本發(fā)明涉及一種海洋溫差能液力發(fā)電系統(tǒng)，屬于海洋溫差發(fā)電(Ocean Thermal Energy Conversion, OTEC)技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

海洋溫差發(fā)電(Ocean Thermal Energy Conversion, OTEC)技術(shù)是利用熱帶及亞熱帶海洋表層和深層海水間存在的溫差發(fā)電。海洋溫差能十分穩(wěn)定，無明顯的晝夜變化，不排放二氧化碳或其他污染物質(zhì)，而且可以獲得淡水，因而有可能成為解決全球變暖和缺水這些21世紀(jì)最大環(huán)境問題的有效手段 [1]。世界海洋全年平均水溫超過20℃的區(qū)域占整個(gè)海洋面積的一半以上，我國(guó)東海和南海是非常優(yōu)質(zhì)的海洋能源區(qū)。一般海洋表層與350米深處的恒溫層有>16℃的溫差，熱帶海域溫差可達(dá)到25℃。海面垂直向下0～100米屬于均勻?qū)樱瑴囟茸兓⑷?；?00～200米是溫躍層，水溫快速下降；在水深350米左右處有一恒溫層，溫度在6～4℃，然后隨深度增加，水溫逐漸下降（每深1000米，約下降1℃～2℃）。目前，從深海抽取冷海水到海面與表層溫海水配合發(fā)電的泵送系統(tǒng)已經(jīng)成熟，冷海水從深度幾百米深海輸送到海洋表面的溫降可以控制在1度以內(nèi)，所以長(zhǎng)距離輸送基本不影響海洋溫差發(fā)電效果。

從1881年法國(guó)人達(dá)松伐耳提出海洋溫差發(fā)電的設(shè)想到現(xiàn)在有130多年的發(fā)展歷史，海洋溫差發(fā)電技術(shù)取得較大進(jìn)展，重要的進(jìn)展如下[2]：1926年法國(guó)物理學(xué)家G. Claude開始海洋溫差能的實(shí)驗(yàn)，他在1929年首次在古巴馬但薩斯海灣沿海建成了一座開式循環(huán)發(fā)電裝置，發(fā)電輸出功率22KW，但因水泵耗功太大，沒有凈電能輸出而失敗。1964美國(guó)科學(xué)家J.H. Anderson等人構(gòu)想了一種新的閉式循環(huán)“海洋溫差能轉(zhuǎn)換”O(jiān)TEC發(fā)電站。1973年在能源危機(jī)的推動(dòng)下，日本和美國(guó)都開展了相關(guān)的基礎(chǔ)研究。1974年日本將OTEC研究列入“陽光計(jì)劃”。同年，美國(guó)能源研究與發(fā)展管理局（ERDA現(xiàn)能源部前身之一）成立了夏威夷官方自然能源實(shí)驗(yàn)室，開展了對(duì)OTEC的研究。1977年日本佐賀大學(xué)在實(shí)驗(yàn)室成功發(fā)出1KW電力。1979年世界上第一個(gè)具有凈功率輸出的OTEC裝置在美國(guó)夏威夷建成，是50KW漂浮式OTEC電站。1980年美國(guó)又建造了另一座漂浮式OTEC電站，理論發(fā)電功率1MW，主要用于示范和測(cè)試研究，沒有安裝透平發(fā)電。1980年日本佐賀大學(xué)進(jìn)行了OTEC海試實(shí)驗(yàn)，1981年東京電力公司在瑙魯建立岸基OTEC電站，成功測(cè)試了發(fā)電功率可達(dá)到120KW。1982年九州電力公司在日本鹿兒島縣徳之島建立岸基OTEC電站，成功測(cè)試發(fā)電功率50KW。1985年美國(guó)Kalina教授發(fā)明設(shè)計(jì)了采用氨和水混合物為工質(zhì)的熱循環(huán)系統(tǒng)。1988年日本OTEC協(xié)會(huì)成立。1990年日本在鹿兒島縣冰永良部島建立了1MW的岸基閉式電站，除利用溫差能發(fā)電外，還用于水產(chǎn)養(yǎng)殖和空調(diào)。1993年美國(guó)在夏威夷建成了210KW的岸基開式循環(huán)OTEC電站，發(fā)電同時(shí)還可生產(chǎn)淡水，但是因占地且不能盈利在1999年拆除。1994年日本佐賀大學(xué)上原春男教授發(fā)明了上原循環(huán)系統(tǒng)。2001年印度國(guó)家海洋技術(shù)所開始建造1MW的漂浮閉式循環(huán)OTEC示范電站。2005年，海洋溫差能推廣組織（簡(jiǎn)稱OPOTEC）在日本佐賀成立。2005年，印度國(guó)家海洋技術(shù)所在卡瓦拉蒂島建造了日產(chǎn)100立方淡水的岸基閉式循環(huán)電站。2009年，美國(guó)政府撥出1.48億美元專款支持洛克希德馬丁公司開發(fā)OTEC關(guān)鍵組件和完善實(shí)驗(yàn)電廠方案設(shè)計(jì)，并成功建造了位于美國(guó)維吉利亞州馬拉薩斯的2～4MW測(cè)試裝置，在可變狀態(tài)下進(jìn)行模擬試驗(yàn)，實(shí)際輸出功率40KW，并在2011年在夏威夷州柯納建立了40KW實(shí)驗(yàn)電廠投入運(yùn)營(yíng)。

經(jīng)過130多年的研究探索和技術(shù)發(fā)展，海上浮臺(tái)式和岸基式發(fā)電廠所需要的基礎(chǔ)技術(shù)有很大進(jìn)展，例如平臺(tái)技術(shù)、平臺(tái)定位技術(shù)、熱交換器技術(shù)、平臺(tái)接口技術(shù)、冷水管技術(shù)、海底電纜技術(shù)、泵與渦輪技術(shù)、整體裝置集成技術(shù)等都已經(jīng)達(dá)到較好的可用水平。

然而OTEC技術(shù)在原理方面一直沒有新進(jìn)展，缺乏原創(chuàng)性創(chuàng)新和改進(jìn)，所以O(shè)TEC發(fā)電成本高、效率低的根本缺陷一直難以克服。截止目前，所有OTEC發(fā)電實(shí)驗(yàn)和研究裝置仍然采用朗肯循環(huán)、蘭金循環(huán)、Kalina循環(huán)及其衍生的原理方法，特點(diǎn)總結(jié)如下：（1）閉式循環(huán)(中間介質(zhì)法)是使用低沸點(diǎn)物質(zhì)，如氨、氟里昂等工質(zhì)，在封閉回路中完成蘭金循環(huán)。其特點(diǎn)是，系統(tǒng)處于正壓下，工質(zhì)蒸汽密度大，體積流量小，通流部分尺寸不致過大。但其蒸發(fā)器和凝汽器須用表面式換熱器，體積巨大而功率小，相對(duì)維護(hù)困難。 （2）開式循環(huán)(閃蒸法或擴(kuò)容法)以海水為工質(zhì)，凝結(jié)水不返回循環(huán)中。其閃蒸器和凝汽器可使用混合式換熱器，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，維護(hù)方便。若用表面式凝汽器，則可副產(chǎn)淡水。雖然開放式系統(tǒng)的能源轉(zhuǎn)換效率高于封閉式系統(tǒng),但因低壓渦輪機(jī)的效率不確定,以及水蒸氣之密度與壓力均較低,故發(fā)電裝置容量較小,不太適合大容量發(fā)電。但低溫水蒸氣飽和壓力極低，比容巨大，通流部分尺寸過大。 （3）混合循環(huán)基本與閉式循環(huán)相同，但用溫海水閃蒸出來的低壓蒸汽來加熱低沸點(diǎn)工質(zhì)。海洋溫差電站可分為岸基電站和船式漂浮電站。離岸5公里內(nèi)水深達(dá)千米、溫差達(dá)18℃的海域可建立陸基電站，深海冷水取水管是其關(guān)鍵工程問題。 （4）文獻(xiàn)[1]還提出混合式海洋溫差發(fā)電系統(tǒng)，主要由動(dòng)力系統(tǒng)、海水管路系統(tǒng)與廠房基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)構(gòu)成。動(dòng)力系統(tǒng)分為蒸發(fā)器、太陽能集熱器、冷凝器、工作流體、渦輪發(fā)電機(jī)與泵6個(gè)部分。利用太陽能對(duì)于增大溫差有利，但是脫離了海洋能的穩(wěn)定性，對(duì)于關(guān)鍵部分沒有創(chuàng)新。

在能源轉(zhuǎn)換效率和利用方面，朗肯和金蘭循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)在理論上轉(zhuǎn)化率不高于2.9%，利用加倍復(fù)雜的Kalina循環(huán)原理在理論上的轉(zhuǎn)化效率極限可以達(dá)到4.5～5.0%，如果除掉系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)需要的能量消耗，凈輸出效率往往不足2%。由于所用的氨水等工質(zhì)對(duì)材料腐蝕性特別強(qiáng)，換熱器等核心組成必須使用鈦制造，造價(jià)昂貴，其經(jīng)濟(jì)性遠(yuǎn)不及化石能源和核能。

在OTEC建造成本和運(yùn)營(yíng)發(fā)電成本方面：文獻(xiàn)[3]以2010年的實(shí)際購買力和實(shí)際利率對(duì)現(xiàn)金流進(jìn)行估算，建造一個(gè)5MW的混合循環(huán)船式溫差能發(fā)電系統(tǒng)，并使用93.2KM的海底電纜將電輸送到岸邊工程的最低單位造價(jià)至少是13000美元/KW，這一數(shù)值遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于現(xiàn)有各種發(fā)電工程的單位造價(jià)[4]?？茖W(xué)家估計(jì)，當(dāng)溫差能發(fā)電系統(tǒng)的規(guī)模較大時(shí)單位造價(jià)會(huì)顯著降低。美國(guó)研究者認(rèn)為距海岸3.73KM的75MW的閉式循環(huán)海上平臺(tái)式溫差能發(fā)電系統(tǒng)的單位造價(jià)會(huì)顯著降低至8000美元/KW [5]。這個(gè)數(shù)值與2000年日本科學(xué)家對(duì)100MW的海上閉式溫差能發(fā)電裝置的單位造價(jià)估值接近，約是水電的2.6倍、火力發(fā)電的2倍、核電的1.5倍，與生物質(zhì)聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)以及城市固體垃圾發(fā)電站的單位造價(jià)相當(dāng)[6,7]。海洋溫差能的發(fā)電成本約為0.15美元/KWh [5]，約為現(xiàn)有火力發(fā)電、天然氣發(fā)電、核能發(fā)電成本的2倍。盡管如此，美國(guó)和歐美政府都在持續(xù)加大OTEC技術(shù)的研究，從美國(guó)政府委托著名的企業(yè)洛克希德公司（Lockheed Martin）全面研究了OTEC全生命周期的投入成本和產(chǎn)出效能，于2012年完成編制并發(fā)布了 DE-EE0002663號(hào)文件（參考文獻(xiàn)[8]），該文獻(xiàn)為OTEC行業(yè)的產(chǎn)業(yè)化提供寶貴的數(shù)據(jù)資料和一些技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。參考文獻(xiàn)[8]預(yù)計(jì)2018年100兆瓦規(guī)模的OTEC電站總成本降低到0.177美元/千瓦時(shí)，到2037年總成本可降低到0.157美元/千瓦時(shí)。

總之，海洋溫差能本質(zhì)上是一種能量密度很低的自然能源，難以收集和利用是其根本缺點(diǎn)。但是，海洋溫差能是絕對(duì)綠色能源和取之不盡的能源，假如有一種全新原理方法使其開發(fā)利用成本降低到接近化石能源成本，那么其帶來的生態(tài)環(huán)保價(jià)值、社會(huì)價(jià)值將是巨大的。

參考文獻(xiàn)：[1] 楊鵬程,章學(xué)來. 海洋溫差發(fā)電技術(shù). 可再生能源發(fā)電. 2009, No.1, P38-41.

[2] 蘇佳純 等,海洋溫差能發(fā)電技術(shù)研究現(xiàn)狀及在我國(guó)的發(fā)展前景, 中國(guó)海上油氣. Vol24, No.4, P84-98.

[3] Magesh R. OTEC technology- A world of clean energy and water [C]// Proceedings of the world congress on Engineering. UK. London, 2010.

[4] IEA NEA. Projected costs of Generating Electricity [R]. 2010.

[5] Plocek T.J, Laboy M, Mari J.A. Ocean thermal energy conversion (OTEC): technical viability cost projections and development strategies [C]. Houston: Offshore Technology conference: 2009.

[6] Takahashi M.M, OTEC is not a dream [R]. Tokyo: Terra Scientific Publishing Company, 2000: P37-38.

[7] U.S.Energy Iformation Administration. Updated capital cost estimates for electricity generation plants [EB/OL]. http://www.eia.gov/oiaf/beck_plantcosts/index/html.

[8] DE-EE0002663 Ocean Thermal Energy Conversion Life Cycle Cost Assessment。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了克服目前海洋溫差發(fā)電（OTEC）系統(tǒng)成本高、技術(shù)難度大、難以建造和難以實(shí)現(xiàn)盈利的問題，本發(fā)明提出了一種采用全新工作原理的海洋溫差能液力發(fā)電系統(tǒng)。

所述的海洋溫差能液力發(fā)電系統(tǒng)構(gòu)成原理如圖1所示：由蒸發(fā)換熱器、冷凝換熱器、蒸汽上升管道、液體下降管道、透平以及發(fā)電機(jī)組連接組成熱管式封閉循環(huán)系統(tǒng)；由冷凝換熱器、冷海水管道及冷海水泵組成連通器式冷卻系統(tǒng)；由蒸發(fā)換熱器、溫海水管道以及溫海水泵組成加熱系統(tǒng)。其基本工作原理是：由蒸發(fā)換熱器、溫海水管道以及溫海水泵組成的加熱系統(tǒng)持續(xù)地為封閉循環(huán)系統(tǒng)提供熱源；由冷凝換熱器、冷海水管道以及冷海水泵組成的連通器式冷卻系統(tǒng)持續(xù)地為封閉循環(huán)系統(tǒng)快速散熱；在熱管式的封閉循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)部的底部，低沸點(diǎn)液態(tài)工作介質(zhì)被蒸發(fā)換熱器加熱到沸點(diǎn)溫度T₁蒸發(fā)，形成的蒸汽在絕熱膨脹上升過程中有微量冷凝形成液滴，過飽和蒸汽氣流夾雜微量液滴上升至高海拔位置，然后被冷卻系統(tǒng)的冷凝換熱器冷卻至低于飽和曲線的溫度T₂并且完全凝結(jié)成液態(tài)；蒸汽因冷凝為液體其體積驟然縮小形成負(fù)壓，負(fù)壓形成的壓差促使底部蒸汽持續(xù)不斷地上升填補(bǔ)負(fù)壓區(qū)，進(jìn)入冷凝換熱器后發(fā)生冷凝相變；瞬間凝結(jié)的大量液態(tài)工質(zhì)匯入下降管道，借助巨大的海拔高度形成的重力勢(shì)能推動(dòng)透平運(yùn)轉(zhuǎn)，透平將勢(shì)能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能，進(jìn)而通過發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)化成電能。圖1中的（a）（b）圖示原理完全相同。圖1中左圖（a）全潛式系統(tǒng)將整個(gè)發(fā)電系統(tǒng)潛入海面以下的形式，系統(tǒng)搭建和實(shí)施最簡(jiǎn)單，可避免海上惡劣天氣影響，圖1中右圖（b）半潛式系統(tǒng)的冷凝換熱器被置于海面之上的高空位置，這是為了適應(yīng)海水深度有限同時(shí)滿足增加發(fā)電系統(tǒng)的功率輸出的一種變型形式。

所述工作介質(zhì)在重力熱管式封閉循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)的能量轉(zhuǎn)化循環(huán)過程如圖2所示，整個(gè)循環(huán)包括5個(gè)過程：1-2是氣體上升絕熱膨脹過程，隨高度增加氣壓降低，溫度降低；2-3是過飽和氣體在冷凝器中定壓冷凝相變過程；3-4是液體受重力絕熱下降過程，液體到達(dá)最低端透平處壓強(qiáng)達(dá)到最大，摩擦致使溫度有微弱增加；4-5是液體經(jīng)過透平泄壓過程，液體重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為透平機(jī)械能，透平機(jī)械能進(jìn)而通過發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)化為電能；5-1是液體在蒸發(fā)器中定壓加熱至飽和液體并汽化形成氣體過程。

所述的由蒸發(fā)換熱器、溫海水管道以及溫海水泵組成的加熱系統(tǒng)被安置在海面以下，溫?zé)釒ШＱ蟊韺铀疁爻Ｄ昶骄鶞囟仍?0℃以上，可通過管道和水泵將表層海水引入蒸發(fā)換熱器，由此加熱系統(tǒng)可獲得20℃以上的持續(xù)穩(wěn)定熱源。溫海水泵為流過蒸發(fā)換熱器的溫海水提供水平方向或向下流動(dòng)的動(dòng)力，具體能耗根據(jù)管道直徑、管道長(zhǎng)度、阻尼系數(shù)、流速、流量等多種因素確定，其功耗計(jì)算公式為：P_損=ρgm∑H_f，其中ρ為流體密度，g為重力常數(shù)，m為每秒流量， ∑H_f是壓頭損失，其計(jì)算公式∑H_f =(λl/d+ξ) u^2/2g，其中，λ是摩擦系數(shù)，l是直管長(zhǎng)度，d是管內(nèi)經(jīng)，ξ為所有彎頭阻力系數(shù)總和，u為流速。

所述的由冷凝換熱器冷海水管道以及冷海水泵組成的連通器式冷卻系統(tǒng)，一端海水入口深入到海平面以下350米處的恒溫層，中部鏈接散熱器置于高空（圖1b所示）或者海面以下（圖1a所示）均可，另一端是海水出口也安置在海面以下形成封閉連通器。冷海水泵提供動(dòng)力把深海恒溫層<4℃冷海水吸入連通器，冷海水上升經(jīng)過冷凝換熱器對(duì)封閉循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)的工作介質(zhì)進(jìn)行降溫，冷海水在升溫后下降排入海面以下。因?yàn)槭沁B通器式的冷卻系統(tǒng)兩端都潛入海水中，是一種典型的封閉連通器系統(tǒng)，所以抬升海水不需要克服重力做功，冷海水泵只需要提供克服海水與管道摩擦阻力的動(dòng)力，具體能耗根據(jù)管道直徑、管道長(zhǎng)度、阻尼系數(shù)、流速、流量等多種因素確定，其功耗計(jì)算公式為：P_損=ρgm∑H_f，其中ρ為流體密度，g為重力常數(shù)，m為每秒流量， ∑H_f是壓頭損失，其計(jì)算公式∑H_f =(λl/d+ξ) u^2/2g，其中，λ是摩擦系數(shù)，l是直管長(zhǎng)度，d是管內(nèi)經(jīng)，ξ為所有彎頭阻力系數(shù)總和，u為流速。

所述的熱管式封閉循環(huán)系統(tǒng)是由蒸發(fā)換熱器、冷凝換熱器、透平以及發(fā)電機(jī)通過密封管道連接構(gòu)成。封入到系統(tǒng)內(nèi)部的工作介質(zhì)可以是二氧化碳或其他低沸點(diǎn)物質(zhì)，根據(jù)工作介質(zhì)的飽和曲線（如圖2所示），該系統(tǒng)提供讓工質(zhì)能夠在常溫下（例如4～20℃）沸騰的初始飽和蒸汽壓力，為工作介質(zhì)可以在常溫下持續(xù)蒸發(fā)上升提供氣壓條件。封閉循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)部的氣態(tài)工作介質(zhì)與地球表面的大氣層同樣都受到地球重力場(chǎng)影響，底部氣體壓力隨著高度上升氣壓會(huì)下降，真實(shí)氣體隨高度變化的氣壓公式為：P=P₀.e^(hgM/(1000.T.N.k)), 其中P₀是內(nèi)部底層（設(shè)底層參考面的高度為零）的氣體壓強(qiáng)，P為高度為h位置的氣體壓強(qiáng)，e為自然常數(shù)，g為重力加速度，M為氣體分子摩爾質(zhì)量，T為絕對(duì)溫度，N為阿伏加德羅常數(shù)，k為玻爾茲曼常數(shù)。氣體上升氣壓隨高度增加而降低，氣體膨脹（氣體絕熱膨脹）做功溫度降低，同時(shí)氣體的沸點(diǎn)降低。氣體達(dá)到冷凝器所在高度的沸點(diǎn)降低至T’，從深海泵上來的冷海水溫度低于T’，通過冷卻系統(tǒng)使得氣體發(fā)生冷凝相變。蒸汽冷凝相變后其體積驟然縮小形成負(fù)氣壓，負(fù)壓促使底部蒸汽持續(xù)不斷地上升填補(bǔ)負(fù)壓區(qū)，并進(jìn)入冷凝換熱器發(fā)生冷凝相變；瞬間凝結(jié)的大量液態(tài)工作介質(zhì)匯入下降管道，借助巨大的海拔高度勢(shì)能推動(dòng)透平運(yùn)轉(zhuǎn)，透平將勢(shì)能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能，進(jìn)而通過發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)化成電能。

本發(fā)明的有益效果：

一、本發(fā)明從原理上顛覆了以往海洋溫差發(fā)電OTEC技術(shù)原理，通過工作介質(zhì)的熱力-重力循環(huán)能夠匯集低密度的海洋溫差能，極大地降低了OTEC電站的建造技術(shù)難度和對(duì)建造材料的要求，建造成本低于與化石能源（燃煤）電站和大型水利電站。

二、本發(fā)明可選擇的比熱容小、潛熱小的低沸點(diǎn)工作介質(zhì)例如二氧化碳、氮?dú)獾榷际峭耆G色無毒物質(zhì)，可脫離當(dāng)前OTEC常用的腐蝕性極強(qiáng)的氨的限制。綠色無公害的工作介質(zhì)將完全消除對(duì)環(huán)境的負(fù)面影響，并且極大降低對(duì)建造材料的要求，可不再使用傳統(tǒng)OTEC技術(shù)所采用的昂貴的鈦合金，而是改用普通無腐蝕壓力容器用不銹鋼、鋁合金或碳鋼即可。

三、本發(fā)明真正做到了的零排放，將徹底改善化石能源發(fā)電帶來的霧霾和水污染危機(jī)。電站可不分晝夜的提供穩(wěn)定、持續(xù)、綠色的電力能源，而且發(fā)電和維護(hù)成本低于化石能源（燃煤）電站。

四、本發(fā)明適合建立全潛或者半潛式的漂浮發(fā)電站，也適合在海底建立固定的全潛或半潛式發(fā)電站；也特別適合建立大型和特大型發(fā)電站，例如建設(shè)流量為15噸/秒，高度差為600米的凈功率為60兆瓦的全潛式電站，預(yù)計(jì)建設(shè)總投資2億元人民幣，約合成本3333元/KW。其建設(shè)成本比2016年投資76.7億元的2000兆瓦的江西豐城電廠成本3835元/KW還低。若電站按照40年壽命計(jì)算，其建設(shè)成本僅為0.02元/千瓦時(shí)。運(yùn)營(yíng)成本則主要來自少量的監(jiān)控管理人工費(fèi)和管道的更新清潔費(fèi)，其總成本將顯著低于目前其他各類電站總成本。

附圖說明：圖1：為本發(fā)明的系統(tǒng)構(gòu)成和原理示意圖，分（a）全潛式（b）半潛式兩種情形；

圖2：為本發(fā)明的工質(zhì)循環(huán)工作熱力溫度和氣壓圖，顯示了熱力-重力循環(huán)的5個(gè)過程和位置點(diǎn)；

圖3：為本發(fā)明的具體實(shí)施系統(tǒng)構(gòu)造示意圖，顯示了（a）前視圖（b）左視圖（c）頂視圖（d）軸測(cè)圖；

圖4：為本發(fā)明的具體實(shí)施實(shí)例蒸發(fā)換熱器內(nèi)部構(gòu)造；

圖5：為本發(fā)明的具體實(shí)施實(shí)例冷凝換熱器內(nèi)部構(gòu)造。

具體實(shí)施方式：

所述發(fā)明海洋溫差能液力發(fā)電系統(tǒng)是由：工作介質(zhì)，蒸發(fā)換熱器，蒸汽上升管道，冷凝換熱器，液體下降管道，透平和發(fā)電機(jī)，溫海水管道，以及冷海水管道構(gòu)成。其中，由蒸發(fā)換熱器、冷凝換熱器、透平以及發(fā)電機(jī)通過密封管道連接組成重力熱管式封閉循環(huán)系統(tǒng)；由冷海水泵、冷凝換熱器通過密封管道組成連通器式冷卻系統(tǒng)；由溫海水泵、蒸發(fā)換熱器組成加熱系統(tǒng)。具體工作原理是如圖1所示：由溫海水泵、蒸發(fā)換熱器組成的加熱系統(tǒng)持續(xù)地為封閉循環(huán)系統(tǒng)提供熱源；由冷海水泵、冷凝換熱器通過管道組成的連通器式冷卻系統(tǒng)持續(xù)地為封閉循環(huán)系統(tǒng)快速散熱；在熱管式的封閉循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)部的底部，低沸點(diǎn)液態(tài)工作介質(zhì)被蒸發(fā)換熱器加熱到沸點(diǎn)溫度蒸發(fā)，形成的蒸汽在上升絕熱膨脹過程中有微量冷凝形成液滴，過飽和蒸汽氣流夾雜微量液滴上升至高海拔位置，然后被冷卻系統(tǒng)的冷凝換熱器冷卻至低于飽和曲線的溫度并且完全凝結(jié)成液態(tài)；蒸汽因冷凝為液體其體積驟然縮小形成負(fù)壓，負(fù)壓形成的壓差促使底部蒸汽持續(xù)不斷地上升填補(bǔ)負(fù)壓區(qū)，進(jìn)入冷凝換熱器后發(fā)生冷凝相變；瞬間凝結(jié)的大量液態(tài)工質(zhì)匯入下降管道，借助巨大的海拔高度形成的重力勢(shì)能推動(dòng)透平運(yùn)轉(zhuǎn)，透平將勢(shì)能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能，進(jìn)而通過發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)化成電能。所述工作介質(zhì)在重力熱管式封閉循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)的能量轉(zhuǎn)化循環(huán)過程如圖2所示，整個(gè)循環(huán)包括5個(gè)過程：1-2是氣體上升絕熱膨脹過程，隨高度增加氣壓降低，溫度降低；2-3是過飽和氣體在冷凝器中定壓冷凝相變過程；3-4是液體受重力下降過程，到最低端4透平處液體壓強(qiáng)達(dá)到最大，摩擦致使溫度有微弱增加；4-5是液體經(jīng)過透平泄壓，液體重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為透平機(jī)械能；5-1是液體在蒸發(fā)器中定壓加熱至飽和液體并汽化形成氣體。

根據(jù)以上發(fā)明和實(shí)施原理提出的具體實(shí)施實(shí)例整體構(gòu)造如圖3所示；圖4所示剖面圖進(jìn)一步描述了蒸發(fā)換熱器內(nèi)部構(gòu)成，圖5所示剖面圖進(jìn)一步描述了冷凝換熱器內(nèi)部構(gòu)成。假定所述實(shí)施實(shí)例的凈輸出功率為60兆瓦的全潛式發(fā)電系統(tǒng)，水頭高度600米，工質(zhì)流量15噸/秒，對(duì)應(yīng)冷海水流量110噸/秒，溫海水流量130噸/秒。發(fā)電系統(tǒng)總出功率為70兆瓦，用于冷海水泵、溫海水泵的功耗損失為10兆瓦，凈輸出功率上網(wǎng)功率約為60兆瓦。建造材料和工質(zhì)總重量估計(jì)達(dá)到10000噸，其直徑為7米長(zhǎng)度為600米的封閉系統(tǒng)的主體排水量可達(dá)到23000立方米，如果建立全潛式發(fā)電系統(tǒng)則需要在低端配重13000噸（巖石或者水泥）使其平均密度接近于海水密度，或者將其底端直接固定于海底基巖上防止其漂浮。材料和制造總成本預(yù)計(jì)在1.4億人民幣左右，額外考慮海底電纜，詳細(xì)施工設(shè)計(jì)和開發(fā)的人力成本以及運(yùn)作成本，總計(jì)成本不超過2億元人民幣。

作為優(yōu)選，所述工作介質(zhì)可選擇二氧化碳，具體實(shí)施方法是從底層注入工作介質(zhì)（例如二氧化碳），系統(tǒng)頂端開口排出空氣，直至氣態(tài)工作介質(zhì)充滿溢出系統(tǒng)裝置，將頂端開口密封。然后繼續(xù)注入工作介質(zhì)直至達(dá)到要求的工作壓力。例如可根據(jù)電站規(guī)模設(shè)定底部蒸發(fā)換熱器位置的二氧化碳?jí)毫?.0871Mpa，對(duì)應(yīng)的汽化溫度15℃.與外界熱源（例如熱帶海洋表層溫海水溫度25℃）溫差在10℃左右。按照本實(shí)施實(shí)例，總共需要4000噸工業(yè)級(jí)二氧化碳，成本不到100萬元人民幣。

作為優(yōu)選，所述的蒸發(fā)換熱器主體由可以有不銹鋼材料建成，外層涂保溫層或增加填充隔層進(jìn)行保溫，其內(nèi)部構(gòu)造可以采用如圖4所示結(jié)構(gòu)，例如采用常見浮頭式換熱器使用的U型管以避免熱脹冷縮帶來的應(yīng)力影響和破壞。蒸發(fā)換熱器置于650米水深處的外部大氣壓有65Bar，而內(nèi)部工作介質(zhì)氣壓大概50bar，內(nèi)外壓差大概15Bar，因此采用普通適合中等壓力容器所要求的不銹鋼材料即可滿足要求。根據(jù)二氧化碳工質(zhì)的汽化所需熱量167KJ/KG，15噸/秒的換熱器需要高強(qiáng)度鋁合金的換熱面積大概18000平米，重量大概320噸，成本約800萬元人民幣，若采用不銹鋼其成本相近。考慮外殼材料以及焊接等人工成本，蒸發(fā)換熱器的建造成本粗略合計(jì)為1000萬元人民幣。

作為優(yōu)選，所述溫海水管道潛入海水中，內(nèi)外壓差為0，主體可以由有機(jī)塑料或者不銹鋼等組成。管道長(zhǎng)度大概650米，直徑8米（或者兩個(gè)之間6米的管道，或者更多小直徑管道）滿足流量每秒130噸，流速2.6米/秒。因海水比熱容遠(yuǎn)大于二氧化碳比熱容，而且二氧化碳潛熱也很小，大概8.5倍于二氧化碳汽化質(zhì)量的海水5攝氏度溫降即可滿足15噸/秒二氧化碳溫升和汽化所需吸熱量。在管道內(nèi)置5.5兆瓦水泵，預(yù)計(jì)管道建造成本200萬元人民幣。

作為優(yōu)選，所述的冷凝換熱器主體由可以有不銹鋼材料建成，外層涂保溫層或增加填充隔層進(jìn)行保溫，其內(nèi)部構(gòu)造可以采用如圖5所示結(jié)構(gòu)，例如采用常見浮頭式換熱器使用的U型管以避免熱脹冷縮帶來的應(yīng)力影響和破壞。冷凝換熱器置于海面以下外部大氣壓1～3Bar，而內(nèi)部工作介質(zhì)氣壓大概50bar，內(nèi)外壓差大概50Bar，因此采用普通適合中等壓力容器標(biāo)準(zhǔn)所要求的不銹鋼材料即可滿足要求。根據(jù)二氧化碳工質(zhì)的冷凝所需換熱量158KJ/KG，15噸/秒的換熱器需要高強(qiáng)度鋁合金的換熱面積大概18000平米，重量大概320噸，成本約800萬元人民幣，若采用不銹鋼其成本相近?？紤]外殼用材以及焊接等人工成本，一個(gè)冷凝換熱器的建造成本粗略合計(jì)為1000萬元人民幣。

作為優(yōu)選，所述冷海水管道潛入海水中，內(nèi)外壓差為0，主體可以由有機(jī)塑料或者不銹鋼等組成。管道長(zhǎng)度大概350米，直徑8米（或者兩個(gè)之間6米的管道，或者更多小直徑管道）滿足流量每秒110噸，流速2.2米/秒。因海水比熱容遠(yuǎn)大于二氧化碳比熱容，而且二氧化碳潛熱也很小，大概7.5倍于二氧化碳汽化質(zhì)量的海水5攝氏度溫升即可滿足15噸/秒二氧化碳溫降和冷凝所需散熱量。在管道內(nèi)置4.5兆瓦水泵，預(yù)計(jì)管道建造成本160萬元人民幣。

作為優(yōu)選，所述蒸汽上升管道承擔(dān)最大壓差大約50Bar，采用中等壓力容器標(biāo)準(zhǔn)要求的不銹鋼材料即可，外層涂保溫層或增加填充隔層進(jìn)行保溫。直徑可選擇7米，長(zhǎng)度可選擇700米，厚度可選擇300～500毫米，再考慮加強(qiáng)肋板等材料，不銹鋼用總量大概需要3000噸，成本約6000萬元人民幣。

作為優(yōu)選，所述液體下降管道承擔(dān)最大壓差大約50Bar，采用中等壓力容器標(biāo)準(zhǔn)要求的不銹鋼材料即可，外層涂保溫層或增加填充隔層進(jìn)行保溫。直徑可選擇2米，長(zhǎng)度可選擇650米，厚度可選擇300～500毫米，再考慮加強(qiáng)肋板等材料，不銹鋼總用量大概需要800噸，成本約1600萬元人民幣。

作為優(yōu)選，所述透平和發(fā)電機(jī)組可采用常見蝸殼水輪機(jī)發(fā)電機(jī)組，70兆瓦功率的蝸殼透平和發(fā)電機(jī)組建設(shè)成本不超過2000萬元人民幣。

以上內(nèi)容描述了本發(fā)明的基本原理主要特征和發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)。本行業(yè)的技術(shù)人員應(yīng)該了解，本發(fā)明不受上述具體實(shí)施例的限制，上述實(shí)施例和說明書中描述的旨在說明本發(fā)明的原理，在不脫離本發(fā)明精神和范圍的前提下，本發(fā)明還會(huì)有各種變化和改進(jìn)，這些變化和改進(jìn)都落入要求保護(hù)的本發(fā)明范圍內(nèi)。本發(fā)明要求保護(hù)范圍由所附的權(quán)利要求書及其等效物界定。