CN111504088A - 一种用于太阳能辅助海洋温差发电系统的蓄热水箱 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及热能储存领域。一种用于太阳能辅助海洋温差发电系统的蓄热水箱，其特征在于包括箱体、换热盘管；箱体的上端面上设有换热盘管进口，箱体的侧面的上端部设有循环淡水输出口，箱体的侧面的下端部设有循环淡水输入口，箱体的底面设有换热盘管出口；循环淡水输入口、循环淡水输出口均与箱体的内腔相连通；箱体的内腔内设置有三个换热盘管，三个换热盘管分别布置在上层、中层、下层，上层的换热盘管的入口与换热盘管进口相连通，上层的换热盘管的出口与中层的换热盘管的入口相连通，中层的换热盘管的出口与下层的换热盘管的入口相连通，下层的换热盘管的出口与换热盘管出口相连通。本发明使得水箱内部可以维持长时间温度分层，从而大大提高了水箱的有效储热容量。

Description

一种用于太阳能辅助海洋温差发电系统的蓄热水箱
技术领域
本发明涉及热能储存领域，具体涉及一种用于太阳能辅助海洋温差发电系统的蓄热水箱(或称换热装置)。
背景技术
海洋温差能属低品位能源，目前没有大规模商业化应用的主要原因是循环热效率低。提高OTEC系统循环热效率最有效的途径是提高冷、温海水的温差，但因技术限制，冷海水的抽取深度难以进一步加深。考虑到海洋温差能储量丰富的地区，同样具有良好的太阳能资源，若将太阳能作为OTEC发电系统的辅助能源，可明显提高OTEC系统发电效率。
由于太阳能的不稳定性和不连续性以及海洋环境对设备的影响，为了合理并充分利用太阳能，确保太阳能辅助海洋温差发电系统的连续性，需要设立储热系统，当太阳辐射强度较大时，将过剩的太阳能储存起来，当辐射强度不足或者夜间无太阳辐射时将储存的热能加以利用。针对提出的太阳能辅助海洋温差发电系统，设计一套能够高效蓄热和适应海洋环境的蓄热水箱十分必要。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于针对上述现有技术空白，提供一种用于太阳能辅助海洋温差发电系统的蓄热水箱，使得水箱内部可以维持长时间温度分层，从而大大提高了水箱的有效储热容量。
本发明为解决上述提出的技术问题所采用的技术方案为：一种用于太阳能辅助海洋温差发电系统的蓄热水箱，其特征在于包括箱体、换热盘管；箱体的上端面上设有换热盘管进口38，箱体的侧面的上端部设有循环淡水输出口37，箱体的侧面的下端部设有循环淡水输入口33，箱体的底面设有换热盘管出口30；循环淡水输入口33、循环淡水输出口37均与箱体的内腔相连通；箱体的内腔内设置有三个换热盘管14，三个换热盘管14分别布置在上层、中层、下层，上层的换热盘管14的入口与换热盘管进口38相连通，上层的换热盘管14的出口与中层的换热盘管14的入口相连通，中层的换热盘管14的出口与下层的换热盘管14的入口相连通，下层的换热盘管14的出口与换热盘管出口30相连通。
上述方案中，所述箱体由合金板34、酚醛泡沫保温板35、硅酸盐针毡板36组成，从外至内依次为合金板34、酚醛泡沫保温板35、硅酸盐针毡板36。
上述方案中，所述箱体的内腔内设置进水挡板31、出水挡板、内进水短管、内出水短管；进水挡板31与内进水短管的一端相连，内进水短管的另一端与箱体固定并且与循环淡水输入口33相连通，内进水短管的侧面上开有水孔32，进水挡板31的直径大于内进水短管的直径；出水挡板与内出水短管的一端相连，内出水短管的另一端与箱体固定并且与循环淡水输出口37相连通，内出水短管的侧面上开有水孔，出水挡板的直径大于内出水短管的直径。
上述方案中，同一层的换热盘管在同一层水平面上。
上述方案中，蓄热水箱的箱体的上端面上设置有限压阀39，将蓄热水箱内的压力维持在4.8bar左右。
上述方案中，合金板为哈氏C-276合金板。
本发明的有益效果在于：
1.本发明通过在蓄热水箱进出口安装圆形的挡板和在蓄热水箱内部安装三层换热盘管，减小了进出口的扰动，使得水箱内部可以维持长时间温度分层，从而大大提高了水箱的有效储热容量，确保在夜间或光照不足时系统能够持续运行，解决了系统全天候持续运转的关键问题。
2.本发明设计了三层箱壁，硅酸盐针毡板和酚醛泡沫保温板防止热量损失，保证了蓄热水箱的储热效率，最外层选用哈氏C-276合金板，避免了海洋环境下对蓄热水箱的腐蚀。
3.在蓄热水箱上部设计了限压阀，将水箱压力维持在4.8bar左右，提高了循环淡水的沸点，使水温在150℃以下不会沸腾产生水蒸气对系统设备造成气蚀，保证了系统的安全性。
4.蓄热水箱的抗海洋环境和高储热效率设计，保证了高温蓄热水的长期供应，以确保光照不足时系统的稳定运行，并针对蓄热水箱设计了能量管理装置(能量管理系统)，实现系统向特定负载全天候高效稳定供电。
5.在蓄热水箱中设有温度传感器、压力传感器，PLC控制系统将得到的信号进行处理，通过调整相应三通阀的旁通活门开度改变导热油换热处的流量大小以及蓄热水泵的转速，使得蓄热水箱中温度、压力维持于安全水平，确保了在夜间太阳能辅助温差发电系统也能以取电工作模式稳定运行。
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是本发明用于太阳能辅助海洋温差发电系统的蓄热水箱结构示意图。
图2是本发明太阳能辅助海洋温差发电系统的示意图。
图3是本发明用于太阳能辅助海洋温差发电系统的蓄热水箱的PLC控制示意图。
图中：1、太阳能辅热模块；2、OTEC发电模块；3、三通阀；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、蓄热水泵；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；29、旁通管；30、换热盘管出口；31、进水挡板；32、水孔；33、循环淡水输入口；34、合金板；35、酚醛泡沫保温板；36、硅酸盐针毡板；37、循环淡水输出口；38、换热盘管进口；39、限压阀。
具体实施方式
为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹列举以下实施例，并配合附图理解，此处所描述具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，一种用于太阳能辅助海洋温差发电系统的蓄热水箱(或称用于太阳能辅助海洋温差发电系统的蓄热水换热装置)，包括箱体(或称罐体)、换热盘管；箱体的上端面上设有换热盘管进口38、限压阀39，箱体的侧面的上端部设有循环淡水输出口(淡水出口)37，箱体的侧面的下端部设有循环淡水输入口(淡水进口)33(循环淡水输出口、循环淡水输入口可在同一侧面上，也可在不同的侧面上)，箱体的底面设有换热盘管出口30；循环淡水输入口33、循环淡水输出口37均与箱体的内腔相连通；箱体的内腔内设置有三个换热盘管14，三个换热盘管14分别布置在上层、中层、下层(从上到下分为高温区、过渡区和低温区，高温区为主要的储能区)，上层的换热盘管14的入口与换热盘管进口38相连通(换热盘管进口38由管路与太阳能集热器10的输出端相连通)，上层的换热盘管14的出口与中层的换热盘管14的入口相连通(可为一体结构)，中层的换热盘管14的出口与下层的换热盘管14的入口相连通(可为一体结构)，下层的换热盘管14的出口与换热盘管出口30相连通(换热盘管出口30由管路与导热油罐12的输入端相连通)。
上述方案中，所述箱体由合金板34、酚醛泡沫保温板35、硅酸盐针毡板36组成，从外至内依次为合金板34、酚醛泡沫保温板35、硅酸盐针毡板36(箱壁分三层，最外层为哈氏C-276合金板，最外层为防腐层，内为保温层)。
上述方案中，所述箱体的内腔内设置进水挡板(圆形的挡板)31、出水挡板(圆形的挡板)、内进水短管、内出水短管；进水挡板31与内进水短管的一端相连，内进水短管的另一端与箱体固定(如焊接)并且与循环淡水输入口(淡水进口)33相连通，内进水短管的侧面上开有水孔32(水孔32可为多个，进水从水孔32流入箱体的内腔)，进水挡板31的直径大于内进水短管的直径(进水挡板对进水起一点阻挡着用，减小了进出口的扰动)；出水挡板与内出水短管的一端相连，内出水短管的另一端与箱体固定(如焊接)并且与循环淡水输出口37相连通，内出水短管的侧面上开有水孔(水孔可为多个，出水从水孔流出箱体)，出水挡板的直径大于内出水短管的直径(出水挡板对出水起一点阻挡着用，减小了进出口的扰动)。
上述方案中，同一层的换热盘管在同一层水平面上。
蓄热水箱的箱体上设置限压阀，将蓄热水箱内的压力维持在4.8bar左右。
来自槽式太阳能集热器的导热油通过三层换热盘管进口进入换热盘管与蓄热水箱内的淡水分层换热，使蓄热水箱形成温度分层，然后通过换热盘管出口流出，被导热油泵输入到槽式太阳能集热器继续循环。蓄热水箱内最上层的高温热源水通过挡板出口流入蒸发器，与发电系统的工质进行换热，换热结束后回到蓄热水箱。
在蓄热水箱上部设计限压阀，使水箱内部压力维持在4.8bar左右,防止气蚀对设备造成损害。使得蓄热水箱中温度、压力维持于安全水平。蓄热水箱的抗海洋环境和高储热效率设计可实现海洋温差发电系统全天候高效发电，有助于海洋温差发电系统的推广应用。
太阳能辅助海洋温差发电系统，该发电系统以低沸点有机工质作为循环工质，太阳能和表层温海水为热源，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。
如图2所示，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、能量管理装置(或称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；能量管理装置对太阳能辅热模块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。
所述能量管理装置控制导热油泵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；所述能量管理装置控制蓄热水泵(或称淡水泵)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(换热盘管进口38)相连通，所述管路上安装有三通阀3(三通阀的旁通活口由旁通管29与导热油罐12相连通)，换热盘管14的输出端(换热盘管出口30)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由导线与能量管理装置的控制端相连。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、蓄热水泵(或称淡水泵)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的工质入口{即第二介质入口相连通(工质，或称饱和液相工质氨)，蒸发器9的工质出口由管路与汽轮机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；蓄热水泵(或称淡水泵)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，蓄热水泵(或称淡水泵)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(输出端)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、蓄热水泵(或称淡水泵)15、滑油泵20、冷海水泵24、工质泵28分别与能量管理装置的控制端相连。
参照图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。
参照图2，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。
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。
结合图3所示，用于太阳能辅助海洋温差发电系统的能量管理装置，包括辐照度传感器(或称辐照强度传感器)、温度传感器、流量传感器(或称液体流量传感器)、模拟量单元(或称模拟量单元)、PLC控制系统(或称PLC控制单元)、人机界面和上位机；辐照度传感器安装设置的立柱上(立柱可安装在太阳能集热器的支撑架上)；温度传感器包括蓄热水温度传感器和蒸发器出口工质温度传感器，蓄热水温度传感器安装在蓄热水箱13内的上部(测量蓄热水箱内部温度)，蒸发器出口工质温度传感器安装在蒸发器9的工质出口(测量蒸发器出口工质温度)；流量传感器包括导热油流量传感器、蓄热水流量传感器、冷海水流量传感器和工质流量传感器，导热油流量传感器安装在导热油泵11的输出端(或与输出端相连的管路上)，蓄热水流量传感器安装在蓄热水箱13的进口处或出口处的管路上，冷海水流量传感器安装在冷海水泵24的输出端(或与输出端相连的管路上)，工质流量传感器安装在工质泵28的输出口(或与输出端相连的管路上)；辐照度传感器、蓄热水温度传感器、蒸发器出口工质温度传感器、导热油流量传感器、蓄热水流量传感器、冷海水流量传感器和工质流量传感器的输出端分别由信号线与模拟量单元(或称模拟量单元)的输入端相连；模拟量单元(或称模拟量单元)的输出端与PLC控制系统(或称PLC控制单元，PLC控制电路)的信号输入端相连，PLC控制系统(或称PLC控制单元)与人机界面相连，PLC控制系统(或称PLC控制单元)与上位机无线通讯连接；温海水泵6、蓄热水泵(或称淡水泵)15、冷海水泵24、工质泵28分别与PLC控制系统(或称PLC控制单元)的控制端相连(滑油泵20与PLC控制系统的控制端相连)；与太阳能集热器10的输出端相连的管路(导热油管路)上的三通阀3与PLC控制系统(或称PLC控制单元)的控制端相连；
用于太阳能辅助海洋温差发电系统的能量管理装置还包括压力传感器，压力传感器安装在蓄热水箱13内(测量蓄热水箱内水的压力)，压力传感器由信号线与模拟量单元的输入端相连。
所述模拟量单元(信号采集单元)采集辐照强度、蓄热水温度、蒸发器出口工质温度等信号输出，所述PLC控制系统(或称PLC控制单元)结合采集到的信号利用模糊PID控制算法调节温海水泵6、蓄热水泵15、冷海水泵24、工质泵28的转速以及三通阀的旁通活门的开度，对太阳能辅助海洋温差发电系统相应工况下温海水流量、导热油流量、蓄热水流量(即淡水流量)、冷海水流量及工质流量进行控制(流量大小进行控制，即进行能量管理)，自动调整发电系统工作状态，实现全天候高效发电。
结合图3所示，蓄热水箱控制过程为：PLC控制系统首先读取辐照强度传感器、蓄热水箱温度和和蓄热水箱内水压信号，利用模糊PID控制算法计算温度偏差及其变化率，经过输入量模糊化，模糊推理，输出量清晰化，对PID的三个参数(Kp、Ki和Kd)进行不断调整，进而调节三通阀(导热油的)的旁通活门的开度和蓄热水泵转速，从而对系统相应工况下导热油流量和蓄热水输出流量进行控制，从而调节蓄热水箱温度(对蓄热水箱输出温度进行自动控制)，从而根据实时温度、流量参数实现最高发电效率(达到最佳的控制效果)。

Claims (6)

1.一种用于太阳能辅助海洋温差发电系统的蓄热水箱，其特征在于包括箱体、换热盘管；箱体的上端面上设有换热盘管进口(38)，箱体的侧面的上端部设有循环淡水输出口(37)，箱体的侧面的下端部设有循环淡水输入口(33)，箱体的底面设有换热盘管出口(30)；循环淡水输入口(33)、循环淡水输出口(37)均与箱体的内腔相连通；箱体的内腔内设置有三个换热盘管(14)，三个换热盘管(14)分别布置在上层、中层、下层，上层的换热盘管(14)的入口与换热盘管进口(38)相连通，上层的换热盘管(14)的出口与中层的换热盘管(14)的入口相连通，中层的换热盘管(14)的出口与下层的换热盘管(14)的入口相连通，下层的换热盘管(14)的出口与换热盘管出口(30)相连通。
2.根据权利要求1所述的一种用于太阳能辅助海洋温差发电系统的蓄热水箱，其特征在于：所述箱体由合金板(34)、酚醛泡沫保温板(35)、硅酸盐针毡板(36)组成，从外至内依次为合金板(34)、酚醛泡沫保温板(35)、硅酸盐针毡板(36)。
3.根据权利要求1所述的一种用于太阳能辅助海洋温差发电系统的蓄热水箱，其特征在于：所述箱体的内腔内设置进水挡板(31)、出水挡板、内进水短管、内出水短管；进水挡板(31)与内进水短管的一端相连，内进水短管的另一端与箱体固定并且与循环淡水输入口(33)相连通，内进水短管的侧面上开有水孔(32)，进水挡板(31)的直径大于内进水短管的直径；出水挡板与内出水短管的一端相连，内出水短管的另一端与箱体固定并且与循环淡水输出口(37)相连通，内出水短管的侧面上开有水孔，出水挡板的直径大于内出水短管的直径。
4.根据权利要求1所述的一种用于太阳能辅助海洋温差发电系统的蓄热水箱，其特征在于：同一层的换热盘管在同一层水平面上。
5.根据权利要求1所述的一种用于太阳能辅助海洋温差发电系统的蓄热水箱，其特征在于：蓄热水箱的箱体的上端面上设置有限压阀(39)，将蓄热水箱内的压力维持在4.8bar。
6.根据权利要求2所述的一种用于太阳能辅助海洋温差发电系统的蓄热水箱，其特征在于：合金板为哈氏C-276合金板。
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