一种海洋能及风能联合发电装置

胡佳林

(东方汽轮机有限公司，四川德阳，618000)

一种海洋能及风能联合发电装置

胡佳林

(东方汽轮机有限公司，四川德阳，618000)

文章提出了一种利用海洋温差能和风能联合发电的方法及装置。利用海洋表层的热海水加热低沸点工质，使之蒸发，送入汽轮机推动汽轮发电机组做功发电，汽轮机排出的工质乏气用海洋深层的冷海水冷凝为液态，再用热海水加热，送入汽轮机，使之蒸发，推动汽轮机发电机组做功发电，如此循环，持续发电；并且利用洋面风力发电，并用该电力驱动热泵装置，由热泵装置的媒质将工质的温度进一步提高，增大工质体积膨胀率；由热泵装置的媒质将冷海水的温度进一步降低，再用该低温海水去冷凝工质乏气，增强对工质乏汽的冷凝效果。该装置既需要用到小型透平，又需要用到风力发电装置，十分适合公司发展。

海洋温差能，汽轮机，热泵装置，风力发电装置

1 前言

海洋是世界上最大的太阳能采集器，它吸收的太阳能达到3.7×1013kW，大约是目前人类电力消耗总功率的4 000倍[1]，仅可开发利用部分也已远远超出全球总能耗。热带区域的海洋表层与几百至上千米深处存在着基本恒定的20～25℃的温差，这就为发电提供了一个总量巨大且非常稳定的冷热源[2]。海洋温差发电（OTEC）的基本原理就是利用海洋表面的高温海水加热低沸点工质并使其汽化，或通过降压使海水汽化以驱动汽轮机发电。同时，利用从海底提取的低温海水（4～6℃）将做功后的排气冷凝，使之重新变为液体。目前，全世界海洋温差能的理论估计储存量为1010kW，所以OTEC被1981年联合国新能源和可再生能源会议确认为所有海洋能转换系统中最重要的。

我国南沙、西沙群岛远离大陆，电力联网困难，然而那里太阳日照强烈，温差能利用最具潜力。据初步计算，南海温差能资源技术上可开发利用的装机容量高达（1.321～1.476）×109kW，若能因地制宜地加以利用，不仅对岛屿的经济发展产生积极的影响，还能够为海上工程作业、采油、海防甚至沿海城市提供便利的电能，因此发展海洋温差能发电技术具有重要意义。目前海洋温差风力发电的主要方式有3种:闭式循环系统、开式循环系统以及综合两者优点的混合式循环系统。这3种循环系统技术上以闭式循环方案最接近商业化应用。

2 温差发电技术

2.1 温差发电基本原理

海洋温差发电基本原理是塞贝克效应，如图1所示，A、B两种不同导体构成的回路，如果两个结点所处的温度不同 （T1和T2不等），回路中就会有电动势存在。这一现象是德国物理学家塞贝克发现的，被称为塞贝克效应 （见图1），它是温差发电技术的理论基础。当结点间的温度差在一定范围内，存在如下关系:

ΔU=aAB（T2-T1） （1）

图1 塞贝克效应

式中:

ΔU—回路产生的电动势；

aAB—所用两种导体材料的相对塞贝克。

2.2 海洋温差能发电技术

图2是现有技术的闭式循环海洋温差发电的系统流程图，来自海洋的表层高温海水A先在蒸发器14内将热量传给丙烷等低沸点工质，使之蒸发，工质蒸发变成蒸汽推动蒸汽透平6中的汽轮机做功，汽轮机排出的工质再进入冷凝器8，被几百米深的深层低温海水B冷却后重新变为液态，然后再用工质泵2把液态工质输送进蒸发器14，以实现循环使用。具体流程如下:首先，工质泵2抽取贮液筒1内的液态丙烷等低沸点工质进入蒸发器14，蒸发器14内通过高温海水泵3抽入表层高温海水A，表层高温海水A与液态丙烷换热，使得液态丙烷在蒸发器14内汽化，成为丙烷蒸汽，换热后的表层高温海水A排入海洋C。丙烷蒸汽进入蒸汽透平6，推动汽轮机做功，使之产生机械能，发电机7再将机械能转换为电能。之后，汽轮机排出的丙烷蒸汽进入冷凝器8，冷凝器8通过低温海水泵15抽取的深层低温海水B，将丙烷蒸汽冷凝液化为液态丙烷，液态丙烷保存在贮液筒1中，深层低温海水B与丙烷蒸汽换热后排入海洋C。

图2 现有技术的闭式循环海洋温差发电的系统流程图

现有的海洋温差发电装置运行结果表明，由于表层高温海水A和深层低温海水B的温差不大，即使采用低沸点的工质，海洋温差发电系统的效率也极低。例如以丙烷为循环工质的海洋温差发电系统中，即使表层海水温度为30℃，深层海水温度为4℃时，理想朗肯循环效率也只有约2%。并且实际循环中还有管道阀门等部件的损失，因此可能使循环发出的电力还不足以维持工质泵和低温海水泵的正常工作，这使海洋温差发电系统一直难以得到推广应用。

3 海洋温差与风力联合发电的装置

基于以上对海洋温差能的研究以及现在推广新能源的使用，联想到如何将海洋温差能与新型能源结合。风能和海洋温差能一样，既是一次能源，又是可再生能源，在海洋表面同样蕴藏着丰富的风能。在风况上，海上比陆地具有更多的优势，离岸10 km的海面上风速一般比陆地风速高25%，并且很少有静风期。本文就利用海洋温差能结合风力发电的方法，在传统的闭式海洋温差发电系统 （Ocean Thermal Energy Conversion Closed Cycle，CC-OTEC）的基础上，利用风能发电驱动热泵提高海洋温差发电透平低沸点工质进口温度同时降低冷源温度，以提高发电效率。在传统的闭式海洋温差发电系统的基础上，提供一种利用风能发电驱动热泵伴随加热的海洋温差发电的方法及装置，以提高发电效率。

3.1 海洋温差风能联合发电流程

为了实现这一目的，本文提出了一种海洋温差风力发电装置，如图3所示，这种海洋温差发电方法，先利用海洋表层高温海水A加热低沸点工质 （如液氨或丙烷等），使之蒸发，送入蒸汽透平6（即汽轮机组）推动汽轮机做功，产生机械能，发电机7将机械能转换为电能发电，蒸汽透平6排出的工质乏气用海洋的深层低温海水B冷凝为液态。然后用表层高温海水A加热，送入蒸汽透平6，使之蒸发，推动汽轮机组发电机7做功发电，如此循环，持续发电。除此之外，还利用洋面风力发电，并用该电力驱动热泵装置，由热泵装置的媒质二氟一氯甲烷 （CHCLF2）将工质的温度进一步提高，将工质的温度加热至55℃左右，增大工质的体积膨胀率；由热泵装置的媒质二氟一氯甲烷将深层低温海水B的温度进一步降低至1℃，再用该深层低温海水B去冷凝工质乏气，增强对工质乏气的冷凝效果。

图3 海洋温差发电流程图

本文的海洋温差发电装置如图4所示，包括以下几部分:

图4 海洋温差能风能联合循环装置图

（1）汽轮发电机组，由蒸汽透平6和发电机7组成，用于发电。

（2）工质储罐，即贮液罐1，用于储存透平工质，储存液氨或丙烷等。

（3）工质预热器4，具有工质进、出口和表层高温海水A进、出口，其工质出口连接蒸汽透平6的进口，用于通过表层高温海水A将液态工质加热，使之汽化蒸发，成为工质蒸汽。

（4）工质泵2，布置在工质储罐 （贮液罐1）和工质预热器4之间，其进口连接贮液罐1，出口连接工质预热器4，用于将工质泵入工质预热器4。

（5）高温海水泵3，即低扬程海水泵，连接工质预热器4，用于将表层高温海水A泵入工质预热器4。

（6）工质冷凝器8，具有工质进、出口和深层低温海水B进、出口，其工质进口连接蒸汽透平6的排气口，工质出口连接工质储罐 （贮液罐1），用于将蒸汽透平6排出的工质乏气冷凝为液态，返回贮液罐1。

（7）低温海水泵15，即高扬程海水泵，连接冷凝器8的海水进口，用于将深层低温海水B泵入冷凝器8，冷却工质乏气。

（8）热泵装置及其驱动装置是本发电装置的创新部分，下面一一介绍。

（9）驱动装置是风力发电机11，布置在沿海滩涂，利用洋面风力发电。

（10）热泵装置包括:冷媒储罐9，压缩机12，工质再热器5，低温节流器，冷媒蒸发器14。

（11）冷媒储罐9，是一个储气罐，用于储存冷媒。

（12）压缩机12，由风力发电机11驱动，用于压缩冷媒，使其成为高温冷媒，该压缩机12配有备用电源10。

（13）工质再热器5，布置在工质预热器4和蒸汽透平6之间，具有工质进、出口和冷媒进、出口，其工质进口连接工质预热器4的出口，其工质出口连接蒸汽透平6的进口，其冷媒进口连接压缩机12的出口，由高温冷媒将工质的温度进一步提高。

（14）低温节流器13，布置在工质再热器5的冷媒出口管道上，用于将加热工质后的气体冷媒转变为低压低温的液体冷媒。该低温节流器13具有多种结构形式。

（15）冷媒蒸发器14，布置在冷媒储罐9与工质冷凝器8之间，具有冷媒进、出口和深层低温海水B进、出口，其冷媒进口连接工质再热器5的冷媒出口，其冷媒出口连接冷媒储罐9，其深层海水进口连接低温海水泵15的出口，其深层海水出口连接工质冷凝器8的深层海水进口；利用急冷后冷媒蒸发吸热，使深层低温海水B的温度进一步降低。

（16）海洋温差发电装置还包括上述部件之间的冷媒管道L、温海水管道M、冷海水管道N、氨工质管道P和电缆线Q。冷媒管道L闭环连接冷媒储罐9、压缩机12、再热器5、低温节流器13、蒸发器14，形成冷媒的闭路循环工作管线。氨工质管道P闭环连接贮液筒1、工质泵2、预热器4、再热器5、蒸汽透平6和冷凝器8，形成工质的闭路循环工作管线。电缆线Q将风力发电机11产生的电能和备用电源10储备的电能，分别输送至工质泵2、高温海水泵3和低温海水泵15。

3.2 海洋温差风能联合发电装置实施方式

与以往的常规蒸汽透平6不同，海洋温差发电的进口蒸汽温度很低，冷源和热源温差很小，因此应该取沸点较低、气相区比热大、汽化潜热小的工质，这样可以减少各个部件尺寸，因此，具体实施方式选取以氨为主循环的工质，热泵冷媒则采用二氟一氯甲烷 （CHCLF2）。

如图4所示，以海洋温差发电透平中，氨工质循环温度为50℃、蒸发压力为20 bar、冷凝温度为7℃、冷凝压力为5.5 bar的工况来说明实现海洋温差及风力发电具体流程。在实用装置中可以根据具体情况调整参数:

（1）储存在贮液筒1（即氨液储存筒）中的5℃的液态氨由工质泵2（即供氨泵）提高压力到20 bar以上，并输送到预热器4中。

（2）在预热器4中，通过高温海水泵3从海洋表层抽取的25℃表层高温海水A将5℃的液态氨加热到20℃左右。为了提高换热效率，预热器4采用板式换热器结构，经过预热器4预热后液态氨进入再热器5，而表层高温海水A温度降低，排入海洋C。

（3）储存在冷媒储罐9中的-5℃左右的气态冷媒二氟一氯甲烷 （CHCLF2），被由风力发电机11发出的电能驱动的压缩机12压缩成70℃左右的高温高压气体，输送进入再热器5。如果，遇到海上少数无风的情况，则可以使用备用电源10，来驱动压缩机12实现这一过程。

（4）从预热器4中出来的20℃左右的液态氨和从压缩机12出来的70℃左右的冷媒二氟一氯甲烷在再热器5中换热，液态氨被加热成50℃、20 bar左右的过热氨气，而二氟一氯甲烷被冷却到约55℃。

（5）从再热器5中流出的50℃、20 bar左右的过热氨气进入蒸汽透平6，推动蒸汽透平6膨胀做功并输出功率，该功率由发电机7转化为电能输出；从蒸汽透平6排出的氨气为7℃、5.3 bar的气体。

（6）从再热器5中出来的55℃的冷媒二氟一氯甲烷经过低温节流器13绝热节流后，温度急剧降低到-20℃，然后进入蒸发器14。

（7）海洋深层800 m以下约5℃的深层低温海水B经低温海水泵15抽取后，输送到蒸发器14，在蒸发器14中加热经过节流后的-20℃的液态冷媒二氟一氯甲烷，经过热交换后冷媒二氟一氯甲烷温度上升到-5℃，变为过热气体。然后，-5℃的二氟一氯甲烷过热气体输送到冷媒储罐9，供压缩机12使用，这样就完成了辅助系统的热泵循环。蒸发器14中，5℃的深层低温海水B被降温到1℃，再输送到冷凝器8中。

在步骤5中经过做功后，5℃、5.3 bar的氨气进入到冷凝器8中，被1℃的深层低温海水B冷却到5℃，成为5℃的氨液送回氨液储存筒中，工质泵2抽取后再进入预热器4中，这样完成了主循环，实现系统电能的输出。

在以上的朗肯循环中，高温端温度高达55℃，低温端温度降低到5℃，理想效率达到14%，而现有技术的海洋温差发电闭式循环系统中高温端只有20～25℃，低温端有10℃，理想循环效率也只有1.74%。与之相比较，本装置成倍地提高了循环效率。另外如图4所示，本文中风力发电机11发出的电能还可以提供给海洋温差发电闭式循环中的工质泵2、高温海水泵3和低温海水泵15等使用，而不像传统的闭式循环需要消耗主循环发出的电能来驱动工质泵2以及海水泵，考虑到实际循环中各部件的损失和管道损失，在蒸汽透平6及各个部件效率为60%的情况下，本装置图4的发电效率可以达到8.4%，完全具有实用价值。

4 结论

本文设计了一种利用海洋温差及风能联合发电的方法及装置，用海洋表层的热海水加热低沸点工质，使之蒸发，送入汽轮机推动汽轮发电机组做功发电，汽轮机排出的工质乏气用海洋深层的冷海水冷凝为液态，再用热海水加热，送入汽轮机，使之蒸发，推动汽轮机发电机组做功发电，如此循环，持续发电；还利用洋面风力发电，并用该电力驱动热泵装置，由热泵装置的媒质将工质的温度进一步提高，增大工质体积膨胀率；由热泵装置的媒质将冷海水的温度进一步降低，再用该低温海水去冷凝工质乏气，增强对工质乏气的冷凝效果。本文相比较现有海洋温差发电系统循环效率的1.74%可以提高到8.4%，实现了海洋温差能和风能的综合利用，具有重要的实用价值，是绿色环保能源，易于大规模使用和推广。

[1]李伟,赵镇南,王迅,等.海洋温差能发电技术的现状与前景[J].海洋工程,2004,22(2):105-108

[2]王春华.海洋温差发电技术[J].能源工程,2005,(3):19

[3]王祺,汪东,陈建秋,等.海洋温差能发电的一种新设想[J].节能与环保,2003,(5):33-35

[4]唐黎标.日本利用海洋温差发电[J].节能,2005,24(1):46

[5]王迅,谷琳,李赫.海水温差能发电系统两种循环方式的比较研究[J].海洋技术,2006,25(2):34-38

Power Generation Device Combined w ith Ocean Energy and W ind Power

Hu Jialin
（Dongfang Turbine Co.,Ltd.,Deyang Sichuan,618000）

This paper presents amethod of using the ocean thermal energy and wind power combined power and device.The working principle of this device is as follows:heating the low boiling point workingmedium to evaporate using the hot water on ocean surface;then the evaporated medium flows into the steam turbine and drives the turbine to work;the exhausted steam discharged from the turbine is condensed to liquid by cold water in the deep ocean;the liquid will be heated by the hot sea water and flow into the steam turbine to drive the turbine.Thisworking cycle can ensure the continuous power generation.In addition,the power coming from the sea surface wind can be used to drive heat pump which can increase the temperature and specific volumetric dilatation of theworkingmedium by themedium in the heat pump.Themedium in the heat pump can also lower the temperature of the cold sea water which can improve the efficiency of condensing the exhausted steam.In this device,small turbine and wind power generation device are needed,so it is good for the development of the company.

ocean thermal energy,steam turbine,the heat pump device,wind power generation device

TK83

：A

：1674-9987（2014）01-0055-05

胡佳林 （1986-），女，本科，工程师，电气及其自动化专业，主要从事汽轮机设计及新能源研发等方面研究工作。