專利名稱：一種深海能源綜合利用系統的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種海上能源綜合利用系統，尤其是一種深海漂浮式海上風能，溫差能，波浪能，洋流能綜合利用系統。該系統著眼于建立深海能源綜合利用平臺，具有良好的穩定性與經濟性。
背景技術：
海洋中存儲著豐富的能源，其中風能，溫差能，波浪能，洋流能是取之不盡用之不竭的綠色可再生能源。目前，風能轉化技術較成熟，離岸越遠風速越大，未來海上風電將向著離岸更遠的海域發展。然而深海風電一般采用漂浮式浮臺，它容易受波浪影響而發生搖擺和垂蕩。甚至風力機會因重心過高而發生傾覆。并且輸出功率易波動，導致并網困難。溫差能利用海水表面與深處恒定的20攝氏度左右溫差提供穩定的電力輸出。但是該發電方式能量密度小，發電效率低，必須規模化或者與其他發電形式結合才具有經濟性。波浪能能量密度高，分布廣，但是波動性大，需要多級轉換，最終發電效率為10%到30%，需要占用較大的海上空間。洋流能功率密度大，有較強的規律性和可預測性，發電穩定，對海洋環境影響小，但是目前垂直軸渦輪機的轉換效率為30%左右。以上問題都導致了海洋能轉化裝置的可靠性以及經濟性下降，是目前海洋能利用中急需解決的關鍵問題。
發明內容(一)要解決的技術問題為了解決目前海上漂浮式風力機電力輸出不穩定，浮臺可靠性差，以及溫差能，波浪能，洋流能單獨利用時發電效率低，經濟性差的問題。本實用新型提出一種海上能源綜合利用系統。該系統風力發電機為駁船式或者半潛式漂浮于海上，與溫差能發電系統共用一個漂浮平臺。波浪能與洋流能利用裝置安裝于平臺下方，提供溫差能發電系統循環的部分驅動能量。該系統結合海上各種能量的特點，實現了風能，溫差能，波浪能，洋流能的綜合利用，在復雜多變的深海發電環境中提高發電系統的可靠性與經濟性。(二)技術方案針對上述所要解決的技術問題，本實用新型所采取的技術方案如下:本實用新型一種深海能源綜合利用系統，包括浮臺、風力機、溫差能發電裝置、波浪能利用裝置和洋流能利用裝置，其特征在于，所述風力機設于浮臺上方，所述溫差能發電裝置包括閃蒸器、工質循環單元和發電機，其中，所述工質循環單元包括通過管路依次連接的蒸發換熱器、汽輪機、冷凝換熱器和工質泵，液態工質由工質泵輸運至蒸發換熱器的冷側，在蒸發換熱器的冷側中吸收熱量后變為不飽和氣體，推動汽輪機做功，之后進入冷凝換熱器的熱側釋放熱量凝結為液態回流至工質泵；所述洋流能利用裝置設于浮臺下方，包括塔柱及垂直軸水力渦輪，所述塔柱上端固接于浮臺底部，靠近下端的位置設置所述垂直軸水力渦輪，所述垂直軸水力渦輪驅動工質泵；所述波浪能利用裝置包括圍繞所述塔柱均布的多個浮子動力單元，所述多個浮子動力單元位于浮臺下方并靠近海面布置，其中至少一個浮子動力單元I的進水口直接與表層海水連通，出水口通過管路與所述閃蒸器的進口連通，所述閃蒸器的出口與所述蒸發換熱器的熱側進口連通；至少一個浮子動力單元II的進水口通過管路與深層海水連通，出水口通過管路與所述冷凝換熱器的冷側進口連通。進一步地，所述蒸發換熱器的熱側出口通過管路與一個浮子動力單元III的進水口連通，所述冷凝換熱器的冷側出口通過管路與一個浮子動力單元IV的進水口連通。進一步地，所述蒸發換熱器的熱側出口、所述冷凝換熱器的冷側出口直接與表層海水連通。進一步地，所述閃蒸器、蒸發換熱器、汽輪機、冷凝換熱器設于浮臺上方。進一步地，所述浮子動力單元包括漂浮于海面上的浮子和浸沒于海水中的活塞缸，所述浮子通過連桿與活塞缸中的活塞相連，活塞將活塞缸分隔成兩部分，活塞缸底部和頂部各設有兩個孔，每側安裝著兩個方向相反的單向液閥，一個用于進水，一個用于出水，分別構成活塞缸的進水口和出水口。進一步地，所述浮臺為駁船式或半潛式平臺結構。進一步地，所述溫差能發電裝置還包括備用泵，至少在所述閃蒸器的入水口、冷凝換熱器冷側的入水口的供水管路上設備用泵，在所述閃蒸器的入水口、所述蒸發換熱器熱側的出水口、所述冷凝換熱器冷側的入水口及出水口布置流量傳感器，當波浪能不足時，所述流量傳感器檢測到海水流量低于門限值，啟動相應的備用泵，進行動力補充，當流量恢復時，則關閉備用泵。進一步地，在所述垂直軸水力渦輪的輸出軸布置轉速傳感器，當處于非洋流期時，轉速傳感器檢測到所述垂直軸水力渦輪轉速低于門限值，離合器將所述垂直軸水力渦輪輸出軸與工質泵驅動軸分開，改用電驅動工質泵運行，當洋流期到來時，洋流能渦輪輸出軸重新與工質泵連接運行。進一步地，所述備用泵與工質泵均由工質汽輪機的部分電力驅動。進一步地，所述溫差能發電裝置發出的電一部分用于自身的動力補充，以及風力機控制系統，和/或變槳偏航機構，和/或空調，和/或電梯供電，另一部分存入蓄電池中。當風力機發出的電力因波動而不足時，啟動蓄電池發電，迅速補償輸出功率，實現電力輸出的穩定。本實用新型的溫差能發電裝置包括三部分，熱海水循環，工質循環，冷海水循環。熱海水循環與冷海水循環為開式循環，工質循環為閉式循環。熱海水循環中波浪能利用裝置將表層海水泵入閃蒸器，閃蒸器將海水蒸發為水蒸氣，之后通過換熱器將能量傳遞給工質后凝結為液態，最后再由波浪能利用裝置將海水泵回海中。工質循環中采用氨等低沸點的物質作為工質，洋流能利用裝置帶動工質泵將液態工質抽到海水表層的換熱器，吸收熱量，變為不飽和氣體，然后推動位于平臺上的工質汽輪機旋轉發電。做完工的工質流入冷凝器凝結為液態進行下次循環。冷海水循環中波浪能利用裝置將深海的冷海水泵入冷凝器，吸收工質的熱量，再用波浪能利用裝置將冷海水泵出。波浪能利用裝置包括安裝于風力機平臺下方的活塞缸以及漂浮于海面上的浮子。浮子通過連桿與活塞缸中的活塞相連，活塞將缸體分隔成兩部分。缸體底部和頂部都各打有兩個孔，安裝著兩個方向相反的單向液閥，用于該側缸體內海水與外界的交換。波浪起伏帶動浮子的上下運動，驅動連桿帶動活塞上下運動，將海水壓出或泵入活塞缸。按照在系統中作用的不同，波浪能利用裝置可分為泵入與泵出熱海水，泵入泵出冷海水四種。負責泵入熱海水的波浪能裝置將活塞缸的出水口連接并入到閃蒸器的入口，負責泵出熱海水的波浪能裝置將活塞缸的入水口連接并入到熱交換器的出口，這樣在活塞運動時就完成了海水在熱海水循環中的泵入與泵出作用。負責泵入冷海水的波浪能裝置將活塞缸的出水口連接并入到冷凝器的入口，活塞缸的入水口連接并入到深海水域；負責泵出冷海水的波浪能裝置將活塞缸的入水口連接并入到冷凝器的出口，活塞缸的出水口連接并入到深海水域，這樣在活塞運動時就完成了海水在冷海水循環中的泵入泵出作用。本實用新型最終輸出的電通過電纜伸向海底，通向大陸。(三)有益效果本實用新型將海上能源多種利用形式安裝在一個浮臺上，節約了成本本。本實用新型用穩定的溫差能電力來補償波動的風電，使輸出功率更加穩定易于并網。本實用新型用波浪能利用裝置代替熱冷海水泵進行熱冷海水的循環動力，一方面波浪能利用時只采用一級能量轉換，提高了能量利用效率，另一方面為系統節約了能量。本實用新型用垂直軸洋流渦輪機直接驅動工質泵，節約了能量以及電機成本。本實用新型將洋流能渦輪與波浪能裝置安裝于浮臺下方，降低了風力機的重心，波浪能利用裝置吸收部分波浪能，使得浮臺更加穩定，不易傾覆。
圖1深海能源綜合利用系統示意圖；圖2波浪能利用裝置示意圖；圖3系統能量流，工質流，備用泵與傳感器分布示意圖；圖4a熱海水入口備用泵與傳感器分布示意圖；圖4b熱海水出口備用泵與傳感器分布示意圖。圖4c洋流能渦輪轉速傳感器分布示意圖。
具體實施方式
為使本實用新型的目的、技術方案和優點更加清楚明白，以下結合具體實施例，對本實用新型進一步詳細說明。如圖1所示，風力機I固定于于駁船式或半潛式浮臺2上，海風帶動風輪旋轉發電。浮臺上布置有溫差能發電系統。包括熱海水循環，工質循環，冷海水循環。熱海水循環中波浪能利用裝置3入口與表層海水相通，出口與閃蒸器4相通，將表層海水泵入閃蒸器4，閃蒸器將海水蒸發為水蒸氣，之后通過換熱器5將能量傳遞給工質后凝結為液態，最后流進波浪能利用裝置6，它的入口與換熱器5出口相通，出口與表層海水相通，將熱海水泵回海中。工質循環中，洋流能利用裝置7帶動工質泵8將液態工質抽到海水表層的換熱器5，吸收熱量，變為不飽和氣體，然后推動位于平臺上的工質汽輪機9旋轉發電。做完工的工質流入冷凝器10凝結為液態進行下次循環。冷海水循環中波浪能利用裝置11入口與深海水域相通，出口與冷凝器相通，將深海的冷海水泵入冷凝器10，吸收工質的熱量，再流進波浪能利用裝置12，它入口與冷凝器10出口相通，出口與深海水域相通，將冷海水泵出。圖2所示為波浪能利用裝置示意圖，該裝置包括安裝于風力機平臺下方的活塞缸13以及漂浮于海面上的浮子14。浮子通過連桿15與活塞缸13中的活塞16相連，活塞16將活塞缸13分隔成兩部分。缸體底部和頂部都各打有兩個孔17，18，19，20,安裝著兩個方向相反的單向液閥，用于該側缸體內海水與外界的交換。波浪起伏帶動浮子的上下運動，驅動連桿帶動活塞上下運動，將海水壓出或泵入活塞缸。圖3所示為系統能量流，工質流以及傳感器示意圖。溫差能系統中工質汽輪機發出的電一部分作為工質泵，備用泵的備用電源，一部分為風力機內部件提供電力，剩下的存入蓄電池中，當風力機發出的電力因波動而不足時,啟動蓄電池發電,迅速補償輸出功率，實現電力輸出的穩定。圖4a所示為系統中熱海水進口備用泵與傳感器分布示意圖。傳感器上測得的流量為VI，V2。正常工況下流量Vl與V2介于V_down與V_up之間，活塞泵維持熱海水循環，洋流能渦輪維持工質的循環。備用泵不開啟。當波浪能裝置輸入水量超過額定值時V1>V_up,節流閥限制流入閃蒸器的流量最大值V2=V_up，多余的水流入儲能器。備用泵不開啟。當波浪能裝置輸入水量低于額定值時Vl〈V_down，儲能器先將水流回主管道進行補充。當流量傳感器2測得的流量小于門限值時V2〈V_down，開啟備用泵。當流量傳感器2測得流量達到額定值且流量傳感器I測得流量超過最大值V_doWn〈V2〈V_up且Vl>V_up，水開始流入儲能器，備用泵關閉。圖4b為系統中熱海水出口備用泵與傳感器分布示意圖。流量傳感器3檢測出口水流量V3,當V3介于V_down與V_up之間時,備用泵不開啟。當波浪能不足時，熱水泵出流量不足，V3〈V_down，開啟備用泵，增大流出海水的流量。當V3>V_up時關閉備用泵。圖4c為系統中洋流能渦輪機轉速傳感器分布示意圖。轉速傳感器檢測洋流能渦輪機的輸出轉速，當η介于n_down和n_up之間時，由洋流能潤輪機直接帶動工質泵旋轉。當處于洋流期之外，轉速傳感器測得洋流能渦輪機轉速n〈n_down時，渦輪機與工質泵軸間離合器將軸分開，同時由工質汽輪機輸出的部分電能驅動工質泵旋轉。當轉速傳感器測得洋流能渦輪轉速n>n_down，表示洋流期又到來了，停止電驅動工質泵，離合器重新將洋流能渦輪機和工質泵連接，讓洋流能渦輪帶動工質泵旋轉。冷海水備用泵與傳感器工作流程與熱海水一致，不再敘述。以上所述的具體實施例，對本實用新型的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明。所應理解的是，以上所述僅為本實用新型的具體實施例而已，并不用于限制本實用新型，凡在本實用新型的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本實用新型的保護范圍之內。
權利要求1.一種深海能源綜合利用系統，包括浮臺、風力機、溫差能發電裝置、波浪能利用裝置和洋流能利用裝置，其特征在于， 所述風力機設于浮臺上方， 所述溫差能發電裝置包括閃蒸器、工質循環單元和發電機，其中，所述工質循環單元包括通過管路依次連接的蒸發換熱器、汽輪機、冷凝換熱器和工質泵，液態工質由工質泵輸運至蒸發換熱器的冷側，在蒸發換熱器的冷側中吸收熱量后變為不飽和氣體，推動汽輪機做功，之后進入冷凝換熱器的熱側釋放熱量凝結為液態回流至工質泵； 所述洋流能利用裝置設于浮臺下方，包括塔柱及垂直軸水力渦輪，所述塔柱上端固接于浮臺底部，靠近下端的位置設置所述垂直軸水力渦輪，所述垂直軸水力渦輪驅動工質栗; 所述波浪能利用裝置包括圍繞所述塔柱均布的多個浮子動力單元，所述多個浮子動力單元位于浮臺下方并靠近海面布置，其中至少一個浮子動力單元I的進水口直接與表層海水連通，出水口通過管路與所述閃蒸器的進口連通，所述閃蒸器的出口與所述蒸發換熱器的熱側進口連通；至少一個浮子動力單元II的進水口通過管路與深層海水連通，出水口通過管路與所述冷凝換熱器的冷側進口連通。
2.根據權利要求1所述的深海能源綜合利用系統，其特征在于，所述蒸發換熱器的熱側出口通過管路與一個浮子動力單元III的進水口連通，所述冷凝換熱器的冷側出口通過管路與一個浮子動力單元IV的進水口連通。
3.根據權利要求1所述的深海能源綜合利用系統，其特征在于，所述蒸發換熱器的熱側出口、所述冷凝換熱器的冷側出口直接與表層海水連通。
4.根據權利要求1至3任一項所述的深海能源綜合利用系統，其特征在于，所述閃蒸器、蒸發換熱器、汽輪機、冷凝換熱器設于浮臺上方。
5.根據權利要求1至3任一項所述的深海能源綜合利用系統，其特征在于，所述浮子動力單元包括漂浮于海面上的浮子和浸沒于海水中的活塞缸，所述浮子通過連桿與活塞缸中的活塞相連，活塞將活塞缸分隔成兩部分，活塞缸底部和頂部各設有兩個孔，每側安裝著兩個方向相反的單向液閥，一個用于進水，一個用于出水，分別構成活塞缸的進水口和出水□。
6.根據權利要求1至3任一項所述的深海能源綜合利用系統，其特征在于，所述浮臺為駁船式或半潛式平臺結構。
7.根據權利要求1至3任一項所述的深海能源綜合利用系統，其特征在于，所述溫差能發電裝置還包括備用泵，至少在所述閃蒸器的入水口、冷凝換熱器冷側的入水口的供水管路上設備用泵，在所述閃蒸器的入水口、所述蒸發換熱器熱側的出水口、所述冷凝換熱器冷側的入水口及出水口布置流量傳感器，當波浪能不足時，所述流量傳感器檢測到海水流量低于門限值，啟動相應的備用泵，進行動力補充，當流量恢復時，則關閉備用泵。
8.根據權利要求1至3任一項所述的深海能源綜合利用系統，其特征在于，在所述垂直軸水力渦輪的輸出軸布置轉速傳感器，當處于非洋流期時，轉速傳感器檢測到所述垂直軸水力渦輪轉速低于門限值，離合器將所述垂直軸水力渦輪輸出軸與工質泵驅動軸分開，改用電驅動工質泵運行，當洋流期到來時，洋流能渦輪輸出軸重新與工質泵連接運行。
9.根據權利要求1至3任一項所述的深海能源綜合利用系統，其特征在于，所述備用泵與工質泵均由工質汽輪機的部分電力驅動。
10.根據權利要求1至3任一項所述的深海能源綜合利用系統，其特征在于，所述溫差能發電裝置發出的電一部分用于自身的動力補充，以及風力機控制系統，和/或變槳偏航機構，和/或空調，和/或電梯供電，另一部分存入蓄電池中。當風力機發出的電力因波動而不足時，啟動蓄電池發 電，迅速補償輸出功率，實現電力輸出的穩定。
專利摘要本實用新型公開了一種深海能源綜合利用系統，包括風力機、溫差能發電裝置、波浪能利用裝置和洋流能利用裝置，溫差能發電裝置包括閃蒸器、工質循環單元和發電機，工質循環單元中液態工質由工質泵輸運至蒸發換熱器，在蒸發換熱器中吸熱變為不飽和氣體，推動汽輪機做功，之后進入冷凝換熱器凝結為液態回流至工質泵；洋流能利用裝置中，塔柱上端固接于浮臺底部，靠近下端設置水力渦輪，水力渦輪驅動工質泵；波浪能利用裝置包括多個浮子動力單元，位于浮臺下方并靠近海面布置，其中至少一個浮子動力單元Ⅰ的進水口與表層海水連通，出水口與閃蒸器進口連通；至少一個浮子動力單元Ⅱ的進水口通過管路與深層海水連通，出水口與冷凝換熱器進口連通。
文檔編號F03G7/05GK202971047SQ20122071784
公開日2013年6月5日 申請日期2012年12月22日 優先權日2012年12月22日
發明者楊科, 吳蔚, 徐建中 申請人:中國科學院工程熱物理研究所