CN212838198U - 一种热熔盐蓄热的海洋温差能-太阳能联合氢能生产系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种热熔盐蓄热的海洋温差能‑太阳能联合氢能生产系统。目的是提供一种热熔盐蓄热的海洋温差能‑太阳能联合氢能生产系统，该系统可综合利用海洋温差能、太阳能并通过热熔盐蓄热模块，使得系统运行更加稳定。技术方案是：一种热熔盐蓄热的海洋温差能‑太阳能联合氢能生产系统包括海洋温差能‑太阳能联合发电模块、热熔盐蓄热模块及氢能生产模块，以利用海洋温差能、太阳能产生电能并转化为氢能储存，并同时产生氧气作为副产品。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种热熔盐蓄热的海洋温差能-太阳能联合氢能生产系统，用于通过海洋温差能、太阳能产生电能并转化为氢能储存。
背景技术
随着大量化石能源的开采与利用，我国的环境问题日益严峻，在能源结构方面，化石能源向可再生能源的转型已势在必行。海洋能是典型的可再生能源，具有清洁、环保等优点，且储量极其丰富，在我国具有十分广阔的应用前景。其中海洋温差能与海洋表面太阳能的有效利用是海洋能开发的重要方向。
目前已有的海洋温差能发电技术多基于朗肯循环，利用海洋表层26℃左右的温海水和深层温度约为4℃的冷海水之间的温度差驱动透平做功发电。海洋温差能-太阳能联合发电系统便是在温差能发电的基础上增加了对太阳能的热利用。与太阳能光伏发电相比，太阳能热利用设备结构更为简单、使用寿命更长且维护成本更低。
太阳能蓄热是太阳能热利用的一个重要部分，目前已有的太阳能蓄热方法主要分为显热蓄热、化学反应热蓄热与潜热蓄热，其中显热蓄热是原理最简单、成本最低廉的一种。热熔盐蓄热技术即为显热蓄热方法，已有电站选取 60％NaNO3与40％KNO3复合熔盐作为传热与蓄热介质对太阳能进行利用。然而目前热熔盐的研究仍处于发展阶段，在多种能量综合利用系统中，热熔盐的使用仍然很少。
我国海洋温差能发电潜能巨大，因此利用海洋能发电将获得十分可观的电能，对电能的存储也是极其重要的一环。现有的海洋温差能利用系统多使用蓄电池作为储能方式；而蓄电池在长期储存时无法避免会产生电能的流失，且海面盐度、湿度较高的环境也并不利于蓄电池的长期工作，若蓄电池长期使用后电解液泄漏还会对环境产生污染。
实用新型内容
本实用新型目的是克服上述背景技术的不足，提供一种热熔盐蓄热的海洋温差能-太阳能联合氢能生产系统，该系统可综合利用海洋温差能、太阳能并通过热熔盐蓄热模块，使得系统运行更加稳定。
基于上述目的，本实用新型提供的技术方案是：
一种热熔盐蓄热的海洋温差能-太阳能联合氢能生产系统包括海洋温差能- 太阳能联合发电模块、热熔盐蓄热模块及氢能生产模块，以利用海洋温差能、太阳能产生电能并转化为氢能储存，并同时产生氧气作为副产品。
所述海洋温差能-太阳能联合发电模块，包括布置在海下近海面处以使循环工质受热蒸发的温海水蒸发器、与温海水蒸发器接通以将循环工质加热为高温蒸汽的热熔盐换热室、与热熔盐换热室接通以接受高温蒸汽驱动进而带动发电机的透平机、与透平机出口接通以对做功后的乏汽进行冷凝的冷凝器、接通在冷凝器出口的分流器、连通分流器第一出口与工质储存室入口的第一工质泵以及连通分流器第二出口与温海水蒸发器进口的第二工质泵，工质储存室出口还连通第二工质泵入口；
所述热熔盐蓄热模块包括依照热熔盐流动方向依次首尾连通的冷熔盐储罐、冷熔盐泵、太阳能吸热器、热熔盐储热罐、热熔盐泵以及热熔盐换热室的放热管路，热熔盐换热室的吸热管路的两端分别连通温海水蒸发器出口与透平机进口，从而实现对循环工质的二次加热；
所述氢能生产模块包括由透平机驱动的发电机、由发电机供电的电解水装置、连通电解水装置阳极与储氧罐的氧气压缩机以及连通电解水装置阴极与储氢室的氢气压缩机。
所述冷凝器上还连通伸入深海且带有冷海水泵的管道，以通过深海水带走冷凝器中循环工质液化释放出的热量。
所述冷熔盐储罐上配有液位计。
所述冷熔盐储罐与冷熔盐泵之间的管道中、所述热熔盐储热罐与热熔盐泵之间的管道中、所述透平机进口与热熔盐换热室之间的管道中以及所述温海水蒸发器出口与热熔盐换热室之间的管道中分别配有阀门；
所述分流器与第一工质泵之间的管道中、分流器与第二工质泵之间的管道中以及工质储存室出口与第二工质泵之间的管道中分别配有阀门。
所述冷凝器与冷海水泵之间的管道中配有阀门。
所述储氧罐与氧气压缩机之间的管道中以及高压储氢室与氢气压缩机之间的管道中分别配有阀门。
所述温海水蒸发器为沉浸式管式蒸发器；所述冷凝器为管壳式换热器。
所述循环工质为氨；所述热熔盐为60％NaNO3与40％KNO3的复合熔盐。
所述储氢室为高压储氢室。
本实用新型的有益效果包括以下几个方面：
本实用新型提供的热熔盐蓄热的海洋温差能-太阳能联合氢能生产系统实现了海洋温差能、太阳能的综合利用。循环过程中循环工质汽化所需的大量能量通过沉浸式海水换热器从温海水中获取，实现了储量巨大的海洋温差能的有效利用。使用沉浸式换热器不需要对海水进行预处理，且不易出现管道堵塞，运营维护成本较低,适合于系统的长期运转。在此基础上，本系统增加了热熔盐蓄热模块，将太阳能转换为熔盐的热能，一方面提高了循环工质的进口温度，增大了系统的效率，另一方面可通过熔盐进行蓄热，白天、夜晚均可加热循环工质，实现了系统的全天运行。
所述热熔盐蓄热的海洋温差能-太阳能联合氢能生产系统选择氢能作为储能方式。氢能是纯绿色、无污染的能源，大力发展氢能是解决能源危机的重要途径之一。本系统工作于海上，使用氢能作为储能方式不仅可以实现能源的长期储存，而且在生产使用过程中绿色环保，符合当今能源产业的发展需求。
所述热熔盐蓄热的海洋温差能-太阳能联合氢能生产系统运行过程中无任何污染物排放，是清洁、绿色的多能互补发电储能系统。
附图说明
图1是本实用新型的系统结构图。
图2是本实用新型中海洋温差能-太阳能联合发电模块流程示意图。
图3是本实用新型中热熔盐蓄热模块流程示意图。
图4是本实用新型中氢能生产模块流程示意图。
附图标记说明：
1为温海水蒸发器，2为热熔盐换热室，3为冷熔盐储罐，4为液位计，5为冷熔盐泵，6为太阳能吸热器，7为热熔盐储热罐，8为热熔盐泵，9为透平机， 10为发电机，11为电解水装置，12为储氧罐，13为氧气压缩机，14为氢气压缩机，15为储氢室，16为冷凝器，17为冷海水泵，18为分流器，19为第一工质泵，20为工质储存室，21为第二工质泵，22-31均为管路中的阀门。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型做进一步的详细描述。
图1为本实用新型提供的一种热熔盐蓄热的海洋温差能-太阳能联合氢能生产系统的系统图。根据其中各部分的功能可将其分为海洋温差能-太阳能联合发电模块、热熔盐蓄热模块及氢能生产模块三个模块。海洋温差能-太阳能联合发电模块包括温海水蒸发器1、热熔盐换热室2、透平机9、发电机10、冷凝器16、冷海水泵17、分流器18、第一工质泵19、工质储存室20、第二工质泵21及若干阀门；热熔盐蓄热模块包括冷熔盐储罐3、液位计4、冷熔盐泵5、太阳能吸热器6、热熔盐储热罐7、热熔盐泵8；氢能生产模块包括电解水装置11、储氧罐12、氧气压缩机13、氢气压缩机14、储氢室15及若干阀门。
图2所示为本实用新型海洋温差能-太阳能联合发电模块构成图。循环工质在温海水蒸发器a中受热蒸发，之后在热熔盐换热室b中二次受热成为高温蒸汽，高温蒸汽进入发电装置中发电。乏汽通过冷凝器d冷凝后流回温海水加热器a 开始下一次循环。
所述海洋温差能-太阳能联合发电模块中选取氨为循环工质，压力为0.6MPa 时其沸点为9.30℃；氨具有良好的热力学性能，且其臭氧衰减指数(ODP)与温室效应指数(GWP)为0。
所述海洋温差能-太阳能联合发电模块中的温海水蒸发器(1)布置在海下近海面处，此处平均温度约为26℃左右，液态循环工质在其中受热蒸发为气态；所述温海水蒸发器为沉浸式管式蒸发器；而后氨气体在热熔盐换热室(2)中受热升温至300℃左右，主氨气压力为0.9MPa。
海洋温差能-太阳能联合发电模块中冷凝器布置于海面上，配有扬程15m左右的冷海水泵将深海温度约4℃的海水泵至冷凝器中，深海水的温度低于循环工质沸点，因此循环工质可在冷凝器中冷凝为液态，冷凝器为管壳式换热器；工质储存室容量足以储存循环内的全部循环工质，可在循环检修或中断时起到储存循环工质的作用，其具有冷却系统以保持循环工质液态储存。
图2所示流程的具体实施方案参照图1，如下所示：循环工质在温海水蒸发器1中受热蒸发成为气态。蒸发器1通过阀22与热熔盐换热室2接通，气态循环工质在热熔盐换热室2中进行二次受热成为高温蒸汽。热熔盐换热室2通过阀25与透平机9接通，高温蒸汽推动透平连接发电机10进行发电。透平机9 出口通过阀与冷凝器16接通。冷海水泵17用于将深海水通过阀29泵入冷凝器 16，在透平机中做功之后的乏汽进入冷凝器16，并通过深海水冷凝成为液态循环工质。冷凝器16出口布置有分流器18，其第一出口通过阀30与第一工质泵 19接通，第一工质泵用于将冷凝后的液态循环工质泵入工质储存室20进行储存；分流器的第二出口通过阀29与工质泵21入口接通，工质储存室出口也通过阀 31与第二工质泵21入口接通。通过阀29、阀30、阀31可根据需求控制循环结束后的液态循环工质进入工质储存室20或直接进入下一个循环。第二工质泵21 出口与温海水蒸发器1进口接通，液态循环工质通过第二工质泵21泵入温海水蒸发器1开始新的循环。
图3所示为本实用新型热熔盐蓄热模块流程图。冷熔盐存储在冷熔盐储罐a 中，白天光热充足时，太阳能吸热器吸收热量可将热熔盐加热至500℃左右；通过冷熔盐泵将熔盐泵至太阳能吸热器(如太阳能集热板)加热，受热后的热熔盐，一部分直接通过热熔盐泵泵至热熔盐换热室d中加热循环工质，另一部分存储于热熔盐储热罐c中备用，以维持系统在光热条件较差或黑夜条件下的正常运转。
热熔盐蓄热模块中的热熔盐选取60％NaNO3与40％KNO3复合熔盐，该熔盐在220℃时开始熔化，且在600℃以下热性能稳定。
图3所示流程的具体实施方案参照图1，如下所示：冷熔盐储罐3配有液位计4，通过阀23与冷熔盐泵5接通，冷熔盐泵5将热熔盐泵至太阳能吸热器6 中吸热并存储在热熔盐储热罐7中；热熔岩储罐通过阀24与热熔盐泵8接通；光热充足时，部分热熔盐通过热熔盐泵8泵至热熔盐换热室2中加热循环工质，维持系统的正常运转；另一部分热熔盐将存储备用，并在光热条件较差或黑夜条件下通过热熔盐泵8泵至热熔盐换热室2中加热循环工质，以此实现系统的全天运行。
图4所示为本实用新型氢能生产模块构成图。发电装置a驱动电解水装置b，电解后阳极产生的氧气收集并存储起来(如通入储氧罐c)，生产出的氧气可直接售出或用于其他用途。阴极产生的氢气进入储氢室d，存储的氢气作为主产品供给远洋渔船、海底工作站等通过燃料电池等进行充电。
电解水装置的形式可选取质子交换膜电解槽，电极可参考氢氧化镍、硫化镍包裹泡沫状镍结构，在阳极上包裹带负电荷的涂层实现海水直接电解；储氢室需实现氢气的长时间储存，可选取工作压力为35MPa左右的高压储氢室。
图4所示流程的具体实施方案参照图1，如下所示：海洋温差能-太阳能联合发电模块中的发电机10向电解水装置11提供电能，选取氢氧化镍、硫化镍包裹泡沫状镍结构的电极可将提取的海水直接电解为氢气和氧气，电解水装置11 阳极与氧气压缩机13连接，阳极产生的氧气通过氧气压缩机13进入储氧罐12 存储；阴极通过阀26与氢气压缩机14连接，阴极产生的氢气通过氢气压缩机 14进入储氢室15中储存。
下面以循环工质流量2.13t/h为例对整个系统的工作效率与发电功率进行计算。设定氨气透平进口温度300℃，进口压力0.9MPa。循环工质在氨气透平内理想焓降为715.72kJ/kg，取氨气透平效率、发电机效率分别为0.35与0.8，则系统额定发电效率为10.3％，发电机的发电功率为118.6kW。系统中主要的功率消耗为冷海水泵17与工质泵21。冷海水的平均温度为4℃，而氨气的沸点为9.30 ℃，考虑实际热量损耗，取冷凝器16的实际进出口温差为5℃，换热效率取0.8 时所需冷海水量为155.6m3/h；取水泵扬程15m，抽水效率为0.8，则冷海水泵 17的耗功为7.9kW。循环工质循环过程中所需60％NaNO3与40％KNO3复合熔盐量约为6.6t/h，为维持夜间系统正常工作需热熔盐储量79.1t。我国南海平均太阳辐射能为6763MJ/m2a，以此算得本系统所需太阳能集热装置面积约2409.0m2。为了满足循环要求，工质泵21的扬程应为100m左右，取泵效率为0.8，则工质泵21耗功0.4kW。假设系统其它设备及工作人员日常生活所需功率取10.0kW，则系统运行过程中可输出100kW的电能用于氢能的生产。
Claims (9)
1.一种热熔盐蓄热的海洋温差能-太阳能联合氢能生产系统，其特征在于：包括海洋温差能-太阳能联合发电模块、热熔盐蓄热模块及氢能生产模块，以利用海洋温差能、太阳能产生电能并转化为氢能储存，并同时产生氧气作为副产品；
所述海洋温差能-太阳能联合发电模块，包括布置在海下近海面处以使循环工质受热蒸发的温海水蒸发器(1)、与温海水蒸发器接通以将循环工质加热为高温蒸汽的热熔盐换热室(2)、与热熔盐换热室接通以接受高温蒸汽驱动进而带动发电机的透平机(9)、与透平机出口接通以对做功后的乏汽进行冷凝的冷凝器(16)、接通在冷凝器出口的分流器(18)、连通分流器第一出口与工质储存室(20)入口的第一工质泵(19)以及连通分流器第二出口与温海水蒸发器进口的第二工质泵(21)，工质储存室出口还连通第二工质泵入口；
所述热熔盐蓄热模块包括依照热熔盐流动方向依次首尾连通的冷熔盐储罐(3)、冷熔盐泵(5)、太阳能吸热器(6)、热熔盐储热罐(7)、热熔盐泵(8)以及热熔盐换热室(2)的放热管路，热熔盐换热室的吸热管路的两端分别连通温海水蒸发器出口与透平机进口，从而实现对循环工质的二次加热；
所述氢能生产模块包括由透平机驱动的发电机(10)、由发电机供电的电解水装置(11)、连通电解水装置阳极与储氧罐(12)的氧气压缩机(13)以及连通电解水装置(11)阴极与储氢室(15)的氢气压缩机(14)。
2.根据权利要求1所述的热熔盐蓄热的海洋温差能-太阳能联合氢能生产系统，其特征在于：所述冷凝器上还连通伸入深海且带有冷海水泵(17)的管道，以通过深海水带走冷凝器中循环工质液化释放出的热量。
3.根据权利要求2所述的热熔盐蓄热的海洋温差能-太阳能联合氢能生产系统，其特征在于：所述冷熔盐储罐上配有液位计(4)。
4.根据权利要求3所述的热熔盐蓄热的海洋温差能-太阳能联合氢能生产系统，其特征在于：
所述冷熔盐储罐与冷熔盐泵之间的管道中、所述热熔盐储热罐与热熔盐泵之间的管道中、所述透平机进口与热熔盐换热室之间的管道中以及所述温海水蒸发器出口与热熔盐换热室之间的管道中分别配有阀门；
所述分流器与第一工质泵之间的管道中、分流器与第二工质泵之间的管道中以及工质储存室出口与第二工质泵之间的管道中分别配有阀门。
5.根据权利要求4所述的热熔盐蓄热的海洋温差能-太阳能联合氢能生产系统，其特征在于：所述冷凝器与冷海水泵之间的管道中配有阀门。
6.根据权利要求5所述的热熔盐蓄热的海洋温差能-太阳能联合氢能生产系统，其特征在于：所述储氧罐与氧气压缩机之间的管道中以及高压储氢室与氢气压缩机之间的管道中分别配有阀门。
7.根据权利要求6所述的热熔盐蓄热的海洋温差能-太阳能联合氢能生产系统，其特征在于：所述温海水蒸发器为沉浸式管式蒸发器；所述冷凝器为管壳式换热器。
8.根据权利要求7所述的热熔盐蓄热的海洋温差能-太阳能联合氢能生产系统，其特征在于：所述循环工质为氨；所述热熔盐为60％NaNO3与40％KNO3的复合熔盐。
9.根据权利要求8所述的热熔盐蓄热的海洋温差能-太阳能联合氢能生产系统，其特征在于：所述储氢室为高压储氢室。
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Cited By (2)
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| CN115355084A (zh) * | 2022-08-22 | 2022-11-18 | 哈尔滨工业大学 | 一种基于光热及尾气余热分解氨的掺氢内燃机发电系统 |
| CN115355084B (zh) * | 2022-08-22 | 2023-06-16 | 哈尔滨工业大学 | 一种基于光热及尾气余热分解氨的掺氢内燃机发电系统 |
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