專利名稱：海洋溫差能－太陽能重熱循環(huán)發(fā)電方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種海洋溫差能—太陽能重熱循環(huán)發(fā)電方法，是在傳統(tǒng)的閉式海洋溫差發(fā)電系統(tǒng)(Ocean Thermal Energy Conversion Closed Cycle，CC-OTEC)的基礎(chǔ)上，結(jié)合太陽能再次加熱低沸點工質(zhì)，以提高發(fā)電效率的方法。
背景技術(shù)：
海洋溫差能是指海洋表層海水和深層海水之間水溫之差的能量。利用這一溫差可以實現(xiàn)熱力循環(huán)并發(fā)電。我國南海地處北回歸以南，屬熱帶氣候，大陽輻射強烈，表層水溫全年在25℃以上，而500～800米以下的深層水溫在5℃以下，溫差達20℃～24℃，蘊藏著豐富的溫差能資源。
海洋溫差能發(fā)電的概念是1881年由法國物理學(xué)家阿松瓦爾(Jacques Arsened′Arsonval)提出的。1930年克勞德(Claude)首次利用海洋溫度差發(fā)電成功，證實了其可行性。
海洋溫差發(fā)電主要采用開式和閉式兩種循環(huán)系統(tǒng)。在閉式循環(huán)中，來自海洋表層的溫海水先在熱交換器(蒸發(fā)器)內(nèi)將熱量傳給丙烷、氨等低沸點工質(zhì)，使之蒸發(fā)，工質(zhì)蒸發(fā)變成蒸氣推動汽輪機膨脹做功，汽輪機排出的工質(zhì)再進入冷凝器，被冷水泵抽上的深層冷海水冷卻后重新變?yōu)橐簯B(tài)，用工質(zhì)泵把冷凝器中的液態(tài)工質(zhì)重新壓進蒸發(fā)器，以供循環(huán)使用(顏希文，地球上最大的太陽集熱器——海洋溫差能簡析，中國新能源網(wǎng)，http//www.newenergy.com.cn/)。
研究表明，由于海水冷熱溫度相差不大，傳統(tǒng)的海洋溫差發(fā)電系統(tǒng)效率極低。如果以氨氣為循環(huán)工質(zhì)，在海水表層溫度為25℃，深層溫度為5℃時，理想朗肯循環(huán)(Rankin Cycle)的效率只有約1.74％。由于實際循環(huán)過程還包括各部件的損失，可能使循環(huán)所發(fā)出的電力還不足以提供維持系統(tǒng)循環(huán)所需要的能量，使得傳統(tǒng)的海洋溫差發(fā)電系統(tǒng)一直以來很難得到推廣應(yīng)用。
太陽能既是一次能源，又是可再生能源。與海洋溫差能一樣，它資源豐富，既可免費使用，又無需運輸，對環(huán)境無任何污染。在熱帶地區(qū)太陽平均輻射強度可以達到210～250W/m2。與海洋溫差能結(jié)合，組成新的熱力循環(huán)系統(tǒng)，可以實現(xiàn)能源的綜合開發(fā)和利用。目前未見有關(guān)這方面的研究文獻公開報道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于對傳統(tǒng)的閉式海洋發(fā)電系統(tǒng)進行改進，提出一種新型的海洋溫差能—太陽能重熱循環(huán)發(fā)電方法，提高循環(huán)工質(zhì)冷熱源溫差，從而提高系統(tǒng)循環(huán)效率，促進其實用化。
為實現(xiàn)這樣的目的，本發(fā)明是以海洋表面25℃左右的海水作為預(yù)熱源，以海洋深層500～800米以下5℃左右冷海水作為冷源，以太陽能作為主熱源，構(gòu)建一個低沸點工質(zhì)閉式流動循環(huán)系統(tǒng)。其中，太陽能可以將熱源的溫度提高20～50℃。循環(huán)過程中液態(tài)7～12℃的低沸點工質(zhì)由工質(zhì)泵提高壓力，輸送到預(yù)熱器中，由海洋表層海水對工質(zhì)進行預(yù)加熱后，再利用太陽能集熱器對工質(zhì)進行二次加熱，直至達到工質(zhì)氣體過熱狀態(tài)，過熱的工質(zhì)氣體進入透平，推動透平旋轉(zhuǎn)做功，由發(fā)電機組將電力輸出。從透平排出的工質(zhì)為7～12℃近飽和態(tài)的氣體，再由海洋深層低溫海水通過冷凝器冷卻到液體狀態(tài)，由工質(zhì)泵提高其壓力送入預(yù)熱器，完成工質(zhì)動力循環(huán)過程。在這一循環(huán)過程中，可以不斷地將海水的溫差變成電力，由此實現(xiàn)海洋溫差能—太陽能重熱循環(huán)發(fā)電。
本發(fā)明的方法可以采用以下步驟實現(xiàn)1.約7～12℃飽和液態(tài)工質(zhì)由工質(zhì)泵加壓送入預(yù)熱器中。預(yù)熱器中工質(zhì)壓力為工質(zhì)30～50℃所對應(yīng)的蒸發(fā)壓力。
2.工質(zhì)在預(yù)熱器內(nèi)被海洋表面25℃左右的海水加熱到20℃以上，仍舊保持液態(tài)。
3.從預(yù)熱器流出的液態(tài)工質(zhì)進入太陽能集熱器，進一步被加熱。經(jīng)過太陽能集熱器的液態(tài)加熱區(qū)、兩相加熱區(qū)和過熱區(qū)的加熱，成為60～80℃的過熱氣體。
太陽能集熱器中工質(zhì)壓力仍為其30～50℃所對應(yīng)的蒸發(fā)壓力。
為了提高工質(zhì)溫度，需要采用聚焦型太陽能集熱器將工質(zhì)進一步過熱。太陽能集熱器可采用熱管式換熱器形式。
4.從太陽能集熱器流出的工質(zhì)氣體進入蒸汽透平，推動透平做功輸出功率，該功率可由發(fā)電機轉(zhuǎn)化為電力輸出或直接輸出。
經(jīng)過蒸汽透平后工質(zhì)仍舊為過熱氣體，壓力降低到7～12℃時對應(yīng)的蒸發(fā)壓力，溫度也同時降低到15℃以下。
5.由蒸汽透平排出的氣態(tài)工質(zhì)，進入冷凝器中，被海洋深層海水冷凝成7～12℃的飽和液。
海洋深層海水約5℃左右，取自海平面500～800米以下。海洋深層冷海水采用海水泵經(jīng)過絕熱材料管道提取到海平面以上。
根據(jù)連通器原理，海水泵所消耗的泵功只是為了維持深層海水在管道中流動所需要動能和克服摩擦損失。
6.從冷凝器流出的工質(zhì)由工質(zhì)泵加壓送入預(yù)熱器中，從而完成循環(huán)過程，實現(xiàn)系統(tǒng)的電力輸出。
整個循環(huán)過程所需要的電力可以完全由系統(tǒng)自身提供，并有額外電力輸出，所以可以實現(xiàn)系統(tǒng)的發(fā)電。
本發(fā)明的方法通過對海洋溫差能和太陽能的循環(huán)利用，不僅有效提高了發(fā)電效率，還充分利用豐富的自然資源，所采用的潔凈能源對環(huán)境不會造成污染，具有廣闊潛在的應(yīng)用前景。


圖1是本發(fā)明海洋溫差能—太陽能重熱循環(huán)發(fā)電方法流程圖。
具體實施例方式
本發(fā)明海洋溫差能—太陽能重熱循環(huán)發(fā)電方法流程如圖1所示，所涉及的系統(tǒng)由蒸汽透平、發(fā)電機、太陽能集熱器、預(yù)熱器、冷凝器、工質(zhì)泵、海水泵等部件以及連接各部件之間的管道組成。
根據(jù)海洋溫差能—太陽能重熱循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)要求，應(yīng)選用在氣相區(qū)比熱大，而汽化潛熱比較小的工質(zhì)。這樣，可以減少預(yù)熱器、太陽能集熱器和冷凝器的尺寸和換熱量。
以下以氨工質(zhì)為例，采用循環(huán)的蒸發(fā)溫度為50℃，蒸發(fā)壓力為20.3bar，冷凝溫度為10℃，冷凝壓力為6.15bar，來說明循環(huán)流程。實施例所涉及的參數(shù)不對本發(fā)明構(gòu)成限制。
1.10℃左右的氨飽和液由液氨泵提高壓力至20.3bar以上送入預(yù)熱器中。
2.液氨可在預(yù)熱器內(nèi)被海洋表面25℃左右的海水加熱到20℃以上。
3.從預(yù)熱器流出的20℃以上液氨進入太陽能集熱器，進一步被加熱。在約20.3bar的壓力下經(jīng)過蒸發(fā)、過熱。采用聚焦型太陽能集熱器可將氨過熱到80℃。
4.從太陽能集熱器流出的約80℃、20.3bar過熱氨氣進入蒸汽透平，推動透平旋轉(zhuǎn)做功并輸出功率，該功率可由發(fā)電機轉(zhuǎn)化為電力輸出。
經(jīng)過蒸汽透平后氨氣的壓力降低到約6.15bar，理想情況下，溫度會降低到10℃，成為濕蒸汽。
5.由蒸汽透平排出的濕蒸汽，進入冷凝器被取自海洋深層500米左右5℃的海水冷凝成10℃的氨液。
6.從冷凝器流出氨液由氨泵送入預(yù)熱器中，從而完成循環(huán)過程，實現(xiàn)系統(tǒng)的電力輸出。
該系統(tǒng)理想朗肯循環(huán)的效率可以達到11.9％。與無重熱循環(huán)相比，采用太陽能二次加熱后可以成倍提高循環(huán)效率。考慮到實際循環(huán)中各部件的損失和管路損失，在蒸汽透平、海水泵和工質(zhì)泵效率均為60％的情況下，本方法的發(fā)電效率可以達到3.3％，從而提高了整個系統(tǒng)的實用性。
權(quán)利要求
1.一種海洋溫差能—太陽能重熱循環(huán)發(fā)電方法，其特征在于包括如下步驟1)7～12℃飽和液態(tài)工質(zhì)由工質(zhì)泵加壓送入預(yù)熱器中，預(yù)熱器中工質(zhì)壓力為工質(zhì)30～50℃所對應(yīng)的蒸發(fā)壓力；2)工質(zhì)在預(yù)熱器內(nèi)被海洋表面海水加熱到20℃以上，仍舊保持液態(tài)；3)從預(yù)熱器流出的液態(tài)工質(zhì)進入太陽能集熱器，經(jīng)太陽能集熱器的液態(tài)加熱區(qū)、兩相加熱區(qū)和過熱區(qū)的進一步加熱，成為60～80℃的過熱氣體，太陽能集熱器中工質(zhì)壓力仍為其30～50℃所對應(yīng)的蒸發(fā)壓力；4)從太陽能集熱器流出的工質(zhì)氣體進入蒸汽透平，推動透平做功輸出功率，該功率由發(fā)電機轉(zhuǎn)化為電力輸出或直接輸出；經(jīng)過蒸汽透平后工質(zhì)仍為過熱氣體，壓力降低到7～12℃時對應(yīng)的蒸發(fā)壓力，溫度也同時降低到15℃以下；5)由蒸汽透平排出的氣態(tài)工質(zhì)，進入冷凝器中，被海洋深層海水冷凝成7～12℃的飽和液；其中海洋深層海水取自海平面500～800米以下，采用海水泵經(jīng)過絕熱材料管道提取到海平面以上；6)從冷凝器流出的工質(zhì)由工質(zhì)泵加壓送入預(yù)熱器中，從而完成循環(huán)過程，實現(xiàn)系統(tǒng)的電力輸出。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的海洋溫差能—太陽能重熱循環(huán)發(fā)電方法，其特征在于所述太陽能集熱器為聚焦型太陽能集熱器，為熱管式換熱器形式。
全文摘要
一種海洋溫差能－太陽能重熱循環(huán)發(fā)電方法，以海洋表面海水作為預(yù)熱源，以海洋深層500～800米以下冷海水作為冷源，以太陽能作為主熱源，構(gòu)建一個低沸點工質(zhì)閉式流動循環(huán)系統(tǒng)。液態(tài)低沸點工質(zhì)由工質(zhì)泵提高壓力后輸送到預(yù)熱器中，由海洋表層海水對工質(zhì)進行預(yù)加熱，再利用太陽能集熱器對工質(zhì)進行二次加熱，直至達到工質(zhì)氣體過熱狀態(tài)，過熱的工質(zhì)氣體進入透平，推動透平旋轉(zhuǎn)做功，由發(fā)電機組將電力輸出。從透平排出的工質(zhì)再由海洋深層低溫海水通過冷凝器冷卻到液體狀態(tài)，由工質(zhì)泵提高其壓力送入預(yù)熱器，完成工質(zhì)動力循環(huán)過程。在這一循環(huán)過程中，可以不斷地將海水的溫差變成電力，由此實現(xiàn)海洋溫差能－太陽能重熱循環(huán)發(fā)電。
文檔編號F03G7/05GK1673527SQ20051002458
公開日2005年9月28日 申請日期2005年3月24日 優(yōu)先權(quán)日2005年3月24日
發(fā)明者王彤, 谷傳綱, 楊波, 帥科 申請人:上海交通大學(xué)