海洋热能转换电站的制作方法
【技术领域】
[0001] 本公开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】
[0002] 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。
[0003] 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。
[0004] 海洋热能转换（"0TEC"）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（在大约北炜20°与南炜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。
[0005] 0TEC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。 0TEC发电在20世纪70年代后期被认同为对于能源生产而言具有低到零碳足迹（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，0TEC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，0TEC电站的最大理想卡诺效率（Carnotefficiency)为7. 5%至8%。在 实际操作中，0TEC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WilliamAvery和ChihWu发表的题 为"来自海洋的可再生能源，0TEC指南"（"RenewableEnergyfromtheOcean,aGuide to0TEC"WilliamAveryandChihWu,OxfordUniversityPress，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年代前沿研宄人员所进行的分析表明： 通过以AT为40°F进行操作的0TEC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，0TEC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。
[0006] 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。
[0007] 这种比在高温高压下进行操作的热机的典型效率低的0TEC净效率导致能源规划 者广泛持有如下假设：〇TEC电站成本太高以至于无法与多数传统的发电方法抗争。
[0008] 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0TEC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0TEC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0TEC电站的商业可行性。
[0009] 除了由于看似固有的大的寄生载荷而效率相对低之外，0TEC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 0TEC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0TEC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。
[0010] 不管电站是浮式的还是固定于水下地貌，均需要2000英尺或更长的长冷水引入 管。此外，由于商业上可行的0TEC操作所需的水量很大，所以冷水引入管需要具有大直径 (通常在6英尺至35英尺之间或者更大）。将大直径管悬挂在离岸结构上存在稳定性、连 接以及构造方面的挑战，这在之前驱使0TEC成本超出商业可行性。
[0011] 另外，悬挂在动态的海洋环境中的、具有显著的长度直径比的管会沿着管的长度 而遭受温差以及变化的洋流。由沿着管的弯曲和漩涡脱落（vortexshedding)而引起的应 力也引起了挑战。并且，诸如波浪作用等表面影响引起了与管和浮式平台之间的连接有关 的进一步挑战。具有期望的性能、连接以及构造考虑的冷水管引入系统能够提高0TEC电站 的商业可行性。
[0012] 与0TEC电站相关联的对环境的关注也已经成为0TEC操作的障碍。传统的0TEC系 统从海洋深处抽取大量的营养丰富的冷水并且在表面或者表面附近将这些水排放。这样的 排放可能以正面或负面的方式对0TEC电站附近的海洋环境产生影响，可能对处于0TEC排 放下游的鱼群和珊瑚礁系统带来冲击。
【发明内容】
[0013] 本公开的若干个方面指向于利用海洋热能转换过程的发电站。
[0014] 离岸0TEC电站由于降低了寄生载荷而具有提高了的整体效率、较好的稳定性、较 低的构造和操作成本，以及已经改善了的环境足迹（environmentalfootprint)。其他方面 包括与浮式结构一体的大容量水管道。多级0TEC热机的模块化和区室化降低了构造和维 护成本、限制了离网操作并且提高了操作性能。又进一步的方面提供了具有一体的热交换 区室的浮式平台，并且提供了平台的由于波浪作用而产生的最小运动。一体的浮式平台也 可以提供通过多级热交换器的高效的热水流或冷水流，提高了的效率和降低了的寄生电力 需要。所描述的系统和方法的若干方面通过将热水和冷水排放在适当的深度/温度范围内 可以促进环境中性的热足迹。以电力的形式提取出的能量降低了到达海洋的整体温度。
[0015] 所描述的系统和方法的又进一步的方面涉及用于与离岸0TEC设备一起使用的冷 水管，该冷水管是错开板条式的连续的管。
[0016] 一个方面涉及包括具有外表面、顶端和底端的长形管状结构的管。管状结构包括 多个第一和多个第二板条部，每个板条部均具有顶部和底部，其中第二板条部的顶部与第 一板条部的顶部错开。
[0017] 进一步的方面涉及在管状结构的外表面绕着管至少部分地卷绕有带或箍的管。带 或箍可以绕着管的顶部、管的中间部或管的下部的外表面周向地卷绕。带或箍可以绕着管 的整个长度周向地卷绕。带或箍可以以与管的外表面基本上平坦铺设的方式安装。带或箍 可以以从管的外表面向外突出的方式安装。带或箍可以由与管相同的或不同的材料制成。 带或箍可以用粘结的方式结合于管的外表面、用机械方式结合至管的外表面或者使用机械 的和粘结组合的方式安装于管的外表面。
[0018] 所描述的系统和方法的进一步的方面涉及错开板条式管，其中每个板条部进一步 包括用于与相邻的板条部配合接合的第一侧上的接合舌和第二侧上的凹槽。错开板条式管 可以包括形状锁定系统（positivelockingsystem)以将一个板条的第一侧机械地联接至 第二个板条的第二侧。板条可以利用条接合从一个板条的顶部在垂向上接合至相邻的板条 的底部。在可选的实施方式中，板条的顶部和板条的底部可以均包括接合空孔，使得当第一 板条的顶部与第二板条的底部接合时，该接合空孔对准。柔性树脂可以注射到对准的接合 空孔内。柔性树脂可以用于填充任何接合表面中的空隙。在所描述的系统和方法的若干个 方面中，柔性树脂是甲基丙烯酸酯粘接剂。
[0019] 所描述的本系统和方法的单个板条可以是任何长度。在一些实施方式中，从板条 底部到顶部测量的每个板条部均在20英尺至90英尺之间。板条部可以被制成能够用标准 联运集装箱（inter-modalcontainer)航运的尺寸。单个板条部的宽度可以在10英寸至 80英寸之间。每个板条部的厚度可以在1英寸至24英寸之间。
[0020] 板条部可以被拉挤成型、挤出成型或模塑成型。板条部可以包括聚氯乙烯（PVC)、 氯化聚氯乙烯（CPVC)、纤维增强塑料（FRP)、增强聚合物砂浆（RPMP)、聚丙烯（PP)、聚乙烯 (PE)、交联高密度聚乙烯（PEX)、聚丁烯（PB)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯（ABS);聚酯、纤维 增强聚酯、乙烯基酯、增强乙烯基酯、混凝土、陶瓷或上述材料中的一种或多种的组合。
[0021] 在所描述的系统和方法的进一步的方面中，板条区段可以包括至少一个内部空 孔。然后至少一个空孔可以填充有水、聚碳酸酯泡沫或复合泡沫塑料。
[0022] 在所描述的系统和方法的若干个方面中，管是0TEC电站用的冷水引入管。
[0023] 所描述的系统和方法的又进一步的方面涉及离岸发电结构，该结构包括浸没部， 浸没部进一步包括：热交换部；发电部；和包括多个错开的第一板条部和第二板条部的冷 水管。
[0024] 所描述的系统和方法的更进一步的方面涉及形成用于在0TEC电站中使用的冷水 管的方法，该方法包括：形成多个第一板条部和多个第二板条部；以使得第二板条部与第 一板条部错开的方式使交替的第一板条部和第二板条部接合，以形成连续的长形管。
[0025] 所描述的系统和方法的进一步的方面涉及浸没垂向管连接结构，其包括：浮式结 构，该浮式结构具有垂向管接收凹部，其中接收凹部具有第一直径；用于插入到管接收凹部 内的垂向管，该垂向管具有比管接收凹部的第一直径小的第二直径；部分球形或弧形的支 承面；以及可与支承面操作的一个或多个可动爪、小齿轮或凸耳，其中，当爪与支承面接触 时，爪限定与第一直径或第二直径不同的直径。
[0026] 所描述的系统和方法的另外的方面涉及将浸没垂向管连接至浮式平台的方法，该 方法包括：提供具有垂向管接收凹部的浮式结构，其中所述管接收凹部具有第一直径；提 供具有上端部的垂向管，上端部具有小于第一直径的第二直径；将垂向管的上端部插入到 接收凹部内；提供用于支撑垂向管的支承面；将一个或多个爪展开使得一个或多个爪具有 不同于第一直径或第二直径的直径；使一个或多个爪与支承面接触以使垂向管悬挂于浮式 结构。
[0027] 在所描述的系统和方法的若干个方面中，一个或多个爪可以与垂向管为一体。一 个或多个爪可以与接收凹部为一体。一个或多个爪包括限定小于第一直径的直径的第一缩 回位置。一个或多个爪包括限定大于第一直径的直径的展开位置。支承面与管接收凹部为 一体并且可与一个或多个爪操作。支承面可以包括球形支承面。一个或多个爪进一步包括 构造成接触支承面的配合面。一个或多个爪进一步包括构造成接触球形支承面的配合面。 球形支承面和配合面有利于垂向管与浮式结构之间的相对运动。
[0028] 在又进一步的方面中，一个或多个爪包括限定大于第二直径的直径的第一缩回位 置。一个或多个爪包括限定小于第二直径的直径的展开位置。支承面与垂向管为一体并且 可与一个或多个爪操作。
[0029] 若干特征可以包括用于使爪展开或缩回的驱动器，该驱动器可以是液压控制的驱 动器、气动控制的驱动器、机械控制的驱动器、电控制的驱动器或者机电控制的驱动器。
[0030] 进一步的方面可以包括：包括第一成角度的管配合面的管接收凹部；和包括第二 成角度的管配合面的垂向管，其中，第一和第二成角度的管配合面构造成在将垂向管插入 到管接收凹部内的过程中协作引导垂向管。
[0031] 在又进一步的方面中，提供冷水管与柱筒（spar)的下部之间的静态接口，其包 括：具有锥形下表面的接收凹部；和用于与冷水管上提凸缘的锥形凸缘面密封型接合的接 触垫。
[0032] 在将冷水管连接至柱筒的下部的示例性方法中，方法提供的步骤包括：将上提保 持缆绳连接至冷水管的上部，其中冷水管的上部包括具有锥形连接面的上提凸缘；利用上 提保持缆绳将冷水管拉到柱筒接收凹部内，其中接收凹部包括用于接收冷水管的上部的锥 形面和接触垫；使冷水管的锥形连接面与接收凹部的接触垫产生密封型接触；以及用机械 的方式将上提缆绳固定以保持连接面与接触垫之间的密封型接触。
[0033] 在再进一步的方面中，提供一种冷水管，用于静态连接至柱筒的下部，其中冷水管 包括第一纵向部和第二纵向部；第一纵向部连接至柱筒的下部并且第二纵向部比第一纵向 部更有柔性。在一些方面中，第三纵向部可以包括在冷水管中，该第三纵向部不如第二纵向 部有柔性。第三纵向部可以比第一纵向部更有柔性。第三纵向部可以包括冷水管的长度的 50%或更多。第一纵向部可以包括冷水管的长度的10%或更少。第二纵向部可以包括冷水 管的长度的1%至30%。第二纵向部可以允许冷水管的第三纵向部偏斜量在0.5°至30° 之间。
[0034] 所描述的系统和方法的进一步的方面涉及具有优化了的多级热交换系统的浮式 的最小起伏的0TEC电站，其中热水供给管道和冷水供给管道以及热交换器柜在结构上与 电站的浮式平台或结构一体化。
[0035] 又进一步的方面包括浮式海洋热能转换电站。诸如柱筒的最小起伏结构或者改进 型半潜式离岸结构可以包括第一甲板部，该第一甲板部具有结构一体化的热海水通道、多 级热交换表面和工作流体通道，其中，第一甲板部提供工作流体的蒸发。第二甲板部也设置 有结构一体化的冷海水通道、多级热交换表面和工作流体通道，其中，第二甲板部提供用于 使工作流体从蒸汽冷凝成液体的冷凝系统。第一和第二甲板工作流体通道与第三甲板部连 通，该第三甲板部包括由一个或多个蒸汽涡轮机驱动的发电机，以用于发电。
[0036] 在一个方面中，提供一种离岸发电结构，其包括浸没部。浸没部进一步包括：第一 甲板部，该第一甲板部包括一体化的多级蒸发器系统；第二甲板部，该第二甲板部包括一体 化的多级冷凝系统；第三甲板部，该第三甲板部容纳有电力产生和转换装置；冷水管和冷 水管连接部。
[0037] 在进一步的方面中，第一甲板部进一步包括形成高容量热水管道的第一级热水结 构通道。第一甲板部还包括与第一级热水结构通道协作配置以将工作流体加热成蒸汽的第 一级工作流体通道。第一甲板部还包括直接联接至第二级热水结构通道的第一级热水排放 部。第二级热水结构通道形成高容量热水通道并且包括联接至第一级热水排放部的第二级 热水引入部。第一级热水排放部到第二级热水引入部的配置提供第一级与第二级之间的热 水流中的最小压力损失。第一甲板部还包括与第二级热水结构通道协作配置以将工作流体 加热成蒸汽的第二级工作流体通道。第一甲板部还包括第二级热水排放部。
[0038] 在进一步的方面中，浸没部进一步包括第二甲板部，该第二甲板部包括用于形成 高容量冷水管道的第一级冷水结构通道。第一级冷水通道进一步包括第一级冷水引入部。 第二甲板部还包括与第一甲板部的第一级工作流体通道连通的第一级工作流体通道。第二 甲板部的第一级工作流体通道与第一级冷水结构通道协作以将工作流体冷却成液体。第二 甲板部还包括第一级冷水排放部，该第一级冷水排放部直接联接至形成高容量冷水管道的 第二级冷水结构通道。第二级冷水结构通道包括第二级冷水引入部。第一级冷水排放部和 第二级冷水引入部配置成提供从第一级冷水排放部到第二级冷水引入部的冷水流中的最 小压力损失。第二甲板部还包括与第一甲板部的第二级工作流体通道连通的第二级工作流 体通道。第二级工作流体通道与第二级冷水结构通道协作将第二级工作流体通道中的工作 流体冷却成液体。第二甲板部还包括第二级冷水排放部。
[0039] 在进一步的方面中，第三甲板部可以包括第一蒸汽涡轮机和第二蒸汽涡轮机，其 中第一甲板部的第一级工作流体通道与第一涡轮机连通，并且第一甲板部的第二级工作流 体通道与第二涡轮机连通。第一和第二涡轮机能够联接至一个或多个发电机。
[0040] 在又进一步的方面中，提供一种离岸发电结构，其包括浸没部，该浸没部进一步包 括：四级蒸发器部、四级冷凝器部、四级发电部、冷水管连接部和冷水管。
[0041] 在一个方面中，四级蒸发器部包括热水管道，该热水管道包括：第一级热交换表 面、第二级热交换表面、第三级热交换表面和第四级热交换表面。热水管道包括浸没部的垂 向结构构件。第一、第二、第三和第四热交换表面与工作流体管道的第一、第二、第三和第四 级部协作，其中，流过工作流体管道的工作流体在第一、第二、第三和第四级部中的每一个 处被加热成蒸汽。
[0042] 在一个方面中，四级冷凝器部包括冷水管道，该冷水管道包括：第一级热交换表 面、第二级热交换表面、第三级热交换表面和第四级热交换表面。冷水管道包括浸没部的垂 向结构构件。第一、第二、第三和第四热交换表面与工作流体管道的第一、第二、第三和第四 级部协作，其中，流过工作流体管道的工作流体在第一、第二、第三和第四级部中的每一个 处被加热为蒸汽，并且在各依次级处AT越来越低。
[0043] 在再一方面中，蒸发器部的第一、第二、第三和第四级工作流体管道与第一、第二、 第三和第四蒸汽涡轮机连通，其中，蒸发器部第一级工作流体管道与第一蒸汽涡轮机连通 并且排出至冷凝器部的第四级工作流体管道。
[0044] 在再一方面中，蒸发器部的第一、第二、第三和第四级工作流体管道与第一、第二、 第三和第四蒸汽涡轮机连通，其中蒸发器部第二级工作流体管道与第二蒸汽涡轮机连通并 且排出至冷凝器部的第三级工作流体管道。
[0045] 在再一方面中，蒸发器部的第一、第二、第三和第四级工作流体管道与第一、第二、 第三和第四蒸汽涡轮机连通，其中蒸发器部第三级工作流体管道与第三蒸汽涡轮机连通并 且排出至冷凝器部的第二级工作流体管道。
[0046] 在再一方面中，蒸发器部的第一、第二、第三和第四级工作流体管道与第一、第二、 第三和第四蒸汽涡轮机连通，其中蒸发器部第四级工作流体管道与第四蒸汽涡轮机连通并 且排出至冷凝器部的第一级工作流体管道。
[0047] 在又进一步的方面中，第一发电机由第一涡轮机或第四涡轮机驱动，或者由第一 和第四涡轮机的组合驱动。
[0048] 在又进一步的方面中，第二发电机由第二涡轮机或第三涡轮机驱动，或者由第二 和第三涡轮机两者的组合驱动。
[0049] 所描述的系统和方法的另外的方面可以包含以下特征中的一个或多个：第一和第 四涡轮机或第二和第三涡轮机产生9MW至60MW的电力；第一和第二涡轮机产生大约55MW 的电力；第一和第二涡轮机形成海洋热能转