1.本发明涉及海洋温差能发电技术领域，具体涉及一种工质循环式海洋温差能发电系统。
背景技术：2.开发利用可再生能源在满足能源需求、改善能源结构、减少环境污染、促进经济发展等方面具有重要作用，为人类发展和地球环境保护之间矛盾提供有效的解决途径。海洋能以其资源储量大、清洁无污染等特征成为备受世界研究人员关注的可再生能源，其中海洋温差能是能量最稳定、密度最高的海洋能类型。迄今为止，海洋温差能发电技术的核心技术掌握在少数几个发达国家，已经成功建立商业化的发电站，并不断提升发电规模。
3.目前，热力循环效率是局限海洋温差能发电的关键问题，由于海洋温差比较小，表层与深层海水的温差在20-25℃，循环效率理论计算仅为6.7％。现有的提升热力循环效率的研究方向主要包括两个方面，一方面是研究新型高效的循环工质，如非共沸工质，让工质具有温度滑移功能，改善与热源温度变化的匹配性，减小在蒸发和冷凝过程中换热的不可逆损失，改善循环性能与效率。另一方面是改进温差能发电系统，通过改进发电系统和设备来提高循环效率，如多级发电循环、提升蒸发器和冷凝器的效果、增加引射器等，增加循环的热回收，减少循环中的无效热损失。但是，现有的研究未改变海洋温差能发电系统的循环本质缺陷，常规循环系统消耗最多能量是抽吸表层热海水和深层冷海水用于进行促使工质循环发电，这就导致以下几个缺点：(1)需要耗费大量能量用于抽吸海水；(2)海水在运输过程中存在大量的能量损失；(3)蒸发器和冷凝器的结构设计复杂，热交换存在能量损失，设备损耗和维护困难；(4)能量高损失导致循环系统结构尺寸必须足够大，才能获得发电收益。这些缺点很大程度上限制了海洋温差能发电的技术研究、应用范围及大型商业化运行的发展进程，因此，在解决能量损耗，减少热量交换设计的问题上需要更多更新的科学技术和循环系统设计的突破，从循环系统根本上提升循环效率，将是未来提高海洋温差能发电技术的重要研究方向。
技术实现要素：4.针对现有技术中的不足，本发明提供一种工质循环式海洋温差能发电系统，其采用工质循环方式，实现工质的原位受热和冷凝，这样可以大量降低抽吸海水所需的做功损耗和传输过程的能量损失，有利于大幅降低发电系统的运作投资能源。
5.为实现上述目的，本发明可以采用以下技术方案进行：
6.一种工质循环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若干并联设置的工质加热管道，其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管道，其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.如上所述的工质循环式海洋温差能发电系统，进一步地，所述工质加热管道的外部设置有蓄热层。
11.如上所述的工质循环式海洋温差能发电系统，进一步地，所述工质加热管道竖直方向设置，所述工质冷凝管道水平方向设置。
12.如上所述的工质循环式海洋温差能发电系统，进一步地，所述透平机与所述工质冷凝管道之间设置有第一工质泵和第一单向阀。
13.如上所述的工质循环式海洋温差能发电系统，进一步地，所述透平机的出口下游还设有止向阀。
14.如上所述的工质循环式海洋温差能发电系统，进一步地，所述工质冷凝管道的出口下游还设有工质储液罐。
15.如上所述的工质循环式海洋温差能发电系统，进一步地，，所述工质储液罐与所述工质冷凝管道之间还设有第二单向阀。
16.如上所述的工质循环式海洋温差能发电系统，进一步地，所述工质储液罐与所述工质加热管道之间还设有第二工质泵和第三单向阀。
17.如上所述的工质循环式海洋温差能发电系统，进一步地，所述工质加热管道及所述工质冷凝管道的形态包括管道状、螺旋式或平板式的任一种。
18.本发明与现有技术相比，其有益效果在于：
19.1、本发明的系统取消抽吸热海水和冷海水的工序需求，让海洋温差原位保持，采用工质循环方式，实现工质的原位受热和冷凝，这样可以大量降低抽吸海水所需的做功损耗和传输过程的能量损失，有利于大幅降低发电系统的运作投资能源。
20.2、本发明的系统取消蒸发器和冷凝器等复杂设备，由于改变工质受热和冷凝的方式，故可以简化海洋温差能发电循环系统的设备需求，这样可以降低设备的维护需求和换热导致的能量损耗。
21.3、现有技术存在的能量高损失问题，导致循环系统结构尺寸必须足够大，才能获得发电收益。本发明的系统通过工质原位循环的方式，不仅可以大幅提升循环系统的循环效率，而且循环系统的尺寸可实现小型化并扩大系统的运用范畴。
附图说明
22.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。
23.图1是本发明实施例的一种工质循环式海洋温差能发电系统的结构示意图。
24.其中：1、第一工质加热管道；2、第二工质加热管道；3、透平机；4、第一工质泵；5、工质冷凝管道；6、工质储液罐；7、第二工质泵；8、止向阀；9、第一单向阀；10、第二单向阀；11、第三单向阀；12、蓄热层。
具体实施方式
25.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。
26.实施例：
27.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。
28.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。
29.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。
30.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。
31.需要理解的是，本发明摈弃传统的需要抽吸热海水和冷海水的技术方案，例如系统建立在岸边，然后热冷海水通过非常长的管道输送上岸，在岸上的工质发电循环设备中进行换热从而导致大量的能量流失，本发明的系统取消抽吸热冷海水的步骤，直接将工质加热管道位于热海水区域，工质冷凝管道位于冷海水区域，让工质直接循环于热海水区域和冷海水区域，即建立直接以工质为载体的循环系统，实现工质的原位受热和冷凝，从而实现工质形态变化驱动透平发电，这样能减少能量流失，提高循环效率。
32.参见图1，本发明提供了一种工质循环式海洋温差能发电系统，其采用工质循环方式，实现工质的原位受热和冷凝，这样可以大量降低抽吸海水所需的做功损耗和传输过程的能量损失，有利于大幅降低发电系统的运作投资能源。同时，本发明的系统取消蒸发器和冷凝器等复杂设备，由于改变工质受热和冷凝的方式，故可以简化海洋温差能发电循环系统的设备需求，这样可以降低设备的维护需求和换热导致的能量损耗。此外，本发明的系统
通过工质原位循环的方式，不仅可以大幅提升循环系统的循环效率，而且循环系统的尺寸可实现小型化并扩大系统的运用范畴。
33.参见图1，图1展示了一种工质循环式海洋温差能发电系统，其包括：透平机3、若干工质加热管道及工质冷凝管道5，其中，透平机3用于驱动发电机发电；若干工质加热管道设置于第一温度海域，其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3；工质冷凝管道5设置于第二温度海域，其利用第二温度海域的海水将透平机3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，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。
34.具体地，工质加热管道包括液态工质输入口及气态工质输出口，工质冷凝管道5包括乏气工质输入口及液体工质输出口，其中，气态工质输出口与透平机3的入口相连，使用时，液体工质从液态工质输入口进入工质加热管道进行加热，气化后的工质从工质加热管道的气态工质输出口运送至透平机3中发电，随后工质从透平机3的出口输出，通过乏气工质输入口进入工质冷凝管道5进行冷凝液化，最后在通过液体工质输出口输出。可以理解的是，工质加热管道可按需设置多个管道并联，能够增大换热面积，提高循环效率。此外，本系统不需要抽吸热海水和冷海水，以工质作为循环载体，直接实现循环运作，这样可以大量降低抽吸海水所需的做功损耗和传输过程的能量损失，有利于大幅降低发电系统的运作投资能源。
35.上述实施例中，进一步地，工质加热管道的外部设置有蓄热层12。示例性地，该蓄热层12材料具有吸热和长期保持温度的能力，确保管道中的温度可以让工质实现气化。
36.作为一种可选的实施方式，在某些实施例中，工质加热管道竖直方向设置，工质冷凝管道5水平方向设置。具体地，工质加热管道的安装位置处于工质可受热气化的热海水区域，能够实现在运移过程中充分吸收海水热能，提高工质受热气化效率和发电速率，气化后的工质可以顺着垂直管道向上进行透平机3中发电。工质冷凝管道5的安装位置位于工质可冷凝液化的冷海水区域，在考虑实施能力的前提下位置越深越好，能够实现在运移过程中持续充分受冷。进一步地，透平机3与工质冷凝管道5之间设置有第一工质泵4和第一单向阀9。其中，第一工质泵4用于快速将乏气工质泵入工质冷凝管道5中进行迅速液化；第一单向阀9用于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。进一步地，透平机3的出口下游还设有止向阀8。具体地，止向阀8用于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。
37.作为一种可选的实施方式，在某些实施例中，工质冷凝管道5的出口下游还设有工质储液罐6。本实施例中，工质储液罐6用于收集循环回路中完成单次循环发电后液化的工质，确保工质完全液化并保持较低的温度。优选地，工质储液罐6采用现有的耐冷耐压的储液罐，且工质储液罐6的容量大于整个循环系统的工质液化后所需的体积。进一步地，工质储液罐6与工质冷凝管道5之间还设有第二单向阀10。更进一步地，工质储液罐6与工质加热管道之间还设有第二工质泵7和第三单向阀11。具体地，第二工质泵7用于将工质储液罐6中温度较低的液化工质泵入工质加热管道中，且工质储液罐6结合第二工质泵7的泵入速率可进行本循环系统整体运作的速率控制。
38.作为一种可选的实施方式，在某些实施例中，工质加热管道及工质冷凝管道5的形态包括管道状、螺旋式或平板式的任一种。由于本系统的工质加热管道和工质冷凝管道5，
其主要作用就是换热实现工质受热气化和冷凝液化，故这两个结构形态不局限于管道状，也可以是其他形态，例如螺旋式、平板式等结构；且工质加热管道和工质冷凝管道5的具体尺寸可以根据海水温度情况和循环工质类型进行调整，根据其承压能力、蓄热能力、密封性和施工安全性等内容，设定合适的换热结构形态、尺寸和安装水深。此外，本系统的工质类型可以是单一的纯工质，也可以是其他非共沸工质。
39.为了更好地理解本发明，下面以两个工质加热管道串联为例，对本系统的工作步骤进行阐述。
40.系统搭建步骤：选取合适的海域进行海洋温差能发电，搭建工质循环式海洋温差能发电系统结构，根据海水温度情况和循环工质类型，设定合适的结构尺寸和各模块的安装水深，其中，本发电系统可分为加热发电模块和冷凝循环模块，分别位于热海水区域和冷海水区域。参见图1，工质加热管道垂直方向设置，其上端为气态工质输出口，下端为液态工质输入口，且第一工质加热管道1和第二工质加热管道2串联，气态工质输出口与透平机3入口相连；透平机3出口通过第一工质泵4与水平设置的工质冷凝管道5的乏气工质输入口相连，工质冷凝管道5的液体工质输出口与工质储液罐6相连，工质储液罐6再通过第二工质泵7与工质加热管道的液态工质输入口相连。
41.工质加热发电步骤：第二工质泵7按照设定功率运作，从工质储液罐6中将温度较低的液化工质泵入至第一工质加热管道1和第二工质加热管道2，由于工质加热管道的设定位置处于工质可受热气化的温度范围内，则工质受热发生气化膨胀现象，并顺着工质加热管道垂直布设的方向进行充分受热，完全气化的工质通过气态工质输出口进入透平机3进行发电。透平机3进行发电后的乏气工质通过第一工质泵4进入冷凝循环模块，其中透平机3与工质加热管道的输送管路上设置有止向阀8，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。
42.工质冷凝液化步骤：加热发电模块运行结束后的乏气工质通过第一工质泵4快速泵入工质冷凝管道5，工质冷凝管道5采用水平设置方式，让乏气工质顺着系统循环路径方向进行充分冷凝。因此，该工质冷凝管道5应根据实际需求和实施能力进行管道长度和位置深度的合理设计，确保工质冷凝管道5输出口位置的工质已实现液化。液化后的工质输送至工质储液罐6，在工质储液罐6中进一步液化并保持较低的温度。同时，第一工质泵4与工质冷凝管道5、工质冷凝管道5与工质储液罐6、第二工质泵7与第一工质加热管道1的管路上均设有单向阀，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。
43.通过上述步骤后，则完成海洋温差能发电系统的一次循环，之后第二工质泵7按照实际工况需求，再次将工质储液罐6中的液化工质按需快速泵入工质加热管道中进行循环运作。
44.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。
45.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。
技术特征：1.一种工质循环式海洋温差能发电系统，其特征在于，包括：透平机，其用于驱动发电机发电；设置于第一温度海域的若干并联设置的工质加热管道，其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；设置于第二温度海域的工质冷凝管道，其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。2.根据权利要求1所述的工质循环式海洋温差能发电系统，其特征在于，所述工质加热管道的外部设置有蓄热层。3.根据权利要求1所述的工质循环式海洋温差能发电系统，其特征在于，所述工质加热管道竖直方向设置，所述工质冷凝管道水平方向设置。4.根据权利要求1所述的工质循环式海洋温差能发电系统，其特征在于，所述透平机与所述工质冷凝管道之间设置有第一工质泵和第一单向阀。5.根据权利要求1所述的工质循环式海洋温差能发电系统，其特征在于，所述透平机的出口下游还设有止向阀。6.根据权利要求1所述的工质循环式海洋温差能发电系统，其特征在于，所述工质冷凝管道的出口下游还设有工质储液罐。7.根据权利要求6所述的工质循环式海洋温差能发电系统，其特征在于，所述工质储液罐与所述工质冷凝管道之间还设有第二单向阀。8.根据权利要求6所述的工质循环式海洋温差能发电系统，其特征在于，所述工质储液罐与所述工质加热管道之间还设有第二工质泵和第三单向阀。9.根据权利要求1所述的工质循环式海洋温差能发电系统，其特征在于，所述工质加热管道及所述工质冷凝管道的形态均包括管道状、螺旋式或平板式的任一种。
技术总结本发明公开了一种工质循环式海洋温差能发电系统，其包括：透平机、设置于第一温度海域的若干工质加热管道及设置于第二温度海域的工质冷凝管道，透平机用于驱动发电机发电；工质加热管道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；工质冷凝管道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，且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。本发明采用工质循环方式，实现工质的原位受热和冷凝，这样可以大量降低抽吸海水所需的做功损耗和传输过程的能量损失，有利于大幅降低发电系统的运作投资能源。源。源。
技术研发人员：欧芬兰 宁波 李晶 李博 周佳维
受保护的技术使用者：广州海洋地质调查局
技术研发日：2022.06.22
技术公布日：2022/11/1
