大工16春《新能源發(fā)電》大作業(yè)題目-溫差發(fā)電的利用

1、 網(wǎng)絡(luò)教育學(xué)院新能源發(fā)電課 程 設(shè) 計 題 目： 溫差發(fā)電的利用 學(xué)習(xí)中心： 奧鵬學(xué)習(xí)中心 層 次： 本科 專 業(yè)： 電氣工程及其自動化 年 級： 學(xué) 號： 學(xué) 生： 輔導(dǎo)教師： 康永紅 完成日期： 2016年 05月26日 溫差發(fā)電的利用海洋是全世界最大的太陽能收集器，6000萬平方千米的熱帶海洋一天吸收的太陽輻射能，相當(dāng)于2500億桶石油的熱能。如果將這些熱量的1%轉(zhuǎn)化成電力，也將相當(dāng)于有140億千瓦裝機(jī)容量，是美國當(dāng)今發(fā)電能力的20倍以上。海水溫差發(fā)電，是以一種混合化學(xué)液體作為介質(zhì)，輸出功率是以前的1.l-1.2倍。一座3000千瓦級的電站，每千瓦小時的發(fā)電成本只有0.6元以下，比柴油發(fā)

2、電價格還低。人們預(yù)計，利用海水溫差發(fā)電;如果能在一個世紀(jì)內(nèi)實現(xiàn)，可成為新能源開發(fā)的出發(fā)點。 海水溫差發(fā)電，1930年在法國首次試驗成功，但當(dāng)時發(fā)出的電能還不如耗去的電力多，因此，沒有付諸實施。現(xiàn)在，許多國家都在進(jìn)行海水溫差發(fā)電研究。1. 海洋溫差發(fā)電技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀1.1國外研究現(xiàn)狀利用海洋溫差產(chǎn)生電力的理論研究和技術(shù)研究已有120多年的歷史，特別是在上世紀(jì)70年代的全球能源危機(jī)時期尤其得到重視，近年來研究更是取得了實質(zhì)性進(jìn)展。在熱帶海洋地區(qū)大約有6000萬平方公里適宜發(fā)展海洋溫差發(fā)電，利用海洋溫差發(fā)電將能產(chǎn)生目前世界能源需求幾倍的發(fā)電量。目前，美、印、日等國都建有海洋溫差發(fā)電站。利迄今為止,海洋

3、溫差發(fā)電技術(shù)的研究在熱動力循環(huán)的方式、高效緊湊型熱交換器、工質(zhì)選擇以及海洋工程技術(shù)等方面均已取得長足的發(fā)展,很多技術(shù)已漸趨成熟。1)系統(tǒng)方面以閉式循環(huán)最為成熟,已經(jīng)基本上達(dá)到商業(yè)化水準(zhǔn)。開式循環(huán)的主要困難是低壓汽輪機(jī)的效率太低。工質(zhì)是閉式循環(huán)必須考慮的關(guān)鍵因素。僅從性能角度出發(fā),氨和R22是較為理想的工質(zhì),但從環(huán)保角度考慮,尋求新工質(zhì)的努力仍在進(jìn)行。2)熱交換器是海洋溫差發(fā)電系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備,它對裝置的效率、結(jié)構(gòu)和經(jīng)濟(jì)性有直接的重要影響。熱交換器性能的關(guān)鍵是它的型式和材料。鈦的傳熱及防腐性能良好,但是價格過于昂貴。美國阿貢國家實驗室的研究人員發(fā)現(xiàn),在腐蝕性暖海水環(huán)境下,改進(jìn)后的釬焊鋁換熱器壽命可

4、以達(dá)到30年以上。板式熱交換器體積小,傳熱效果好、造價低,適合在閉式循環(huán)中采用。3)最新的洛倫茲循環(huán)有機(jī)液體透平能2022溫差下工作,適用于閉式循環(huán)裝置中。洛倫茲循環(huán)的T-S圖如圖1.1所示。它的熱效率和輸出功率均小于在溫海水進(jìn)口溫度和冷海水進(jìn)口溫度下的卡諾循環(huán)(圖1.1上T1和T4之差),而等于溫海水進(jìn)出口平均溫度和冷海水進(jìn)出口平均溫度下的卡諾循環(huán)(圖上T2和T3之差)。洛倫茲循環(huán)由兩個等溫過程和兩個多變過程組成,是變溫條件下的理想循環(huán),它與卞諾循環(huán)都是可逆循環(huán),但比后者更接近實際。選擇合適的工質(zhì),使工質(zhì)與熱源溫度變化保持一致且溫差最小,便得到接近洛倫茲循環(huán)的實際循環(huán)。洛倫茲循環(huán)的特點是熱效

5、率高且接近實際工程,其透平采用兩種以上氟利昂混合物作為工質(zhì),并配以適合的換熱器。圖1.1 洛倫茲循環(huán)的T-S 4)海洋溫差發(fā)電有岸基型和海上型兩類。岸基型把發(fā)電裝置設(shè)在岸上,把抽水泵延伸到5001000 m或更深的深海處。日本1981年11月在瑙魯修建的一座功率為100KW的岸基發(fā)電站即采有一條外徑0.7m,長950m的聚乙烯管深入到580m的海底抽取冷海水。海上型是把吸水泵從船上吊下去,發(fā)電機(jī)組安裝在船上,電力通過海底電纜輸送。海上型又分成浮體式(包括表面浮體式、半潛式、潛水式)、著底式和海上移動式三類。1979年在夏威夷建成的“mini-ITEC”發(fā)電裝置就安裝在一艘海軍駁船上,利用一根直

6、徑0.6 m、長670m的聚乙烯冷水管垂直伸向海底吸取冷水。1973年石油危機(jī)以后,海洋溫差能的研究工作開始取得實質(zhì)性進(jìn)展。1979年美國在夏威夷西部海岸建成了一座mini-OTCE發(fā)電裝置,額定功率50KW,凈功率15KW。這是世界上首次從海洋溫差能獲得有實用意義的電力。太平洋高技術(shù)國際研究中心(PICHTR)于1991年11月開始在夏威夷進(jìn)行開式循環(huán)發(fā)電試驗,并于1993年4月建成發(fā)電功率210KW,凈輸出4050 KW,并產(chǎn)生淡水的裝置。PICHTR還開發(fā)了利用冷海水進(jìn)行空調(diào)、制冷及海水養(yǎng)殖等附屬產(chǎn)業(yè),在熱帶島嶼顯示出良好的市場前景。日本在海洋溫差能研究開發(fā)方面投資力度很大,并在海洋熱能

7、發(fā)電系統(tǒng)和換熱器技術(shù)方面領(lǐng)先于美國,迄今共建造3座海洋溫差試驗電站,均為岸基式。印度政府將海洋溫差能作為未來的重要能源之一進(jìn)行開發(fā)，1997 年印度國家海洋技術(shù)研究所于日本佐賀大學(xué)簽訂協(xié)議，共同進(jìn)行印度洋的海洋溫差發(fā)電的開發(fā)，并準(zhǔn)備在印度國內(nèi)投資建立商業(yè)化的OTEC系統(tǒng)。2010年，在印度東南部海上運轉(zhuǎn)成功了世界上第一套1MW 海洋溫差發(fā)電實驗裝置。溫差能發(fā)電系統(tǒng)還可以通過制氫后將氫氣輸送回大陸，解決了以往海上電力敷設(shè)需巨大投資的問題，隨著能源緊缺和對可再生能源的日益重視，以及氫能源需求日益加大，使得開展海洋溫差能的研究重新活躍，美國、日本、印度繼續(xù)加大對海洋溫差能的研究和資金投入。佐賀大學(xué)海

8、洋能源研究中心在2002 年被“21世紀(jì) COH 計劃”選中后，在2003年建成了新的實驗據(jù)點伊萬里附屬設(shè)施。目前正在利用 30KW的發(fā)電裝置進(jìn)行實證性實驗。如果再配上海水淡化裝置的話，在發(fā)電的同時能得到淡水和深層水，它們可以作為礦泉水來飲用。電解后還能得到燃料電池用的氫。富有養(yǎng)分的深層水回灌海洋后還能形成新的魚場。海洋溫差發(fā)電的很大優(yōu)點是不僅能發(fā)電，在經(jīng)濟(jì)上還能帶動很多相關(guān)產(chǎn)業(yè)。 2012年，印度Kavaratti 島海水溫差淡水生產(chǎn)設(shè)備，利用海水溫差進(jìn)行海水淡化滿足了島上淡水的需要。日本的日立造船和里見產(chǎn)業(yè)在印度試驗海水溫差發(fā)電，擬試驗成功后推廣用于發(fā)動機(jī)冷卻水和海水的溫差發(fā)電，以供船用發(fā)

9、電設(shè)備。這樣不產(chǎn)生CO2，大型化后使發(fā)電成本可達(dá)核電水平，是有發(fā)展前途的發(fā)電方式。由于此技術(shù)適于在表層海水溫度高的地區(qū)實施，印度政府利用 1000 千瓦級發(fā)電試驗為發(fā)展2 萬5 萬千瓦機(jī)組打下基礎(chǔ)。若規(guī)模達(dá) 10 萬千瓦時，單位發(fā)電成本可比火電低和核電水平相當(dāng)。 美國洛克希德公司與美國能源部簽署了建造一個由玻璃纖維與合成材料建造的管道原型合同。2013 年與美國海軍研究用溫差能解決關(guān)島上海軍陸戰(zhàn)隊用電和淡水的問題。美國洛克希德馬丁公司在夏威夷的Big Island建造一座海洋溫差發(fā)電站，這座發(fā)電站的裝機(jī)容量可達(dá)10兆瓦。在2015年左右將繼續(xù)建造100兆瓦級的大型電站。洛克希德馬丁公司在海洋溫

10、差發(fā)電系統(tǒng)方面共擁有6項專利。法國DCNS公司在2010年11月建設(shè)海洋熱能轉(zhuǎn)換（OTEC）試點工廠，在2015年提供10兆瓦穩(wěn)定的輸出。1.2 國內(nèi)溫差發(fā)電技術(shù)的發(fā)展中國的海洋溫差能儲量比較豐富，但研究工作起步晚。中國海洋溫差能源等新能源的開發(fā)前景還不容樂觀。與發(fā)達(dá)國家相比，中國在海洋溫差發(fā)電的開發(fā)上還停留在實驗室原理性驗證階段，還未建立試驗電站。20 世紀(jì) 80 年代初，中國科學(xué)院廣州能源研究所、中國海洋大學(xué)和天津國家海洋局海洋技術(shù)中心研究所等單位開始溫差發(fā)電研究。1986年廣州研制完成開式溫差能轉(zhuǎn)換試驗?zāi)M裝置，利用30以下的溫水，在溫差20的情況下，實現(xiàn)電能轉(zhuǎn)換。1989年又完成了霧滴

11、提升循環(huán)實驗研究，有效提升高度達(dá) 20米，1989年，該研究所還對開式循環(huán)過程進(jìn)行了實驗室研究，建造了兩座容量分別為10千瓦 和60千瓦的實驗臺，霧滴提升高度為當(dāng)時同類設(shè)備的最高值。2004-2005年，天津大學(xué)完成了對混合式海洋溫差能利用系統(tǒng)理論研究課題，并就小型化試驗用200W 氨飽和蒸汽透平進(jìn)行了研究開發(fā)。國家海洋局第一海洋研究所在“十一五”期間重點開展了閉式海洋溫差能利用的研究，完成了海洋溫差能閉式循環(huán)的理論研究工作，并完成了250W 小型溫差能發(fā)電利用裝置的方案設(shè)計。2010 年，承擔(dān)了 “十一五”科技支撐 “15 千瓦海洋溫差能關(guān)鍵技術(shù)與設(shè)備的研制”課題。根據(jù)中國新能源與可再生能源

12、1999白皮書公布的調(diào)查統(tǒng)計結(jié)果，對130個水道估算統(tǒng)計，我國潮流能理論平均功率為1394萬千瓦。我國南海的表層海水溫度全年平均值為2528，其中有300多萬平方千米海區(qū)，上下溫差為20左右，尤其是南海中部的西沙群島海域和臺灣以東海區(qū)，具有日照強(qiáng)烈，溫差大且穩(wěn)定，全年可開發(fā)利用，冷水層離岸距離小，近岸海底地形陡峻等優(yōu)點，開發(fā)利用條件良好，科學(xué)家研究發(fā)現(xiàn)中國近海及毗鄰海域的溫差能資源理論儲量為14.4×102115.9×1021J，可開發(fā)總裝機(jī)容量為17.47×10818.33×108KW ,90% 分布在我國的南海。在我國西沙群島海域，測得水深30米以內(nèi)

13、的水溫為30，而1000米深處便只有5，完全適合溫差發(fā)電。下一步，國家將在政策上給予鼓勵和引導(dǎo)，在海洋溫差能源利用的基礎(chǔ)研究方面，重點研究地溫差熱力循環(huán)過程，建立千瓦級的實驗室模擬循環(huán)裝置，并開展相應(yīng)的數(shù)值分析研究?？茖W(xué)家正在對西沙、南沙諸島嶼溫差能資源做開發(fā)研究，計劃將西沙、南沙諸島嶼作為國家溫差能資源的先期開發(fā)區(qū)。2.海洋溫差發(fā)電技術(shù)的原理海洋溫差發(fā)電(ocean thermal energy conversion簡稱OTEC)的基本原理是利用海洋表面的溫海水加熱某些低沸點工質(zhì)并使之汽化，或通過降壓使海水汽化以驅(qū)動汽輪機(jī)發(fā)電。同時利用從海底提取的冷海水將做功后的乏汽冷凝，使之重新變?yōu)橐后w，

14、形成系統(tǒng)循環(huán)。目前有閉式循環(huán)系統(tǒng)、開式循環(huán)系統(tǒng)、混合式循環(huán)系統(tǒng)、直接溫差發(fā)電等，其中以閉式循環(huán)系統(tǒng)較成熟。1） 閉式循環(huán)系統(tǒng)圖2.1 閉式循環(huán)溫差發(fā)電原理圖圖2.1為閉式循環(huán)溫差發(fā)電的原理圖。工作介質(zhì)在蒸發(fā)器中被表層海水（1325）的熱量蒸發(fā)后進(jìn)入渦輪機(jī)，并驅(qū)動發(fā)電機(jī)運轉(zhuǎn)。在渦輪機(jī)中做了功的工質(zhì)在凝結(jié)器中被深層海水冷卻又變成液體，由循環(huán)泵再次送入蒸發(fā)器。這與火電廠中的循環(huán)順序是相同的。由于低沸點工質(zhì)是在一個閉合回路中循環(huán)使用，所以稱這種溫差發(fā)電方式為閉式循環(huán)。1964年，美國海洋熱能發(fā)電的創(chuàng)始人安德森和他的兒子，提出了用低沸點液體（如丙烷和液態(tài)氨）作為工質(zhì)，用其所產(chǎn)生的蒸汽作為工作流體的閉式循

15、環(huán)方案。閉式循環(huán)系統(tǒng)的缺點是，蒸發(fā)器和冷凝器采用表面式換熱器，導(dǎo)致這一部分耗資昂貴，此外也不能產(chǎn)生淡水。但它克服了開式循環(huán)中最致命的弱點，可使蒸汽壓力提高數(shù)倍，發(fā)電裝置體積變小，而發(fā)電量可達(dá)到工業(yè)規(guī)模。閉式循環(huán)系統(tǒng)一經(jīng)提出，就得到廣泛的贊同和重視，成為目前海水溫差發(fā)電的主要形式。2） 開式循環(huán)系統(tǒng)圖2.2 開式溫差發(fā)電原理圖開式循環(huán)系統(tǒng)以表層的溫海水作為工作介質(zhì)。先用真空泵將循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)抽成一定程度的真空，再用溫水泵把溫海水抽入蒸發(fā)器。由于系統(tǒng)內(nèi)以保持有一定的真空度，溫海水就在蒸發(fā)器內(nèi)沸騰蒸發(fā)，變?yōu)檎羝?；蒸汽?jīng)管道噴出推動蒸汽機(jī)運轉(zhuǎn)，帶動發(fā)電機(jī)發(fā)電。蒸汽通過汽輪機(jī)后，又被冷水泵抽上來的深海冷水所

16、冷卻，凝結(jié)成淡化水后排出。冷海水冷卻了水蒸氣后又回到海里。作為工作物質(zhì)的海水，一次使用后就不再重復(fù)使用，工作物質(zhì)與外界相通，所以稱這樣的循環(huán)為開式循環(huán)。開式溫差發(fā)電的原理見圖2.2。從1926年法國科學(xué)家克勞德在法蘭西科學(xué)院的大廳里當(dāng)眾進(jìn)行的溫差發(fā)電實驗，到1948年法國在非洲象牙海岸修造的海水溫差發(fā)電站，采用的都是這種開式循環(huán)系統(tǒng)。開式循環(huán)系統(tǒng)在發(fā)電的同時，還可以獲得很多有用的副產(chǎn)品。例如，溫海水在蒸發(fā)器內(nèi)蒸發(fā)后所留下的濃縮水，可以被用來提煉很多有用的化工產(chǎn)品；水蒸氣在冷凝器內(nèi)冷卻后可以得到大量的淡水。3）混合式循環(huán)系統(tǒng)混合式循環(huán)系統(tǒng)與閉式循環(huán)系統(tǒng)有些類似，也是以低沸點的物質(zhì)作為工質(zhì)。其原理

17、見圖2.3，唯一不同是在蒸發(fā)器的部分，混合式循環(huán)系統(tǒng)的溫海水先經(jīng)過閃現(xiàn)蒸發(fā)器，是其中一部分轉(zhuǎn)化為水蒸氣，隨即將蒸汽導(dǎo)入第二個蒸發(fā)器。水蒸氣在此冷卻，并釋放潛能，此潛能再將低沸點工作流體蒸發(fā)，工作流體循環(huán)，于是構(gòu)成一種封閉式循環(huán)系統(tǒng)。設(shè)計混合式發(fā)電系統(tǒng)的原因是避免溫海水對熱交換器所產(chǎn)生的生物附著，同時，本系統(tǒng)在第二個蒸發(fā)器中還有淡水副產(chǎn)品產(chǎn)出，而且，開始系統(tǒng)低容量的缺陷也可以得到解決。圖2.3 混合式循環(huán)系統(tǒng)原理圖4）直接溫差發(fā)電1821年德國化學(xué)家塞貝克（Seebeck）發(fā)現(xiàn)，把兩種不同的金屬導(dǎo)體接成閉合電路時，如果把它得到兩個接點分別置于溫度不同的環(huán)境中，則電路中就會有電流產(chǎn)生。這一現(xiàn)象稱為

18、塞貝克（Seebeck）效應(yīng)。實際上，兩種不同的導(dǎo)體或?qū)щ婎愋筒煌陌雽?dǎo)體，若兩個接頭的溫度不同，都可以產(chǎn)生一定的電壓。例如，鐵與銅的冷接頭為1，熱接頭處為100，則有52mV的溫差電動勢產(chǎn)生。溫差電動勢的大小與兩接點的溫差成正比。根據(jù)塞貝克效應(yīng)，若將兩個不同的導(dǎo)體或半導(dǎo)體電極分別置于海洋表層的溫海水和深層的冷海水中，兩個電極之間即可產(chǎn)生電壓。這種溫差發(fā)電方法，在具體實踐上仍有很多困難，還停留在設(shè)想階段。3.溫差發(fā)電技術(shù)的利用發(fā)展趨勢的展望海洋溫差能是一種全面的資源系統(tǒng)，評價其開發(fā)利用在商業(yè)上取得成功的關(guān)鍵不僅要看發(fā)電，而且要考慮獲得淡水、海水養(yǎng)殖、制冷空調(diào)等的綜合效益。因此，要充分發(fā)揮海洋溫

19、差能的優(yōu)勢，圍繞海洋熱能發(fā)電技術(shù)的開發(fā)，積極開展海洋資源的綜合利用。1）深海采礦向海上采油工程核錳礦開采工程提供電力。開發(fā)OTEC的最佳地點一般也是深海采礦的最好地點，因此可把深海礦業(yè)的開采和OTEC相結(jié)合。這樣可以就地利用電力獲得錳、鉆、銅和鎳等。日本提出建一座10萬千瓦的海水溫差發(fā)電站從深海采鈾的設(shè)想。2）海水養(yǎng)殖深海冷水含有豐富的氮、磷、硅等營養(yǎng)鹽類，十分有利于海水養(yǎng)殖。據(jù)計算，一座4萬kW的OTEC電站，其深海水流量約800m3/s。這些海水每年可輸送約8000噸的氮到海洋表層，能增產(chǎn)8萬噸干海藻或800噸魚。事實上，海洋養(yǎng)殖的開發(fā)是成功的。目前在夏威夷，由OTEC派生的海水養(yǎng)殖業(yè)已投

20、入5000萬美元，用于養(yǎng)殖龍蝦、比目魚、海膽和海藻。3）熱帶農(nóng)業(yè)夏威夷大學(xué)首先提出把冷海水用于農(nóng)業(yè)的想法。在地下埋一排冷水管，創(chuàng)造出熱帶地區(qū)沒有的低溫氣候環(huán)境。此系統(tǒng)由于大氣中的水分子在管子表面上的冷凝還可以產(chǎn)生滴灌效果。使用此方法，可以在熱帶地區(qū)終年生產(chǎn)草荀和其他春季收獲的谷物和花卉。經(jīng)過幾年的研究，商業(yè)開發(fā)人員已建起一個占地4100m2的試驗點。4）制冷和空調(diào)排放的深層冷海水一方面可以用來冷凝淡水，還可以用于冷水空調(diào)系統(tǒng)中。研究表明，一家有300間客房的酒店使用1MW的MP-OTEC系統(tǒng)的冷水用于空調(diào)，其運行費用僅為常規(guī)空調(diào)的25%。5）海水淡化開式循環(huán)和混合式循環(huán)系統(tǒng)本身就是一個海水淡化器，開式循環(huán)的冷凝水和混合式循環(huán)蒸發(fā)器的冷凝水就是淡水，可供人們飲用或農(nóng)業(yè)利用。在太平洋島嶼上，淡水的市場價格達(dá)到1-4.60美元/千加侖(0.27-1.21美元/升)，在沒有地下水資源的地方價格會更高。而在太平洋島嶼上1.5 MW(電)凈功率開式海洋溫差發(fā)電系統(tǒng)則可日產(chǎn)淡水300萬升。美國太平洋高技術(shù)研究國際中心設(shè)計了一個多功能的MW級OTEC系統(tǒng)，除發(fā)電以外，佑計