电机17发电并输送给负载18。汽轮机16配有一套滑油系统,储油罐19储存的润滑油被滑油泵20输送到汽轮机16内润滑和冷却各个轴承,润滑结束后,润滑油与混入润滑油中的少量工质通过油分离器21,润滑油被分离后进入储油罐19继续循环。
进一步优化,本实施例中,蒸发器9采用的印刷电路板式蒸发器,有较高的换热效率,使用寿命较普通蒸发器更长。预热器8采用螺旋板式预热器,使低温热源充分利用。
参照图1,由汽轮机16排出的过热氨气,沿管路22进入冷凝器23。冷海水泵24抽取大海4深度900-1100m(优选1000m)、4-6℃(优选5℃)的冷海水作为冷源,冷海水通过第三海水管25进入冷凝器23冷凝过热氨气,然后从第四海水管26排出。过热氨气被冷凝为液氨,沿管路27进入工质泵28继续进行循环。
设计装机容量为130kW的海洋温差发电站,系统中的热源来自26.05℃的海洋表层温海水和可以稳定输出125~130℃热水的太阳能集热器,低温冷源为1000米深约4℃的冷海水。拟定预热器出口温度24℃,冷凝温度9℃。温海水降低3℃,冷海水升高5℃。
针对本项目的设计,选取导热油管路直径d=50mm,导热油体积流量v=9m3/h。取平均环境温度ta≈27℃,日平均太阳辐照度I≈850W/㎡,循环中蒸发器换热效率高达98%。
玻璃盖板瞬时吸收净能量等于其吸收的入射能量与集热管对其辐射能量之和再减去其外部辐射换热与对流换热的能量:
Figure BDA0002439806930000121
式中:Tc为玻璃盖板的温度(K);qr/c为玻璃盖板与集热器的辐射传热效率;Ac为玻璃盖板的面积;q0为玻璃盖板吸收的能量;Ar为集热管内表面积;ts为太阳表面温度;hc为玻璃与空气传热系数;εc为玻璃的发射率;σ为斯特潘玻尔兹曼常数。
玻璃盖板与集热器的辐射传热速率qr/c为:
Figure BDA0002439806930000122
式中Tr为集热管的温度(K);εs为选择性吸收涂层发射率。
集热管的瞬时吸收净能量等于其吸收的入射能量之和减去其对外辐射能量、与外部空气换热能量以及被导热油吸收的能量之和:
Figure BDA0002439806930000123
式中W1为透过玻璃盖板被集热器吸收的太阳辐射;hr为集热管与空气的传热系数;ta为平均环境温度;A、r为集热管内表面积;hq为集热管与空气的传热系数;Tr为集热管的温度;tin为导热油入口温度。
集热管内导热油吸收的净能量等于集热管与导热油对流换热的能量:
A′rhq(Tr-tin)=MqCq(Tq-tin) (4)
式中导热油的质量流量(kg/m2);Tq为导热油的温度(K);Cq为导热油比热容。
集热效率可以简化为集热器中导热油获取的热量与集热器反射镜面上获取的总的直射辐射能量的比值:
Figure BDA0002439806930000131
式中:Mq为导热油的质量流量(kg/m2);Tq为导热油的温度(K)。
集热器的聚光比等于接收太阳辐射的面积(玻璃盖板的面积)与集热管面积的比值。
根据上述公式可计算得:集热器效率η≈70-73%,太阳能集热器面积A≈3204.76m2
膨胀机的输出功:
Wt=m(h15-h7)=189.43kW (6)
膨胀机实际输出功:
W=Wtη=161.01kW (7)
工质释放的热量:
Qc=m(h7-h9)=1833.68kW (8)
泵加压过程传递给工质的功量:
Wp=m(h1-h9)=8.76kW(9)
工质吸收的热量:
Qe1=m(h2-h1),Qe2=m(h15-h2) (10)
算得预热器Qe1=65.57kW;蒸发器Qe2=1948.78kW;
根据仿真结果,总泵功Wg为36.55kW。循环热效率:
Figure BDA0002439806930000141
可得循环净功Wj=124.46+kW;η′=6.18%。文献表明传统OTEC循环的热效率为3.28%左右,故本项目引入太阳能辅助的OTEC较传统的热效率提升了88.41%。
图3展示了太阳能辅热海洋温差循环系统工质温熵图,工质循环1-2’-3-4’-5-1为系统理想循环状态,其中1、2’、3、4’、5分别代表系统理想循环状态工质不同状态点,其中2点和4点代表循环系统实施例状态点,整个系统由四个热力过程组成。后者的热功转换效率更高。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述,每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处,各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述,但是本发明并不局限于上述的具体实施方式,上述的具体实施方式仅仅是示意性的,而不是限制性的,本领域的普通技术人员在本发明的启示下,在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下,还可做出很多形式,这些均属于本发明的保护之内。

Claims (5)

1.一种太阳能辅助海洋温差发电系统,其特征在于包括太阳能辅热模块、OTEC发电模块、PLC能量管理模块;OTEC发电模块以低沸点的有机工质作为循环工质,以大海表层温海水为热源对有机工质进行预热,太阳能辅热模块的太阳能作为补充热源对有机工质进行二次加热;大海深层900-1100米的冷海水作为冷源,通过有机朗肯循环实现热功转换,过热工质气体进入汽轮机推动叶轮旋转,驱动发电机发电;
所述PLC能量管理模块控制导热油泵,将导热油通过太阳能集热器吸收太阳能后再通过换热盘管将热量传递到蓄热水箱内的水实现热量的储存;所述PLC能量管理模块控制淡水泵将蓄热水箱中的高温热源水通入蒸发器中与工质换热,实现循环工质的蒸发与过热;
所述PLC能量管理模块包括PLC控制系统、辐照传感器、温度传感器、流量传感器、模拟量单元;辐照传感器、温度传感器、流量传感器的输出端分别与模拟量单元的输入端相连,模拟量单元的输出端与PLC控制系统的信号输入端相连,PLC控制系统与人机界面相连,温海水泵(6)、导热油泵(11)、淡水泵(15)、滑油泵(20)、冷海水泵(24)、工质泵(28)分别与PLC控制系统的控制端相连,管路上的阀门与PLC控制系统的控制端相连;辐照传感器安装设置的立柱上,温度传感器安装在蓄热水箱(13)的上部,流量传感器安装在蓄热水箱的进口处的管路上;
所述OTEC发电模块将有机工质由工质泵加压输送到以表层温海水为热源的预热器预热,液氨等压吸热后进入蒸发器,湿蒸汽状态的工质在蒸发器中被高温热源水二次加热变成过热工质气体,过热工质气体进入汽轮机后流经喷嘴膨胀为高速气流,推动汽轮机叶轮旋转,驱动发电机发电;从汽轮机排出的氨气经冷凝器冷却成液氨,冷疑器由海洋深层低温海水作为冷却液,再由工质泵加压后送入预热器,完成工质动力循环过程;
OTEC发电模块(2)包括第一海水管(5)、温海水泵(6)、第二海水管(7)、预热器(8)、蒸发器(9)、淡水泵(15)、汽轮机(16)、发电机(17)、储油罐(19)、滑油泵(20)、油分离器(21)、冷凝器(23)、冷海水泵(24)、第三海水管(25)、第四海水管(26)、工质泵(28);第二海水管(7)的输入端位于大海(4)的表层内,第二海水管(7)的输出端与预热器(8)的第一介质的输入端相连通,第二海水管(7)上安装有温海水泵(6),预热器(8)的第一介质的输出端与第一海水管(5)的输入端相连通;预热器(8)的第二介质的输出端由管路与蒸发器(9)的第二介质输入端相连通,蒸发器(9)的第二介质输出端由管路与汽轮机(16)的工质气体输入端相连通;汽轮机(16)的输出轴由联轴器与发电机(17)的旋转轴相连,发电机(17)的电源输出端由电源线与负载(18)相连;淡水泵(15)的输入端由管路与太阳能辅热模块(1)的蓄热水箱(13)的循环淡水输出口相连通,淡水泵(15)的输出端由管路与蒸发器(9)的第一介质的输入端相连通,蒸发器(9)的第一介质的输出端由管路与蓄热水箱(13)的循环淡水输入口相连通;
汽轮机(16)的工质气体输出端由管路与油分离器(21)相连通;油分离器(21)的油出口由管路与储油罐(19)相连通,储油罐(19)的输出口由管路与滑油泵(20)的输入口相连通,滑油泵(20)的输出口由管路与汽轮机(16)的滑油输入口相连通;油分离器(21)的工质气体出口由管路(22)与冷凝器(23)的第二介质的输入端相连通,冷凝器(23)的第二介质的输出端由管路(27)与工质泵(28)的输入口相连通,工质泵(28)的输出口由管路与预热器(8)的第二介质的输入端相连通;第三海水管(25)的输入端位于大海(4)深度900-1100m处,第三海水管(25)的输出端与冷海水泵(24)的输入端相连通,冷海水泵(24)的输出端由管路与冷凝器(23)的第一介质的输入端相连通;冷凝器(23)的第一介质的输出端与第四海水管(26)的输入端相连通;温海水泵(6)、淡水泵(15)、滑油泵(20)、冷海水泵(24)、工质泵(28)分别与PLC能量管理模的控制端相连;
蓄热水箱(13)内部设计并安装了三层换热盘管,从上到下依次为高温区、过渡区和低温区,高温区为主要的储能区;蓄热水箱(13)内部压力用限压阀维持在4.8bar;蓄热水箱箱壁分三层:内层为硅酸盐针毡板,中间层为酚醛泡沫保温板,内层和中间层用来保温,最外层为316不锈钢板;
换热盘管(14)为针对温度分层原理设计的三层换热盘管,蓄热水箱箱壁分三层:内层为硅酸盐针毡板,中间层为酚醛泡沫保温板,最外层层为316不锈钢板。
2.根据权利要求1所述的一种太阳能辅助海洋温差发电系统,其特征在于,所述太阳能辅热模块选用导热油作为中间介质,导热油泵将导热油罐中导热油通过太阳能集热器吸收太阳辐射能,再通过蓄热水箱内的换热盘管将热量传递到蓄热水箱中的淡水,换热后导热油回到导热油罐;蓄热水箱中的淡水通过蒸发器对OTEC发电模块中的经大海表层温海水预热后的有机工质进行二次加热。
3.根据权利要求1或2所述的一种太阳能辅助海洋温差发电系统,其特征在于,太阳能辅热模块(1)包括太阳能集热器(10)、导热油泵(11)、导热油罐(12)、蓄热水箱(13)、换热盘管(14)、蒸发器(9);太阳能集热器(10)的输出端由管路与换热盘管(14)的输入端相连通,换热盘管(14)的输出端由管路与导热油罐(12)的输入端相连通,导热油罐(12)内装有导热油,换热盘管(14)位于蓄热水箱(13)内,蓄热水箱(13)内装有用于进行热交换的水;导热油罐(12)的输出端由管路与导热油泵(11)的输入端相连通,导热油泵(11)的输出端由管路与太阳能集热器(10)的输入端相连通,导热油泵(11)由导线与PLC能量管理模块的控制端相连。
4.根据权利要求3所述的一种太阳能辅助海洋温差发电系统,其特征在于,太阳能集热器(10)采用新型多曲面复合槽式太阳能集热器。
5.根据权利要求1所述的一种太阳能辅助海洋温差发电系统,其特征在于,蒸发器(9)采用的印刷电路板式蒸发器;预热器(8)采用螺旋板式预热器。
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Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113189931A (zh) * 2021-04-28 2021-07-30 山东大学 大功率海洋温差能发电陆地模拟实验平台控制系统
CN116181596A (zh) * 2023-04-27 2023-05-30 山东省科学院能源研究所 一种空气源热泵辅热的海洋温差能发电系统

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1673527A (zh) * 2005-03-24 2005-09-28 上海交通大学 海洋温差能-太阳能重热循环发电方法
JP2005291112A (ja) * 2004-03-31 2005-10-20 Takeo Saito 温度差発電装置
CN103758712A (zh) * 2014-01-03 2014-04-30 西安交通大学 一种太阳能和海洋温差联合驱动的海水淡化系统
CN108036544A (zh) * 2017-10-24 2018-05-15 山东科技大学 太阳能/生物质能集成驱动的复合能量系统
CN108412716A (zh) * 2018-03-19 2018-08-17 华北电力大学 一种海洋能温差发电系统

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102213199B (zh) * 2011-06-02 2013-03-20 东方电气集团东方汽轮机有限公司 一种利用海洋温差发电的方法及装置
CN204156778U (zh) * 2014-05-29 2015-02-11 李效雨 一种海洋温差能与太阳能结合利用的发电系统

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005291112A (ja) * 2004-03-31 2005-10-20 Takeo Saito 温度差発電装置
CN1673527A (zh) * 2005-03-24 2005-09-28 上海交通大学 海洋温差能-太阳能重热循环发电方法
CN103758712A (zh) * 2014-01-03 2014-04-30 西安交通大学 一种太阳能和海洋温差联合驱动的海水淡化系统
CN108036544A (zh) * 2017-10-24 2018-05-15 山东科技大学 太阳能/生物质能集成驱动的复合能量系统
CN108412716A (zh) * 2018-03-19 2018-08-17 华北电力大学 一种海洋能温差发电系统

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