CN115349057A - 坐底式海洋热能转换电站 - Google Patents

Abstract

海洋热能转换电站可以包括：位于岸上的操作中心；离岸的坐底式结构，该坐底式结构包含电站蒸发器和电站冷凝器；以及在操作中心和坐底式结构中的电站机械之间延伸的控制线缆。提供电力的方法可以包括：将信号从位于岸上的操作中心传输到离岸的无人值守的结构；以及响应于该信号，操作位于无人值守的结构中的蒸发器、冷凝器和泵，以在无人值守的结构中产生0.5兆瓦和15兆瓦之间的电力。

Description

坐底式海洋热能转换电站

相关申请的交叉引用

本申请根据美国法典第35章第119(e)款要求2019年7月31日递交的美国临时专利申请No.62/880,803的优先权，其内容在此通过引用全部并入本文。

技术领域

本公开涉及海洋热能转换电站并且更具体地涉及坐底式(bottom-founded)海洋热能转换电站。

背景技术

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和85°F或者更高之间变化。在同一区域，深层海水(在2500英尺和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工艺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和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“来自海洋的可再生能源，OTEC指南”(“Renewable Energy from the Ocean,a Guide to OTEC”)(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，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的OTEC电站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为了精确频率调节而对涡轮机提供必要控制相关联的损失。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设想：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，所以寄生电力需求在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因素都可能使OTEC电站上的寄生载荷显著增大，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，在海洋表面至100英尺或者更浅的深度找到了OTEC热机所需的热水。在2700英尺和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。在人口中心乃至大陆块附近通常都找不到这样的深度。离岸电站是必须的。

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

本公开的方面涉及利用OTEC工艺的坐底式发电站，例如，OTEC电站包括：位于岸上的操作中心；离岸的坐底式结构，该坐底式结构包含电站蒸发器和电站冷凝器；和在操作中心和坐底式结构中的电站机械之间延伸的控制系统。实施方式可以包括以下特征中的一个或多个特征。

在一些实施方式中，OTEC电站包括从坐底式结构延伸至至少1500英尺深度的主海水管，该主海水管设置在海底上或限制为略高于海底。

在一些实施方式中，OTEC电站包括从坐底式结构延伸穿过海岸线的电力传输线，该传输线被构造为传输10千伏和35千伏之间的电力。

在一些实施方式中，OTEC电站包括从坐底式结构向岸上延伸的吃水线(waterline)。

在一些实施方式中，控制系统包括在操作中心和坐底式结构之间延伸的控制线缆。

在一些实施方式中，主控制系统位于坐底式结构上，经由操作中心和坐底式结构之间的控制线缆连接到海岸上的公用事业公司的监视控制和数据采集(SCADA)系统。

在一些实施方式中，电站蒸发器和电站冷凝器位于坐底式结构的吃水线以下。

在一些实施方式中，电站蒸发器和电站冷凝器略高于坐底式结构的吃水线(2英尺至4英尺)。

在一些实施方式中，坐底式结构在吃水线之上延伸小于30英尺。

在一些实施方式中，坐底式结构具有从海底到最高顶舱测量的竖直高度，并且坐底式结构的最高顶舱在吃水线之上延伸小于坐底式结构的竖直高度的20％。

在一些实施方式中，坐底式结构具有从海底到最高顶舱测量的竖直高度，并且坐底式结构的最高顶舱在吃水线之上延伸小于坐底式结构的竖直高度的40％。

在一些实施方式中，坐底式结构放置在在结构中心线处测量的水深在45英尺和250英尺之间(例如，小于200英尺、小于150英尺、大于80英尺或大于100英尺)的位置处。

在一些实施方式中，OTEC电站包括放置在海岸线和陆架坡折之间的距离在150码和6600码之间的位置处的坐底式结构。在一些情况下，坐底式结构放置在陆架坡折的离岸海底在海岸线的300码内下降到至少1500英尺深度的位置处。

在一些方面中，提供电力的方法包括：将信号从位于岸上的操作中心传输到离岸的无人值守的结构；以及响应于信号，操作位于无人值守的结构中的蒸发器、冷凝器和泵，以在无人值守的结构中产生0.5兆瓦和15兆瓦之间的净电力。实施方式可以包括以下特征中的一个或多个特征。

在一些方面中，提供电力的方法包括：将信号从位于岸上的操作中心传输到离岸的有人值守的结构；以及响应于信号，操作位于无人值守的结构中的蒸发器、冷凝器和泵，以在有人值守的结构中产生0.5兆瓦和15兆瓦之间的净电力。实施方式可以包括以下特征中的一个或多个特征。

在一些实施方式中，方法包括将海水从至少1500英尺的深度泵送到无人值守的结构。

在一些实施方式中，方法包括从无人值守的结构向岸上传输电力。

在一些实施方式中，方法包括从无人值守的结构向岸上泵送水。

在一些实施方式中，传输信号包括通过在操作中心和坐底式结构之间延伸的控制线缆将信号从海岸上的操作中心传输到离岸的无人值守的结构。

在一些方面中，提供电力的方法包括：在位于岸上的公用事业操作控制中心和位于离岸的坐底式结构上的有人值守的操作控制中心之间传输信号；以及响应于来自公用事业公司操作控制中心的信号，操作位于有人值守的结构中的蒸发器、冷凝器和泵，以在有人值守的结构中产生0.5兆瓦和15兆瓦之间的电力。实施方式可以包括以下特征中的一个或多个特征。

在一些实施方式中，方法包括将海水从至少1500英尺的深度泵送到有人值守的结构。

在一些实施方式中，方法包括从有人值守的结构向岸上传输电力。

在一些实施方式中，方法包括从有人值守的结构向岸上泵送水。

在一些实施方式中，传输信号包括通过在操作中心和坐底式结构之间延伸的控制线缆将信号从海岸上的操作中心传输到离岸的有人值守的结构。

在一些实施方式中，传输信号包括通过在操作中心和坐底式结构之间延伸的控制线缆将信号从海岸上的操作中心传输到离岸的有人值守的结构。

可以将岸上的操作中心和岸上的电网的开关站/互连部与无人值守的离岸电站收容设备，诸如蒸发器、冷凝器、泵和发电机相结合来实施坐底式OTEC电站。操作中心通常与电网的开关站/互连部位于同一地点。无人值守的离岸电站被设计为通过使现有的离岸电站设备尽可能免维护来减少维护需求。这可能会导致更强大的监测、指挥和控制系统以及更简单但可靠性更高的设备，并将导致更高的资本成本，但更低的维护和人工成本。

例如，自始至终可以应用船舶涂装系统(marine coating system)。振动传感器可以安装在所有旋转机械上，以实现基于状态的维护，而不是定期维护。海水泵和热交换器外壳之间的自动倒冲海水过滤器可以截留和移除可能堵塞、结垢和降低热交换器性能的碎屑。即使一个泵、热交换器外壳或氨涡轮发电机需要停机进行维护，具有隔离阀的海水和氨管路跨接器使电站能够在接近满输出容量的情况下连续运行。为减少腐蚀，扁平结构的外部结构，即登船平台和舷梯、救生艇吊艇架、通往露天甲板的扶手和楼梯以及照明装置，均由非腐蚀材料制成。海水泵和过滤器主体可以由奥氏体不锈钢制成。工作区域可能完全封闭并装有空调，因此仅在结构外部安装国际海事组织公约要求的低维护、水密封闭灯。暴露在阳光和海浪下的门和舱口可能仅限于位于主甲板相反两侧的两个货舱门和通往登船点的门。所有货舱门都向外打开，因此如果海洋上升，由于风暴潮和海浪冲击关闭的门，密封件会压缩，不会有水进入结构内部。

此外，高可靠性的项目(如海水过滤器、海水泵、氨泵、HVAC风扇和冷却盘管、启动和应急柴油发电机、LED和光纤照明、变频驱动器和电机、消防泵、水密门和舱口、仪器和仪表、报警和控制系统)可以建在离岸结构中，而低可靠性、高维护的项目(如升压变压器和蓄电池)则安装在岸上的互连设施中。

在正常情况下，有人值守的离岸电站中的系统通常在结构上进行控制，但在异常情况下可以从岸上的操作中心进行控制，这允许电站在需要关闭海岸上的其他发电系统时继续运行，从而在紧急情况下向岸上提供电力。在正常和紧急情况下，无人值守的离岸电站中的系统将在岸上的操作中心处进行控制。无人值守的构造可以降低操作成本，因为人员很少需要跨水到电站。有人值守的构造可以降低操作成本，因为人员可以在较长时间内被容纳并在换班之间执行日常操作和维护。

坐底式OTEC电站可以实施为大部分或所有电站机械位于吃水线以下来。这种构造可以减少与一些OTEC电站关联的结构传播和空气传播的噪声排放。在OTEC电站中，将泵放置在海平面以下会降低寄生泵送电力，从而使更多的可用电力传输到海岸。

对干舷(topside)空间的低要求允许坐底式OTEC电站构造有大部分也位于吃水线以下的结构，从而减少电站的视觉冲击。该特征在诸如偏远度假村可能尤其重要，因为这些地方是为了利用自然美景而设立的。海洋表面之上的低轮廓继而又降低了安全灯和通信天线的高度，从而减少了对飞机运行的潜在影响，同时为渔民和游船者提供了近岸导航辅助。

一些电站建造在海岸上，部分结构在吃水线以下，并被密封以防止风暴潮和风暴浪。这些电站可以是移动到人工海湾的坐底式电站，其的底部与相邻的海床齐平，并且其的入口可以用保护性防波堤封闭。这些电站可以选址为，使得它们在达到使用寿命后可以重新漂浮和拆除以便被升级版本替换。

在坐底式OTEC电站中，相对于浮式OTEC电站，海水管连接处的应力降低。坐底式OTEC电站上的连接可以被固定并简单地通过法兰连接，而不是构造为补偿浮式电站和悬挂在浮式电站上的管在水柱中的运动和合力。

如本文所用，术语“坐底式”包括固定到海底的结构。

在附图和以下描述中阐述一个或多个实施方式的细节。本公开的其他方面、特征和优点将从描述和附图以及权利要求中显而易见。

附图说明

图1是示例性的坐底式OTEC电站的平面示意图。

图2是图1的坐底式OTEC电站的离岸部分的侧视示意图。

图3是图1的坐底式OTEC电站的蒸发器甲板的平面图。

图4是图1的坐底式OTEC电站的冷凝器甲板的平面图。

图5是第二示例性的坐底式OTEC电站的俯瞰示意图。

图6是图5的坐底式OTEC电站的侧视示意图。

图7是图5的OTEC电站的坐底式结构部分的侧视示意图。

图8是图5的坐底式OTEC电站的第一甲板的平面图。

图9A是图5的坐底式OTEC电站的热交换器的示意图，其中移除了热交换器阵列的机架。

图9B是图9A的热交换器的热交换器阵列的机架的示意图。

图10是图8的第一甲板的控制和容纳空间的平面图。

图11是图5的坐底式OTEC电站的第二甲板的平面图。

图12是从海岸看的图5的坐底式OTEC电站的示意图。

具体实施方式

坐底式OTEC电站可以为近岸环境提供具有高生存性的平台。这种电站尤其适合于具有浅的、窄的陆架和急剧下跌到冷水深处的海堤的位置。例如，这种位置包括例如加勒比海、太平洋和印度洋的众多地点。坐底式结构的高生存性也使它们尤其适合于遭受严重风暴的位置。

热带有许多岛屿社区可以从OTEC电站产生的基础负荷电力中受益。这些岛屿中的许多岛屿的永久居民和/或游客人口较少，总电力需求为1.5MW至5.0MW。例如，巴哈马的几个“家庭岛屿”的永久居民人口约为2000至6000人，峰值电力需求为1.5MW至10.0MW。OTEC电站可以满足该需求，但规模太小，无法证明基于柱筒(spar)的OTEC电站的大型离岸平台及其支持基础设施的资本成本是合理的。

坐底式OTEC电站可以降低与岸基OTEC电站关联的成本和珊瑚礁损害。坐底式OTEC电站不需要在珊瑚礁和海岸线上安装与岸基OTEC电站关联的热海水和冷海水引入和回流管。这种管增加了资本成本，并且在一些情况下还会增加岸基OTEC电站的珊瑚礁损害。坐底式OTEC电站也不需要与锚泊在海岸附近的浮式OTEC电站关联的多个锚定点和扫过珊瑚礁的链条。此外，坐底式OTEC电站可以放置在没有足够大的陆架来锚定用于OTEC驳船的八点式系泊系统(mooring spread)的位置。

参照图1，示例性的坐底式OTEC电站100包括位于岸上的操作中心110、位于离岸的坐底式结构112以及在操作中心110和坐底式结构112之间延伸的控制系统113。坐底式结构112包含电站蒸发器和冷凝器、泵(例如，热水泵和冷水泵)、以及由分别由蒸发器和冷凝器加热和冷却的工作流体驱动的涡轮发电机。

OTEC100的控制系统113包括操作中心110中的控制站、在操作中心110和坐底式结构112之间延伸的控制线缆114以及坐底式结构112中的可操作以控制坐底式结构112中的机械的远程致动器。可以用其他方法来实施一些OTEC电站以远程操作坐底式结构112中的机械。一些OTEC电站例如使用从操作中心110到坐底式结构112的控制信号的射频传输来代替或补充于通过控制线缆114的控制信号的传输。

示例性的OTEC电站100还包括从坐底式结构延伸穿过海岸线118的传输线116。传输线116被构造为传输10千伏和33千伏之间的电力。在一些OTEC电站中，操作中心通常与电网120的开关站/互连部(switchyard/interconnection to electric grid)位于同一地点，并且传输线116在坐底式结构112和操作中心110之间延伸。可以在岸上的开关站处进行诸如电力调节之类的操作。在一些OTEC电站中，传输线116连接到电网的单独的开关站/互连部，而不是延伸到操作中心110。

在所示的OTEC电站100中，传输线116和控制线缆114都铺设在海床上，并用抛石或特殊保护垫轻轻覆盖。预计该方法可以保护控制线缆114和传输线116，同时还限制对海底和珊瑚礁的损害。

在所示的OTEC电站100中，单个操作中心110控制单个坐底式结构112。在一些系统中，单个操作中心110连接到并控制多个坐底式结构112。类似地，一些系统实施有一个或多个备份操作中心110以提供冗余。

主海水管122从坐底式结构112越过陆架坡折124延伸至至少1500英尺的深度。主海水管122设置在海底上。在示例性的OTEC电站100中，用于引入的主海水管122与用于排放的主海水管122是分开的。在一些OTEC电站中，引入和排放主海水管122是位于同一地点的单独的管。在一些OTEC电站中，由具有至少两个单独的流道的单个管提供冷水引入和排放。

坐底式OTEC电站适合于具有浅的、窄的陆架和急剧下跌到冷水深处的海堤的位置。海岸线118和陆架坡折124之间的距离D1在150码和6600码之间的位置适合放置坐底式结构112。坐底式结构112被放置在靠近陆架坡折124处，在该点处陆架坡折的离岸海底在距海岸线至多15英里的距离内下降到至少1500英尺的深度。坐底式结构112从陆架坡折处后退至少80码，以避免在陆架坡折附近压裂海底地层。例如，海岸线和1500英尺的海底轮廓126之间的距离D2是600码，而在一个被认为是用于坐底式OTEC电站的地点处，坐底式结构112和陆架坡折之间的距离D3是200码。

坐底式结构112可以建造为钢或混凝土格笼组上的钢结构组并钉固(pin)到海底。该结构将由格笼和两个钢甲板组成，它们将升起高于海床约60英尺并部分或完全被淹没。升起高于海洋表面的双壁钢维修通道(service trunk)允许定期检查和维护，并在必要时移除设备。格笼和地基可以由在海岸上建造的高强度预制混凝土形成，漂浮到该位置，并设置在底部。替选地，格笼可以由钢预制，并焊接或螺栓连接到结构的底部，在格笼被定位和设置在海床上之后，利用从表面泵送的混凝土填充该结构的底部。

参照图2-图4，示例性的坐底式结构112包括蒸发器甲板128和冷凝器甲板130，其形成在具有大中心井的出入通道132周围。扶壁支架134使出入通道132加强以抵抗来自波浪冲击的力矩。同心管结构136可以提供出入通道132的双壁保护。坐底式结构112的最高甲板是具有密封出入通道132的大的水密舱口的上层甲板138。在平均涨潮时在风平浪静的情况下，双壁钢维修出入通道132升起高于海面高度h1。高度h1可以在12到30英尺之间。坐底式结构112的最高顶舱(overhead)在吃水线之上延伸的高度h1通常小于从海底到坐底式结构的最高顶舱测量的总竖直高度h2的20％。

导航信号144(例如，光和/或声音信号)可以附接到出入通道132的顶部。由于只有通道入口升起高于海面，所以坐底式结构的视觉冲击小。坐底式结构也可以通过选址而用作海员和飞机的导航辅助。

收容电站蒸发器和冷凝器的机械空间位于坐底式结构112的吃水线以下。热水引入和排放口140形成在蒸发器甲板的隔板中。在坐底式结构112中，热水引入和排放口140对周围的海水开放。在一些坐底式结构112中，可能需要热引入和/或排放管路来控制热水引入或排放的深度。例如，排放管路可以用于在适当的深度回流热水排放物，以避免热水引入的热污染。冷水口142为主海水管122提供附接点。

坐底式结构112在50英尺和250英尺之间(例如，小于200英尺、小于150英尺、大于80英尺、或大于100英尺)的深度D1的位置处牢固地附接到海底。在这些深度，潜水员可以检查、维修和维护外部连接，诸如端口、凸缘管连接和管锚定装置之类。坐底式结构可以构造为主体结构的顶部(例如，蒸发器甲板的顶部)的深度D3在50英尺和250英尺之间。这使主体结构的顶部持续被淹没并且在常规波浪作用的曝气(aeration)之下，从而可能减少引起腐蚀的氧化。该构造还将热水回流和冷水引入和回流管连接很好地放置在严重波浪影响区域之下。

可以如2013年10月15日提交的PCT申请PCT/US2013/065098中所描述的那样形成主海水管122。然而，坐底式结构112被固定就位并且主海水管122设置在海床上并且可选地用抛石覆盖。由于主海水管122在与坐底式结构112的连接处几乎没有承受应力，因此可以使用低成本的HDPE作为具有长达100年使用寿命的管材料，这种管可从澳大利亚、德国、美国和迪拜商购，尽管外径高达80英寸。

如2013年11月7日提交的PCT申请PCT/US2013/068894中所描述的那样，示例性的OTEC电站100收容四级混合热交换循环。其他热交换循环和电站构造也可以用于坐底式OTEC电站。

坐底式结构112的主要部分是70平方英尺的钢结构，其具有由圆管制成的圆角以提供强度和刚度。一些结构是八角形的，而不是具有圆角的方形。沿着该结构的单侧具有足够的空间来容纳足以用于所有四级的热交换器表面积，而甲板上的剩余空间则用于机械。例如，热水泵和涡轮发电机可以放在上层甲板上，冷凝器、冷水泵和氨回收罐和再循环泵放在下层甲板上。

参照图3，出入通道132延伸穿过蒸发器甲板128的中心。安装在蒸发器甲板上的机械包括双1.5兆瓦涡轮发电机组146、泵148和泵变频驱动器150。热水从热水引入管152的侧面的筛网开口和热水引入腔室(intake plenum)154流动穿过蒸发器热交换器156到达热水回流腔室158。热海水入口(intake)170包括网筛(以避免引入鱼)并且具有0.5英尺/秒的平均进入速度。网筛可以具有大约0.5英寸的孔径。热海水入口170位于平均涨潮水位180以下至少10英尺(如图2所示)。热水从筛网引入腔室流到热交换器室并且通过热水回流腔室流出。可以使用例如在2013年10月15日提交的PCT申请PCT/US2013/065004、2012年8月15日提交的PCT申请PCT/US2012/050941和2012年8月15日提交的PCT申请PCT/US2012/050933中所描述的热交换板、机柜和系统来实施热交换器。与这些系统相比，示例性的坐底式OTEC电站100中的热交换器定向为水平流动而不是竖直流动。

蒸发器甲板128还包括具有竖直梯子的逃生通道160和具有倾斜梯子的逃生通道162。

参照图4，冷凝器甲板包括与蒸发器甲板互补布局中的基本上相同的特征。双涡轮发电机146安装在甲板的与上方甲板上的双涡轮发电机146相反的一侧。冷水从冷水引入管164和冷水引入腔室166经过冷凝器热交换器168流到冷水回流腔室170。氨回收罐172和氨再循环泵174也位于冷凝器甲板上。

图5示出了另一实施方式的OTEC电站500。OTEC电站500的坐底式结构512大致呈八角形形状并且由钢制成。八角形形状有助于保护坐底式结构512在风暴情况下免受冲击波的损害。此外，在风暴情况下，波浪可能会冲过坐底式结构512的顶部，而不会损害该结构。坐底式结构512被构造为承受长达并包括100年风暴的风暴情况。OTEC电站500包括主海水管522，其从坐底式结构512越过陆架坡折(图6所示)延伸至至少1500英尺的深度。主海水管522设置在海床上。在一些实施例中，主海水管522中的一个或多个主海水管可用于冷海水的引入，而其他的主海水管522中的一个或多个主海水管用于排放。在一些实施例中，冷海水的引入和排放由具有至少两个单独的流道的单个主海水管522提供。

OTEC电站500还包括从坐底式结构512向岸上延伸的传输线516。传输线516将在坐底式结构512中产生的电力运载到互连设施510，在该处可以将电力运送到电网以进行分配。传输线516被埋入海床502中，使得它们在海床502上的珊瑚礁结构下方行进，从而避免可能的珊瑚礁破坏。代替或补充于被埋入，还可以放置传输线以躲避珊瑚礁。传输线516可以从地下连接到互连设施510。例如，图5中的传输线516在到达互连设施510之前被埋在海床502、海滩和道路的一部分之下。以13.8kV至35.0kV将电力从坐底式结构512通过传输线516运送到互连设施510。从坐底式结构512运送的电力可以在海岸上升压到33kV至69kV或更高以被运送到电网。OTEC电站500的平均年净电力输出在大约5和15MW之间。

图6示出了OTEC电站500的侧视示意图。坐底式结构512位于海床502上，靠近陆架坡折504并延伸到平均涨潮水位506上方。坐底式结构512在平均涨潮时位于大约30至80英尺深的水中。坐底式结构512通过多个桩锚508安固到海床502。桩锚508将坐底式结构512的基部524(图7所示)向下连接到海床502以下的白云石层。桩锚508可以具有在16和48英寸之间的直径。

主海水管522从坐底式结构512延伸，越过陆架坡折504，沿着海堤向下，并且沿着海床528延伸至至少1500英尺的深度。主海水管由高密度聚乙烯(HDPE)制成，具有大约8英尺的内径和大约8.2英尺的外径。使用HDPE管是有利的，因为HDPE可以抵抗海洋生物的附着，不导电，并且不会在海水中降解。用混凝土鞍形锚530和悬垂锚531将主海水管522安固到海床502和528。混凝土鞍形锚530和悬垂锚531在风暴情况下将冷水管和热水管保持就位。冷水引入管522被构造为以大约40°F的温度将冷海水运送到坐底式结构512。冷水回流管523在靠近或低于混合层大约100至160码深的深度处排放用过的冷水。热水回流管521在与冷水回流管523相同的深度处且紧邻冷水回流管排放用过的热水，使得两股水流混合并迅速融入周围的海洋条件。

与图1-图4的OTEC电站100的无人值守的坐底式结构112不同，坐底式结构512由坐底式结构512内的工作人员操作。如图7所示，坐底式结构512包括第一甲板532、第二甲板534和基部536。基部536通过多个桩锚508锚定到海床。第一甲板532和第二甲板534收容OTEC电站500的发电设备、控制室552(如图10所示)和工作人员的居住舱。第一甲板532延伸到平均涨潮水位上方，而第二甲板534位于海平面以下。第一甲板532连接到位于坐底式结构512外部的平台526。多个小船可以安固到平台526。小船为在坐底式结构512中生活和工作的工作人员提供到海岸的途径。

第一甲板532在平均涨潮水位506之上延伸高度h3，其可以在大约18和30英尺之间。坐底式结构512具有宽度w1，其为大约180-240英尺。在图8中显示为w2的八角形的坐底式结构512的每条边为大约80至95英尺长。坐底式结构512的顶部520是拱形的，允许排水和波浪在风暴情况下更容易冲过坐底式结构512。

图8示出了坐底式结构512的第一甲板532的示意图。第一甲板532被分成三个区：上部氨区538、上部主区540和工作人员区542。第一甲板532位于平均涨潮水面506之上大约2英尺处。上部氨区538包括涡轮发电机544，其构造为产生电力。上部氨区538位于坐底式结构512的面向海洋的一侧，使得氨位于尽可能远离海岸的位置。此外，减少了从涡轮发电机544向海岸的噪声发射。上部氨区538通过气锁入口(air-lock entry)与上部主区540分开。

工作人员区542位于坐底式结构512的面向海岸的一侧。工作人员区542设置在升高的甲板上，使得在第一甲板532和第二甲板534的机械空间与工作人员区542之间存在围堰。围堰用于将工作人员区542升高到上部氨区538和主区540之上。因此，可能在主区540的甲板上的任何水都低于工作人员区的水平面。主区540配备有氨传感器并进行通风以维持比上面的工作人员区542低的压力，这样如果发生泄漏，氨气将不会进入工作人员区542。

上部主区540包括冷凝热交换器546、547和蒸发热交换器548、549，氨在其中分别被冷却和加热。如图9A和图9B所示的热交换器547，每个热交换器546-549包括外部热交换器外壳551，其提供物理保护以免受上部主区540的伤害。外部热交换器外壳551还提供用于冷海水和/或热海水流动的流动路径。每个热交换器546-549还包括四到二十个机架553。每个机架被构造为保持多个阵列555。每个阵列大约10英尺长、29英寸高和28英寸宽。这些阵列可以在冷凝热交换器546、547和蒸发热交换器548、549中互换地使用。每个阵列保持多个筒。在OTEC电站500运行期间氨流过筒。当热交换器不运行时，可以打开外部热交换器外壳551并且可以移除一个或多个机架553以进行维护。可以将机架553从轨道550a-b上的热交换器546-549拉出(如图8所示)。

图10示出了工作人员区542，其包括用于控制OTEC电站500的机械的空间以及用于工作人员生活和娱乐的空间。运行OTEC电站500的工作人员包括大约十七名成员，在任何给定时间至少有六名成员出现在坐底式结构512上。控制室552俯瞰上部主区540，并包括下述设备，其用于监测和控制穿过坐底式结构512的热交换器546-549和其他机械的流以及对岸上的互连设施510的电力调节和传递。也可以从控制室控制第二甲板534上的设备。工作人员区542还提供到平台526上的坐底式结构512的外部的途径。平台526允许小船554a-b停靠在坐底式结构512处。为了进行正常操作或在紧急疏散协议中，船554a-b为工作人员提供到海岸的途径。

图11示出了第二甲板534，其包括三个区，即下部氨区556、下部主区558和水供应/回流区560。下部氨区556包括氨储存罐562和氨收集罐564。在操作期间，氨储存罐562中储存有大约8000加仑的氨，并且在操作期间使用大约40000加仑的氨。

第二甲板534包括用于冷海水和热海水的海水入口。冷水入口(“CSW供应”)位于水供应/回流区560中，而热海水入口580、581位于坐底式结构512的侧面中。热海水入口580、581包括腔室，其包括网筛(以避免引入鱼)并具有0.5英尺/秒或更小的平均进入速度。网筛可以具有大约0.5英寸的孔径。热海水入口580、581位于平均涨潮水位506(如图7所示)以下至少10英尺。下部主区558包括冷海水过滤器566、567和热海水过滤器568、569，它们分别过滤冷海水和热海水，以在将海水泵送通过热交换器546-549之前移除碎屑。冷海水泵570和571分别将过滤的冷海水泵入热交换器546和547中。热海水泵572和573分别将过滤的热海水泵入热交换器548和549中。

启动发电机574位于坐底式结构512的面向海岸的一侧。启动发电机574可以是例如2.0MW柴油发电机，并且在开始发电过程时使用。当坐底式结构512在发电过程期间产生足够的电力为自身供电后，启动发电机574可被关闭。将海水泵570-573和启动发电机574收容在低于平均涨潮水位506的第二甲板534上限制了来自坐底式结构512的空气传播噪声发射。升压变压器576也位于坐底式结构512的面向海岸的一侧。升压变压器576增加涡轮机544处产生的电力的电压以传输到海岸。断开器578位于第二甲板534上的升压变压器576附近。断开器578将坐底式结构512的发电系统与传输线516断开。

为了通过OTEC电站500开始发电，启动发电机574被打开为海水泵570-573供电以将海水拉入坐底式结构512中并开始海水和氨之间的热交换过程。当氨气开始在一定水平上转动涡轮发电机544以产生足够的电力来为坐底式结构512供电时，启动发电机574可以被关闭。启动发电机574可以在接收到来自海岸上的操作中心的需求信号时快速重新启动，以向公用电网提供运行储备和快速载荷拾取。

在操作中，坐底式结构512从冷和热的温度的海水流中产生电力。热海水从接近坐底式结构512的表面附近的区域经由热水入口580、581被泵入坐底式结构512中。热海水为大约78至86°F的温度并且从表面以下大约24至40英尺的深度被拉动。热水在过滤器568-569处被过滤，并且被泵送通过蒸发热交换器548-549。在蒸发热交换器548-549中，热量从热海水传递到存在于蒸发热交换器548-549的筒中的液氨。氨在接收热量后从液态变为气态。气态氨被引导至四个涡轮发电机544并使其转动以产生电能。来自涡轮发电机544的电能用于为坐底式结构512(例如，坐底式结构上的泵电机、电气设备、通信和控制系统、灯和电器)供电。在坐底式结构512中产生的电能的差额(balance)经由传输线516传输到岸上的互连设施510。

在氨气离开涡轮发电机544之后，氨气流入冷凝热交换器546-547中的筒中。温度为大约40°F的冷海水从海洋深处通过主海水管522泵送，在过滤器566-567处被过滤，并且被泵入冷凝热交换器546-547中。冷海水使气态氨冷却，并且氨从气体转变回液体。液氨被收集在冷凝热交换器546-547下方的罐中，以被泵回蒸发热交换器548-549中，以在闭合回路中继续该过程。因此，氨作为工作流体不会有意释放到空气或水中。

坐底式结构512使用多个泵570-573，从而可以对泵570-573中的一个泵进行维护，而净电力输出的减少最小。海水泵570-573以200000gpm至500000gpm的热表面海水和170000gpm至410000gpm的冷深层海水的组合速率连续运行。涡轮发电机544被连接，从而热交换器546-549或涡轮发电机544中的任何一个热交换器或涡轮发电机可以被隔离并离线进行维修而不中断剩余的电站操作。

从第一甲板532的工作人员区542中的控制室552监测蒸发和冷凝氨以产生电能的循环。可以从第一甲板532上的上部主区540经由楼梯出入第一甲板532的工作人员区542。坐底式结构512中的发电系统的许多机械和电气部件包括传感器、视频监视器、控制器和警报器，它们馈送到控制室552中的中央控制面板。控制室552与第一甲板532和第二甲板534的关键机械空间之间可以进行通信。坐底式结构512和海岸上的互连设施510之间也可以进行通信。

用于解决火灾、泄漏等的紧急系统包括在坐底式结构512的控制协议中。万一在坐底式结构512内的任何空间发生氨泄漏，传感器将检测到泄漏，拉响警报，并且如果危险超过规定水平，将激活中压水雾系统。氨具有非常高的亲水性，并且水雾与氨混合产生的氨水溶液将被收集在隔离的重力排水收集系统中。检查水是否环保达标，根据需要进行处理，然后排放。

图12示出了从海岸看的图5的坐底式结构512。坐底式结构512可被涂漆以配合海洋和/或天空以限制结构从海岸看的视觉冲击。坐底式结构512的八角形形状与方形海岸线一起使坐底式结构512的视觉轮廓平滑。

本文提到的所有参考文献都通过引用而纳入了其全部内容。

其他实施方式在以下权利要求的范围内。例如，一些OTEC电站还包括从坐底式结构112延伸到岸上的吃水线。这种吃水线可以用于向岸上的设施提供冷海水以进行冷却。冷水可以在冷水通过坐底式结构112中的冷凝器之前或之后被转向。

一些热交换器柜被配置成，使得每级堆叠两个机架(四个阵列高)。在一些热交换器中，由于室不那么深，因此可以减少侧面长度，从而占用更少的空间。由于经过(mega-PANAMAX)货船导致的波浪和来自海啸的波浪，减少的侧面长度也可以减少载荷。泵也可以在干的机械空间中配置在吃水线以下更远(更深)处。

一些OTEC电站使用直径为3000mm的高密度聚乙烯(HDPE)管。直径为3000mm的管减少了泵送寄生载荷和/或流动扩散，因此只有一组管而不是两组管。一些OTEC电站使用微型桩而不是标准的直径为36”至60”的桩。当地承包商可以安装或使用微型桩，从而提高安装速度并降低安装成本。

Claims (32)

1.一种海洋热能转换电站，包括：

位于岸上的操作中心；

离岸的坐底式结构，所述坐底式结构包含电站蒸发器和电站冷凝器；和

控制系统，所述控制系统在所述操作中心和所述坐底式结构中的电站机械之间延伸。

2.根据权利要求1所述的海洋热能转换电站，包括从所述坐底式结构延伸至至少1500英尺深度的主海水管，所述主海水管设置在海底上。

3.根据权利要求1所述的海洋热能转换电站，包括从所述坐底式结构延伸穿过海岸线的传输线，所述传输线被构造为传输10千伏和35千伏之间的电力。

4.根据权利要求1所述的海洋热能转换电站，包括从所述坐底式结构向岸上延伸的吃水线。

5.根据权利要求1所述的海洋热能转换电站，其中所述控制系统包括在所述操作中心和所述坐底式结构之间延伸的控制线缆。

6.根据权利要求1所述的海洋热能转换电站，其中所述电站蒸发器和所述电站冷凝器位于所述坐底式结构的吃水线之下。

7.根据权利要求1所述的海洋热能转换电站，其中所述坐底式结构在吃水线之上延伸小于30英尺。

8.根据权利要求1所述的海洋热能转换电站，其中所述坐底式结构具有从海底到最高顶舱测量的竖直高度，并且所述坐底式结构的最高顶舱在吃水线之上延伸小于所述坐底式结构的竖直高度的20％。

9.根据权利要求1所述的海洋热能转换电站，其中所述坐底式结构放置在水深在50英尺和250英尺之间(例如，小于200英尺、小于150英尺、大于80英尺或大于100英尺)的位置处。

10.根据权利要求1所述的海洋热能转换电站，其中所述坐底式结构放置在海岸线和陆架坡折之间的距离在150码和6600码之间的位置处。

11.根据权利要求10所述的海洋热能转换电站，其中所述坐底式结构放置在所述陆架坡折的离岸海底在所述海岸线的8000码内下降到至少1500英尺深度的位置处。

12.一种提供电力的方法，所述方法包括：

将信号从位于岸上的操作中心传输到离岸的无人值守的结构；以及

响应于所述信号，操作位于所述无人值守或有人值守的结构中的蒸发器、冷凝器和泵，以在所述无人值守的结构中产生0.5兆瓦和15兆瓦之间的电力。

13.根据权利要求12所述的方法，包括将海水从至少1500英尺的深度泵送到所述无人值守的结构。

14.根据权利要求12所述的方法，包括从所述无人值守的结构向岸上传输电力。

15.根据权利要求12所述的方法，包括从所述无人值守的结构向岸上泵送水。

16.根据权利要求12所述的方法，其中传输信号包括通过在所述操作中心和所述坐底式结构之间延伸的控制线缆将信号从所述操作中心传输到所述无人值守的结构。

17.一种海洋热能转换电站，包括：

离岸的坐底式结构，所述坐底式结构包含蒸发热交换器、冷凝热交换器和控制中心；和

传输线，所述传输线从所述坐底式结构穿过海岸线延伸到岸上的互连设施。

18.根据权利要求17所述的海洋热能转换电站，包括从所述坐底式结构延伸至至少1500英尺深度的主海水管，所述主海水管设置在海底上。

19.根据权利要求17所述的海洋热能转换电站，其中当从上方看时，所述坐底式结构具有大致八角形形状。

20.根据权利要求17所述的海洋热能转换电站，其中所述坐底式结构具有位于平均涨潮水位之上的第一甲板和位于所述平均涨潮水位之下的第二甲板。

21.根据权利要求20所述的海洋热能转换电站，其中所述冷凝热交换器和所述蒸发热交换器位于所述第一甲板上。

22.根据权利要求20所述的海洋热能转换电站，包括构造为通过供应和回流管泵送冷海水和热海水的泵，其中所述泵位于所述第二甲板上。

23.根据权利要求17所述的海洋热能转换电站，其中所述传输线被构造为将大约10千伏至35千伏的电力传输到所述岸上的互连设施。

24.根据权利要求17所述的海洋热能转换电站，其中所述坐底式结构在平均涨潮水位之上延伸小于30英尺。

25.根据权利要求17所述的海洋热能转换电站，其中所述坐底式结构具有从海底到最高顶舱测量的竖直高度，并且所述坐底式结构的所述最高顶舱在平均涨潮水位之上延伸小于所述坐底式结构的所述竖直高度的40％。

26.根据权利要求17所述的海洋热能转换电站，其中所述坐底式结构包括用于工作人员的房间。

27.根据权利要求17所述的海洋热能转换电站，其中所述坐底式结构的宽度大约是其高度的三倍。

28.根据权利要求17所述的海洋热能转换电站，其中所述冷凝热交换器和所述蒸发热交换器是模块化的。

29.根据权利要求17所述的海洋热能转换电站，其中所述坐底式结构被放置在水深在30英尺和180英尺之间的位置处。

30.一种提供电力的方法，所述方法包括：

传输来自坐底式结构的控制室的控制信号；

响应于所述信号，操作位于所述坐底式结构中的蒸发热交换器、冷凝热交换器和泵，以在所述坐底式结构中产生0.5兆瓦和15兆瓦之间的电力；以及

经由传输线将电力传输到岸上的互连设施。

31.根据权利要求30所述的方法，包括将海水从至少1500英尺的深度泵送到所述坐底式结构。

32.根据权利要求30所述的方法，其中大约10千伏至35千伏的电力被传输到所述岸上的互连设施。

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