[发明专利]海洋热能转换电站

说明书

相关申请

本申请要求2010年1月21日提交的美国临时申请序列号61/297,242、2010年1月21日提交的美国申请序列号12/691,655以及2010年1月21日提交的美国申请序列号12/691,663的优先权。所有这些在先申请的全部内容通过引用合并于此。

技术领域

本发明涉及海洋热能转换电站，更具体地涉及浮式的、最小起伏平台的、多级热机的海洋热能转换电站。

背景技术

全球能源消耗和需求一直以指数速度增长。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。

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。

海洋热能转换（“OTEC”）是利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。

OTEC过程利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（carbon footprint）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，利用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（Carnot efficiency）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发表的题为“来自海洋的可再生能源，OTEC指南”（“Renewable Energy from the Ocean,a Guide to OTEC”William Avery and Chih Wu,Oxford University Press，1994）（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ΔT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。

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联的损失。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。

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。

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。

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。