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CN103982383A - 一种太阳能-海洋温差能联合发电系统 - Google Patents

一种太阳能-海洋温差能联合发电系统 Download PDF

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CN103982383A CN201410240272.9A CN201410240272A CN103982383A CN 103982383 A CN103982383 A CN 103982383A CN 201410240272 A CN201410240272 A CN 201410240272A CN 103982383 A CN103982383 A CN 103982383A
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王顺森
邸娟
白昆仑
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Abstract

本发明公开了一种太阳能-海洋温差能联合发电系统，所述发电系统是以太阳能为热源的能量来源，以深海冷水为冷源，以CO2为工质，通过跨临界CO2朗肯循环将热能转化为机械能，并拖动发电机发电，来自冷凝器的液体CO2经增压泵增压并从热源吸热后转变为超临界CO2气体，然后进入CO2透平膨胀做功，利用冷水泵抽取深海冷水用于冷凝透平乏气。所述发电系统的发电效率远高于纯海洋温差发电，而工质流量、冷却水量、透平尺寸都比纯海洋温差发电小得多，具有显著的经济效益和应用前景。

Description

一种太阳能-海洋温差能联合发电系统
技术领域
本发明涉及一种太阳能-海洋温差能联合发电系统，具体涉及一种利用太阳能集热器与深海冷水温差进行发电的跨临界CO2朗肯循环方法，属于机械工程和新能源领域。
背景技术
中国的海域非常辽阔，位于北回归线以南且水深大于800米的海域就有140～150万平方公里，那里太阳辐射强烈，表层海水温度在25℃以上，而800米以下的深层水温低于5℃，蕴藏着丰富的温差能资源，仅将其中容易开发部分的10％用于温差发电就可以满足全国的电力需求。
早在1881年，法国人达松伐耳就提出海洋温差发电的设想，随后的研究者也进行了一系列的试验探索。不过，直到20世纪70年代的石油危机时期，海洋温差发电才得到更多的关注。1979年，洛克希德-马丁公司在夏威夷建设了一套50kW的海洋温差发电系统。两年之后，一个日本研究小组也在南太平洋岛国瑙鲁建设了一个发电能力为120kW的试验工厂，中国也在2011年开发建设了一套15kW的温差发电系统。然而，到目前为止，这些发电装置都是示范性的，还没有获得任何商业应用，其中最主要的原因是可利用的温差太小。以我国南海为例，深海与表层海水的年平均温差只有20℃左右，利用目前的温差发电技术，考虑热端和冷端换热端差后，最终可能获得具有工程意义的温差只有10～15℃，热功转换效率只有3～4％。根据工程热力学原理，热功转换效率越低，所需的冷却水量就越多，分析表明，一台10MW的海洋温差发电系统，需要一根直径4m的管道从800m深海抽取冷却水，其泵功消耗也非常大，这不仅导致系统净发电效率进一步降低，而且设备初投资过高，在商业上缺乏竞争力。由于进一步降低冷源温度的潜力不大，显然，提高热源温度成为解决这一问题的唯一可行的方法。
众所周知，太阳辐射是海洋热能的最主要来源，而在太阳能热发电中，采用集热器可以将工质加热到300～400℃甚至更高。若在海面上安装同样的太阳能集热器，利用被加热后的高温工质与深海冷水温差进行发电，其效率将超过30～35％，单位功率的工质流量和冷却水量只有纯海洋温差发电的1/12～1/10；即使工质温度只有120～150℃，其发电效率也可以达到15～20％，单位功率的工质流量和冷却水量只有纯海洋温差发电的1/7～1/5，设备初投资将大幅度降低，经济性和商业价值也远高于纯海洋温差发电。上述循环不仅利用了太阳能，而且也利用了海洋温差能，属于太阳能-海洋温差能的联合发电，这是其发电效率高于同样工质温度的常规太阳能热发电或其它热发电装置的主要原因。由于不消耗任何化石燃料，也不产生任何温室气体，属于完全的清洁能源。另外，与陆上太阳能热发电相比，海上太阳能热发电还具有水资源丰富、冷源更稳定、不占用陆地面积等优势，其产生的电能可以用于附近大陆、海岛的工农业生产以及海上石油平台、海水水产品加工等，多余的电能还可以用于大规模制氢等清洁能源的生产与储备，具有显著的经济效益和应用前景，对我国开发海洋资源、建设低碳环保与可持续发展型社会具有重大意义。
本发明基于上述思路和工程热力学的基本原理，结合相关领域的工程实践，并经过长期的潜心研究，提出一种非常具有市场前景的太阳能-海洋温差能联合发电技术方案。通过对国内外相关的专利检索和分析，申请人未发现与本发明特征相近的技术方案。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高效率、低成本开发利用海洋温差能的太阳能-海洋温差能联合发电系统。
为了实现上述目的，本发明采用了以下技术方案。
该发电系统以太阳能为热源的能量来源，以深海冷水为冷源，以CO2为工质，通过跨临界CO2朗肯循环实现热功转换(热能转化为机械能)，并拖动发电机发电。
所述热源是指太阳能集热器，用太阳能集热器作为热载体直接加热CO2工质，或用中间介质作为热载体，中间介质从太阳能集热器吸热后再将热能传递给CO2工质。
所述冷源温度应低于20℃(扣除换热端差后能将CO2冷凝)，所述热源温度应高于40℃(扣除换热端差后能将CO2加热到超临界状态)。
所述跨临界CO2朗肯循环的过程为：来自冷凝器的液体CO2经增压泵增压，然后直接从太阳能集热器吸热并转变为超临界CO2气体或通过中间介质从太阳能集热器吸热后转变为超临界CO2气体或者通过中间介质从太阳能集热器吸热以及通过直接从太阳能集热器吸热后转变为超临界CO2气体，超临界CO2气体进入CO2透平膨胀做功，并拖动发电机发电，用冷水泵从深海抽取冷水，用冷水将CO2透平排气(乏气)在冷凝器中凝结为液体CO2，完成一个循环。
当太阳辐射强度超过中间介质在太阳能集热器的散热强度时，使储热箱内的中间介质进入太阳能集热器，吸收太阳能的辐射热后在热交换器内将热量传递给CO2循环，换热后的中间介质回到储热箱；当太阳辐射强度低于中间介质在太阳能集热器的散热强度时，使储热箱内的中间介质直接进入热交换器，将热量传递给CO2循环，换热后的中间介质回到储热箱。
所述跨临界CO2朗肯循环中，CO2透平的进气压力和温度高于CO2的临界压力(7.382MPa)和临界温度(31.06℃)，而CO2透平排气被冷源冷凝后的压力和温度低于CO2的临界压力和临界温度。
所述发电系统可以根据需要选择连续运行，或选择只在太阳辐射强度较高时运行。
所述太阳能集热器的类型为碟式太阳能集热器、槽式太阳能集热器或塔式太阳能集热器。
本发明的有益效果体现在：
本发明所述发电系统不仅利用了太阳能，而且也利用了海洋温差能，属于太阳能-海洋温差能的联合发电，由于充分利用了超临界CO2的高密度、无相变潜热等优点，不仅热力性能优良，而且循环系统简单、设备紧凑；本发明所述发电系统的发电效率高于纯海洋温差发电，而工质流量、冷却水量、透平尺寸都比纯海洋温差发电小得多，其产生的电能可以用于发电系统附近大陆、海岛的工农业生产以及海上石油平台、海水水产品加工等，多余的电能还可以用于大规模制氢等清洁能源的生产与储备，具有显著的经济效益和应用前景。
附图说明
图1是实施例1的示意图；
图2是实施例2的示意图；
图3是实施例3的示意图；
图4是实施例4的示意图；
图5是实施例的CO2循环温熵图；
图中：1.太阳能集热器；2.CO2透平；3.发电机；4.冷凝器；5.热交换器；6.太阳能低温集热器；7.储热箱；8.太阳能高温集热器；B1.冷水泵；B2.CO2循环增压泵；B3.热液循环泵；P1.深海冷却水吸水口；P2.冷却水排水口；P3.热液循环进口；P4.热液循环出口；P5.温海水吸入口；P6.温海水排水口；V1至V8是第一至第八控制阀；N1～N4是节点。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
一种太阳能-海洋温差能联合跨临界CO2循环发电系统，如图1所示，以太阳能集热器为CO2循环的热源，以深海冷水为CO2循环的冷源。所述发电系统主要包括太阳能集热器1、CO2透平2、发电机3、冷凝器4以及冷水泵B1和CO2循环增压泵B2等。所述发电系统可分解为以下两个回路：
CO2回路：来自CO2循环增压泵B2的高压CO2液体(状态点b′)在太阳能集热器1中加热后转变为过热CO2气体(状态点d)，然后进入CO2透平2膨胀做功，用于拖动发电机3发电。透平排气在冷凝器4内被冷海水从状态点e冷凝到状态点a，并通过CO2循环增压泵B2增压到状态点b′，形成封闭的CO2朗肯循环。
冷源回路：启动冷水泵B1，从深海冷却水吸水口P1抽取冷海水并注入冷凝器4，冷海水吸收CO2透平2的排气余热后从冷却水排水口P2直排入海。
本实施例的特点在于，系统非常简单，未设置储热箱，循环系统参数需实时响应太阳能的辐射强度，通常采用白天运行、晚上停机的工作模式。本实施例更适用于采用槽式或碟式太阳能集热器的中小规模太阳能-海洋温差能联合发电，当然，也可以用于带塔式或槽式集热器的大规模发电。图1仅为本实施例的基本构成，当考虑启动、紧急停机等工况时，需要增加阀门、管道及旁路系统等。
实施例2
一种带储热箱的太阳能-海洋温差能联合跨临界CO2循环发电系统，如图2所示，以储热箱内被太阳能集热器加热的热液为CO2循环的热源，以深海冷水为CO2循环的冷源。所述发电系统主要包括太阳能集热器1、CO2透平2、发电机3、冷凝器4、热交换器5、储热箱7以及冷水泵B1、CO2循环增压泵B2和热液循环泵B3等。所述发电系统可分解为以下三个回路：
热源回路：当太阳辐射强度超过热液在太阳能集热器1的散热强度时，打开第一控制阀V1、关闭第二控制阀V2，储热箱7内的液体经热液循环进口P3、热液循环泵B3和第一控制阀V1进入太阳能集热器1，吸收太阳能的辐射热后在热交换器5内将热量传递给CO2循环，换热后的热液经热液循环出口P4回到储热箱7。当太阳能集热器1的吸热量高于CO2循环的耗热量时，剩余热量将进入储热箱7，使热液的温度不断提高。当太阳辐射强度低于热液在太阳能集热器1的散热强度时，打开第二控制阀V2、关闭第一控制阀V1，储热箱7内的液体经热液循环进口P3、热液循环泵B3和第二控制阀V2直接进入热交换器5，将热量传递给CO2循环，换热后的热液仍从热液循环出口P4回到储热箱7；由于得不到热量补充，储热箱7的温度会越来越低，但通过优化设计和热液流率的运行控制可确保循环系统的连续高效运行。
CO2回路：来自CO2循环增压泵B2的高压CO2液体(状态点b)在热交换器5中吸热后转变为过热CO2气体(状态点c)，然后进入CO2透平2膨胀做功，用于拖动发电机3发电。透平排气在冷凝器4内被冷海水从状态点e冷凝到状态点a，并通过CO2循环增压泵B2增压到状态点b，形成封闭的CO2朗肯循环。
冷源回路：该回路与实施例1完全相同。
本实施例设置了储热箱，可以实现循环系统的连续稳定运行，但由于采用了储热箱在太阳强辐射时储热、低辐射或无辐射时放热的运行模式，工作温度较低，火用损较高，发电效率低于实施例1。另外，为了减少热液温度随太阳辐射强度的变化，储热箱的容积应尽可能大，还需要较好的保温措施。由于热液工作温度一般不高于300℃，可选用槽式太阳能集热器。
实施例3
一种两级吸热的太阳能-海洋温差能联合跨临界CO2循环发电系统，如图3所示，分别以储热箱内热液和太阳能集热器为CO2循环的两级热源，梯级加热，以深海冷水为CO2循环的冷源。所述发电系统主要包括太阳能高温集热器8、CO2透平2、发电机3、冷凝器4、热交换器5、太阳能低温集热器6、储热箱7以及冷水泵B1、CO2循环增压泵B2和热液循环泵B3等。所述发电系统可分解为以下三个回路：
热源回路：指热液回路，其工作原理与实施例2基本相同。但在本实施例中，太阳辐射强度较高时热液回路以储热为主，预热CO2工质为辅，而太阳辐射强度较低或晚上运行时，CO2循环的热能全部来自于热液回路。
CO2回路：当太阳辐射强度较高时，打开第三控制阀V3、第五控制阀V5，关闭第四控制阀V4，CO2循环增压泵B2将来自冷凝器4的CO2液体从状态点a增压到状态点b′，并先后在热交换器5和太阳能高温集热器8中吸热后经状态点c′到状态点d，然后进入CO2透平2膨胀做功，用于拖动发电机3发电。透平排气在冷凝器4内被冷海水从状态点e冷凝到状态点a，形成封闭的CO2朗肯循环。当太阳辐射强度较低或晚上运行时，关闭第三控制阀V3、第五控制阀V5，打开第四控制阀V4，该回路与工作原理与实施例2基本相同。
冷源回路：该回路与实施例1完全相同。
本实施例是在实施例2的基础上又增加了一套太阳能高温集热器，可以实现循环系统的连续稳定运行：太阳辐射强度较高时CO2循环按a-b′-c′-d-e-a的回路运行，而太阳辐射强度较低或晚上运行时则按a-b-c-e-a的回路运行，从而提高系统的总体发电效率，降低火用损。与实施例2类似，为了减少热液温度随太阳辐射强度的变化，储热箱的容积应尽可能大，但由于采用两级加热，热液的工作温度可以比实施例2低一些，以简化保温措施。一般情况下，太阳能低温集热器建议选择槽式，而太阳能高温集热器建议选择塔式。
实施例4
一种两级吸热的太阳能-海洋温差能联合跨临界CO2循环发电系统，如图4所示，分别以储热箱内热海水和太阳能集热器为CO2循环的两级热源，梯级加热，以深海冷水为CO2循环的冷源。所述发电系统也可分解为三个回路，其中CO2回路和冷源回路与实施例3完全相同，此处不再赘述。热源回路是在实施例2的基础上增加了第六控制阀V6、第七控制阀V7、第八控制阀V8和第九控制阀V9，用于运行方式的切换，其工作原理如下：
当太阳辐射强度超过设计阈值时，关闭第二控制阀V2、第七控制阀V7，打开第一控制阀V1、第六控制V6，根据辐射强度的大小调整第九控制阀V9和第八控制V8的开度，使储热箱7的水量和热量得到补充的同时还能预热流经热交换器5的CO2工质。当太阳辐射强度低于设计阈值时，关闭第一控制阀V1、第六控制阀V6和第八控制阀V8，打开第二控制阀V2、第七控制阀V7和第九控制阀V9，热液循环泵B3从储热箱7内经由第九控制阀V9和热液循环进口P3抽取热液，并经由第二控制阀V2进入热交换器5，用于加热CO2工质，此时热交换器是CO2循环的唯一热源；热交换器5的排水经由第七控制阀V7和温海水排水口P6直排入海，不返回储热箱7，使得运行过程中储热箱内的水温基本保持不变。
本实施例继承了实施例3的所有优点，并且储热箱内水温更稳定，储热箱的容积也更小，但系统和运行调控比实施例3更复杂。
图5展示了CO2循环的温熵图，其中，a-b-c-e-a循环为实施例2以及实施例3、4在无太阳辐射或太阳辐射强度较低时的运行模式，而a-b′-c′-d-e-a循环为实施例1以及实施例3、4在太阳辐射强度较高时的运行模式，后者的热功转换效率更高。
本发明与同样热端温度的常规水冷或空冷水蒸汽发电系统(包括陆上太阳能热发电系统)相比，由于冷源温度降低20℃～40℃，相当于增加了一套温差为20℃～40℃的发电系统，根据工程热力学和朗肯循环的基本理论，可以计算出其发电效率的绝对值可增加3到5个百分点，透平尺寸可缩小到水蒸汽透平循环的1/10或更小，且冷源更稳定、不占用陆地面积；而与纯海洋温差发电相比，单位功率的工质流量和冷却水量可减少80％以上，设备初投资大幅度降低。
所述发电系统产生的电能可以用于附近大陆、海岛的工农业生产以及海上石油平台、海水水产品加工等，多余的电能还可以用于大规模制氢等清洁能源的生产与储备，具有显著的经济效益和应用前景，对我国开发海洋资源、建设低碳环保与可持续发展型社会具有重大意义。

Claims (8)

1.一种太阳能-海洋温差能联合发电系统，其特征在于：该发电系统以太阳能为热源的能量来源，以深海冷水为冷源，以CO2为工质，通过跨临界CO2朗肯循环实现热功转换，并拖动发电机发电。
2.根据权利要求1所述一种太阳能-海洋温差能联合发电系统，其特征在于：所述热源是指太阳能集热器，用太阳能集热器作为热载体直接加热CO2工质，或用中间介质作为热载体，中间介质从太阳能集热器吸热后再将热能传递给CO2工质。
3.根据权利要求1所述一种太阳能-海洋温差能联合发电系统，其特征在于：所述冷源温度应低于20℃，所述热源温度应高于40℃。
4.根据权利要求1所述一种太阳能-海洋温差能联合发电系统，其特征在于：所述跨临界CO2朗肯循环的过程为：来自冷凝器的液体CO2经增压泵增压，然后直接从太阳能集热器吸热并转变为超临界CO2气体或通过中间介质从太阳能集热器吸热后转变为超临界CO2气体或者通过中间介质从太阳能集热器吸热以及通过直接从太阳能集热器吸热后转变为超临界CO2气体，超临界CO2气体进入CO2透平膨胀做功，并拖动发电机发电，用冷水泵从深海抽取冷水，用冷水将CO2透平排气在冷凝器中凝结为液体CO2，完成一个循环。
5.根据权利要求4所述一种太阳能-海洋温差能联合发电系统，其特征在于：当太阳辐射强度超过中间介质在太阳能集热器的散热强度时，使储热箱内的中间介质进入太阳能集热器，吸收太阳能的辐射热后在热交换器内将热量传递给CO2循环，换热后的中间介质回到储热箱；当太阳辐射强度低于中间介质在太阳能集热器的散热强度时，使储热箱内的中间介质直接进入热交换器，将热量传递给CO2循环，换热后的中间介质回到储热箱。
6.根据权利要求4所述一种太阳能-海洋温差能联合发电系统，其特征在于：所述跨临界CO2朗肯循环中，CO2透平的进气压力和温度高于CO2的临界压力和临界温度，而CO2透平排气被冷源冷凝后的压力和温度低于CO2的临界压力和临界温度。
7.根据权利要求1所述一种太阳能-海洋温差能联合发电系统，其特征在于：所述发电系统选择连续运行，或选择只在太阳辐射强度较高时运行。
8.根据权利要求1所述一种太阳能-海洋温差能联合发电系统，其特征在于：所述太阳能集热器的类型为碟式太阳能集热器、槽式太阳能集热器或塔式太阳能集热器。
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