CN117318532A - 一种海洋温差能-潮流能联合供电系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种海洋温差能‑潮流能联合供电系统，包括固定基座、输运水箱、输运轨道，海洋温差能发电模块和潮流能发电模块，固定基座沉置于海底作为平台，承载其他模块；输运水箱沿素数输运轨道下潜至固定基座后与海洋温差能发电系统通过管道连接，温海水泵抽运箱内为海水向所述海洋温差能发电模块提供热量，冷海水泵抽运海底冷海水冷却所述海洋温差能发电模块的工质乏气，排出的冷海水余能用于补充潮流能模块；通过匹配所述潮流能发电模块和海洋温差能发电模块的发电时间，可以实现一种海洋温差能‑潮流能联合供电系统的持续电能输出。本发明可以实现了海洋温差能和潮流能的互补利用，为海底发电技术提出持续性供电提供了新的解决方案。

Description

一种海洋温差能-潮流能联合供电系统

技术领域

本发明涉及海底供电技术领域，具体地，涉及一种海洋温差能-潮流能联合供电系统。

背景技术

海底发电具有受环境和气候变化影响较小，不占据海面、陆地资源，隐蔽性高等优点，通过充分利用海洋可再生能源建设海底发电厂具有良好的开发前景。但是可直接利用的海底能源较少，具备海底本位俘获转换潜力的能源种类更是有限，并且海洋能源都具有周期性波动特性，对海底发电的持续稳定性造成很大的挑战。此外，提高海底发电厂的能源利用效率也是影响其建设的关键技术。

海洋温差能属于海洋热能，其能量的主要来源是蕴藏在海洋中的太阳辐射能，具有储量巨大以及随时间变化相对稳定的特点。而如今海洋温差能发电技术被越来越广泛地采用，这是一种以表层海水(25℃～28℃)作高温热源，以500米～l000米深处的海水(4℃～7℃)作低温热源，用热机组成的热力循环系统进行发电的技术。申请号CN202011039517.3通过将海洋温差能驱动水电冷多联产系统，不仅提供了电量，还有淡化水与冷量，提高了其经济性；申请号CN202010807382.4提出一种适用于近海岛的海洋温差能发电与深层海水利用平台，热力循环系统固定在浮台中,深层海水利用模块放置在浮台上表面，平台设置于海面浮台上，减少了占地面积，对深层海水进行利用。但都需要架设长海水管道，将深层海水抽运至海面或陆地的发电厂房中，这一过程中海水管道的搭建需要花费巨大的成本，包括冷海水泵的功耗以及抽、排的余能都未能利用，深层海水通过管道运输的过程中会逐渐与管外海水换热升温，使得最终可利用的温差变小，温差能利用不充分。若遭遇较大洋流，不仅输运水管易受损，输运所得的深层海水温度损失也更大。

潮流能主要是指海底水道和海峡中较为稳定的流动以及由于潮汐导致的有规律的海水流动所产生的能量，具有应用难度小、对环境友好、储量巨大等优点，以我国沿海地区为例，不少水道的能量密度为15～30kW/m²，具有良好的开发值，通过布置在海底的水轮机进行发电的海底潮流能发电技术也经过许多研究与发展。申请号CN201110250050.1通过对透平进行改进，采用四叶双曲翼型设计，具有较高的转动效率与抗海水腐蚀能力；申请号CN202020170719.0通过改进发电装置，降低结构固定载荷，增加了系统的结构稳定性；申请号CN201320488987.7提出一种风能潮流能联合发电装置，把风力发电机和潮流能发电机结合在同一立柱上,相比于分别建设海上风电场或潮流能电厂，有效减少了开发成本。多数专利都集中于结构改进上，并未解决海底潮流能本身存在周期性的问题。海底潮流能由于其形成原因，每天会变换两次相反的流向，同时潮流能的大小也会因海面风力或其他海底因素的影响出现波动，无法十分稳定地输出电力，故目前仍未有成熟的、大规模的潮流能利用技术。

所以，海底供电技术目前集中在小规模的潮流能发电。针对潮流能周期波动导致发电不稳定的问题，利用海洋温差能的稳定存在的特性具备联合潮流能海底开发的潜力。基于此，本发明提出了一种海洋温差能-潮流能联合供电系统，该系统可以通过调控温差能发电模块的工作时间匹配潮流能的日周期波动实现电力的稳定输出。为海底发电厂建设提供了一种持续性输出和海洋可再生能源高效利用方案。将海洋温差能发电装置与潮流能发电装置结合组成系统并布置于海底，除了减少占地面积、噪声和对外界环境带来的影响，同时具有极强的隐蔽性，在国防和人防工程建设上具有良好的前景。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：

周期性波动的潮流能导致基于潮流能驱动的海底发电厂电量输出不稳定；

海洋温差能发电系统中冷海水的管道输运方式受理面积大，易受洋流影响损坏；

较小的温冷海水温差导致低品位海洋温差能热电转化效率较低；

海底海洋温差能发电技术中流出冷凝器的冷海水余能损耗严重。

为此，本发明提供了一种海洋温差能-潮流能联合供电系统，该系统以海洋温差能和海底潮流能为联合驱动能源，通过有机朗肯循环透平发电机组和水轮机发电机组分别对海洋温差能和潮流能进行能量-电力转换，通过海洋温差能和潮流能发电过程互补的方式弥补其中任一发电方式存在的间歇性问题，进而实现海底供电系统的持续性输出。此外，本发明还创新性的提出了利用鱼类仿生水箱填水下潜的温海水输运方案，将表层的温海水输运到海底发电平台上，作为热源为循环工质提供热量，采用这一方式省去了传统的架设长距离水管进行输送海水的方式，利用仿生输运水箱的保温结构设计和输运形式，能极大地减少输运过程中温海水的温度损失，提高温、冷海水温差，提高温差能发电能力，同时减少海下海流的侵蚀冲击造成的输运设备损伤。为了最大化利用海洋温差，该系统还利用了混合工质串联朗肯循环动力构型，混合工质的使用可以增加蒸发/冷凝器内温/冷海水的温度变化和工质温度变化的匹配度，降低不可逆损失，串联两级构型可以提高温海水的利用温区，提高温海水的利用率。冷海水泵被用于输送冷海水到混合工质串联朗肯循环透平发电机组中，在冷凝器中冷却混合工质之后被排出，存在一定量尚未利用的余能，为了充分利用这部分余能，采用调整冷海水泵排放口的方法，使从冷海水泵中排出的冷海水于潮流能方向一致，作为补充动力加强潮流能流动。冷海水泵潮流能模块增强了潮流能动力，提高了其发电能力，两者结合下实现了更有效的可持续发电。

技术方案

为达到上述目的，本发明提出一种海洋温差能-潮流能联合供电系统，该系统包括固定基座、输运水箱、输运轨道，海洋温差能发电模块和潮流能发电模块，其特征在于，系统中的固定基座沉置于海底作为整个系统平台，固定其他模块；输运水箱为鱼类仿生结构利于下潜输运，由内到外四层结构分别为内层防锈合金材料、中间保温材料、外层防锈合金材料以及亲水涂层，输运水箱底部安装强磁性磁块；输运轨道由防锈合金管从固定基座竖直延伸至海面，输运轨道顶部存在固定卡扣，轨道底部存在电磁吸组件；海洋温差能发电模块包括电动阀门、温、冷海水泵、蒸发器、透平机、发电机、冷凝器、节流阀和工质泵，电动阀门安装于热力循环系统管路，抽吸水泵分别设置在系统回路的冷、热源两端，蒸发器和冷凝器，分别安装在透平发电装置前后；潮流能发电模块包括冷海水泵、潮流能水轮机以及联动的发电机。

进一步作为本发明技术方案的改进，所述固定基座包括；海底基座、固定基座所用锚、与输运水箱对接所用电磁吸组件、蓄电池组件以及连接其他模块所用管道；固定锚连接海底基座四周，置于所述基座周围，电磁吸组件固定于所述输运轨道底部的基座上，通过蓄电池组件进行供电，蓄电池存放于所述基座中；此外基座上固定有部分管道用于连接所述温差能发电模块和所述潮流能发电模块。

进一步作为本发明技术方案的改进，所述输运水箱及输运轨道包括所述鱼类仿生结构保温输运水箱、由海底基座延伸至海面的所述输运轨道和轨道顶部的固定卡扣；固定卡扣位于所述轨道顶部，负责在所述输运水箱填充温海水时进行固定；所述输运水箱填充温海水后沿所述输运轨道下潜至所述海底基座，与温海水管道相连，通过温海水泵将温海水接入所述温差能发电模块。

进一步作为本发明技术方案的改进，温差能发电模块包括电动阀门、温海水泵、冷海水泵、蒸发器、冷凝器、节流阀、透平机、发电机、工质泵，模块采用混合工质串联两级朗肯循环为动力构型；温海水泵将温海水从输运水箱引入温海水管道，温海水管道将一级循环和二级循环回路相连接；两级回路中，蒸发器中温海水管与工质管道换热，工质管道从蒸发器出口连接至透平机进口，做功后的乏气从透平机出口沿工质管道进入冷凝器，冷凝器中冷海水管道与工质管道换热，工质冷凝后接入工质泵加压，从工质泵离开通过管路开始新一轮循环。

进一步作为本发明技术方案的改进，所述潮流能发电模块包括冷海水泵、水轮机、发电机，冷海水泵中的排水余能可并入潮流能中，加强潮流能流动，潮流能推动水轮机联动发电机发电。

进一步作为本发明技术方案的改进，所述固定结构上安装有蓄电池组，所述透平联动所述发电机发电后一部分电量储存于蓄电池组中，所述蓄电池组可用于为所述输运水箱与所述固定结构提供对接所需电力；所述蓄电池组可用于为所述输运水箱与所述钛合金管道对接提供所需电力；所述蓄电池组可用于为所述温海水泵、所述冷海水泵和所述加压泵提供所需电力。

进一步作为本发明技术方案的改进，所述输运水箱采用鱼类仿生结构，提高下潜和上潜效率，材质从内到外依次为钛合金板、保温材料、钛合金板和亲水涂层的四层结构组件；其中，所述保温材料为导热系数等于或小于0.1(W/(mK))的隔热材料，包括但不限于聚苯乙烯泡沫、聚氨酯泡沫和挤塑聚苯乙烯泡沫。

进一步作为本发明技术方案的改进，所述表层温海水温度在25～28(℃)，海底冷海水在4～7(℃)，混合工质朗肯循环可选工质包括但不限于R11、R245fa、R134a和氨等沸点和冷凝点在-10(℃)到-25(℃)附近的物质组合而成的混合工质。

进一步作为本发明技术方案的改进，所述电动阀门控制组件包括阀门控制器、安置于冷、热源进出口管道处的温度传感器和改变所述电动阀阀门开度的执行期间；所述电动阀控制器存储有所述流经流体的流量数据及温度数据，可用于实时监测并及时调节阀门开度以控制系统热力性能。

具体收益：

通过以上技术方案，相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：

本发明联合海洋温差能和潮流能的发电系统可实现电能的稳定输出，抑制单一潮流能发电系统存在的波动性潮流能带来的发电量不稳定问题，同时联合发电系统增大了单一温差能模块的发电量，增加了海洋能的利用途径，同时系统布置于海底，减少了陆地占地面积，同时海底运作安静无强噪音，不易受强风巨浪等恶劣天气影响；

本发明提出的一种用于上潜、下潜的鱼类仿生输运水箱，输运水箱兼具保温结构涉，可将表层温海水尽可能保持温度地输运至海底固定基座，相较传统系统搭建长距离输运水管从海底抽运冷海水至海岸或海上平台，采用本发明输运水箱可减少运输过程中海水的温海水温度变化，提高温差能发电装置发电能力，同时减少了受海下巨大暗流冲击、侵蚀的风险；

本发明提出的一种混合工质串联朗肯循环动力构型，分两级回路对温海水和冷海水进行利用，串联回路可提高温海水的利用温度区间，提高温海水的利用率，同时混合工质的采用可以增加蒸发/冷凝器内温/冷海水的温度变化和工质温度变化的匹配度，降低不可逆损失。

本发明提出的一种利用冷海水泵余能的潮流能发电模块。冷海水泵抽吸冷海水至冷凝器中，冷却混合工质后排出，排出的冷海水存在一定动力余能，采用调整冷海水泵排放口方向的方法，使冷海水泵排水流向与潮流能流向一致并加强潮流能流动动力，提高潮流能通过联动水轮机时的发电能力和发电效率。

附图说明

图1：本发明一种海洋温差能-潮流能联合供电系统示意图；

图2：本发明混合工质两级串联朗肯循环动力构型示意图；

图3：本发明鱼类仿生输运水箱结构示意图；

图4：本发明潮流能联动冷海水泵发电结构示意图；

图中：1、输运轨道；2、温海水泵；3、仿生输运水箱；4、电磁吸组件；5、冷海水泵；6、固定结构及基座；7、二级蒸发器；8、二级工质泵；9、一级蒸发器；10、一级工质泵；11、温海水阀门组件；12、二级透平机；13、二级发电机；14、冷海水阀门组件；15、二级冷凝器；16、节流阀；17、一级透平机；18、一级发电机；19、一级冷凝器；20、节流阀；21、输运水箱外层合金；22、输运水箱内层保温层；23、输运水箱内层合金；24、潮流能透平机；25、潮流能发电机。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明中的技术方案，下面将结合附图作进一步的介绍。

图1给出了本发明的系统原理示意图，即一种海洋温差能-潮流能联合供电系统，包括固定基座、输运水箱、输运轨道、海洋温差能发电模块和潮流能发电模块；固定基座包括海底基座、固定基座所用锚、与输运水箱对接所用电磁吸组件、蓄电池组件以及连接其他模块所用管道；输运水箱及输运轨道包括所述鱼类仿生结构保温输运水箱、由海底基座延伸至海面的输运合金轨道和轨道顶部的固定卡扣；温差能发电模块包括温海水泵、冷海水泵、蒸发器、冷凝器、节流阀、透平机、发电机、工质泵；潮流能发电模块包括冷海水泵、水轮机、发电机。

本公开提出的一种海洋温差能-潮流能联合供电系统的工作内容，包括以下过程：

输运水箱3在海平面将表层温海水抽入内部，沿输运轨道1下潜至海底，与电磁吸组件4对接，固定于基座6，随后再与所述连接管路对接，此后温海水泵2、冷海水泵5及回路中工质泵8、10启动，温海水从输运水箱3内泵入一级蒸发器7和二级蒸发器9，回路中混合工质先流经蒸发器7，吸收热量蒸发，随后进入一级透平机，联动发电机13进行发电，经做功后的工质乏气通入一级冷凝器19中，与经冷海水泵5泵入一级冷凝器19的冷海水换热，冷凝为液体，最后液体混合工质在工质泵10的作用下，升压并重新开始新一轮循环，与此同时从一级蒸发器9流出的温海水继续进入二级蒸发器7，与二级回路中的混合工质进行换热，二级回路混合工质吸热后进入二级透平机12，联动发电机13进行发电，做功后的乏气通入二级冷凝器15中，冷凝为液体，经工质泵8，重新开始新一轮循环，该过程中温海水阀门11同时记录抽吸的温海水流量。

冷海水泵5将吸收所述乏气热量后的海水排出，使排放方向与潮流能流动方向一致，并推动潮流能透平机24联动发电机25进行发电。

当输运水箱3内的温海水用尽后，输运水箱3与电磁吸组件4的固定解除并通过输运轨道1上浮至海面，补充温海水，潮流能可确保在温差能利用过程的输运水箱3填水期间持续通过潮流能透平机24联动发电机25进行发电，使得电力供给不间断，温差能发电部分可确保潮流能微弱时期及流向相反时持续供电，并保证电力供给相对稳定。

其中，温海水泵2、冷海水泵5和工质泵8、10的流量可通过用户电脑控制或预先设定值进行工作，并记录有历史及实时流量数据，输运水箱3底部安装有强力磁片，基座6与输运水箱3的连接处安装有电控强磁力组件4，通电时具有强磁性，可将输运水箱3进行固定，当温海水泵2记录的抽吸流量接近输运水箱3流量后，电控磁力组件4将与水箱3连接处的磁吸装置断电一定时间，输运水箱3失去磁吸力，沿轨道1上浮至海水表面，上浮至海水表面后，输运水箱3被输运轨道1卡扣固定，输运水箱3内安装的抽水泵将表层温海水泵入，当输运水箱3填满时，重力达到半自动卡扣装置设定值，卡扣装置解开，输运箱体3依靠重力下潜至海底基座6，再次对接。

Claims (9)

1.一种海洋温差能-潮流能联合供电系统，包括固定基座、输运水箱、输运轨道，海洋温差能发电模块和潮流能发电模块，其特征在于：固定基座沉置于海底作为平台，承载其他模块；所述输运水箱沿素数输运轨道下潜至所述固定基座后与所述海洋温差能发电系统通过管道连接，温海水泵抽运箱内为海水向所述海洋温差能发电模块提供热量，冷海水泵抽运海底冷海水冷却所述海洋温差能发电模块的工质乏气，排出的冷海水余能用于补充所述潮流能模块；通过匹配所述潮流能发电模块和所述海洋温差能发电模块的发电时间，实现所述一种海洋温差能-潮流能联合供电系统的持续电能输出，克服了潮流能发电或温差能发电存在间歇期使发电中断的问题，提高了海洋能源的利用效率；所述输运水箱采用鱼类仿生设计，减少了搭建长距离输运管道的成本与输运管道易受海底强暗流冲击、侵蚀的风险；所述海洋温差能发电模块采用混合工质串联朗肯循环，降低了循环不可逆损失，提高了温海水的利用率。

2.根据权利要求1所述的一种海洋温差能-潮流能联合供电系统，其特征在于：所述固定基座包括；海底基座、固定基座所用锚、与输运水箱对接所用电磁吸组件、蓄电池组件以及连接其他模块所用管道；固定锚连接海底基座四周，置于所述基座周围，电磁吸组件固定于所述输运轨道底部的基座上，通过蓄电池组件进行供电，蓄电池存放于所述基座中；此外基座上固定有部分管道用于连接所述温差能发电模块和所述潮流能发电模块。

3.根据权利要求1所述的一种海洋温差能-潮流能联合供电系统，其特征在于：所述输运水箱及输运轨道包括所述鱼类仿生结构保温输运水箱、由海底基座延伸至海面的所述输运轨道和轨道顶部的固定卡扣；固定卡扣位于所述轨道顶部，负责在所述输运水箱填充温海水时进行固定；所述输运水箱填充温海水后沿所述输运轨道下潜至所述海底基座，与温海水管道相连，通过温海水泵将温海水接入所述温差能发电模块。

4.根据权利要求1所述的一种海洋温差能-潮流能联合供电系统，其特征在于：温差能发电模块包括电动阀门、温海水泵、冷海水泵、蒸发器、冷凝器、节流阀、透平机、发电机、工质泵，模块采用混合工质串联两级朗肯循环为动力构型；温海水泵将温海水从输运水箱引入温海水管道，温海水管道将一级循环和二级循环回路相连接；两级回路中，蒸发器中温海水管与工质管道换热，工质管道从蒸发器出口连接至透平机进口，做功后的乏气从透平机出口沿工质管道进入冷凝器，冷凝器中冷海水管道与工质管道换热，工质冷凝后接入工质泵加压，从工质泵离开通过管路开始新一轮循环。

5.根据权利要求1所述的一种海洋温差能-潮流能联合供电系统，其特征在于：所述潮流能发电模块包括冷海水泵、水轮机、发电机，冷海水泵中的排水余能可并入潮流能中，加强潮流能流动，潮流能推动水轮机联动发电机发电。

6.根据权利要求2所述的一种海洋温差能-潮流能联合供电系统，其特征在于：所述固定结构上安装有蓄电池组，所述透平联动所述发电机发电后一部分电量储存于蓄电池组中，所述蓄电池组可用于为所述输运水箱与所述固定结构提供对接所需电力；所述蓄电池组可用于为所述输运水箱与所述钛合金管道对接提供所需电力；所述蓄电池组可用于为所述温海水泵、所述冷海水泵和所述加压泵提供所需电力。

7.根据权利要求3所述的一种海洋温差能-潮流能联合供电系统，其特征在于：所述输运水箱采用鱼类仿生结构，提高下潜和上潜效率，材质从内到外依次为钛合金板、保温材料、钛合金板和亲水涂层的四层结构组件；其中，所述保温材料为导热系数等于或小于0.1(W/(m×K))的隔热材料，包括但不限于聚苯乙烯泡沫、聚氨酯泡沫和挤塑聚苯乙烯泡沫。

8.根据权利要求4所述的一种海洋温差能-潮流能联合供电系统，其特征在于：所述表层温海水温度在25~28(℃)，海底冷海水在4~7(℃)，混合工质朗肯循环可选工质包括但不限于R11、R245fa、R134a和氨等沸点和冷凝点在-10(℃)到-25(℃)附近的物质组合而成的混合工质。

9.根据权利要求4所述的一种海洋温差能-潮流能联合供电系统，其特征在于：所述电动阀门控制组件包括阀门控制器、安置于冷、热源进出口管道处的温度传感器和改变所述电动阀阀门开度的执行期间；所述电动阀控制器存储有所述流经流体的流量数据及温度数据，可用于实时监测并及时调节阀门开度以控制系统热力性能。