海洋热能转换电站冷水管连接的制作方法
【专利摘要】用于与OTEC系统一起使用的离岸结构包括具有下部的浸没柱筒，该下部具有冷水入口。该冷水入口包括与冷水管流体连通的圆拱状终端。与冷水入口相邻的干燥机舱包括一个或多个冷水供应泵和一个或多个冷水管的上提保持绞盘，该上提保持绞盘具有连接到所述冷水管的上提缆绳。
【专利说明】海洋热能转换电站冷水管连接
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种海洋热能转换电站，更具体地涉及一种浮式的、最小起伏平台的、多级热机的海洋热能转换电站。
【背景技术】
[0002]全球能源消耗和需求一直以指数增长。这方面的需求预计将持续上升，特别是在亚洲和拉丁美洲的发展中国家。同时，传统的能源资源、即化石燃料正在加速减少并且开采化石燃料的成本持续上升。环境和监管方面的担忧正在加剧这一问题。
[0003]与太阳相关的可再生能源是可以为不断增长的能源需求提供一部分解决方案的一种可选的能源资源。由于与太阳相关的可再生能源与化石燃料、铀、甚至热力“绿色”能源不一样，很少存在或者不存在与其使用相关联的气候风险，所以与太阳相关的可再生能源有很大吸引力。另外，与太阳相关的能源是免费的并且极为丰富。
[0004]海洋热能转换(“0TEC”)是使用在海洋的热带区域中作为热量存储的太阳能来产生可再生能源的一种方式。全世界的热带大洋和大海提供了独特的可再生能源资源。在许多热带地区(在大约北纬20°与南纬20°之间)，表面海水的温度几乎保持恒定。直到大约100英尺深度，海水的平均表面温度随着季节在75° F至85° F或者更高之间变化。在同一区域，深层海水(在2500英尺至4200英尺之间或者更深)保持在相当恒定的40° F。因此，热带海洋结构在表面提供了大的热水储藏并且在深层提供了大的冷水储藏，并且热水储藏与冷水储藏之间的温差在35° F至45° F之间。该温差在白天和夜晚保持得相当恒定，并且季节性的变化小。
[0005]OTEC过程使用表面热带海水与深层热带海水之间的温差来驱动热机以产生电能。OTEC发电在20世纪70年代后期被认同为对于能源生产而言是具有低到零碳足迹的可能的可再生能源资源。然而，与多数传统的高压高温发电站相比，OTEC电站具有低的热力学效率。例如，使用80° F与85° F之间的平均海洋表面温度以及40° F的恒定深水温度，OTEC电站的最大理想卡诺效率为7.5%至8%。在实际操作中，OTEC电力系统的总电力效率经估计为卡诺极限的大约一半，或者大约3.5%至4.0%。另外，在1994年牛津大学出版社出版的由William Avery和Chih Wu发表的名称为“来自海洋的可再生能源，OTEC指南”(通过引用合并于此)中所记载的、由20世纪70年代和20世纪80年代前沿研究人员所进行的分析表明:通过以ΛΤ为40° F进行操作的OTEC电站产生的总电力的四分之一至一半(或者更多)将被需要用于使水泵和工作流体泵运行并且为电站的其他辅助需要供电。基于此，OTEC电站的将存储在表面海水中的热能转化成净电能的低的整体净效率一直未能成为商业上可行的能源生产方案。
[0006]造成整体热力学效率进一步降低的另一因素是与用于涡轮机的精确频率调节而提供必要的控制相关的损失。这引起了涡轮机循环中的压力损失，该压力损失限制了能够从热海水中提取的功。
[0007]这种比在高温高压下进行操作的热机的典型效率低的OTEC净效率导致能源规划者广泛持有如下假设=OTEC电站成本太高以至于无法与多数传统的发电方法抗争。
[0008]实际上，因为热水和冷水之间的温差相对小，所以寄生电力需要在OTEC电站中特别重要。为了实现热海水与工作流体之间以及冷海水与工作流体之间的最大热传递，需要大的热交换表面积，以及高的流体速度。增加这些因素中的任何一个都可能使OTEC电站上的寄生载荷显著地增大，从而降低净效率。使海水与工作流体之间的有限的温差中的能量传递最大化的高效热传递系统将增加OTEC电站的商业可行性。
[0009]除了由于看似固有的大的寄生载荷而效率相对低之外，OTEC电站的操作环境引起了也会降低这种操作的商业可行性的设计及操作方面的挑战。如之前所提到的，在深度为100英尺或者更浅的海洋表面找到了 OTEC热机所需的热水。在2700英尺至4200英尺之间的深度或者更深处找到了用于冷却OTEC发动机的恒定冷水来源。在人口中心附近乃至大陆块通常都找不到这样的深度。离岸电站是必须的。
[0010]不管电站是浮式的还是固定于水下地貌，均需要2000英尺或更长的长冷水引入管。此外，由于商业上可行的OTEC操作所需的水量很大，所以冷水引入管需要具有大直径(通常在6英尺至35英尺之间或者更大)。将大直径管悬挂在离岸结构上存在稳定性、连接以及构造方面的挑战，这会预先驱使OTEC成本超出商业可行性。
[0011]另外，悬挂在动态的海洋环境中的、具有显著的长度直径比的管会沿着管的长度而遭受温差以及变化的洋流。由沿着管的弯曲和漩涡脱落而引起的应力也引起了挑战。并且，诸如波浪作用等表面影响引起了与管和浮式平台之间的连接有关的进一步挑战。具有期望的性能、连接以及构造考虑的冷水管引入系统能够提高OTEC电站的商业可行性。
[0012]与OTEC电站相关联的对环境的关注也已经成为OTEC操作的障碍。传统的OTEC系统从海洋深处抽取大量的营养丰富的冷水并且在表面或者表面附近将这些水排放。这样的排放可能以正面或负面的方式对OTEC电站附近的海洋环境产生影响，可能对处于OTEC排放下游的鱼群和珊瑚礁系统带来冲击。
【发明内容】
[0013]在一些方面中，发电站使用海洋热能转换过程作为电源。
[0014]进一步的方面涉及尚岸OTEC电站，该OTEC电站具有由于降低了寄生载荷而提闻了的整体效率、较好的稳定性、较低的构造和操作成本以及改善了的环境足迹。其他方面包括与浮式结构一体的大容量水管道。多级OTEC热机的模块化和区室化降低了构造和维护成本、限制了离网操作并且提高了操作性能。又进一步的方面提供了具有结构上一体的热交换区室的浮式平台，并且提供了平台的由于波浪作用而产生的小运动。一体的浮式平台也可以提供通过多级热交换器的高效的热水流或冷水流，提高了效率并且降低了寄生电力需要。相关的系统通过将热水和冷水排放在适当的深度/温度范围内可以促进环境中性的热足迹。以电力的形式提取出的能量降低了到达海洋的整体温度。
[0015]进一步的方面涉及具有高效的、多级热交换系统的浮式、低起伏OTEC电站，其中，热水和冷水供应管道以及热交换器柜在结构上与浮式平台或电站的结构为一体。
[0016]在一方面中，一种用于与海洋热能转换系统一起使用的离岸结构包括:浸没柱筒，其具有下部，所述下部包括:冷水入口，其包括与冷水管流体连通的圆拱状终端；干燥的机舱，其包括一个或多个冷水供应泵和一个或多个冷水管的上提保持绞盘，所述上提保持绞盘具有连接到所述冷水管的上提缆绳。
[0017]实施方式可以包括一个或多个以下特征。
[0018]在一些实施方式中，所述冷水入口具有所述机舱的总甲板面积的至少10%的甲板面积。
[0019]在一些实施方式中，所述冷水入口占据所述干燥的机舱的中央的空间。
[0020]在一些实施方式中，所述冷水供应泵和所述冷水入口流体连通，所述冷水供应泵和冷水分配填充部流体连通，所述冷水分配填充部为一个或多个OTEC冷凝器提供冷水。
[0021]在一些实施方式中，所述上提缆绳通过专用的锚链管贯穿船体。
[0022]在一些实施方式中，离岸结构还包括所述离岸结构还包括位于所述冷水入口的下方的吊环壳体，其中，所述上提缆绳被连接到位于所述冷水管的上部的吊环，所述吊环适于接合且密封在所述吊环壳体内。在一些情况下，所述吊环壳体进一步地包括水密顶面密封件和一个或多个水密的周向密封件。
[0023]在一些实施方式中，所述离岸结构还包括球锁系统，所述球锁系统包括:两个或多个锁定室，所述锁定室被配置在所述冷水入口的下方并且适于允许所述冷水管的上部就座于所述两个或多个锁定室之间；致动马达和活塞，所述活塞穿过水密密封件；以及球锁，所述球锁在所述活塞的内端。在一些情况下，所述球锁适于在所述活塞致动时与所述冷水管的配合面接合。在一些情况下，所述球锁与所述冷水管的配合面可逆地接合。在一些情况下，所述两个或多个球锁与所述冷水管的配合面接合并且防止所述冷水管相对于所述离岸结构的竖向或横向运动。
[0024]在一些方面中，一种将冷水管连接到离岸OTEC结构的方法包括:将一个或多个上提缆绳从干燥的机舱经由贯穿船体的专用的锚链管穿过离岸结构的浸没下部；将所述一个或多个上提缆绳连接到位于冷水管上部的一个或多个吊环；以及缩回所述上提缆绳，使得所述冷水管进入所述离岸结构的冷水管接收凹部，并且使得所述一个或多个吊环就座于一个或多个吊环壳体内，以提供关于穿过所述一个或多个上提缆绳的贯穿船体的水密密封。该方法还包括在所述上提缆绳缩回并且所述吊环就座于所述吊环壳体之后，干燥所述锚链管的内部以防止腐蚀所述上提缆绳。该方法还包括从所述离岸结构延伸一个或多个球锁，以与所述冷水管的配合面接合，并且防止所述冷水管相对于所述离岸结构的竖向或水平运动。
[0025]在一些方面中，一种冷水管包括:上部，其被构造成安装到离岸结构的下部，所述冷水管的上部包括:周向结构，其被嵌入在所述冷水管的材料中；一个或多个吊环，所述一个或多个吊环被锚固到嵌入的所述周向结构；以及两个或多个球锁接触部，其被固定到所述嵌入结构，用于与位于所述离岸结构的下部的球锁系统接合。实施方式可以包括一个或多个以下特征。
[0026]在一些实施方式中，所述嵌入结构包括钢。
[0027]在一些实施方式中，所述嵌入结构是围绕所述冷水管的上部嵌入的多个钢板。
[0028]在一些实施方式中，冷水管还包括所述冷水管还包括具有板条式构造的下部。在一些情况下，所述冷水管的上部包括与所述冷水管的板条式构造的下部的材料相同的材料。在一些情况下，所述冷水管的吊环被连接到上提缆绳，所述上提缆绳引到在所述离岸结构的下部中的干燥的机舱中的上提绞盘。[0029]本公开又进一步的方面涉及用于与离岸OTEC设备一起使用的冷水管，该冷水管是错开板条式的连续的管。
[0030]一个方面涉及包括具有外表面、顶端和底端的长形管状结构的管。管状结构包括多个第一和多个第二板条部，每个板条部均具有顶部和底部，其中第二板条部的顶部与第一板条部的顶部错开。
[0031]进一步的方面涉及在管状结构的外表面绕着管至少部分地卷绕有带或箍的管。带或箍可以绕着管的顶部、管的中间部或管的下部的外表面周向地卷绕。带或箍可以绕着管的整个长度周向地卷绕。带或箍可以以与管的外表面基本上平坦铺设的方式安装。带或箍可以以从管的外表面向外突出的方式安装。带或箍可以由与管相同的或不同的材料制成。带或箍可以用粘结的方式结合于管的外表面、用机械方式结合至管的外表面或者使用机械的和粘结组合的方式以安装于管的外表面。
[0032]本公开的进一步的方面涉及错开板条式管，其中每个板条部进一步包括用于与相邻的板条部配合接合的第一侧上的接合舌和第二侧上的凹槽。错开板条式管可以包括主动锁定系统(positive locking system)以将一个板条的第一侧机械地联接至第二个板条的第二侧。板条可以利用条接合从一个板条的顶部在垂向上接合至相邻的板条的底部。在可选的实施方式中，板条的顶部和板条的底部可以均包括接合空孔，使得当第一板条的顶部与第二板条的底部接合时，该接合空孔对准。柔性树脂可以注射到对准的接合空孔内。柔性树脂可以用于填充任何接合表面中的空隙。在本公开的若干个方面中，柔性树脂是甲基丙烯酸酯粘结剂。
[0033]本公开的单个板条可以是任何长度。在若干个方面中，从板条底部到顶部测量的每个板条部均在20英尺至90英尺之间。板条部可以被制成能够用标准联运集装箱(inter-modal container)航运的尺寸。单个板条部的宽度可以在10英寸至80英寸之间。每个板条部的厚度可以在I英寸至24英寸之间。
[0034]在本公开的若干个方面中，板条部可以被拉挤成型、挤出成型或模塑成型。板条部可以包括聚氯乙烯(PVC)、氯化聚氯乙烯(CPVC)、纤维增强塑料(FRP)、增强聚合物砂浆(RPMP)、聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE)、交联高密度聚乙烯(PEX)、聚丁烯(PB)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS);聚酯、纤维增强聚酯、乙烯基酯、增强乙烯基酯、混凝土、陶瓷或上述材料中的一种或多种的组合物。
[0035]在本公开的进一步的方面中，板条部可以包括至少一个内部空孔。至少一个空孔可以填充有水、聚碳酸酯泡沫或复合泡沫塑料。
[0036]在本公开的一些方面中，管是OTEC电站用的冷水引入管。
[0037]本公开的又进一步的方面涉及离岸发电结构，该结构包括浸没部，浸没部进一步包括:热交换部；发电部；和包括多个错开的第一板条部和第二板条部的冷水管。
[0038]本公开的更进一步的方面涉及形成用于在OTEC电站中使用的冷水管的方法，该方法包括:形成多个第一板条部和多个第二板条部；以使得第二板条部与第一板条部错开的方式使交替的第一板条部和第二板条部接合，以形成连续的长形管。
[0039]本公开的进一步的方面涉及浸没垂向管连接结构，其包括:浮式结构，该浮式结构具有垂向管接收凹部，其中接收凹部具有第一直径；用于插入到管接收凹部内的垂向管，该垂向管具有比管接收凹部的第一直径小的第二直径；部分球形或弧形的支承面；以及可与支承面一起操作的一个或多个可动爪、小齿轮或凸耳，其中，当爪与支承面接触时，爪限定
与第一直径或第二直径不同的直径。
[0040]本公开的另外的方面涉及将浸没垂向管连接至浮式平台的方法，该方法包括:提供具有垂向管接收凹部的浮式结构，其中所述管接收凹部具有第一直径；提供具有上端部的垂向管，上端部具有小于第一直径的第二直径；将垂向管的上端部插入到接收凹部内；提供用于支撑垂向管的支承面；将一个或多个爪展开使得一个或多个爪具有不同于第一直径或第二直径的直径；使一个或多个爪与支承面接触以使垂向管悬挂于浮式结构。
[0041]在本公开的若干个方面中，一个或多个爪可以与垂向管为一体。一个或多个爪可以与接收凹部为一体。一个或多个爪包括限定小于第一直径的直径的第一缩回位置。一个或多个爪包括限定大于第一直径的直径的展开位置。支承面与管接收凹部为一体并且可与一个或多个爪一起操作。支承面可以包括球形支承面。一个或多个爪进一步包括构造成接触支承面的配合面。一个或多个爪进一步包括构造成接触球形支承面的配合面。球形支承面和配合面有利于垂向管与浮式结构之间的相对运动。
[0042]在又进一步的方面中，一个或多个爪包括限定大于第二直径的直径的第一缩回位置。一个或多个爪包括限定小于第二直径的直径的展开位置。支承面与垂向管为一体并且可与一个或多个爪一起操作。
[0043]若干个方面可以包括用于使爪展开或缩回的驱动器，该驱动器可以是液压控制的驱动器、气动控制的驱动器、机械控制的驱动器、电控制的驱动器或者机电控制的驱动器。
[0044]进一步的方面可以包括:包括第一成角度的管配合面的管接收凹部；和包括第二成角度的管配合面的垂向管，其中，第一和第二成角度的管配合面构造成在将垂向管插入到管接收凹部内的过程中协作引导垂向管。
[0045]在又进一步的方面中，提供冷水管与柱筒(spar)的下部之间的静态接口，其包括:具有锥形下表面的接收凹部；和用于与冷水管上提凸缘的锥形凸缘面密封型接合的接触垫。
[0046]在将冷水管连接至柱筒的下部的示例性方法中，方法提供的步骤包括:将上提保持缆绳连接至冷水管的上部，其中冷水管的上部包括具有锥形连接面的上提凸缘；利用上提保持缆绳将冷水管拉到柱筒接收凹部内，其中接收凹部包括用于接收冷水管的上部的锥形面和接触垫；使冷水管的锥形连接面与接收凹部的接触垫产生密封型接触；并且用机械的方式将上提缆绳固定以保持连接面与接触垫之间的密封型接触。
[0047]在再进一步的方面中，提供一种冷水管，用于静态连接至柱筒的下部，其中冷水管包括第一纵向部和第二纵向部；第一纵向部连接至柱筒的下部并且第二纵向部比第一纵向部更有柔性。在一些方面中，第三纵向部可以包括在冷水管中，该第三纵向部不如第二纵向部有柔性。第三纵向部可以比第一纵向部更有柔性。第三纵向部可以包括冷水管的长度的50%或更多。第一纵向部可以包括冷水管的长度的10%或更少。第二纵向部可以包括冷水管的长度的1%至30%之间。第二纵向部可以允许冷水管的第三纵向部偏斜量在0.5°至30°之间。
[0048]本公开的进一步的方面涉及具有优化了的多级热交换系统的浮式的最小起伏的OTEC电站，其中热水供给管道和冷水供给管道以及热交换器柜在结构上与电站的浮式平台或结构一体化。[0049]又进一步的方面包括浮式海洋热能转换电站。诸如柱筒的最小起伏结构或者改进型半潜式离岸结构可以包括第一甲板部，该第一甲板部具有结构一体化的热海水通道、多级热交换表面和工作流体通道，其中，第一甲板部提供工作流体的蒸发。第二甲板部也设置有结构一体化的冷海水通道、多级热交换表面和工作流体通道，其中，第二甲板部提供用于使工作流体从蒸汽冷凝成液体的冷凝系统。第一和第二甲板工作流体通道与第三甲板部连通，该第三甲板部包括由一个或多个蒸汽涡轮机驱动的发电机，以用于发电。
[0050]在一个方面中，提供一种离岸发电结构，其包括浸没部。浸没部进一步包括:第一甲板部，该第一甲板部包括一体化的多级蒸发器系统；第二甲板部，该第二甲板部包括一体化的多级冷凝系统；第三甲板部，该第三甲板部容纳有电力产生和转换装置；冷水管和冷水管连接部。
[0051]在进一步的方面中，第一甲板部进一步包括形成高容量热水管道的第一级热水结构通道。第一甲板部还包括与第一级热水结构通道协作配置以将工作流体加热成蒸汽的第一级工作流体通道。第一甲板部还包括直接联接至第二级热水结构通道的第一级热水排放部。第二级热水结构通道形成高容量热水通道并且包括联接至第一级热水排放部的第二级热水引入部。第一级热水排放部到第二级热水引入部的配置提供第一级与第二级之间的热水流中的最小压力损失。第一甲板部还包括与第二级热水结构通道协作配置以将工作流体加热成蒸汽的第二级工作流体通道。第一甲板部还包括第二级热水排放部。
[0052]在进一步的方面中，浸没部进一步包括第二甲板部，该第二甲板部包括用于形成高容量冷水管道的第一级冷水结构通道。第一级冷水通道进一步包括第一级冷水引入部。第二甲板部还包括与第一甲板部的第一级工作流体通道连通的第一级工作流体通道。第二甲板部的第一级工作流体通道与第一级冷水结构通道协作以将工作流体冷却成液体。第二甲板部还包括第一级冷水排放部，该第一级冷水排放部直接联接至形成高容量冷水管道的第二级冷水结构通道。第二级冷水结构通道包括第二级冷水引入部。第一级冷水排放部和第二级冷水引入部配置成提供从第一级冷水排放部到第二级冷水引入部的冷水流中的最小压力损失。第二甲板部还包括与第一甲板部的第二级工作流体通道连通的第二级工作流体通道。第二级工作流体通道与第二级冷水结构通道协作将第二级工作流体通道中的工作流体冷却成液体。第二甲板部还包括第二级冷水排放部。
[0053]在进一步的方面中，第三甲板部可以包括第一蒸汽涡轮机和第二蒸汽涡轮机，其中第一甲板部的第一级工作流体通道与第一涡轮机连通，并且第一甲板部的第二级工作流体通道与第二涡轮机连通。第一和第二涡轮机能够联接至一个或多个发电机。
[0054]在又进一步的方面中，提供一种离岸发电结构，其包括浸没部，该浸没部进一步包括:四级蒸发器部、四级冷凝器部、四级发电部、冷水管连接部和冷水管。
[0055]在一个方面中，四级蒸发器部包括热水管道，该热水管道包括:第一级热交换表面、第二级热交换表面、第三级热交换表面和第四级热交换表面。热水管道包括浸没部的垂向结构构件。第一、第二、第三和第四热交换表面与工作流体管道的第一、第二、第三和第四级部协作，其中，流过工作流体管道的工作流体在第一、第二、第三和第四级部中的每一个处被加热成蒸汽。
[0056]在一个方面中，四级冷凝器部包括冷水管道，该冷水管道包括:第一级热交换表面、第二级热交换表面、第三级热交换表面和第四级热交换表面。冷水管道包括浸没部的垂向结构构件。第一、第二、第三和第四热交换表面与工作流体管道的第一、第二、第三和第四级部协作，其中，流过工作流体管道的工作流体在第一、第二、第三和第四级部中的每一个处被加热为蒸汽，并且在各依次级处AT越来越低。
[0057]在再一方面中，蒸发器部的第一、第二、第三和第四级工作流体管道与第一、第二、第三和第四蒸汽涡轮机连通，其中，蒸发器部第一级工作流体管道与第一蒸汽涡轮机连通并且排出至冷凝器部的第四级工作流体管道。
[0058]在再一方面中，蒸发器部的第一、第二、第三和第四级工作流体管道与第一、第二、第三和第四蒸汽涡轮机连通，其中蒸发器部第二级工作流体管道与第二蒸汽涡轮机连通并且排出至冷凝器部的第三级工作流体管道。
[0059]在再一方面中，蒸发器部的第一、第二、第三和第四级工作流体管道与第一、第二、第三和第四蒸汽涡轮机连通，其中蒸发器部第三级工作流体管道与第三蒸汽涡轮机连通并且排出至冷凝器部的第二级工作流体管道。
[0060]在再一方面中，蒸发器部的第一、第二、第三和第四级工作流体管道与第一、第二、第三和第四蒸汽涡轮机连通，其中蒸发器部第四级工作流体管道与第四蒸汽涡轮机连通并且排出至冷凝器部的第一级工作流体管道。
[0061]在又进一步的方面中，第一发电机由第一涡轮机或第四涡轮机驱动，或者由第一和第四涡轮机的组合驱动。
[0062]在又进一步的方面中，第二发电机由第二涡轮机或第三涡轮机驱动，或者由第二和第三涡轮机两者的组合驱动。
[0063]本公开的另外的方面可以包含一个或多个以下特征:第一和第四涡轮机或第二和第三涡轮机产生9MW至60MW之间的电力；第一和第二涡轮机产生大约55MW的电力；第一和第二涡轮机形成海洋热能转换电站中的多个涡轮发电机组中的一个；第一级热水引入部不与第二级冷水排放部发生干涉；第一级冷水引入部不与第二级热水排放部发生干涉；第一或第二级工作流体通道内的工作流体包括商业制冷剂。工作流体包括氨、丙烯、丁烷、R-134或R-22 ;第一和第二级工作流体通道内的工作流体温度增加12° F至24° F ;第一工作流体流过第一级工作流体通道，并且第二工作流体流过第二级工作流体通道，其中，第二工作流体以低于第一工作流体进入第一蒸汽涡轮机的温度进入第二蒸汽涡轮机；第一和第二级工作流体通道中的工作流体温度降低12° F至24° F ;第一工作流体流过第一级工作流体通道，并且第二工作流体流过第二级工作流体通道，其中，第二工作流体以低于第一工作流体进入第二甲板部的温度进入第二甲板部。
[0064]本公开的进一步的方面也可以包含一个或多个以下特征:在第一或第二级热水结构通道内流动的热水包括:热海水、地热加热水、太阳能加热储藏水；变热了的工业冷却水，或这些水的组合；热水以在500，OOOgpm (加仑/分钟)至6，000, OOOgpm之间的流量流动；热水以 5，440，OOOgpm 的流量流动；热水以在 300，000，0001b/hr 至 I, 000，000，OOOlb/hr之间的流量流动；热水以2，720, 0001b/hr的流量流动；在第一或第二级冷水结构通道内流动的冷水包括:冷海水，冷淡水、冷地下水或者这些的组合；冷水以在250，OOOgpm至3，000, OOOgpm之间的流量流动；冷水以3，420，OOOgpm的流量流动；冷水以在125，000，0001b/hr 至 I, 750，000，0001b/hr 之间的流量流动；冷水以 I, 710，0001b/hr 的流量流动。[0065]本公开的一些方面还可以包含一个或多个以下特征:离岸结构是最小起伏结构；离岸结构是浮式柱筒(spar)结构；离岸结构是半潜式结构。
[0066]本公开的又进一步的方面可以包括用于在海洋热能转换电站中使用的高容量低速度热交换系统，该系统包括:第一级柜，该第一级柜进一步包括用于与工作流体热交换的第一水流动通道；第一工作流体通道；联接至第一级柜的第二级柜，该第二级柜进一步包括用于与工作流体热交换的第二水流动通道，第二水流动通道以使从第一水流动通道流至第二水流动通道的水的压降最小化的方式联接至第一水流动通道；和第二工作流体通道。第一和第二级柜包括电站的结构构件。
[0067]在一个方面中，水从第一级柜流至第二级柜，并且第二级柜在蒸发器中位于第一级柜的下方。在另一方面中，水从第一级柜流至第二级柜，并且第二级柜在冷凝器中位于第一级柜的上方且在蒸发器中的第一级柜的下方。
[0068]本公开的方面可以具有一个或多个以下优点:连续的错开板条式冷水管比分段式管构造轻；连续的错开板条式冷水管具有比分段式管少的摩擦损失；单个板条可以将大小做成容易运输至OTEC电站操作现场；板条可以构造成期望的浮力特征；0TEC发电需要少至没有的用于能源生产的燃料成本；与高压高温发电站中使用的高成本的特殊的材料相比，OTEC热机中涉及的低压力和低温度降低了组成元件成本并且需要普通材料；电站可靠性可以与商业制冷系统媲美，连续操作多年而不用重大的维修；与高压高温电站相比降低了构造时间；以及安全、对环境无害的操作和发电。另外的优点可以包括:与传统OTEC系统相比增加了净效率、降低了牺牲性电力载荷；降低了热水和冷水通道中的压力损失；模块化组成部件；较低频率的离网发电时间；针对波浪作用使起伏最小化并且减少了敏感性；冷却水在表面水位下方排放，热水的引入不与冷水排放发生干涉。
[0069]在附图以及以下的说明中阐述了发明的一个以上的实施方式的细节。发明的其他特征、目的和优点将从说明和附图以及从权利要求书变得明显。
【专利附图】
【附图说明】
[0070]图1示出了示例性现有技术的OTEC热机。
[0071]图2示出了示例性现有技术OTEC电站。
[0072]图3示出了 OTEC结构。
[0073]图3A示出了 OTEC结构。
[0074]图4示出了 OTEC结构的错开板条式管。
[0075]图5示出了错开板条图案的细节图。
[0076]图6示出了错开板条式冷水管的截面图。
[0077]图7A至图7C示出了单个板条的各种图。
[0078]图8示出了单个板条的舌槽配置。
[0079]图9示出了两个板条之间的主动卡合锁扣。
[0080]图10示出了包含有加强箍的错开板条式冷水管。
[0081]图11示出了冷水管构造的方法。
[0082]图12示出了万向节管连接的现有技术的示例。
[0083]图13示出了冷水管连接。[0084]图14示出了冷水管连接。
[0085]图15示出了冷水管连接的方法。
[0086]图16示出了示出了具有柔性冷水管的冷水管连接。
[0087]图17示出了冷水管连接。
[0088]图18示出了具有上提凸缘的冷水管。
[0089]图19示出了 OTEC构造的示例性甲板图。
[0090]图20示出了图20A的OTEC结构的示例性冷水泵室。
[0091]图21A示出了离岸结构的示例性热交换器甲板的平面图。
[0092]图21B示出了离岸结构的示例性热交换器甲板的立体图。
[0093]图21C示出了离岸结构的示例性热交换器甲板的立体截面图。
[0094]图22A示出了 OTEC结构的具有圆拱状引入填充部组件的示例性水下部的甲板图。
[0095]图22B示出了图22A的OTEC结构的冷水部和冷水管连接的放大甲板图。
[0096]图22C示出了图22A的OTEC结构的示例性冷水泵室的立体图。
[0097]图22D示出了图22C的省略冷水泵的示例性冷水泵室的立体图。
[0098]图22E示出了 OTEC结构的冷水系统的示例性示意图。
[0099]图23示出了示例性冷水泵室和冷水管升降系统。
[0100]图24示出了示例性球锁系统。
[0101]图25示出了示例性吊环及壳体。
[0102]图26示出了示例性板条式冷水管。
[0103]除非另作说明，各图中相似的附图标记表示相似的元件。
【具体实施方式】
[0104]本公开涉及利用海洋热能转换(OTEC)技术发电。本公开的方面涉及浮式OTEC电站，该OTEC电站具有优于以前的OTEC电站的改善了的整体效率、降低了的寄生载荷、较好的稳定性、较低的构造和操作成本以及改善了的环境足迹。其他方面包括与浮式机构一体的大容量水管道。多级OTEC热机的模块化和区室化降低了构造和维护成本，限制了离网操作并且提高了操作性能。又进一步的方面提供具有一体的热交换区室的浮式平台，并且提供了平台由于波浪作用而产生的最小运动。一体的浮式平台还可以提供通过多级热交换器的高效的热水流或冷水流，提高了效率并且降低了寄生电力需求。本公开的方面通过将热水和冷水排放在适当的深度/温度范围内而促进了中性热足迹。以电的形式提取出的能量降低了到达海洋的整体温度。
[0105]OTEC是用储存在地球海洋中的来自太阳的热能来发电的过程。OTEC利用了较热的上层海水与较冷的深层海水之间的温差。该温差典型地至少为36° F (20°C)。这些条件存在于热带地区，大致在南回归线和北回归线之间，甚至是在南北纬20°之间。OTEC过程利用温差向兰金循环(Rankine cycle)提供动力，其中热的表面水用作热源，冷的深层水用作冷源(heat sink)。兰金循环的涡轮机驱动用于产生电力的发电机。
[0106]图1示出典型的OTEC兰金循环热机10，该热机10包括热海水入口 12、蒸发器14、热海水出口 15、涡轮机16、冷海水入口 18、冷凝器20、冷海水出口 21、工作流体管道22和工作流体泵24。[0107]在操作中，热机10可以使用多种工作流体中的任何一种，例如，诸如氨等商业制冷剂。其他工作流体可以包括丙烯、丁烷、R-22和R-134a。也可以使用其他商业制冷剂。大约75° F至85° F之间或者更高温度的热海水经由热海水入口 12被从海洋表面或比海洋表面稍低的位置抽取，进而对穿过蒸发器14的氨工作流体进行加热。氨沸腾产生大约9.3标准大气压(atm)的蒸汽压。蒸汽沿着工作流体管道22被输送至涡轮机16。氨蒸汽在穿过涡轮机16时膨胀，产生了驱动发电机25的动力。然后氨蒸汽进入冷凝器20，在那里氨蒸汽被从大约3000英尺深的深层海洋抽取的冷海水冷却为液体。冷海水以大约40° F的温度进入冷凝器。在冷凝器20中的温度为大约51° F的氨工作流体的蒸汽压为6.1标准大气压。因此，显著的压力差可用于驱动涡轮机16并产生电力。当氨工作流体冷凝时，液态工作流体经由工作流体管道22被工作流体泵24泵回至蒸发器14内。
[0108]图1的热机10与大多数蒸汽涡轮机的兰金循环实质上相同，除了 OTEC由于利用不同的工作流体和较低的温度及压力而不同。图1的热机10也与商业制冷设备相似，除了OTEC循环沿相反的方向运行使得热源(例如，热海水)和冷的冷源(例如，深层海水)被用于产生电力。
[0109]图2示出浮式OTEC设备200的典型组成部件，这些组成部件包括:船舶(vessel)或平台210、热海水入口 212、热水泵213、蒸发器214、热海水出口 215、涡轮发电机216、冷水管217、冷海水入口 218、冷水泵219、冷凝器220、冷海水出口 221、工作流体管道22、工作流体泵224和管连接部230。OTEC设备200还可以包括发电、转换和传输系统、诸如推进器、推动器等位置控制系统或者锚泊系统(mooring system)以及各种辅助和支持系统(例如，人员住宿、应急电源、饮用水、污水和废水、消防、损害控制、储备浮力以及其他常见的船上或海事系统)。
[0110]利用图1和图2中的基本的热机和系统实现的OTEC电站具有3%或更小的相对低的整体效率。由于该低的热效率，所以产生每千瓦电力的OTEC操作都需要大量的水流过电力系统。这进而在蒸发器和冷凝器中需要具有大的热交换表面积的大的热交换器。
[0111]这样的大量的水和大表面积需要热水泵213和冷水泵219具有相当大的泵取能力，降低了可用于配送至岸基设备或船上工业目的的净电力。此外，多数水面船舶的有限空间不容易容纳导入并流过蒸发器或冷凝器的大量的水。实际上，大量的水需要大直径管和管道。将这样的结构放在有限的空间内需要多个弯道来容纳其他机械。典型的水面船舶或结构的有限空间不太可能便于OTEC电站的最大效率所需的大的热交换表面积。因此，OTEC系统以及船舶或平台历来较大并且昂贵。这导致如下工业结论:与利用较高温度和压力的其他能源生产方案相比，OTEC操作是一种高成本、低产出的发电方案。
[0112]本公开的方面解决了技术挑战，以提高OTEC操作的效率并且降低构造和操作成本。
[0113]船舶或平台210需要低运动，以使冷水管217与船舶或平台210之间的动态力最小化，并且为平台或船舶中的OTEC设施提供良性的操作环境。船舶或平台210还应该支持冷水入口和热水入口(218和212)的体积流量使得以适当的程度引入足够的冷水和热水，以确保OTEC过程的效率。船舶或平台210还应该使得冷水和热水能够经由船舶或平台210的水线下方的适当位置的冷水出口和热水出口(221和215)排放，以避免热回流进入到海洋表面层。另外，船舶或平台210应该经受得住恶劣天气而不会干扰发电操作。[0114]OTEC热机10应该采用用于最大效率和最大发电的高效热循环。沸腾和冷凝过程中的热传递以及热交换器材料和设计均限制了从每磅热海水能够提取出的能源的量。蒸发器214和冷凝器220中使用的热交换器需要高的热水和冷水流量以及低的水头损失(headloss)以使寄生载荷最小化。热交换器也需要高的热传递系数以提高效率。热交换器可以包含能够被调节成适应(tailor)热水入口温度和冷水入口温度的材料和设计，以提高效率。热交换器设计应该使用材料用量最少化的简单的构造方法，以降低成本和体积。
[0115]涡轮发电机216应该具有内部损失最小化的高效率，并且可以被调节成适应工作流体以提高效率。
[0116]图3示出提高以前的OTEC电站的效率并且克服与其相关联的多个技术挑战的实施。该实施包括船舶或平台用柱筒(spar)，柱筒上一体设置有热交换器和相关联的热水管路和冷水管路。
[0117]OTEC柱筒310容纳有用于与OTEC发电站一起使用的一体化多级热交换系统。柱筒310包括在水线305下方的浸没部311。浸没部311包括热水引入部340、蒸发器部344、热水排放部346、冷凝部348、冷水引入部350、冷水管351、冷水排放部352、机械甲板部354和甲板室360。
[0118]图3A示出了示例性机械布局，包括:热水引入部340、热水泵室341、堆叠式蒸发器部344、涡轮发电机349、堆叠式冷凝器部348、冷水引入部350和冷水泵室351。
[0119]在操作中，75° F至85° F之间的热海水通过热水引入部340而被引入并且通过未示出的结构一体化的热水管道在柱筒中向下流动。由于OTEC热机所需的水流量大，所以热水管道将水流以500，OOOgpm至6，000, OOOgpm之间的流量引导至蒸发器部344。这样的热水管道具有6英尺至35英尺之间或更大的直径。由于该尺寸，所以热水管道是柱筒310的垂向结构构件(vertical structural member)。热水管道可以是强度足够垂向支撑柱筒310的大直径管。可选地，热水管道可以是与柱筒310的构造为一体的通道。
[0120]热水然后流过蒸发器部344，该蒸发器部344容纳有用于将工作流体加热至蒸汽的一个或多个堆叠式多级热交换器。热海水然后经由热水排放部346从柱筒310排放。热水排放可以位于或靠近温度与热水排出温度大致相同的海洋热层处，或者经由热水排放管被引导至或被引导靠近温度与热水排放温度大致相同的海洋热层的深度，以使环境冲击最小化。热水排放可以被引导至能够确保与热水引入或冷水引入均没有热回流的足够的深度处。
[0121]冷海水经由冷水管351被从2500英尺至4200英尺之间或更深的深度抽取，温度大约为40° F。冷海水经由冷水引入部350进入柱筒310。由于OTEC热机需要大的水流量，所以冷海水管道将水流以500，OOOgpm至3，500, OOOgpm之间的流量引导至冷凝器部348。这样的冷海水管道具有6英尺至35英尺之间或者更大的直径。由于该尺寸，所以冷海水管道是柱筒310的垂向结构构件。冷水管道可以是强度足够垂向支撑柱筒310的大直径管。可选地，冷水管道可以是与柱筒310的构造为一体的通道。
[0122]冷海水然后向上流到堆叠式多级冷凝器部348，在那里冷海水将工作流体冷却成液体。冷海水然后经由冷海水排放部352从柱筒310排放。冷海水排放可以位于或靠近温度与冷海水排放温度大致相同的海洋热层处，或者经由冷海水排放管被引导至或被引导靠近温度与冷海水排放温度大致相同的海洋热层的深度。冷水排放可以被引导至能够确保与热水引入或冷水引入均没有热回流的足够的深度处。
[0123]机械甲板部354可以被定位成在垂向上位于蒸发器部344和冷凝器部348之间。将机械甲板部354定位在蒸发器部344的下方允许几乎直线状的热水从引入部流动经过多级蒸发器并且排放。将机械甲板部354定位在冷凝器部348的上方允许几乎直线状的冷水从引入部流动经过多级冷凝器并且排放。机械甲板部354包括涡轮发电机356。在操作中，来自蒸发器部344的被加热成蒸汽的热工作流体流到一个以上的涡轮发电机356。工作流体在涡轮发电机356中膨胀从而驱动用于发电的涡轮机。工作流体然后流到冷凝器部348，在那里工作流体被冷却成液体并且被泵送至蒸发器部344。
[0124]热交换器的性能受到流体之间可用的温差以及热交换器的表面处的热传递系数的影响。热传递系数一般随着经过热传递表面的流体的速度而变化。流体速度越高需要的泵取功率越高，由此降低了电站的净效率。混合级联的多级热交换系统有利于较低的流体速度和较大的电站效率。堆叠式混合级联热交换设计也有利于通过热交换器的较低的压降。并且垂向的电站设计有利于整个系统的较低的压降。在2010年I月21日提交的名称为“海洋热能转换电站”的美国专利申请N0.12/691,663 (律师签号:25667-0004001)中描述了混合级联的多级热交换系统，该申请的全部内容通过引用合并于此。
[0125]冷水管
[0126]如上所述，OTEC操作需要冷水源。在热水和冷水之间的温差的变化可能大大影响了 OTEC电站的整体效率。因此，从2700英尺至4200英尺之间或更深的深度抽取大约40 0F的水，在该深度，该温度处于或接近对于OTEC电站位置的最大冷限度。需要长引入管以将该冷水抽送至表面以便被OTEC电站使用。这种冷水管由于在构造适合性能和耐久性的管时的成本而已经妨碍了商业上可行的OTEC操作。
[0127]这样的冷水管由于在构造适合性能和耐久性的管时的成本而已经妨碍了商业上可行的OTEC操作。OTEC需要处于期望温度的大量的水，以确保发电时的最大效率。以前的针对OTEC操作的冷水管设计包括段式构造(sectional construction)。筒形管段以串联的方式螺栓连接或机械接合到一起直到获得足够的长度。在电站设备附近组装管段并且接着将完全构造好的管竖立并安装。这样的方式具有包括在管段之间的连接点处的应力和疲劳在内的显著的缺点。此外，连接器件(connection hardware)增加了管的整体重量,进一步使管段连接处以及完全组装好的CWP与OTEC平台或船舶之间的连接处的应力和疲劳考虑复杂化。
[0128]冷水管(“ CWP ”)用于从2700英尺至4200英尺之间或更深的海洋深度处的冷水储藏中抽取水。冷水用于对从电站涡轮机出来的蒸汽状的工作流体进行冷却和冷凝。CWP及其与船舶或平台的连接被构造成承受由管重量施加的静态及动态负载、遭受波浪时管和平台的相对运动及高达百年一遇的强度(severity)的海流负载以及由水泵泵取引起的溃缩负载。CWP的尺寸制造成以低的阻力损失(drag loss)操作所需的水流量，并且CWP由在海水中具有耐久性和耐腐蚀性的材料制成。
[0129]冷水管的长度根据从温度大约40° F的深度抽取水的需要而限定。CWP的长度可以在2000英尺至4000英尺之间或者更长。在若干个方面中，冷水管的长度可以是大约3000英尺。
[0130]CWP的直径由电站的大小和需要的水流量来确定。通过管的水流量由期望的电力输出和OTEC电站效率来确定。CWP可以以500，OOOgpm至3，500, OOOgpm之间或更高的流量
将冷水输送至船舶或平台的冷水管道。冷水管的直径可以在6英尺至35英尺之间或者更大。在若干个方面中，CWP的直径大约为31英尺。
[0131]以前的针对OTEC操作的冷水管设计包括段式构造。长度在10英尺至80英尺之间的筒形管段以串联的方式螺栓连接或接合到一起直到获得足够的长度。采用多个筒形管段，能够在电站设备附近组装CWP并且能够将完全构造好的管竖立并安装。这种方式具有包括在管段之间的连接点处的应力和疲劳在内的显著的缺点。此外，连接器件增加了管的整体重量，进一步使管段连接处以及完全组装好的CWP与OTEC平台或船舶之间的连接处的应力和疲劳考虑复杂化。
[0132]参照图4，示出了连续的错开板条式冷水管。冷水管451没有像以前的CWP设计一样使用段式接合，而是利用了错开板条式构造。CWP451包括用于连接至浮式OTEC平台411的浸没部的顶端部452。与顶端部452相反的是底端部454，该底端部454可以包括压舱物系统、锚泊系统和/或引入口拦网。
[0133]CWP451包括被构造成形成筒体的多个错开板条。在一个方面中，多个错开板条可以包括交替的多个第一板条465和多个第二板条467。每个第一板条均包括顶边缘471和底边缘472。每个第二板条均包括顶边缘473和底边缘474。在一个方面中，第二板条467与相邻的第一板条部465在垂向上错开使得(第二板条部467的)顶边缘473从(第一板条部465的)顶边缘471在垂向上位移3%至97%之间。在另外的方面中，相邻的板条之间的错位可以为大约 5%、10%、15%、20%、25%、30%、35%、40%、45%、50% 或者更大。
[0134]图5不出一个方面的错开板条图案的细节图。图案包括多个第一板条465,每个均具有顶边缘部471、底边缘部472、连接边缘480和错开边缘478。图案还包括多个第二板条467，每个均具有顶边缘部473、底边缘部474、连接边缘480和错开边缘479。在形成冷水管时，第一板条部465以如下的方式接合至第二板条部467:当从顶边缘471向底边缘472测量时，连接边缘480是第一板条部465的长度的大约3%至97%。在一方面中，连接边缘 480 是板条长度的大约 50%、55%、60%、65%、70%、75%、80%、85% 或 90%。
[0135]可以理解的是，在完全构造好的管中，第一板条465可以沿着连接边缘480接合至第二板条467。第一板条465也可以沿着错开边缘478连接至另外的板条，包括另外的第一板条部、另外的第二板条部或者任何其他板条部。类似地，第二板条467可以沿着连接边缘480接合至第一板条部。并且第二板条467可以沿着错开边缘479接合至另一板条，包括另外的第一板条部、另外的第二板条部或者任何其他板条部。
[0136]在若干个方面中，多个第一板条465和多个第二板条467之间的连接边缘480可以是固定长度(consistent length)或者是每个板条的绕着管周向的板条长度的百分比。多个第一板条465和多个第二板条465之间的连接边缘480可以是固定长度或者是每个板条的沿冷水管451的长轴的板条长度的百分比。在进一步的方面中，连接边缘480的长度可以在交替的第一板条465和第二板条467之间变化。
[0137]如图5所不,第一板条465和第二板条467具有相同的尺寸。在若干个方面中，第一板条465的宽度可以在30英寸至130英寸之间或者更宽，长度可以是30英尺至60英尺，并且厚度可以在I英寸至24英寸之间。在一个方面中，板条尺寸可以是大约80英寸宽、40英尺长以及4英寸至12英寸厚。可选地，第一板条465可以具有与第二板条467不同的长度或览度。
[0138]图6不出冷水管451的横截面图，该图不出了交替的第一板条465和第二板条467。各板条均包括内表面485和外表面486。相邻的板条沿着连接面480接合。单个板条的相反侧上的任何两个连接面限定了角度α。角度α通过360°除以板条的总数量来确定。在一个方面中，α可以在1°至36°之间。在一个方面中，α可以是对于16板条管而言的22.5°或者是对于32板条管而言的11.25°。
[0139]冷水管451的单个板条可以由如下材料制成:聚氯乙烯(PVC)、氯化聚氯乙烯(CPVC)、纤维增强塑料(FRP)、增强聚合物砂浆(RPMP)、聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE)、交联高密度聚乙烯(ΡΕΧ)、聚丁烯(PB)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS);聚氨酯、聚酯、纤维增强聚酯、尼龙增强聚酯、乙烯基酯、纤维增强乙烯基酯、尼龙增强乙烯基酯、混凝土、陶瓷，或它们中的一个或多个的组合物。单个板条可以利用标准制造技术模塑成型、挤出成型或者拉挤成型(pulltruded)。在一个方面中，单个板条被拉挤成型为期望的形状和形式，并且包括纤维或尼龙增强乙烯基酯。乙烯基酯可以从肯塔基州卡温顿的阿施兰德化学公司(AshlandChemical)得到。
[0140]在一个方面中，板条可以利用适合的粘合剂结合至相邻的板条。柔性树脂可以被用于提供柔性接合以及均匀的管性能。在本公开的若干个方面中，包括了增强乙烯基酯的板条利用乙烯基酯树脂被结合至相邻的板条。也可以使用甲基丙烯酸酯粘合剂，如马萨诸塞州丹佛斯的 Plexis Structural Adhesives 生产的 MA560-1。
[0141]参照图7A至图7C，示出了各种板条的构造，其中单个板条465包括顶边缘471、底边缘472和一个以上的空孔(void) 475。空孔475可以是空的、填充有水、填充有树脂、填充有粘合剂或者填充有诸如复合泡沫塑料等泡沫材料。复合泡沫塑料是树脂和小玻璃珠的基体(matrix)。小珠子可以是空心的或者实心的。空孔475可以被填充以影响板条和/或冷水管451的浮力。图7A示出单个空孔475。在一个方面中，多个空孔475可以沿着板条的长度均匀地隔开，如图7B中所示。在一个方面中，可以朝向板条的一个端部、例如朝向底边缘472放置一个以上的空孔475，如图7C中所示。
[0142]参照图8，各单个板条465可以包括顶边缘471、底边缘472、第一长边491和第二长边492。在一个方面中，长边491包括接合构件(joinery member),如接合舌493。接合构件可以可选地包括条(biscuit)、半搭接头或其他接合结构。第二长边492包括配合接合面，如凹槽494。在使用时，第一板条的第一长边491与第二板条的第二长边492配合或接合。虽然未示出，但是也可以在顶边缘471和底边缘472处使用诸如舌槽等接合结构或者其他结构，以将板条接合至长度方向上相邻的板条。
[0143]在本公开的若干个方面中，第一长边可以包括用于与第二长边492配合接合的主动卡合锁扣连接497。在美国专利N0.7，131，242中大概描述了主动卡合锁扣连接或卡合锁扣连接，该专利的全部内容通过引用合并于此。接合舌493的整个长度可以包含主动卡合锁扣或者部分接合舌493可以包括主动卡合锁扣。接合舌493可以包括卡合铆钉。可以理解的是，当接合舌493包括卡合锁扣结构时，在具有凹槽494的第二长边上设置适当的接收结构。
[0144]图9示出示例性主动卡合锁扣系统，其中阳部970包括凸缘972。阳部970与包括内凹的凸缘安装部977的接收部975机械接合。使用时，将阳部970插到接收部975中使得凸缘部972与内凹的凸缘安装部977接合，从而允许阳部970的插入而防止松开或脱出。
[0145]错开板条式管的板条部之间的主动卡合锁扣接头可以用于将两个板条部机械地锁定到一起。主动卡合锁扣接头可以单独使用，或者与树脂或粘合剂组合使用。在一个方面中，柔性树脂与主动卡合锁扣接头组合使用。
[0146]图10示出具有错开板条式构造的冷水管451，该错开板条式构造包括多个交替的第一板条465和第二板条467，并且进一步包括覆盖冷水管451的外表面的至少一部分的螺旋状卷绕带497。在若干个方面中，带从冷水管451的底部454连续至冷水管451的顶部452。在其他方面中，带497仅设置在管451的由于水通过冷水管451的运动而经历涡流脱落的那些部分中。带497为冷水管451提供径向和长度方向上的支撑。带497还防止沿着冷水管的振动并且降低由于海洋流运动而引起的涡流脱落。
[0147]带491可以具有与冷水管451的单个板条相同的厚度和宽度，或者可以是厚度为单个板条的厚度的两倍、三倍、四倍或更宽，并且宽度为单个板条的宽度的最高达10倍(例如，2倍、3倍、4倍、5倍、6倍、7倍、8倍、9倍或10倍)。
[0148]带491可以以沿着外表面基本上平坦铺设的方式安装在冷水管的外表面上。在实施方式中，带491可以从冷水管451的外表面向外突出以形成螺旋状卷绕箍。在本公开的方面中，可以在带或箍491的各个部分上附加翅片、叶片或翼片。这样的翅片可以形成绕着冷水管的一部分卷绕的或者绕着冷水管的整个长度卷绕的螺旋结构。翅片可以成角度并且可以以任何数量绕着箍设置以防止由冷水管引起的漩涡情况。在一些方面中，翅片可以从管表面突出管直径的1/32至1/3之间的距离(例如，约管直径的1/32，约管直径的1/16，约管直径的1/8，约管直径的1/7，约管直径的1/6，约管直径的1/5，约管直径的1/4，以及约管直径的1/3)。
[0149]带491由与形成冷水管451的多个板条的材料兼容的任何适合的材料制成，包括:聚氯乙烯(PVC)、氯化聚氯乙烯(CPVC)、纤维增强塑料(FRP)、增强聚合物砂浆(RPMP)、聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE)、交联高密度聚乙烯(PEX)、聚丁烯(PB)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS);聚氨酯、聚酯、纤维增强聚酯、乙烯基酯、增强乙烯基酯、混凝土、陶瓷或它们中的一个或多个的组合物。带491可以利用标准制造技术模塑成型、挤出成型或拉挤成型。在一方面中，带491被拉挤成型为期望的形状和形式，并且包括与冷水管451的板条所使用的材料相似的纤维增强或尼龙增强乙烯基酯。带491可以使用包括上述材料中任何一个的树脂的适合的粘合剂或树脂接合至冷水管451。
[0150]在一些方面中，带491不沿着冷水管451的长度连续。在一些方面中，491不沿着冷水管451的周向连续。在一些方面中，带491包括附着于冷水管451的外表面的竖条。在一些方面中，当需要径向或其他结构支撑时，带491可以是绕着冷水管的外表面的周向支撑构件。
[0151]带491可以利用适合的柔性粘合剂以粘附的方式结合于或附着于冷水管的外表面。在一方面中，带491可以利用多个主动卡合锁扣以机械的方式联接于冷水管451的外表面。
[0152]关于图11，用于组装冷水管的示例性方法提供了冷水管451的高效运输和组装。通过将交替的第一板条部和第二板条部排列成如上所述的期望的错开形式1110来组装垂向筒形管段。然后将第一板条部和第二板条部接合以形成筒形管段1120。可以用多种接合方法中的任意一种来接合错开的第一板条和第二板条。在一个方面中，利用舌槽配置和柔性粘合剂来接合多个错开的第一板条部和第二板条部。在一个方面中，利用机械的主动卡合锁扣来接合多个第一板条部和第二板条部。可以使用舌和槽、卡合锁扣机构和柔性粘合剂的组合。
[0153]在将多个第一板条部和第二板条部进行接合以形成具有错开的第一板条部和第二板条部的筒形管段1120之后，可以将保持带、可充气套筒或其他夹具装在筒形管段上1122以便为管段提供支撑和稳定性。可以重复进行排列多个错开的第一板条部和第二板条部1110以及接合多个错开的第一板条部和第二板条部1120的步骤以形成任何数量的预制的筒形管段1124。可以理解的是，可以在OTEC电站设备处预制筒形管段，或者远程地预制筒形管段然后被运输至OTEC电站设备用于附加的构造，以形成完全组装好的冷水管451。
[0154]组装好具有错开板条的至少两个筒形管段后，将上、下筒形管段接合并且使各管段的错开板条对准1126。将柔性粘合剂施加至上、下筒形管段的错开板条的对接接头(buttjoint)处1130。可以用包括条接合的各种端部对接接头将两个管段的板条接合。在一个方面中，上、下筒形管段的错开的板条可以设置有找平用接合空孔，该空孔进而可以填充有柔性粘合剂。
[0155]管段中的空隙和之间的接头或者任何单个板条中的空隙和之间的接头均可以用附加的柔性树脂填充。一旦两个管段已经接合好并且在需要的位置施加了树脂，则允许固化两个管段1134。
[0156]然后从下管段上去掉保持带并且装上螺旋状卷绕箍1136。可以利用粘结的方式结合、例如主动卡合锁扣的机械结合或者粘结和机械结合的组合来安装螺旋状卷绕箍。
[0157]在组装方法的一个方面中，在将螺旋箍安装到下管段上之后，可以使整个管组件位移，例如向下位移，使得之前的上管部变成新的下管部1138。然后以与以上所述相同的方式组装上新的上筒形管段1140。也就是，对第一板条部和第二板条部进行排列以获得期望的错位1142。然后将第一板条部和第二板条接合以形成新的筒形管段，例如新的上管段1144。如前所述，可以使用保持带、可充气套筒或其他夹具以便在构造冷水管451的过程中为筒形管段提供支撑和稳定性。
[0158]组装好新的上管段1144后，将新的下管段和新的上管段的错开板条对准并且将其拉到一起1146。如上所述将粘合剂或柔性树脂施加于端部对接接头1148，例如配合使用条接合或找平用接合空孔。新的下管段与新的上管段之间的或者任何两个板条部之间的任何空隙都可以用附加的柔性树脂填充1150。然后可以使整个组件固化1152。可以如之前那样将保持夹具去掉并且将螺旋箍安装在新的下管段上1154。如之前那样，可以使整个管组件移位以便为接下来的筒形管段做准备。采用这种方式，可以重复该方法直到实现期望的管长度。
[0159]可以理解的是，可以采用与本公开一致的多种方式来完成具有错开板条的筒形管段的接合。将错开板条进行接合的方法提供了连续的管而在管段之间无需庞大的、笨重的或者会产生干扰的接合器件。提供了这样一种包括柔性和刚性在内的材料特性几乎均匀的连续的管。
[0160]示例:
[0161]提供冷水管组件以便于在现场构造大约3000英尺长的连续的错开板条式管。另夕卜，板条式设计负责应对分段式管构造惯常经历的不利于航运和装卸的载荷。例如对传统构造的分段式冷水管的拖拽和竖立会在管上施加有危险的载荷。
[0162]板条式构造允许在设备外制造多个40英尺至50英尺长的板条。各板条大约52英寸宽且4英寸至12英寸厚。可以以堆叠的方式或用集装箱将板条航运至离岸平台，然后可以在平台上由多个板条构造成冷水管。这消除了用于组装管段的单独的设备的需要。
[0163]板条部可以用弹性模量在约66，OOOpsi (磅/平方英寸)至165，OOOpsi之间的尼龙增强乙烯基酯构成。板条部可以具有约15，OOOpsi至45，OOOpsi之间的极限强度，以及约15，OOOpsi至45，OOOpsi之间的拉伸强度。在一个方面中，板条部可以具有150，OOOpsi的弹性模量、30，OOOpsi的极限强度以及30，OOOpsi的屈服强度，使得安装好的CWP表现得与软管(hose)相似而不是纯刚性管。由于管更有柔性并且避免了开裂或折断，所以这在风暴条件下是有利的。在一个方面中，管可以在未连接的下端从中心偏斜大约两个直径。未连接的下端处的偏斜不能大到与OTEC电站的锚泊系统以及电站运行中涉及到的任何其他水下系统发生干涉的程度。
[0164]冷水管连接至OTEC电站的底部。更具体地，冷水管利用动态支承与图3的OTEC柱筒的底部连接。在1994年牛津大学出版社出版的Avery和Wu发表的题为“来自海洋的可再生能源，OTEC指南”第4.5节中描述了 OTEC应用中的冷水管连接部，该部分的全部内容通过引用合并于此。
[0165]使用柱筒作为平台的显著的优点之一是，即使在非常严重的百年一遇的风暴条件下也能使得在柱筒和CWP之间产生相对小的转动。另外，柱筒和CWP之间的竖向力和横向力使得球形球与其底座之间的CWP的重量的向下的力将支承面保持为一直接触。由于连续的接触，该支承表面也用作水密封从而无需安装用于将CWP在竖向上保持在合适位置的机构。这有助于简化球形支承设计，并且还使得在不同方面中由任何附加的CWP管约束结构或器件引起的压力损失最小化。通过球形支承传递的横向力也足够低，使得该横向力能够被充分地容纳而无需CWP的垂向约束。
[0166]冷水通过一个或多个冷水泵经由冷水管被抽取并且通过一个或多个冷水通道或管道流入多级OTEC电站的冷凝器部。
[0167]在2010年I月21日提交的题为“海洋热能转换电站冷水管”的美国专利申请N0.12/691,655 (律师签号:25667-0003001)中描述了冷水管的结构和性能的进一步细节，该申请的全部内容通过引用合并于此。
[0168]冷水管连梓
[0169]冷水管351与柱筒平台311之间的连接引起了构造、维护和操作方面的挑战。例如，冷水管是悬在动态海洋环境中的2000英尺至4000英尺的垂向圆柱。冷水管所连接至的平台或船舶也浮在动态海洋环境中。此外，管被理想地连接在水线的下方，并且在一些方面中，远低于水线并且靠近船舶的底部。将完全组装的管调运到适当的位置并且将管固定于船舶或平台是一项艰巨的任务。
[0170]冷水管连接支撑着从平台上悬下来的冷水管，并且承受了平台和悬着的管之间的由于波浪作用、风、振动和海底水流所产生的静态力和动态力。
[0171]在1994年牛津大学出版社出版的William Avery和Chih Wu发表的题为“来自海洋的可再生能源，OTEC指南”第4.5节中公开了多种OTEC冷水管连接部，包括万向节、球窝和通用连接部，这些通过引用合并于此。只对万向节连接部进行了操作性试验，该万向节连接部包括允许30°转动的两轴万向节。如Avery和Wu所述,在万向节的平面中,球形壳形成了管的顶部。具有由尼龙和聚四氟乙烯(Teflon)制成的扁平环的筒形帽在管中的冷水和周围平台结构之间提供了滑动密封。图12中示出了万向节式管连接部。
[0172]以前的冷水管连接部被设计用于传统的船型和平台，这种传统的船型和平台由于重量以及波浪作用所以展现出比柱筒平台更大的垂向移位。用柱筒作为平台的显著的优点之一是，即使在非常严重的百年一遇的风暴条件下这样做也能使得在柱筒自身和CWP之间产生相对小的转动。另外，柱筒和CWP之间的垂向和横向力使得球形球与其底座之间的向下的力将支承面保持为总是接触。在若干个方面中，CWP与连接支承面之间的向下的力在
0.4g至1.0g之间。
[0173]在实施方式中，这种支承还可以用作水密封，并且该支承不会从与其配合的球形底座脱离接触，消除了安装用于将CWP在竖向上保持在合适位置的机构的需要。这有助于简化球形支承设计，并且还使得在不同方面中由任何附加的CWP管约束结构或器件引起的压力损失最小化。通过球形支承传递的横向力也足够低，使得该横向力能够被充分地容纳而无需CWP的竖向约束。
[0174]一些方面允许冷水管向上垂向插过平台的底部。这通过将完全组装的冷水管从平台下方提升到适当位置来完成。这便于同时地构造平台和管以及提供了维护时容易地安装和移走冷水管。
[0175]参照图3，冷水管351在冷水管连接部375处连接至柱筒平台310的浸没部311。在一个方面中，冷水管利用支承与图3的OTEC柱筒的底部连接。
[0176]在一方面中，冷水管连接部设置成包括管凸缘，该管凸缘经由球形面落座于活动爪(movable detent)。活动爪联接至柱筒平台的基部。包含活动爪允许冷水管垂向地插入冷水管接收凹部(bay)以及从冷水管接收凹部垂向地移走。
[0177]图13示出其中冷水管连接部375包括管接收凹部776的示例性方面，其中管接收凹部776包括凹部壁777和爪壳体778。接收凹部776进一步包括接收直径780，该接收直径780由凹部壁777之间的直径的长度限定。在若干个方面中，接收直径大于冷水管351的外凸缘直径781。
[0178]冷水管连接部375和柱筒311的下部可以包括结构加强件和支撑件，使得一旦悬挂了冷水管351时支撑冷水管的重量并且吸收柱筒311和冷水管351之间的动态力。
[0179]参照图14，冷水管连接部375包括爪壳体778和活动爪840，活动爪840机械地联接至爪壳体778以允许爪840从第一位置移动至第二位置。在第一位置中，活动爪840容纳在爪壳体778内使得爪840不朝向管接收凹部776的中央向内突出，并且保持在接收直径780的外侧。在第一位置中，冷水管351的顶端部385可以在不受活动爪840的干扰的情况下插入接收凹部776中。在可选的方面中，活动爪840可以以如下方式被容纳在第一位置:使得活动爪840的任何方面都没有朝向接收凹部776的中央向内突出超过外凸缘直径781。在进一步的方面中，第一位置中的活动爪840不与冷水管351的通过接收凹部776的垂向运动发生干涉。
[0180]在第二位置中，活动爪840展开超出爪壳体778并且朝向接收凹部776的中央向内突出。在第二位置中，活动爪840向内展开超过外凸缘直径781。可以利用液压致动器、气动致动器、机械致动器、电致动器、机电致动器或上述的组合将活动爪840从第一位置调整或移动至第二位置。
[0181]活动爪840包括部分球形或弧形的支承面842。弧形支承面842被构造成在活动爪840位于第二位置时为冷水管支承凸缘848提供动态支承。
[0182]冷水管支承凸缘842包括凸缘支承面849。弧形支承面842和凸缘支承面849可以协作落座以便提供动态支承，以支撑冷水管351的悬挂重量。另外，弧形支承面842和凸缘支承面849协作落座以负责应对冷水管351与平台310之间的相对运动而不使冷水管351离座。弧形支承面842和凸缘支承面849协作地落座以提供动态密封使得，一旦冷水管351经由冷水管连接部375被连接到平台310时相对热的水就不会进入管接收凹部776并且冷水不会从管接收凹部776离开而最终不会进入冷水引入部350。当悬挂上冷水管351时,冷水经由一个或多个冷水泵通过冷水管被抽取并且经由一个或多个冷水通道或管道流入多级OTEC电站的冷凝器部。
[0183]弧形支承面842和凸缘支承面849可以用诸如聚四氟乙烯涂层等涂层进行处理，以防止两表面之间产生原电池反应(galvanic interaction)。可选地,可以选择材料使得将不会发生原电池反应。例如，一种材料可以是纤维增强塑料而另一种材料可以是钢。
[0184]可以理解的是，动态支承面和活动爪或小齿轮的用于将冷水管连接至浮式平台的任何组合都在权利要求书以及此处公开的考虑范围内。例如，在若干个方面中，弧形支承面可以被定位在活动爪的上方、弧形支承面可以被定位于活动爪的侧面甚至是被定位在活动爪的下方。在若干个方面中，活动爪可以与如上所述的浮式平台的底部为一体。在其他方面中，活动爪可以与冷水管为一体。
[0185]图15示出将冷水管安装至浮式平台、更具体地安装至OTEC浮式平台的示例性方法。该方法包括将导绳和收帆索从平台操纵(rigging)至完全组装的冷水管。然后使冷水管下降到平台的下方并且使冷水管对准正确的位置。然后使冷水管上升到管接收凹部内，使活动爪或小齿轮展开并且使管落座在弧形支承面上。
[0186]更具体地，将引导缆绳安装至完全组装的冷水管351(910)。在示例性实施方式中，冷水管351可以包括一个或多个可充气套筒以便在冷水管的构造、移动和竖立的过程中提供浮力。在将导索安装至冷水管910之后，可以将一个或多个可充气套筒放气915使得冷水管具有负浮力。在实施方式中，冷水管也可以包括能够部分或全部填充水或其他压舱材料以便为冷水管提供负浮力的配重块或其他压舱物系统。
[0187]然后使冷水管下降到浮式OTEC平台310的冷水管连接部375的下方的位置920。可以再次调整压舱物。调整导索以便将冷水管正确地定位在冷水管连接部375的下方925，并且可以通过视频、远程传感器和其他手段对对准情况进行检查和确认930。然后使冷水管组件上升至冷水管支承凸缘848位于冷水管连接组件的活动爪840上方的位置935。可利用导索、可充气套筒、可拆卸气球或这些的组合来完成使冷水管上升到冷水管连接部内的动作。
[0188]在使冷水管上升到冷水管连接部内935之后，使活动爪展开940以便为冷水管提供动态支承面。然后通过调整导索、使可充气套筒或可拆卸气球放气或者通过调整配重块或其他压舱物系统来使冷水管下降。也可以使用这些方法的组合。
[0189]可以理解的是，导索、充气线、压舱物线等应该在冷水管的移动过程中保持不会相互妨碍。此外，冷水管的移动不应该与OTEC平台的锚泊系统发生干涉。
[0190]在公开的进一步的方面中，可以在冷水管和柱筒结构之间设置静态连接。在这样的方面中，可以通过改变管的在管顶部附近的柔性来负责应对管与柱筒之间的力。通过允许冷水管的下部和中间部的移动，降低或完全避免了对动态管连接的需要。避免万向节式连接部的需要去掉了高价的移动部件，并且使下面的柱筒部分以及冷水管两者的制造均得以简化。
[0191]参照图16，冷水管1651以没有采用上述动态支承的方式连接至柱筒1611的下部。冷水管1651的上部(B卩，在柱筒1611的下部和连接的位置处及下方不远的部分)被硬化以提供冷水管的相对不可弯曲的上部1651A。在不可弯曲的上部的下方设置相对柔性的中间部165IB。在柔性中间部165IB的下方是适度柔性的下部1651C，该下部165IC可以包括冷水管组件的最大部分。配重块或压舱物系统可以固定在下部1651C的底部或任何其他部分。
[0192]如图所示，柔性中间部1651B允许冷水管偏斜远离冷水管的悬挂线。偏斜量可以在0.25°到30°之间，取决于冷水管的从柱筒1011悬挂下来的长度和直径。
[0193]参照图17，详细地描述了静态的冷水管-柱筒连接的示例性实施方式。柱筒1611的下部包括用于接收冷水管1651的上部1651A的接收凹部1713。接收凹部1713包括锥形部1714和接触垫1715。冷水管1651的上部1651A包括具有锥形凸缘面1756和吊环(lifting lug)1775的凸缘1755。冷水管1651通过上提保持缆绳1777被连接至柱筒1611，上提保持缆绳1777在吊耳1775处被固定于冷水管。缆绳1777被安装至容纳在柱筒1711的下部中的机械绞盘(未示出)。
[0194]在用于将冷水管连接至柱筒平台的示例性方法中，使完全制造好的冷水管下降至柱筒平台正下方的点位处。通过远程操作工具将上提及保持缆绳1777连接于吊环1775。利用容纳在柱筒1611的下部中的机械绞盘拉紧缆绳。在冷水管1651的上部1651A进入接收凹部1713时，通过锥形部1714将其引导到正确位置直到在锥形凸缘面1756和接触垫1715之间形成水密的连接。一旦冷水管在接收凹部中位置正确并且密封，则用机械方式将缆绳1777锁定以防止冷水管1651的向下移动。锥形凸缘面1756和接触垫1715之间的密封必须充分克服存在于冷水管连接的深度处的任意静水力。例如，在432英尺深度处，冷水管连接处的静水压力为每平方英寸192磅。通过上提缆绳、冷水管的浮力或两者的组合可以赋予施加在连接垫上的向上的力。
[0195]可以理解的是，上提缆绳1777和相应的吊环1775的数量取决于冷水管1651的尺寸、重量和浮力。在一些方面中，冷水管1651可以具有正浮力、中性浮力或负浮力。上提缆绳1777和相应的吊环1775的数量也取决于与冷水管相关联的任何压舱物以及附接于冷水管的配重块的重量和浮力。在公开的一些方面中，可以使用2条、3条、4条、5条、6条或更多的上提及保持缆绳。
[0196]在公开的另外的方面中，吊环1775可以包括吊耳(pad eyes)，吊耳利用已知的紧固和连接技术被直接螺栓连接于冷水管的上部。例如，在冷水管的板条上部中可以包含筒状插座、六角插座、开口销等等。
[0197]在其他方面中，上提凸缘可以安装于冷水管的上部，该上提凸缘包括凸缘面1756和上提耳1755。上提凸缘的材料可以与冷水管的材料相同或不同。上提凸缘安装于冷水管时，与和上部1651A相关联的刚性相比，可以提高冷水管的刚性。图18是安装于板条式冷水管1651的上提凸缘1775的说明图。上提凸缘可以机械结合、化学结合或热结合于冷水管的上部1651A。例如，可以使用与用于连接冷水管的单个板条构件相同的结合树脂来将上提凸缘连接至冷水管。
[0198]平台连接和引入填充部
[0199]可以理解的是，平台/冷水管(CWP)连接代表了任何OTEC系统的重要方面。在这种接口处的小故障可以导致供应到OTEC热机的冷水的热污染，而对电站的整体效率产生了不利影响。大故障可以导致破坏船舶的底部、破坏冷水管的上部，从而导致了冷水管的最终分离及丢失。如上所述，典型地，平台/CWP连接支撑CWP并且允许平台和CWP之间的相对角度运动(倾斜、滚动以及偏航)。这可以缓解当平台或CWP以特定的角度相对于彼此运动时的任何应力集中。万向节或球-窝(ball-1n-socket)设计可以适应相对角度运动。还可以利用诸如阻尼器等的运动补偿机构、运动止动件等来负责应对诸如升降、摆动、滑脱等的CWP和平台之间的线性运动。
[0200]在实施方式中使用筒体平台，通过船型(hull form)很大程度上弥补了线性运动，当遇到风、水流、波浪以及涨潮时仅仅导致了小的这种运动。通过包含设计成当受到移动力时弯曲的弹性CWP来适应角度运动。
[0201]参照图19，示出了示例性柱筒平台的典型甲板图，其中柱筒2010的水下部分2011从水位线到柱筒的底部的总深度是432英尺。柱筒最大直径2012为140英尺，而较小的柱直径2013为大约105英尺。
[0202]柱筒2010的水下部2011包括:多用途模块化支撑柱2040的下部；包括热水引入甲板2042、热水泵室2041、热水分配甲板2043、蒸发器甲板2044和热水排放填充部2046的多层甲板热水部；包括一个或多涡轮发电机甲板2055的发电部；包括冷水排放填充部2049、冷凝器甲板2048、冷水分配甲板2050、冷水泵室2051和冷水引入甲板2052的多层甲板冷水部；以及固定压舱部2055。
[0203]示例性柱筒2010的甲板图包括具有约90英尺的高度的多用途支撑柱2040。
[0204]在多用途支撑柱2040下面是具有约10英尺的高度的热水引入甲板2042。在热水引入甲板2042下面是具有约30英尺的高度的热水泵室2041，在热水泵室2041下面是具有约6英尺的高度的热水分配甲板2043。具有约60英尺的高度的蒸发器甲板2044在热水分配甲板2043的下面。具有约10英尺的热水排放填充部2046是在蒸发器甲板2044的下面。
[0205]多涡轮发电机甲板2055在热水排放填充部2046的下面。各涡轮发电机甲板可以具有约30英尺的高度。
[0206]冷水排放甲板2049在多涡轮发电机甲板的下面并且具有约10英尺的高度。具有约60英尺的高度的冷凝器甲板2048在冷水排放甲板2049的下面。具有约6英尺的高度的冷水分配甲板2050在冷凝器甲板2048的下面。具有约30英尺的高度的冷水泵室2051在冷水分配甲板2050的下面。具有约10英尺的高度的冷水引入甲板2052在冷水泵室2051的下面。
[0207]参照图20，冷水泵室2051包括一个或多个冷水泵2076和冷水管道。在操作期间，冷水经由一个或多个冷水泵2076从冷水引入甲板2052被抽出并且流到冷水分配甲板2050中的一个冷水通道或管道，继续流动到多级OTEC电站的冷凝器。
[0208]柱筒的底部包括固定压舱部2055，并且可以具有20英尺至70英尺之间的高度，在图20A的示例中，该底部具有约50英尺的高度。
[0209]可以理解的是，上述甲板中的每一个根据机械的结构和功能要求、水供应以及甲板的工程要求可以具有不同的高度。例如，与大容量电站相比，具有较小总能量输出的电站需要较少的水流、较少的热交换器以及较少的涡轮发电机。因此，甲板尺寸、直径和高度可以随着柱筒和电站的尺寸而变化。
[0210]图21A、图21B、和图21C分别示出了在蒸发器甲板2044或在冷凝器甲板2048中存在的典型热交换器配置的平面图、立体图和立体截面图。所示的访问主干2105被设置在中央芯部2107。排出主干2106也设置在中央芯部2107。多个热交换器2111可以围绕中央芯部2107的外周配置。可以从任何访问主干2105访问热交换器2111。在与本申请同时提交的共同待决的名称为“海洋热能转换电站”的美国专利申请N0.13/209，865 (律师签号:25667-009001)和名称为“流体之间的热转换”的美国专利申请N0.13/209, 944 (律师签号:25667-014001)中描述了本实施方式中所考虑的热交换器的细节，这些申请的全部内容通过引用合并于此。
[0211]图22A示出了具有可替换的下部的示例性柱筒2010，该下部包括圆拱状冷水入口2252。图22B是图22A的柱筒2010的下部的细节甲板图，该图包括冷水排放甲板2049、冷凝器甲板2048、冷水分配甲板2050、冷水泵室2051、冷水入口 2252和固定压舱部2055。在由虚线示出以表示被挡住的视图的访问主干2105通过中央芯部2107延伸并且进入冷水泵室 2051。
[0212]在图22A至图22D的实施方式中，冷水入口 2252被配置在与冷水泵室2051相同的高度或相同的甲板上。冷水入口 2252位于柱筒2010的下部的直径范围内的中央，并且被冷水泵室2051包围。冷水入口 2252形成冷水管2070的终点或连接点。冷水入口 2252以圆拱状引入空间或腔的形状向上延伸到冷水泵室2252。
[0213]圆拱状引入腔可以提供如下的优点:减小了结构跨度；减少了柱筒的总长度；提供了从CWP、经过管道和阀门、经过泵向前到冷凝器的有效水流路径；为维修人员提供了足够的访问；提供了为了维修或更换而通过访问主干移除设备的手段；为防止海水的静水压力提供了保护；提供了一种为正常的OTEC操作而将CWP有效地锁定到柱筒的基部以及为了移除而解除CWP的锁定的手段；以及提供了在连接到海水的区室中分界的双重水密阀。
[0214]与现有技术的OTEC结构相比，对于给定的柱筒结构的大直径以及显著的深度而言，在图22A至图22D中所描述的本实施方式的内部一体的圆拱形引入腔克服了在柱筒的基部的多方面的问题，包括:对柱筒的最深部分的海水的静水压力，对弯曲的船壳板向内的作用和对底部表面向上的作用，以及较大的结构跨度，特别是横跨柱筒的直径的结构跨度。伴随在柱筒最深的部分克服静水力所需要的重量和空间消耗，这些问题在支撑结构方面产生了结构、布置以及工程挑战。
[0215]不希望受到理论的约束，位于冷水管的终端部处的圆拱状性冷水入口 2252减轻了作用于柱筒2010的底部的静水力。对本实施方式的整个柱筒结构进行结构有限元分析(FEA)以确保设计是符合要求的。进行附加的FEA，以确定如果最低处甲板结构受到自海水向上的大部分的环境静水压力，最低处甲板结构最好能够制造成如下的圆拱状结构:在该板被放置在张力下，避免了翘曲破坏的可能性。结果表明，抛物线的结构没有设计优势。然而，可以理解的是，横跨柱筒的直径的跨度较大时，通常需要非常重且复杂的板梁结构。为了克服这个问题，冷水入口 2252包括覆盖有半圆形或圆拱状形的终端或帽2274的短圆筒部 2273。
[0216]该圆拱状形结构证明其在结构上是有效的。该圆筒具有相对较小的直径和适度的跨度，从而形成了有效的结构设计。此外，该圆筒为甲板在其上部和基部的结构提供了增强支撑。在保持了良好的水流量以及水密完整性的同时，已大大减少了跨度的问题。
[0217]与较大平坦状引入填充部甲板(见图20A和图20B)相比，圆拱形引入填充部结构(见图22A至图22D)具有明显的结构优势。由于较大的静水压力作用于平坦状引入填充部甲板，本设计需要非常重且复杂的结构来承受这些压力。然而，圆拱状的引入填充部结合了球形和筒形形状，这能够高度地抵抗由压力载荷所施加的力。因而，对于相同的目标，圆拱状的引入填充部会更好地承受静水压力并且提供较轻的重量以及不复杂的结构方案。
[0218]此外，圆拱状的引入填充部的尺寸被调整成与冷水管的直径相配合而不是与柱筒的直径相配合。因而，静水压力被施加到较小的区域。在互补效应中，结构构件的刚度遵循结构构件的无支撑长度的三次幂的反函数。结构构件的长度遵循结构构件的无支撑长度的平方的反函数。这两种结构属性对设计具有短的无支撑长度的结构构件而言是有益的。平坦状的引入填充部甲板具有约100英尺的总直径。相反，改进设计的圆拱状的引入填充部具有约24英尺的直径。对于相当的结构，无支撑长度减少4倍将导致强度增大16倍并且刚度增大64倍。因此，对于圆拱状的引入填充部的结构设计相当简单且重量轻，并且具有较少的结构板以及明显较少的结构增强构件。
[0219]除了克服静水压力和所需结构的挑战之外，本实施方式的圆拱状引入方案还减少了结构孤立点，归因于角度和/或结构接头而在孤立点存在结构上相对高的力或应力、或载荷的不均匀分布。本实施方式的圆拱状引入方案还允许到泵室和冷水引入连接的干燥访问，从而有利于如下机械的维修和检查:泵、阀门、阀门驱动装置、传感器和冷水升降以及保持系统，但不限于此。
[0220]本实施方式的圆拱状引入方案还有利于来自冷水管(CWP)的冷水、向上至冷水分配甲板2051及冷凝器甲板2050中的冷凝器的均匀分配。
[0221]实际上，圆拱状引入方案解决了与OTEC柱筒的基部相关的技术问题，包括:结构、冷水管理、冷水管(CWP)安装和保持；水密隔离；以及设备访问。
[0222]位于中央的圆拱状引入结构承受了静水力和其他环境力，为设备提供了支撑以及保持了柱筒内所占空间的水密完整性。通过将从冷凝器甲板2048中的冷凝器室向下经过冷水分配甲板2050至冷水泵室2051区域内使甲板、舱壁、筒形结构与连接结构对准或近似对准来保持结构连续和载荷分布。
[0223]如图22A和图22D所示，圆拱状引入方案还有利于改善冷水流量的管理。冷水从CWP2270被供给到圆拱状的冷水入口 2252，经由冷水泵供给管2275输送到冷水泵2276，经由冷水泵排放管2277排放到冷水分配甲板2050内的分配填充部并且向上进入冷凝器甲板2048中的冷凝热交换器中。在泵的入口和出口使用隔离阀2278提供双阀隔离，能够使泵、内侧阀和冷凝室隔离。该阀位于可访问的干燥空间内以确保阀的监控和维护。结构、管路及(主要的和备用的)阀隔离了柱筒的可访问空间与海洋的静水压力。[0224]圆拱状引入2052的中央定位使得能够借助于两个竖直安装的访问主干2105访问泵室中的设备(泵、马达、隔离阀、备用的隔离阀、致动器和传感器)中。进一步如下所述，在泵室2051的下方，经由CWP锁定室2280提供进一步的访问用于检查和维护将CWP安装到柱筒的基部的球形锁环。
[0225]在包含圆拱状引入腔的示例性实施方式中，柱筒的基部被成形和增强为有助于将CffP引导至锥形凹部，便于进行牢固配合。CWP通过安装到冷水泵室中的绞盘的缆绳被拉入适当位置。在CWP被牢固地固定在适当位置之后，一组球形锁或机械柱塞(ram)与CWP接合或固定以固定地保持CWP，直到锁或柱塞被撤回。如果期望移除CWP，柱塞或锁可以被解除接合，从而CWP可以被绞盘向下拉出。与现有技术的OTEC设备相比改进了移除CWP的能力，特别是与那些包含装有万向接头的或球铰扣座的CWP连接的设备相比。
[0226]图22D示出移除了冷水泵的冷水分配甲板2051，示出了用以下详细描述的方式使用的安装绞盘2210。
[0227]图22E示出了示例性OTEC电站的冷水系统的管路布置的示意图。如上所述，OTEC电站包括多个冷水泵2276，该冷水泵2276从圆拱状冷水入口 2252泵取水、使水经过多个热交换器2211，最终从一个或多个冷水排放甲板2249排出。如示出的，包括多个隔离阀2278以便适当地开闭经过冷水系统的冷水流。在示例性实施方式中，该系统具有可以彼此独立操作的四个通路，使得即使特定通路的设备(例如，管路、阀或热交换器)损坏了，用于该特定通路的隔离阀也可以被关闭以防止损坏整个系统。
[0228]图23示出了安装绞盘2310被设置在冷水管泵室2351中的示例性实施方式。安装缆绳2312穿过泵室的甲板和/或固定压舱部2355的下部，为贯穿船体的配件。可以在首次安装和后续操作中以不同的方式实现用于上提缆绳贯穿船体的水密密封。关于安装，涂覆的上提缆绳通过在冷水泵室2051的底部的填料式(packing-type)密封而被密封到专用的锚链管2530 (2312)中。
[0229]在参照图25的操作中，安装的上提缆绳安装到在冷水管2270的上部的吊环2320。由于CWP的上部就座于柱筒的接收凹部，筒形吊环2320就座于接收凹部顶端处的壳体2322中。吊环2320的上部在壳体2322的上部处与面密封件2524或其他垫圈相配合。筒形环2320的侧壁与壳体外周上的两个径向密封件2526相配合。因而，具有三重冗余的持久的水密密封。密封材料可以包括PTFE或在海洋环境中不会退化的其他软塑料。在CWP的安装和吊环2320被适当的密封到它们的壳体2322中之后，专用的上提缆绳锚链管2312可以被干燥或充填油以防止缆绳或缆绳系统的腐蚀和粘合。
[0230]在实施方式中，还设置了主动锁定系统以与CWP的顶部机械接合，并且防止了 CWP相对于柱筒的竖向运动。参照图22B，锁定系统可以被设置在CWP锁定室2280中。这些室可以是干燥的或潮湿的空间。
[0231]图24示出了 CWP锁定系统2410的示例性实方式，该CWP锁定系统2410包括CWP锁定室2280、马达致动器2415、延伸柱塞2417、水密边界和贯通船体连接(through hullconnection)2418、CWP接合球2420、CWP接收凹部壁2425、柱筒插座板2426、以及CWP球面壳体板2430。
[0232]锁定系统将CWP固定到平台的基部。在CWP使用缆绳上提保持系统被牵引到位之后，锁定系统激活并且CWP连接器被接合，以在CWP和平台之间提供结构接口和固定机构。[0233]CffP与平台结构的连接是线性插塞-插座式连接。冷水管的尺寸的紧密公差使得用于将CWP上提入柱筒接收凹部以及连接管周围的锁定销变得困难。因此，实施方式使用接合球和接收板以允许用于CWP的接合的更大公差。该方式还提供径向上安装和固定所需的轴向强度，该轴向强度能够以期望的充裕的公差实现。
[0234]连接包括径向球-锁连接器(radial Bal-Lok connectors),该径向球-锁连接器例如包括就座于一对板2430中的大型铸钢空心连接球2420，一个板固定到CWP的上部，另一个板固定到柱筒。
[0235]该类型的连接器是由美国陆军和美国海军研发的接头模块化驳船系统(JointModular Lighter System) (JMLS)中所使用球连接的变形。连接器可以根据载荷需要被缩放成各种强度。在JMLS构造中，使用10英寸的球进行测试，证明连接器可以支撑400，000磅剪切载荷。
[0236]本文所描述的OTEC CffP连接系统的示例性实施方式使用24个连接器，这些连接器在CWP锁定室2280中围绕柱筒周向地配置，并且将支撑超过4，250长吨的极限轴向载荷。
[0237]球连接系统的实施方式比传统的销连接具有优势。球不会如剪切销一般，由于腐蚀或变形而卡在某一位置。在CWP需要被降低或移除时，这有助于CWP安装过程的远程启动以及远程解除锁定。
[0238]图26示出了示例性实施方式，板条式冷水管2270被如本文描述地构造并且进一步包括如下的上部2250，上部2250具有嵌入合成CWP材料的周向钢结构2252。该周向钢结构2252可以是连续的金属片或一系列联锁的金属片。可选地,该周向钢结构2252可以包括多个等间隔的钢板2253。
[0239]周向钢结构2252为CWP2270的上部2250提供径向刚度。此外，吊环2320可以被锚固或其他方法固定到嵌入的钢结构2252，以确保吊环和CWP之间的适当的抗拉强度。此夕卜，周向钢结构2252为在锁定系统中使用的CWP球壳体板2430提供了安装点。
[0240]此处所描述的离岸结构、冷水管和冷水管升降连接系统可以用于OTEC系统。OTEC系统包括美国专利申请13/011,619 (律师签号:25667-0005001)中所描述的OTEC热机，其全部内容合并于此。
[0241]可以理解的是，本发明的冷水管以及连接系统可以在除了 OTEC以外的其他工业过程中使用。
[0242]本文中涉及到的所有弓I用文献的全部内容通过弓I用合并于此。
[0243]其他实施方式在随附的权利要求书的范围内。
【权利要求】
1.一种用于与OTEC系统一起使用的离岸结构，其包括: 浸没柱筒，其具有下部，所述下部包括: 冷水入口，其包括与冷水管流体连通的圆拱状终端； 干燥的机舱，其包括一个或多个冷水供应泵和一个或多个冷水管的上提保持绞盘，所述上提保持绞盘具有连接到所述冷水管的上提缆绳。
2.根据权利要求1所述的离岸结构，其特征在于，所述冷水入口具有所述机舱的总甲板面积的至少10%的甲板面积。
3.根据权利要求1所述的离岸结构，其特征在于，所述冷水入口占据所述干燥的机舱的中央的空间。
4.根据权利要求1所述的离岸结构，其特征在于，所述冷水供应泵和所述冷水入口流体连通，所述冷水供应泵和冷水分配填充部流体连通，所述冷水分配填充部为一个或多个OTEC冷凝器提供冷水。
5.根据权利要求1所述的离岸结构，其特征在于，所述上提缆绳通过专用的锚链管贯穿船体。
6.根据权利要求1所述的离岸结构，其特征在于，所述离岸结构还包括位于所述冷水入口的下方的吊环壳体，其中，所述上提缆绳被连接到位于所述冷水管的上部的吊环，所述吊环适于接合且密封在所述吊环壳体内。
7.根据权利要求6所述的离岸结构，其特征在于，所述吊环壳体进一步地包括水密顶面密封件和一个或多个水密的周向密封件。
8.根据权利要求1所述的离岸结构，其特征在于，所述离岸结构还包括球锁系统，所述球锁系统包括: 两个或多个锁定室，所述锁定室被配置在所述冷水入口的下方并且适于允许所述冷水管的上部就座于所述两个或多个锁定室之间； 致动马达和活塞，所述活塞穿过水密密封件；以及 球锁，所述球锁在所述活塞的内端。
9.根据权利要求8所述的离岸结构，其特征在于，所述球锁适于在所述活塞致动时与所述冷水管的配合面接合。
10.根据权利要求8所述的离岸结构，其特征在于，所述球锁与所述冷水管的配合面可逆地接合。
11.根据权利要求8所述的离岸结构，其特征在于，所述两个或多个球锁与所述冷水管的配合面接合并且防止所述冷水管相对于所述离岸结构的竖向或横向运动。
12.—种将冷水管连接到离岸OTEC结构的方法，所述方法包括: 将一个或多个上提缆绳从干燥的机舱经由贯穿船体的专用的锚链管穿过离岸结构的浸没下部； 将所述一个或多个上提缆绳连接到位于冷水管上部的一个或多个吊环；以及 缩回所述上提缆绳，使得所述冷水管进入所述离岸结构的冷水管接收凹部，并且使得所述一个或多个吊环就座于一个或多个吊环壳体内，以提供关于穿过所述一个或多个上提缆绳的贯穿船体的水密密封。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述方法还包括:在所述上提缆绳缩回并且所述吊环就座于所述吊环壳体之后，干燥所述锚链管的内部以防止腐蚀所述上提缆绳。
14.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述方法还包括:从所述离岸结构延伸一个或多个球锁，以与所述冷水管的配合面接合，并且防止所述冷水管相对于所述离岸结构的竖向或水平运动。
15.—种冷水管,其包括: 上部，其被构造成安装到离岸结构的下部，所述冷水管的上部包括: 周向结构，其被嵌入在所述冷水管的材料中； 一个或多个吊环，所述一个或多个吊环被锚固到嵌入的所述周向结构；以及 两个或多个球锁接触部，其被固定到所述嵌入结构，用于与位于所述离岸结构的下部的球锁系统接合。
16.根据权利要求15所述的冷水管，其特征在于，所述嵌入结构包括钢。
17.根据权利要求15所述的冷水管，其特征在于，所述嵌入结构是围绕所述冷水管的上部嵌入的多个钢板。
18.根据权利要求15所述的冷水管，其特征在于，所述冷水管还包括具有板条式构造的下部。
19.根据权利要求18所述的冷水管，其特征在于，所述冷水管的上部包括与所述冷水管的板条式构造的下部的材料相同的材料。
20.根据权利要求18所`述的冷水管，其特征在于，所述冷水管的吊环被连接到上提缆绳，所述上提缆绳引到在所述离岸结构的下部中的干燥的机舱中的上提绞盘。
【文档编号】F03G7/04GK103874853SQ201280050750
【公开日】2014年6月18日 申请日期:2012年8月15日 优先权日:2011年8月15日
【发明者】J·M·罗斯, D·L·威尔金斯, M·古谱塔, G·M·莫罗, L·J·夏皮罗, B·R·科尔, A·瑞科瑞特 申请人:阿贝尔基金会