海洋热能转换管连接的制作方法
【技术领域】
[0001] 本公开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、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。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。在许多热 带地区（在大约北炜20°与南炜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具有低到零碳足迹的可能的可 再生能源。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年代前沿研宄人员所进行的 分析表明：以Δ T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：〇TEC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（CWP)。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，之前这会驱使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、具有显著的直径长度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。归 因于在连接处管和浮式平台之间的相对运动，诸如波浪作用等表面影响引起了关于管和浮 式平台之间的连接的进一步挑战。具有期望的性能、连接以及构造考虑的冷水管引入系统 能够提尚OTEC电站的商业可彳丁性。
[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] 本公开的一些方面针对使用海洋热能转换过程的发电站。
[0014] 离岸OTEC电站具有由于降低了寄生载荷而提高了的整体效率、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最小运动。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。所述的系统和方法的方面通过将 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] 所述的系统和方法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。
[0016] 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。唯一例外的是在CWP的顶部和底部，其中，这些板条的端部形成适于 与平台和CWP的底段相互连接匹配的齐平表面（没有错开）。
[0017] 进一步的方面涉及包括带或箍的管，该带或箍在管状结构的外表面以倾斜的方式 绕着管至少部分地卷绕。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安装于管的外表面。带或箍可以具有孔或 间隙，其允许水部分流过或者使得OTEC电站的管或缆绳或其他结构方面通过，或者避免焊 接冠。带或箍可以包括单个连续的带或箍，利用间隙分离的多个段或者平行的带或箍。带 或箍相对于平台垂向的倾斜角可以是恒定的（形成螺旋）或可以改变。
[0018] 所述的系统和方法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 以包括形状锁定系统（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（biscuit joinery)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，该接合空孔对准以形成连续的 腔或虚拟管。柔性树脂可以注射到对准的接合空孔的开口端内并且流入和填充整个空孔， 因而提供板条之间的粘合。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。
[0019] 所述现有系统和方法的单个板条可以是任何长度。在一些实施方式中，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1英寸至24英寸之间。
[0020] 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。
[0021] 在所述系统和方法的进一步的方面中，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或其他装置或材料，这些材料在板条的 内壁和外壁之间提供间隔，并且还能够在纵向、横向、周向或其他方向上为板条提供附加强 度。
[0022] 在所述系统和方法的一些方面中，管是OTEC电站用的冷水引入管。
[0023] 所述系统和方法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。
[0024] 所述系统和方法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。
[0025] 所述系统和方法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活动爪、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。
[0026] 所述系统和方法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。
[0027] 在所述系统和方法的若干个方面中，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。
[0028] 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。
[0029] 若干个特征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或 以上任意组合。
[0030] 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。
[0031] 所述的系统和方法的另一方面涉及一种将管组装于水支撑的浮式平台的方法，所 述浮式平台包括开口中央凹部和以围绕所述凹部的至少一部分的方式配置于所述平台的 托台。所述方法包括：在所述平台上提供管引入组件；在所述平台上提供板条；将所述管引 入组件转移到所述凹部的内部空间；将各单个板条转移到所述凹部并且将各单个所述板条 以错开板条结构组装于所述管引入组件，以形成具有锯齿状上端的环形管部；将所述管部 降低到所述凹部内并且降低到水中，直到所述板条的上端位于上述托台的下部；通过将另 外的板条组装到形成所述管部的所述板条的上端来增加所述管部的长度；以及重复增加所 述管部的长度的步骤直到所述管具有期望的长度。
[0032] 所述方法可以具有一个或多个以下特征：将所述管引入组件转移到所述凹部的内 部空间包括：在所述平台的侧面上方降低所述管引入组件；在所述平台的下方将所述管引 入组件移动到所述凹部下方的位置；并且使所述管引入组件向上升高，通过所述凹部到达 所述托台内的期望位置。将所述管引入组件转移到所述凹部的内部空间包括：将所述管引 入组件升高到所述平台的表面的上方；移动所述平台使得所述管引入组件到达所述凹部的 上方；以及将所述管引入组件降低成至少部分进入所述凹部。将各单个所述板条转移到所 述凹部并且将各单个所述板条组装于所述管引入组件还包括：以使所述环形管部的下端与 所述管引入组件的上侧齐平的方式组装各单个所述板条；以及将所述环形管部的下端接合 到所述管引入组件以形成所述管部，其中，接合步骤包括：围绕所述环形管部和所述管引入 组件之间的接头卷绕结合材料，所述结合材料沿周向延伸并且使所述环形管部的至少一部 分与所述管引入组件重叠。所述管引入组件包括管端和连接到所述管端的配重。一旦所述 管达到期望的长度，所述方法还包括以下步骤：将管端连接到所述管的与所述管引入组件 相反的端。
[0033] 所述的系统和方法的另一方面涉及一种将管组装于水支撑的浮式平台的方法，其 包括：提供平台，所述平台包括开口中央凹部、所述平台上的托台和空心芯轴，以围绕所述 凹部的至少一部分的方式配置所述托台，所述空心芯轴由所述托台支撑在所述凹部上方的 位置处；在所述平台上提供板条；提供具有钟形口和配重的钟形口组件，所述钟形口具有 第一侧和与所述第一侧相反的第二侧，其中，所述配重被连接到所述钟形口的第二侧；以所 述钟形口的第一侧位于上述平台的上表面的上方并且与所述芯轴相邻的方式将所述钟形 口组装定位在所述凹部内；将板条配置在所述芯轴中以形成所述板条的交错环，其中，配置 在所述交错环中的各板条的第一端形成为抵靠所述钟形口的第一侧而齐平，各板条的第二 端相对于相邻的板条错开；将所述板条的交错环接合到所述钟形口组件以形成所述管的一 部分，接合的步骤包括：围绕所述交错环和所述钟形口之间的接头卷绕结合材料，所述结合 材料沿周向延伸，并且使所述交错环的至少一部分和所述钟形口重叠；将所述管的所述部 分降低到水中，直到所述交错环的板条的第二端位于所述芯轴的下部；增加所述管的所述 部分的长度，其包括：以使另外的板条抵靠所述芯轴并且所述另外的板条的第一端抵接所 述交错环的对应板条的第二端的方式将所述另外的板条定位在所述芯轴内，以及以结合材 料使所述另外的板条的至少一部分与冷水管的所述部分重叠的方式通过使用所述结合材 料卷绕所述冷水管的所述部分将所述另外的板条接合到所述冷水管的所述部分；以及重复 增加所述管的所述部分的长度的步骤直到所述管具有期望的长度。
[0034] 所述方法可以具有一个或多个以下特征：以预定顺序将所述板条配置于所述平 台，所述预定顺序与各单个所述板条将被安装的顺序相对应。所述板条被单独地包装到对 应的板条排列夹具中。各板条排列夹具包括吊耳和凸缘，所述吊耳与所述板条排列夹具的 第一端相邻地布置，所述凸缘与所述板条排列夹具的第二端相邻地布置并且被构造为与设 置在所述托台的销协作地接合。将所述板条配置于上述芯轴以形成交错环包括：将板条抵 靠所述芯轴定位；将另一个板条抵靠所述芯轴和刚好在所述另一个板条之前定位的所述板 条两者地定位；重复定位另一个板条的步骤直到形成板条环；其中，所述另一个板条具有 与刚好在所述另一个板条之前定位的所述板条不同的长度，以所述交错环的各板条的第一 端与用于形成所述交错环的其他板条的第一端齐平的方式配置所述板条。将所述板条配置 于所述芯轴中以形成所述板条的交错环还包括将用于形成所述交错环的所述板条的第一 端密封。一旦所述管达到期望的长度，将管端连接到所述管的与所述钟形口相反的端。所述 管端向内缩小并且被构造为被容纳在设置于柱筒的下侧的配件中。将所述板条配置于所述 芯轴中并且将另外的板条定位在所述芯轴中还包括使相邻的板条彼此接合。所述方法还包 括在所述管中提供至少一个横撑，所述横撑被构造为对所述管的内表面提供向外的力。所 述钟形口组件包括钟形口和连接到所述钟形口的配重。
[0035] 所述的系统和方法的另一方面涉及一种将管组装于水支撑的浮式平台的方法，其 包括：提供平台，所述平台包括开口中央凹部和以围绕所述凹部的方式配置在所述平台上 的引导