CN1673527A - 海洋温差能－太阳能重热循环发电方法 - Google Patents

Abstract

一种海洋温差能－太阳能重热循环发电方法，以海洋表面海水作为预热源，以海洋深层500～800米以下冷海水作为冷源，以太阳能作为主热源，构建一个低沸点工质闭式流动循环系统。液态低沸点工质由工质泵提高压力后输送到预热器中，由海洋表层海水对工质进行预加热，再利用太阳能集热器对工质进行二次加热，直至达到工质气体过热状态，过热的工质气体进入透平，推动透平旋转做功，由发电机组将电力输出。从透平排出的工质再由海洋深层低温海水通过冷凝器冷却到液体状态，由工质泵提高其压力送入预热器，完成工质动力循环过程。在这一循环过程中，可以不断地将海水的温差变成电力，由此实现海洋温差能－太阳能重热循环发电。

Description

海洋温差能—太阳能重热循环发电方法

技术领域

本发明涉及一种海洋温差能—太阳能重热循环发电方法，是在传统的闭式海洋温差发电系统(Ocean Thermal Energy Conversion Closed Cycle，CC-OTEC)的基础上，结合太阳能再次加热低沸点工质，以提高发电效率的方法。

背景技术

海洋温差能是指海洋表层海水和深层海水之间水温之差的能量。利用这一温差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，大阳辐射强烈，表层水温全年在25℃以上，而500～800米以下的深层水温在5℃以下，温差达20℃～24℃，蕴藏着丰富的温差能资源。

海洋温差能发电的概念是1881年由法国物理学家阿松瓦尔(Jacques Arsened′Arsonval)提出的。1930年克劳德(Claude)首次利用海洋温度差发电成功，证实了其可行性。

海洋温差发电主要采用开式和闭式两种循环系统。在闭式循环中，来自海洋表层的温海水先在热交换器(蒸发器)内将热量传给丙烷、氨等低沸点工质，使之蒸发，工质蒸发变成蒸气推动汽轮机膨胀做功，汽轮机排出的工质再进入冷凝器，被冷水泵抽上的深层冷海水冷却后重新变为液态，用工质泵把冷凝器中的液态工质重新压进蒸发器，以供循环使用(颜希文，地球上最大的太阳集热器——海洋温差能简析，中国新能源网， http：//www.newenergy.com.cn/)。

研究表明，由于海水冷热温度相差不大，传统的海洋温差发电系统效率极低。如果以氨气为循环工质，在海水表层温度为25℃，深层温度为5℃时，理想朗肯循环(Rankin Cycle)的效率只有约1.74％。由于实际循环过程还包括各部件的损失，可能使循环所发出的电力还不足以提供维持系统循环所需要的能量，使得传统的海洋温差发电系统一直以来很难得到推广应用。

太阳能既是一次能源，又是可再生能源。与海洋温差能一样，它资源丰富，既可免费使用，又无需运输，对环境无任何污染。在热带地区太阳平均辐射强度可以达到210～250W/m²。与海洋温差能结合，组成新的热力循环系统，可以实现能源的综合开发和利用。目前未见有关这方面的研究文献公开报道。

发明内容

本发明的目的在于对传统的闭式海洋发电系统进行改进，提出一种新型的海洋温差能—太阳能重热循环发电方法，提高循环工质冷热源温差，从而提高系统循环效率，促进其实用化。

为实现这样的目的，本发明是以海洋表面25℃左右的海水作为预热源，以海洋深层500～800米以下5℃左右冷海水作为冷源，以太阳能作为主热源，构建一个低沸点工质闭式流动循环系统。其中，太阳能可以将热源的温度提高20～50℃。循环过程中液态7～12℃的低沸点工质由工质泵提高压力，输送到预热器中，由海洋表层海水对工质进行预加热后，再利用太阳能集热器对工质进行二次加热，直至达到工质气体过热状态，过热的工质气体进入透平，推动透平旋转做功，由发电机组将电力输出。从透平排出的工质为7～12℃近饱和态的气体，再由海洋深层低温海水通过冷凝器冷却到液体状态，由工质泵提高其压力送入预热器，完成工质动力循环过程。在这一循环过程中，可以不断地将海水的温差变成电力，由此实现海洋温差能—太阳能重热循环发电。

本发明的方法可以采用以下步骤实现：

1.约7～12℃饱和液态工质由工质泵加压送入预热器中。预热器中工质压力为工质30～50℃所对应的蒸发压力。

2.工质在预热器内被海洋表面25℃左右的海水加热到20℃以上，仍旧保持液态。

3.从预热器流出的液态工质进入太阳能集热器，进一步被加热。经过太阳能集热器的液态加热区、两相加热区和过热区的加热，成为60～80℃的过热气体。

太阳能集热器中工质压力仍为其30～50℃所对应的蒸发压力。

为了提高工质温度，需要采用聚焦型太阳能集热器将工质进一步过热。太阳能集热器可采用热管式换热器形式。

4.从太阳能集热器流出的工质气体进入蒸汽透平，推动透平做功输出功率，该功率可由发电机转化为电力输出或直接输出。

经过蒸汽透平后工质仍旧为过热气体，压力降低到7～12℃时对应的蒸发压力，温度也同时降低到15℃以下。

5.由蒸汽透平排出的气态工质，进入冷凝器中，被海洋深层海水冷凝成7～12℃的饱和液。

海洋深层海水约5℃左右，取自海平面500～800米以下。海洋深层冷海水采用海水泵经过绝热材料管道提取到海平面以上。

根据连通器原理，海水泵所消耗的泵功只是为了维持深层海水在管道中流动所需要动能和克服摩擦损失。

6.从冷凝器流出的工质由工质泵加压送入预热器中，从而完成循环过程，实现系统的电力输出。

整个循环过程所需要的电力可以完全由系统自身提供，并有额外电力输出，所以可以实现系统的发电。

本发明的方法通过对海洋温差能和太阳能的循环利用，不仅有效提高了发电效率，还充分利用丰富的自然资源，所采用的洁净能源对环境不会造成污染，具有广阔潜在的应用前景。

附图说明

图1是本发明海洋温差能—太阳能重热循环发电方法流程图。

具体实施方式

本发明海洋温差能—太阳能重热循环发电方法流程如图1所示，所涉及的系统由蒸汽透平、发电机、太阳能集热器、预热器、冷凝器、工质泵、海水泵等部件以及连接各部件之间的管道组成。

根据海洋温差能—太阳能重热循环发电系统要求，应选用在气相区比热大，而汽化潜热比较小的工质。这样，可以减少预热器、太阳能集热器和冷凝器的尺寸和换热量。

以下以氨工质为例，采用循环的蒸发温度为50℃，蒸发压力为20.3bar，冷凝温度为10℃，冷凝压力为6.15bar，来说明循环流程。实施例所涉及的参数不对本发明构成限制。

1.10℃左右的氨饱和液由液氨泵提高压力至20.3bar以上送入预热器中。

2.液氨可在预热器内被海洋表面25℃左右的海水加热到20℃以上。

3.从预热器流出的20℃以上液氨进入太阳能集热器，进一步被加热。在约20.3bar的压力下经过蒸发、过热。采用聚焦型太阳能集热器可将氨过热到80℃。

4.从太阳能集热器流出的约80℃、20.3bar过热氨气进入蒸汽透平，推动透平旋转做功并输出功率，该功率可由发电机转化为电力输出。

经过蒸汽透平后氨气的压力降低到约6.15bar，理想情况下，温度会降低到10℃，成为湿蒸汽。

5.由蒸汽透平排出的湿蒸汽，进入冷凝器被取自海洋深层500米左右5℃的海水冷凝成10℃的氨液。

6.从冷凝器流出氨液由氨泵送入预热器中，从而完成循环过程，实现系统的电力输出。

该系统理想朗肯循环的效率可以达到11.9％。与无重热循环相比，采用太阳能二次加热后可以成倍提高循环效率。考虑到实际循环中各部件的损失和管路损失，在蒸汽透平、海水泵和工质泵效率均为60％的情况下，本方法的发电效率可以达到3.3％，从而提高了整个系统的实用性。

Claims (2)

1、一种海洋温差能—太阳能重热循环发电方法，其特征在于包括如下步骤：

1)7～12℃饱和液态工质由工质泵加压送入预热器中，预热器中工质压力为工质30～50℃所对应的蒸发压力；

2)工质在预热器内被海洋表面海水加热到20℃以上，仍旧保持液态；

3)从预热器流出的液态工质进入太阳能集热器，经太阳能集热器的液态加热区、两相加热区和过热区的进一步加热，成为60～80℃的过热气体，太阳能集热器中工质压力仍为其30～50℃所对应的蒸发压力；

4)从太阳能集热器流出的工质气体进入蒸汽透平，推动透平做功输出功率，该功率由发电机转化为电力输出或直接输出；经过蒸汽透平后工质仍为过热气体，压力降低到7～12℃时对应的蒸发压力，温度也同时降低到15℃以下；

5)由蒸汽透平排出的气态工质，进入冷凝器中，被海洋深层海水冷凝成7～12℃的饱和液；其中海洋深层海水取自海平面500～800米以下，采用海水泵经过绝热材料管道提取到海平面以上；

6)从冷凝器流出的工质由工质泵加压送入预热器中，从而完成循环过程，实现系统的电力输出。

2、根据权利要求1的海洋温差能—太阳能重热循环发电方法，其特征在于所述太阳能集热器为聚焦型太阳能集热器，为热管式换热器形式。