浮式太阳能集热器辅助海洋热能转换发电机

摘要

一种海洋热能转换(OTEC)系统，所述系统包括一具有一上游侧及一下游侧的涡轮。温水在部分真空条件下转换为一蒸汽，在一由所述温水的温度控制的压力下，所述蒸汽被供应至所述涡轮的上游侧。所述涡轮的下游侧设置有一冷凝器，以使所述蒸汽在经过所述涡轮之后经历相转变而恢复为液体，而此液体可作为饮用水使用。所述冷凝器连接至一冷却液源，而在所述涡轮下游侧的蒸汽的压力由所述冷却液的温度决定。小温差导致小压差，这限制了所述涡轮的有效性。一挠性浮式太阳能集热器在高于标准环境温度的温度条件下，向所述上游侧供应所述暖温液体。

说明书

相关申请的交叉引用

本申请涉及于2012年8月29日提交的美国61/743,236号临时专 利申请(US Provisional Applications Serial Number 61/743,236)及于 2013年2月5日提交的美国61/849,927号临时专利申请(US Provisional  Applications Serial Number 61/849,927)，并对上述美国临时专利申请 的所有权益提出要求。

背景技术

自1920年代后期及1930年代早期，人们已经对海洋热能转换 (Ocean Thermal Energy Conversion,OTEC)系统进行了研究，并 且根据于19世纪中叶开发的“朗肯循环”(Rankine Cycle)的原理， 对小规模的海洋热能转换系统进行了试验。这些系统涉及一种具有 一上游侧及一下游侧的涡轮。在所述涡轮的上游侧，暖温液体在部 分真空条件下转换为一蒸汽，而在此过程中，蒸汽压力则由暖温液 体的温度控制。所述涡轮的下游侧设置有一冷凝器，以使所述蒸汽 在经过所述涡轮之后经历相转变而恢复为液体。所述冷凝器连接至 一冷却液源，而在所述涡轮下游侧的蒸汽的压力由所述冷却液的温 度决定。小温差导致小压差，这限制了所述涡轮的有效性。

为了增加温差，海洋热能转换(OTEC)系统通常位于可利用 深水而且海洋表面温度为最高且日照时间最长的地方。一般上，最 有利的场址接近赤道。为了进一步增加温差，典型的海洋热能转换 (OTEC)系统利用从大约1000米的极端海洋深度抽上来的海水作 为冷却液。然而，典型的海洋热能转换(OTEC)系统利用它们所 能产生的能量的大约80％来泵送温热表面水以及从所述极端深度 将冷却水泵上来。

图1中显示一典型的采用先前技术的陆基开环海洋热能转换 (OTEC)系统10毗邻一水体。所述系统10具有一温水入口14， 该温水入口14靠近水体表面40，一般上在该温水入口14处的水温 度t₂为大约27℃。在深度为大约1000米处设有一冷水入口12，一 般上在该冷水入口12处的水温度t₁为大约5℃。温水通过温水入口 14带入并泵入一温水脱气箱16。借助一真空泵22，从蒸发箱18泵 出空气，以实现部分真空。脱气温水接着从所述脱气箱16泵入所述 蒸发箱18，这导致一部分脱气温水闪蒸为蒸汽，因此使蒸发箱18 中的压力增加至一初始压力P₁。所述蒸汽接着被进给至涡轮26的 上游侧。所述蒸汽接着经过涡轮26，到达涡轮26的下游侧，然后 进入冷凝器20。由于获供由泵24从冷水入口12泵上来的冷水，所 述冷凝器20的温度保持在温度t₁。所述蒸汽在冷凝器20中冷凝导 致冷凝器20中及涡轮26下游侧的压力降低至一排出压力P₂，排出 压力P₂低于初始压力P₁。压差ΔP＝P₁–P₂导致蒸汽流动通过涡轮 26，使涡轮26旋转。涡轮26接着驱动发电机28。以冷凝蒸汽为形 式的水可以从冷凝器20中抽取，然后存储在一水箱30中，作为饮 用水或蒸馏水使用。所述发电机28可以连接至一合适电网42，供 分配及使用。

许多较大困难已经阻止采用先前技术的海洋热能转换(OTEC) 系统实现商业上之成功。第一困难在于在面对海洋中经常遇到的汹 涌海流条件下，在1000米深处设置及维护直径为10米的大管。第 二困难在于典型系统的固有无效率。在温度变化Δt＝t₂–t₁为20℃ 条件下对“卡诺效率”(Carnot efficiency)进行的分析显示，一系 统能够达到的最佳效率为大约7％。在实践中，由于涡轮入口及出 口之间的泵压差ΔP低(大约0.4psi)、泵气损失及温度变化Δt's小， 目前的海洋热能转换(OTEC)系统的效率介于大约1％及2％之间。

到目前为止人们试图设计的许多所述系统的另一问题在于它们 是陆基系统，而深海冷水不仅必须从所述深度处泵上来，还必须泵 送经一可观横向距离才能到达岸上发电厂，这导致压力损失及冷却 水升温。海滨土地可能昂贵得让人不敢问津，而且由于飓风而存在 危险。温差最高地区(赤道大西洋)并不靠近需要大量能量的地区。 在过去，整个系统的生物污损也曾导致严重故障。

现在需要的是一种能够有效地及有效率地利用由海洋中的选定 区域显示的自然温差来产生稳定水平的可用电力的替代设备。

发明内容

本设计的海洋热能转换(OTEC)系统可以包括一连接至所述 温水入口的大型挠性浮式太阳能集热器。所述太阳能集热器可以向 所述蒸发器-蒸汽产生器供应大量的很热的水(温度为大约 80℃～85℃)，这减少了为提供所需蒸汽量而需要的水量。在温度变 化Δt为73℃至78℃时，提高的入口温度使“卡诺效率”改进至 大约21％。

本设计的海洋热能转换(OTEC)系统可以包括一位于海水表 面或靠近海水表面(而不是位于大深度处)的冷却水入口。利用表 面海水(而不是深海水)来冷却所述冷凝器去除了对深水水管的需 要，而且在温度变化Δt为53℃至58℃时使“卡诺效率”只降低 至大约17％。

连同在一船只上放置所述发电机涡轮以及围绕所述船只连接所 述大型挠性浮式太阳能集热器一起建造本设计的海洋热能转换 (OTEC)系统的所述蒸发器部分及冷凝器部分，使泵送距离最小 化并因此使由于压力损失及热损失而造成的效率损失最小化。可以 添加一大型绝缘浮池，热水可以在白天从所述太阳能集热器沉积在 所述大型绝缘浮池中，然后在傍晚及夜间抽取，以使所述发电机船 每周7日、每日24小时保持运作。

此外，本设计的海洋热能转换(OTEC)系统不再需要位于赤 道上以获得最大温度变化Δt's来改善效率。现在因为有了以所述太 阳能集热器热水器改善的系统，一海洋热能转换(OTEC)系统可 以有效率地安装在水不结冰及有有效日照的任何地方。如果所述系 统在一船只上，则也可以移动该系统以避免严酷天气。

从以下关于附图中描绘的优选实施例的讨论，本海洋热能转换 (OTEC)系统的其他特征及优势以及这些特征的相应优势当变得 显然。所述附图中的构件并非一定成比例，而附图的重点是放在描 绘操作原理。此外，附图尽可能在全部视图中以相同编号指明相应 的部件。

附图说明

图1为一典型的采用先前技术的陆基开环海洋热能转换 (OTEC)系统的示意图。

图2为本设计的具有一浮式太阳能集热器/热交换器的一陆基开 环海洋热能转换(OTEC)设施的示意图。

图3为本设计的一挠性浮式太阳能集热器/热交换器的示意图。

图4为本设计的具有一浮式太阳能集热器/热交换器及一近表面 冷却水入口的一陆基开环海洋热能转换(OTEC)设施的示意图。

图5为本设计的具有一浮式太阳能集热器/热交换器及一近表面 冷却水入口的一船基开环海洋热能转换(OTEC)设施的示意图。

图6为类似图3的一示范性太阳能集热器的测得温度上升的曲 线图。

具体实施方式

图2显示本设计的一海洋热能转换(OTEC)系统的第一实施 例，所述系统可以包括一个或多个大型浮式太阳能集热器32。所述 太阳能集热器32设计用来使被引入温水入口14的水加热至超过水 体40的毗邻水体的表面温度的一温度t₂。所述太阳能集热器32可 以不昂贵地建造，例如通过缝合至少两层塑料材料以形成一浮式支 撑，用于支持一连接至所述温水入口14的管。在图2显示的实施例 中，如同图1显示的先前技术一样，由于获供由泵24从冷水入口 12泵上来的冷水，所述冷凝器20保持在温度t₁。进入温水入口14 的水的这个较高温度t₂转化为一比结合图1讨论的采用先前技术中 存在的温度变化来得更大的温度变化Δt。此外，由于水被引入所述 蒸发箱18以形成蒸汽，一般代表引入体积的90％或更多的未被转 换为蒸汽的水，可以通过一再循环管19再循环到所述太阳能集热器 32。再循环水的温度已经通过蒸汽蒸发过程冷却，但其温度还是比 表面海水来得高，从而减少为达到所需温度t₂而需要的太阳能的量。 这种再循环也使得用于使进入所述脱气箱18的水脱气所需的能量 减少多达七倍，这是由于所述进水的至少一部分先前已经通过所述 脱气过程。

在一实施例中，所述太阳能集热器32可以是图3中显示的一挠 性浮式太阳能集热器，其以沿着一接合缝31彼此毗邻接合的多个反 射片33建造。一透明或半透明的覆盖件35也可以沿着接合缝31 连接至所述反射片33的边缘。所述反射片33与所述覆盖件35之间 的空间可以以一轻于水的材料(比如空气)填充，以使所述反射表 面保持一接近类似抛物线槽的外形。也可以包括附加的中腹板35A， 以增强所述反射片33与所述覆盖件35之间的结构关系。可以将一 管34(优选黑色或其他光吸收颜色或质地)安装到所述覆盖件35 的中间部分，使得能够定位于相对所述太阳能集热器32的反射曲面 33的一最佳位置，以将阳光发射到所述管34。所述管34可以包括 弯曲的中间部分34A，使得形成设置在毗邻的覆盖件35的最佳点的 一蜿蜒图样。优选地，所述反射片33将照射在管34的所述集热器 32上的可用阳光的大约60％聚焦。可以将多个挠性浮式太阳能集热 器32排列在一起，使得当一个太阳能集热器32存在任何维护问题 时，可以在不影响经加热的水从其余功能正常的太阳能集热器32 流出的情况下将所述有问题的太阳能集热器32拿掉。

管34可以具有一连接到温水入口14的出口端。一与管34的所 述出口端相对的入口端可以轻易地置入毗邻水表面的周围水体40， 而且也可以连接至再循环管19。未在所述蒸发箱18中转换为蒸汽 的水的温度可以相对比周围环境的温度来得高(一般大约为58℃)。 使此水循环通过再循环管19可以提供额外效率，这是由于此水已经 “预热”及脱气，而且此举可以更快地使此水经太阳能加热至介于 80℃至85℃范围的期望输出温度。使用简单的水平式太阳能跟踪 器，可以使泵经管34的水由入射阳光加热至介于80℃至85℃范 围的温度。经加热的水可以运送至所述蒸发箱18，而经加热的水在 所述蒸发箱18在约为8.4psi的降低压力P₁下变成蒸汽。这个降低 压力蒸汽接着流经所述涡轮26而进入所述冷凝器20。所述冷凝器 20中的压力P₂随着所述蒸汽冷凝为水而降低至大约0.5psi。所述蒸 发箱18与所述冷凝器20之间的压差ΔP确保蒸汽以期望流率流经 所述涡轮26。所述涡轮26入口侧的相对较高蒸汽压力，加上所述 涡轮26出口侧的相对较低压力，导致所述涡轮26旋转。与以上讨 论的使用先前技术的装置相比，这个压差ΔP的20倍增量可使所述 涡轮26以高得多的速率及以更高的总效率驱动所述发电机28。

图4中显示的实施例去除所述深水水管及该水管的深水维护、 位置限制、从深处泵送大量冷水的成本、冷水的温度在其被带到表 面的过程中提高而造成的热损失。在本实施例中，进给至所述冷凝 器20的水的输入口12是位于与毗邻水体的表面40毗邻处，该处的 温度一般为27℃。从这个表面位置取得的温度较高的水一般只造成 “卡诺效率”从大约21％降低至大约17％，降幅为4％。图4中显 示的实施例提供来自多个太阳能集热器32的热水温度(t₁＝85℃) 与来自水体40表面的冷凝液的冷却水温度(t₂＝27℃)之间的一个 温度变化Δt(t₁-t₂＝58℃)。图4的实施例提供的温度变化Δt大于 图1的先前技术提供的17℃的温度变化Δt(Δt＝t₁-t₂)，其中t₁为来自毗邻水体的表面40的温水的温度(t₁＝27℃)，而t₂为抽自 深水的冷凝液的温度，温度约为10℃。

图5中显示的另一实施例可以包括一大型浮式热水箱36，用于 存储在白天取自所述太阳能集热器32的热水，以及在傍晚及夜间流 出热水，因此可每周7日、每日24小时工作。可以添加另外的太阳 能集热器32以便在其余的太阳能集热器32供应热水至所述蒸汽产 生器18时填充热水箱36。一个50x50x50立方英尺的水箱36将能 存储大约一百万加仑的热水。在一温度为27℃的海洋中，这样的 一个水箱36将在大约12小时的时间内从大约85℃冷却至大约 80℃，因此其可能提供一昼夜作业的太阳能热水来源。这个实施例 也可以包括一浮式可移动支撑38(比如一船只或一驳船)，所述浮 式可移动支撑38上具有一蒸发器18、一涡轮26、一发电机28、一 冷凝器20以及连接至所述浮式可移动支撑38周围的多个大型挠性 浮式太阳能集热器32。浮式热水存储箱36也可以连接到所述浮式 可移动支撑38或作为所述浮式可移动支撑38的一组成部分。可以 相对于所述浮式太阳能集热器32的出口，监测所述浮式热水存储箱 36中的水温度。可以在所述热水存储箱36中的水温度超过所述太 阳能集热器32的出口处的温度的任何时候，从所述浮式热水存储箱 36抽取热水。

本实施例也使用一装置42来将所产生的电配送到岸上的接收 站，但由于本实施例可移动，因此可避免恶劣天气。例如，所述配 电装置42可以包括一条或多条海底电力电缆，各海底电力电缆的第 一端连接至一陆基电力配送网络，其第二端由一浮筒支撑在海洋中 的期望位置。由所述浮式可移动支撑38支撑的系统可以定位为连接 至海底电力电缆的浮筒支撑第二端的其中之一，使得图5中显示的 系统所产生的电力可以在岸上利用。

图6为类似图3的一示范性太阳能集热器的测得温度上升的曲 线图。所述示范性太阳能集热器34由外直径大约为5cm的黑色单 壁高密度聚乙烯波纹管组成。所述管34位于一总面积为1.98m²的 40cm宽反射器32之上的中间位置。图6中显示的测试开始时空气 及水的环境温度为27℃。在经过49分钟暴露于阳光之后，所述管 34中的水温度上升至88℃。按比例加大这样的一个太阳能热交换 器，面积大约一公顷的太阳能集热器将含有稍多于27kL(千升) 的水。如果这样的系统中的水以稍高于9L/s(升/秒)的流率循环， 则水的循环时间将会是所述报道试验中使用的49分钟，而这个时间 足以在每一循环让水的温度提高接近60℃，以及足以将所增加的热 量输送到所述蒸汽产生器18。

以上说明中的描述并非意在限制本发明于此中揭示的材料。相 反地，这些描述只是为了阐明目的而已，这是由于本领域的技术人 员能够轻易地按比例决定本发明的尺寸及材料，以从小到大、从大 约10kW(千瓦)至1GW(千兆瓦)的任何规模的海洋热能转换 (OTEC)系统进行工作。开环系统产生供发电的蒸汽，然后使蒸 汽冷凝，产生大量的蒸馏水。这种系统的小版本将可轻易地用于任 何滨海场址，在紧急状况下向任何滨海场址提供电力及淡水。小系 统可以用于向远程位置(比如石油钻塔或小岛)供应水及电力。不 需为系统运送化石燃料。一个10兆瓦的发电厂每天将产生超过1 百万加仑的蒸馏水，而事实上其价值可能超过世界上某些地区产生 的电力。

虽然以上已就图解的优选实施例对这些特征进行揭示，对于本领 域的技术人员而言，属于以下权利要求中所详细说明的本发明的精神 范围内的其他实施例将是显而易见的。