一种螺旋置入式海洋温差能发电系统的制作方法

1.本发明涉及海洋温差能发电技术领域，具体涉及一种螺旋置入式海洋温差能发电系统。


背景技术：

2.随着经济发展的能源需求与生态环境的破坏恶化之间的矛盾日益严重，加上化石能源日渐枯竭，国际社会在加快开发可再生能源上达成高度一致的共识。海洋是世界上最大的太阳能采集器，蕴含着丰富的绿色无污染的可再生能源，每年海水吸收的太阳能高达37万亿kw，全世界海水温差能理论资源功率估计为600亿kw，具备替代传统化石能源的潜力，受到学术界广泛关注。
3.目前，只有少数几个发达国家建立了海洋温差能发电示范电站并发电成功，如日本冲绳、美国夏威夷、法国留尼汪岛等地区。现有的海洋温差能发电示范电站的基建类型主要可以分为两类：一类为陆地式海洋温差能发电系统，该类型电站是将发电系统布设安装在岸边的陆地上，并向海洋铺设热水管道和冷水管道用于抽吸热海水和冷海水，运输至陆地上的发电系统进行发电。二类为漂浮式海洋温差能发电系统，该类型电站是将发电系统布设安装在发电区域的海面上，热水管道和冷水管道从漂浮在海面上的发电系统分别垂直布设到热海水和冷海水的海域，发电系统发电产生的电能通过长电缆运输至岸边的电能接收设施。上述两类海洋温差能发电示范电站都存在以下几个共性的问题：(1)热水管和冷水管在海洋中铺设长度很长，存在管道下入布设、位置固定、以及结构腐蚀等问题；(2)长距离运输热海水和冷海水，海水流动阻力不可忽略，泵功耗消耗巨大能量，并且在运输过程中存在大量的能量损失，存在发电系统循环热效率很低的问题；(3)由于循环热效率低，故发电系统整体结构体积无法小型化，存在设备尺寸大、器件维护困难等问题。因此，在解决发电系统循环热效率很低、设备结构稳固易维护等问题上需要新型的循环系统设计，立足于实现能量的原位提取、减少能量的无效损失、简化系统结构设计等研究方向来促进海洋温差能发电系统的发展。


技术实现要素：

4.针对现有技术中的不足，本发明提供一种螺旋置入式海洋温差能发电系统，其采用工质循环发电的模式，实现海洋温差能的原位提取，减少能量的无效损失，能够提高发电系统的循环热效率。
5.为实现上述目的，本发明可以采用以下技术方法进行：
6.一种螺旋置入式海洋温差能发电系统，其包括：
7.透平机，其用于驱动发电机发电；
8.设置于第一温度海域的工质蒸发器，其具有换热管道以利用所述第一温度海域的海水将流经自身的液态循环工质加热形成气态循环工质，并输送到所述透平机；
9.设置于第二温度海域的工质冷凝器，其具有换热管道以利用所述第二温度海域的
海水将所述透平机发电后流出并流经自身的气态循环工质吸热形成液态循环工质，其中，所述液态循环工质重新输送回所述工质蒸发器，所述第一温度海域的海水温度高于所述第二温度海域的海水温度。
10.如上所述的螺旋置入式海洋温差能发电系统，进一步地，所述工质蒸发器包括：
11.贯穿轴心的第一管道；
12.螺旋围绕所述第一管道的第二管道，以及，
13.螺旋围绕所述第一管道的第三管道，且所述第三管道与所述第二管道的每一圈螺旋面均贴合换热。
14.如上所述的螺旋置入式海洋温差能发电系统，进一步地，所述工质冷凝器包括：
15.贯穿轴心的第四管道；
16.螺旋围绕所述第四管道的第五管道，以及，
17.螺旋围绕所述第四管道的第六管道，且所述第六管道与所述第五管道的每一圈螺旋面均贴合换热。
18.如上所述的螺旋置入式海洋温差能发电系统，进一步地，所述第一管道与所述第四管道连通，所述第四管道的下游端与所述第六管道的上游端连通，所述第六管道与所述第三管道连通，所述第三管道的下游端与所述透平机的入口端连通，所述第一管道的上游端与所述透平机的出口端连通。
19.如上所述的螺旋置入式海洋温差能发电系统，进一步地，所述第三管道的下游端与所述透平机的入口端连通的管道上还设有气液分离器，所述气液分离器分离出的液态循环工质流向所述第一管道的上游端。
20.如上所述的螺旋置入式海洋温差能发电系统，进一步地，所述第一管道的上游端与所述透平机的出口端连通的管道上还设有工质泵。
21.如上所述的螺旋置入式海洋温差能发电系统，进一步地，所述第六管道与所述第三管道连通的管道上还设有单向阀。
22.如上所述的螺旋置入式海洋温差能发电系统，进一步地，所述工质蒸发器与所述工质冷凝器之间的管道外设有密封连接结构，所述密封连接结构包括：
23.包覆管道的隔热层；以及，
24.用于围蔽所述隔热层的外围层。
25.如上所述的螺旋置入式海洋温差能发电系统，进一步地，还包括热水泵、冷水泵及若干固定环，所述热水泵的出口连接所述工质蒸发器的热海水泵入口，其用于将所述第一温度海域的海水泵入所述工质蒸发器内；所述冷水泵的出口连接所述工质冷凝器的冷海水泵入口，其用于将所述第二温度海域的海水泵入所述工质冷凝器内；所述第一管道和所述第四管道内贯穿组合管道，形成工质循环管，若干所述固定环用于将所述工质循环管固定在所述工质蒸发器和所述工质冷凝器的轴心通孔上。
26.如上所述的螺旋置入式海洋温差能发电系统，进一步地，所述工质蒸发器及所述工质冷凝器的形态均包括圆柱体状、正方体状或多层螺旋板式的任一种。
27.本发明与现有技术相比，其有益效果在于：
28.1、本发明的发电系统整体结构一体化，让系统可以实现整体结构置入到海洋中进行运作，改进现有发电示范站所需的长管路铺设、长距离的换热源运输、大量的能源消耗和
结构设计复杂等问题，有效的提高了发电系统的运作效率、结构下入的便捷性和发电系统的应用范畴。
29.2、本发明的发电系统采用螺旋式的工质蒸发器和工质冷凝器的结构，通过特殊的结构设计，一方面让系统可以实现工质循环发电的模式和热冷源原位换热的功能，大幅降低抽吸海水所需的做功消耗和传输过程的能量损失；另一方面让换热面积大幅提高可以有效的提高热冷海水与工质之间的换热效率。
附图说明
30.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图进行简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
31.图1为本发明实施例的螺旋置入式海洋温差能发电系统的结构示意图；
32.图2为本发明实施例的发电系统的密封连接结构的结构示意图；
33.图3为本发明实施例的发电系统的工质蒸发器的内部结构示意图。
34.其中：1、工质蒸发器；2、工质冷凝器；3、热水泵；4、冷水泵；5、透平机；6、工质循环管；7、工质泵；8、单向阀；9、气液分离器；10、固定环；11、密封连接结构；11-1、密封连接结构外围层；11-2、密封连接结构隔热层；a-1、热海水泵入口；a-2、热海水泵出口；a-3、液态工质入口；a-4、气态工质出口；b-1、冷海水泵入口；b-2、冷海水泵出口；b-3、乏气工质入口；b-4、液态工质出口。
具体实施方式
35.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
36.实施例：
37.需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，本发明实施例的术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
38.需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
39.在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个、三个等，除非另有明确具体的限定。此外，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
40.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
41.参见图1至图3，本发明提供了一种螺旋置入式海洋温差能发电系统，其采用螺旋式的工质蒸发器1和工质冷凝器2的结构，通过特殊的结构设计，一方面让系统可以实现工质循环发电的模式和热冷源原位换热的功能，大幅降低抽吸海水所需的做功消耗和传输过程的能量损失；另一方面让换热面积大幅提高可以有效的提高热冷海水与工质之间的换热效率。同时，本发明的系统整体结构一体化，让系统可以实现整体结构置入到海洋中进行运作，改进现有发电示范站所需的长管路铺设、长距离的换热源运输、大量的能源消耗和结构设计复杂等问题，有效的提高了发电系统的运作效率、结构下入的便捷性和发电系统的应用范畴。
42.参见图1，图1展示了一种螺旋置入式海洋温差能发电系统，其包括：透平机5、设置于第一温度海域的工质蒸发器1以及设置于第二温度海域的工质冷凝器2，透平机5用于驱动发电机发电；工质蒸发器1具有换热管道以利用第一温度海域的海水将流经自身的液态循环工质加热形成气态循环工质，并输送到透平机5；工质冷凝器2具有换热管道以利用第二温度海域的海水将透平机5发电后流出并流经自身的气态循环工质吸热形成液态循环工质，随后液态循环工质重新输送回工质蒸发器1，且第一温度海域的海水温度高于第二温度海域的海水温度。
43.本实施例中，第一温度海域为热海水区域，第二温度海域为冷海水区域，工质蒸发器1连接有用于将热海水泵入工质蒸发器1的热水泵3，工质冷凝器2连接有用于将冷海水泵入工质冷凝器2的冷水泵4，同时工质蒸发器1与工质冷凝器2通过工质循环管6进行连接。当本系统使用时，液态工质通过热水泵3进入工质蒸发器1中，与工质蒸发器1内部循环的工质进行换热，从而使得工质受热后气化，气化后的工质通过管线输送至透平机5中进行发电，发电后的乏气工质通过工质循环管6输送至工质冷凝器2内，乏气工质与工质冷凝器2内部循环的工质进行换热，从而使得乏气工质受冷后液化并输出。可以理解地是，本系统采用工质循环发电的模式，实现海洋温差能的原位提取，同时发电系统整体结构一体化，让系统可以实现整体结构置入到海洋中进行运作，改进现有发电示范站所需的长管路铺设、长距离的换热源运输、大量的能源消耗和结构设计复杂等问题，有效的提高了发电系统的运作效率、结构下入的便捷性和发电系统的应用范畴。
44.参见图3，作为一种可选的实施方式，在某些实施例中，工质蒸发器1包括贯穿轴心的第一管道、螺旋围绕第一管道的第二管道以及螺旋围绕所述第一管道的第三管道，且所述第三管道与所述第二管道的每一圈螺旋面均贴合换热。
45.具体地，工质蒸发器1内部热海水流通通道是围绕着第一管道螺旋分布，第三管道与第二管道都为层层叠加的螺旋管道，其中，两个螺旋管道并不相通，具有一定的厚度间隔，即工质流通管道和热海水流通管道是交叠螺旋分布的，也就是一层热海水一层工质流通的，如图3所示，该结构存在四个进出口，分别为热海水泵入口a-1、热海水泵出口a-2、液态工质入口a-3以及气态工质出口a-4，其中，a-1和a-2为热海水流通螺旋，a-3和a-4为工质流通螺旋，热水泵3的出口与热海水泵入口a-1相连，进入工质蒸发器1的热海水经过换热作用后，从热海水泵出口a-2流出至海洋。工质蒸发器1采用立式圆柱体结构，液体工质进入工质蒸发器1内的工质流通管道，沿着工质流通管道的螺旋管道上移，并与热海水流通管道进行换热，经过换热的液体工质受热气化后进入透平机5进行发电。工质蒸发器1采用立式圆柱体结构，可以使气化的工质不受重力影响向上移动，此外，工质蒸发器1的内部采用双螺旋结构的层层重叠的方式，能够增大热海水和液体工质的换热面积，实现换热效率的最大化。进一步地，工质冷凝器2包括贯穿轴心的第四管道、螺旋围绕第四管道的第五管道以及螺旋围绕所述第四管道的第六管道，且所述第六管道与所述第五管道的每一圈螺旋面均贴合换热。具体地，工质蒸发器1和工质冷凝器2结构一致，工质冷凝器2内部冷海水流通通道是围绕着第四管道螺旋分布，第五管道与第六管道都为层层叠加的螺旋管道，其中，两个螺旋管道并不相通，具有一定的厚度间隔，即工质流通管道和冷海水流通管道是交叠螺旋分布的，也就是一层冷海水一层工质流通的，如图1所示，该结构存在四个进出口，分别为冷海水泵入口b-1、冷海水泵出口b-2、乏气工质入口b-3以及液态工质出口b-4；冷水泵4的出口与工质冷凝器2的冷海水泵入口b-1相连，进入工质冷凝器2的冷海水经过换热作用后，从冷海水泵出口b-2流出至海洋。工质冷凝器2的内部采用双螺旋结构的层层重叠的方式，能够增大冷海水和乏气工质的换热面积，实现冷凝效率的最大化。可以理解地是，工质蒸发器1和工质冷凝器2均采用双螺旋结构的层层重叠的方式，这种结构一方面让系统可以实现工质循环发电的模式和热冷源原位换热的功能，大幅降低抽吸海水所需的做功消耗和传输过程的能量损失；另一方面让换热面积大幅提高可以有效的提高热冷海水与工质之间的换热效率。
46.上述实施例中，进一步地，第一管道与第四管道连通，第四管道的下游端与第六管道的上游端连通，第六管道与第三管道连通，第三管道的下游端与透平机5的入口端连通，第一管道的上游端与透平机5的出口端连通。更进一步地，第三管道的下游端与透平机5的入口端连通的管道上还设有气液分离器9，气液分离器9分离出的液态循环工质流向第一管道的上游端。
47.具体地，本系统通过第一管道、第三管道、第四管道及第六管道联通工质蒸发器1、工质冷凝器2及透平机5，使得工质蒸发器1内的气化工质输送至透平机5进行发电，发电后的乏气工质通过工质循环管6输送进工质冷凝器2进行冷凝液化，再输送至工质蒸发器1进行加热气化，从而实现循环发电功能。示例性地，本系统的发电过程如下：透平机5发电做功后的乏气工质经由工质循环管6输送至工质冷凝器2的乏气工质入口b-3，在冷海水的作用下冷凝成为液态工质，从工质冷凝器2的液态工质出口b-4输送至工质蒸发器1的液态工质入口a-3，液态工质在工质蒸发器1中在热海水的作用下受热气化成气态工质，由工质蒸发器1的气态工质出口a-4输送至透平机5，进行新一轮的循环发电。同时，本系统还通过设置气液分离器9，确保输入到透平机5中的都是气态工质，保障透平机5发电效率并延长使用寿
命，若气液分离器9存在分离出的液态工质，则通过管线输送至工质循环管6中进行冷凝循环。此外，本系统的工质循环管6采用现有的具备耐高压性能的管道，由于透平机5发电后输出的乏气工质，需要通过工质循环管6输送至工质冷凝器2进行液化，因此需要施加一定的压力将乏气工质输送至工质冷凝器2的乏气工质入口b-3。
48.上述实施例中，进一步地，第一管道的上游端与透平机5的出口端连通的管道上还设有工质泵7。具体地，工质泵7用于将乏气工质泵入工质冷凝器2中进行迅速液化。更进一步地，第六管道与第三管道连通的管道上还设有单向阀8。具体地，通过设置单向阀8能够确保循环工质按照系统的循环路径运移，防止工质回流现象发生。更进一步地，本系统还包括若干固定环10，第一管道和第四管道内贯穿组合管道形成一工质循环管6，若干固定环10用于将工质循环管6固定在工质蒸发器1和工质冷凝器2的轴心通孔上。具体地，第一管道和第四管道内贯穿组合管道形成一工质循环管6，工质循环管6经过工质蒸发器1和工质冷凝器2的轴心通孔，工质循环管6可以是一根整体的耐高压的整体管，当考虑实际应用长度很长时，它也可以是一连串管连接成所需长度的管组。工质蒸发器1和工质冷凝器2轴心的通孔通过工质循环管组装，用于将发电后透平机5出来的乏气工质，加压输送到工质冷凝器2的通孔出口，之后从b-3口进入工质冷凝器2内部的工质螺旋通道，与冷海水的螺旋通道之间相互交叠螺旋，使得乏气工质与冷海水的换热面积加大，从而快速降温将工质液化。优选地，固定环10为四个，分别安装于工质循环管6穿越工质蒸发器1内部的入口和出口，以及工质循环管6穿越工质冷凝器2内部的入口和出口。
49.参见图2，作为一种可选的实施方式，在某些实施例中，工质蒸发器1与工质冷凝器2之间的管道外设有密封连接结构11，密封连接结构11包括包覆管道的隔热层以及用于围蔽隔热层的外围层。本实施例中，该密封连接结构11的作用是为了实现整个发电系统的结构形态和重量的一致性，确保衔接位置的密封性和隔热性，保障工质循环的安全性。密封连接结构11总体分为两层结构，包括外围层和隔热层，其中密封连接结构外围层11-1的材质具有耐腐蚀和质量重的性能，密封连接结构隔热层11-2的材质具有高密封性和隔热的性能。
50.作为一种可选的实施方式，在某些实施例中，工质蒸发器1及工质冷凝器2的形态均包括圆柱体状、正方体状或多层螺旋板式的任一种。进一步地，本系统的工质类型可以是单一的纯工质，也可以是多材质的非共沸工质，具体的应用情况按照实际工况需求。
51.为了更好地理解本发明，下面对本发电系统的实施步骤进行阐述。
52.系统搭建步骤：选取温差大且水深浅的合适海域进行海洋温差能发电系统的搭建，该螺旋置入式海洋温差能发电系统的整体系统结构为一体化结构设计，便于依靠结构自身的重量进行深海下放，且有利于避免浅海区域的海浪波动干扰问题。
53.工质加热蒸发步骤：该系统工质蒸发器1位于热海水区域，热水泵3按照设计需求抽吸热海水，从工质蒸发器1的热海水泵入口a-1进入双螺旋结构内部对液态工质进行加热，换热作业后从工质蒸发器1的热海水泵出口a-2流出至海洋。液态工质在受热气化后输出进行下一步工序。
54.透平机发电步骤：受热气化的气态工质从工质蒸发器1的气态工质出口a-4输出至气液分离器9，分离得到的气态工质输入至透平机5进行发电，而分离得到的液态工质和透平机5发电后的乏气工质则通过工质泵7输送至工质循环管6进行下一步工序。
55.工质循环步骤：工质循环管6连通工质蒸发器1和工质冷凝器2，气液分离器9分离得到的液态工质和透平机5发电后的乏气工质在工质泵7的作用下，通过工质循环管6泵入至工质冷凝器2的乏气工质入口b-3，进入工质冷凝器2进行下一步工序。
56.工质冷凝液化步骤：该系统工质冷凝模块位于冷海水区域，冷水泵4按照设计需求抽吸冷海水，从工质冷凝器2的冷海水泵入口b-1进入双螺旋结构内部对乏气工质进行冷凝，换热作业后从工质冷凝器2的冷海水泵出口b-2流出至海洋。乏气工质在冷凝液化后从工质冷凝器2的液态工质出口b-4输出至工质蒸发器1的液态工质入口a-3进行下一轮的循环工序。
57.通过循环重复上述步骤，实现海洋温差能发电系统的运作，实现系统循环发电功能。
58.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
59.上述实施例只是为了说明本发明的技术构思及特点，其目的是在于让本领域内的普通技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡是根据本发明内容的实质所做出的等效的变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。