面向工程化的兆瓦级海洋温差能发电系统研究

海洋温差能是海洋能中储量最大的可再生能源,但目前国内针对海洋温差能工程化应用的热力循环形式研究有限。本文基于闭式朗肯循环发电系统,建立了海洋温差能发电数值模型,并与文献实验结果进行了对比,验证了其可靠性;从工程化应用和发电模型敏感性角度,优选了适用于海洋温差发电系统的循环工质——四氟乙烷(R134a);结合发电模型敏感性分析,揭示了系统性能随蒸发压力、蒸发温度和冷热海水温差等参数的变化规律,获得了最佳运行工况,即蒸发器、冷凝器海水进出口温差分别为2.0、2.5℃,并确定了该工况下的系统性能参数;基于可靠的发电模型和优选的循环工质,研究设计了面向工程化的50 kW级海洋温差能发电系统工艺方案,开展了1 MW级海洋温差能发电系统关键工艺方案设计,确定了相关工艺设备及参数,明确了系统工艺流程。本研究为推进中国海洋温差能开发工程化、产业化进程提供了参考。

海洋温差能发电冷水管涡激振动性能

以海洋温差能发电(Ocean Thermal Energy Conversion,OTEC)平台的冷水管为研究对象,根据结构方程和尾流振子方程建立冷水管流固耦合模型,采用有限元方法和Newmark-β法对冷水管涡激振动(Vortex-Induced Vibration,VIV)进行时域分析,并在MATLAB软件中开发相应的求解程序。针对冷水管所面临的复杂工况,分别研究外部流场、内部流场、长径比和压载质量等因素对VIV产生的影响。结果表明:随着外流流速和长径比的增大,冷水管横流向VIV模态和振动幅值也发生相应改变,振动强度呈现波动上升;在不发生动态失稳的情况下,内流流速的增加可有效减小冷水管横流向振动幅值,压载质量可大幅减小冷水管自由端的振动位移。

海洋温差能发电热力循环系统的工质优选

针对闭式朗肯循环海洋温差能发电系统,确立了工质筛选原则,并从热力学性能匹配、安全性、环保性、做功能力及经济性等方面,对氨、正丁烷(R600)、R22等8种工质做了分析和比较。从8种工质比选结果看,氨的综合表现能力最佳。氨工质的单位工质做功能力最佳、对环境无污染、所需换热器面积较小且相对于新型的制冷剂价格低廉易获取,因而在基于闭式朗肯循环海洋温差能发电系统中采用氨工质是较优的选择。

闭式海洋温差能发电系统的工质研究

在不同冷凝温度条件下,以氨作为比较对象,选取R245ca、R245fa、R236ea、R236fa、正丁烷、异丁烷、正戊烷和异戊烷8种干有机工质,基于热力学第一定律和第二定律对其热力循环性能进行计算分析,并对工质的净功、热效率、气耗率和损失等进行比较。结果表明:在所选有机工质中,正戊烷具有最高的热效率和效率,最大的净功及最小的气耗率,且产生的系统损失较小;从净功方面比较,氨的做功能力远强于有机工质。

海水温差能发电系统两种循环方式的比较研究

对混合式海水温差能发电系统的两种循环形式进行了对比分析。建立了两种OTEC发电系统的数学模型,并进行数值模拟。结果表明前者偏重于淡水的生产,后者主要用于发电。

海洋温差能发电热力循环技术进展

受传统化石能源日趋枯竭和环境污染的影响,海洋能作为一种清洁可再生能源得到了广泛关注。海洋温差能作为海洋能的重要组成部分,其储量和可转化电能巨大,且发电波动小、能量密度高,积极开发海洋温差能资源对实现科技兴海战略具有重要意义。海洋温差热力循环是海洋温差能开发利用的关键技术,其循环效率的高低直接决定了海洋温差发电系统的技术和经济性。本文综述了海洋温差能发电热力循环技术研究现状,对其基本原理及形式、热力循环构架、循环工质和热力学分析方法进行了详细阐述,并对海洋温差能发电热力循环技术进行了深入分析和展望。

单工质朗肯循环海洋温差能发电系统优化研究

为了获得海洋温差下朗肯循环系统的最高净输出,对27℃温海水、5℃冷海水条件下,25～23℃蒸发温度、5～9℃冷凝温度之间各工况的朗肯循环进行了理论分析和数值模拟,得到了系统效率与蒸发温度、冷凝温度之间的变化规律,以及不同温差和换热端差下净输出、循环海水流量、换热器换热面积等因素的变化规律,结果表明随着蒸发温度的下降和冷凝温度的升高系统的效率相应的得到了提高,在一定的温差下系统有最佳的净输出。上述研究对温差能发电系统的工况选取及优化具有良好的实用性和指导意义。

改进型Kalina海洋温差能发电循环模型的建立及热力性能分析

文章以引入太阳能为辅热的海洋温差发电Kalina循环为基础,利用引射器对循环系统进行改进。对改进型Kalina循环系统的汽轮机进、出口压力和冷、热源温度进行分析,探究其对改进型Kalina循环系统的发电功率及热效率的影响。研究结果表明:改进后的Kalina循环具有较大的优越性,相比原Kalina循环,发电量增加了9%;系统的热效率随汽轮机入口压力的增大呈先增大后减小的变化趋势,并且热效率最大值可以达到9.45%;当热源温度较低时,较低的汽轮机入口压力会得到较高的热效率;当热源温度较高时,较高的汽轮机入口压力会得到较高的热效率。

一种高效海洋温差能发电循环的性能分析

海洋温差能是一种环境友好型、可持续利用的清洁能源,但是较低的海洋温差能发电系统效率阻碍了海洋温差能发电的商业化应用。提出一种新式循环,采用氨水混合工质,以及贫氨溶液回热和中间抽汽回热方式,实现对贫氨溶液及乏汽的热量二次回收利用。基于能量守恒方程和热力学定律,通过对循环中各设备部分建模分析,构建了新循环的热力模型,并与海洋温差能发电常用循环——朗肯循环进行性能对比分析,结果表明,新循环的热效率与净输出功相比朗肯循环均有显著提高,循环热效率最高可达4.565%,相较朗肯循环提高了25.9%。15 kW等级海洋温差能发电系统中,新循环的净输出功为7.038 kW,高于朗肯循环中的5.343 kW。新循环模型的建立及由此得到的各部分性能分析结果,可为海洋温差能商业化开发提供基础数据理论支撑。

基于专利信息的海洋温差能发电技术成熟度预测及关键技术领域分析

以德温特创新数据库和其他科技文献获得的专利信息为基础,拟合出了基于Logistic型S曲线的海洋温差能发电技术成熟度预测模型。分析了海洋温差能发电的技术发展现状,总结出了海洋温差能发电的关键技术领域和走向商业化应用过程中所面临的主要技术挑战。从技术成熟度分析曲线上看,海洋温差能发电技术刚刚从技术萌芽期步入技术成长期,与快速发展的海上风电相比,技术进展较为缓慢,技术成熟度依然处于相对较低的水平;热力循环、换热器、能量转换装置、海水泵、平台载体及定位、冷水管、冷水管和平台之间的连接等技术是海洋温差能发电的关键技术领域。

国内外海洋温差能发电技术最新进展及发展建议

国际社会对能源安全、生态环境保护及应对气候变化等问题日益重视,加快开发利用海洋能已成为世界沿海国家和地区的普遍共识。海洋温差能因其"可持续24 h无间歇发电、清洁无污染"等特点受到各国青睐,纷纷通过制定中长期发展路线和布局以推动海洋温差能技术发展。文中对温差能开发利用技术进展情况进行了总结归纳,对比了国外已建项目的技术特点,重点对近年来国外海洋温差能开发利用技术最新进展进行总结,对海洋温差能发展趋势及前景进行展望,并结合实际情况对我国开展海洋温差能开发利用技术提出建议。

海洋温差能发电循环系统热力学分析

对海洋温差发电朗肯循环系统进行分析,分别研究蒸发压力、氨水浓度、冷热海水温度等参数对系统热效率和效率的影响,对比分析纯氨和二氟一氯甲烷工质系统热效率和效率,为海洋温差能开发及商业级发电系统研建提供技术支撑。结果表明:系统热效率和效率与密切相关,氨水浓度的影响较小;纯氨质量流量远小于二氟一氯甲烷,且其热效率和效率均大于二氟一氯甲烷系统,是海洋温差发电系统较为理想的循环工质。

HTRI在海洋温差能发电系统换热器选型中的应用

海洋温差能是海水表层温度与深层温度的差异所蕴含的热能,储量大,无污染。海洋温差能发电技术可利用的温差小,需要较大的换热面积。因此,高效、紧凑型板式换热器通常被应用于海洋温差发电。本文分别采用平均温差法和HTRI软件对海洋工况条件下的板式换热器进行选型计算并对比分析。结果表明,采用HTRI方法能够极大地提高海洋温差能换热器选型的计算效率,并且减小选型过程中的计算误差。

基于南海海域的深海温差能利用开发效益分析

利用Fluent软件对柔性立管中冷海水泵送时的传热过程进行模拟,确定不同材料管道对冷海水出口温度的影响,同等条件下玻璃纤维增强复合材料管(FRP)的冷海水温度比钢管低近3 K,并基于此分析海洋温差能发电系统的经济效益。以FRP管和钢管作为海水立管,FRP管对应系统的平准化度电成本比钢管低23.78%;利用光伏光热一体化(PVT)系统将温海水温度提高5~20 K,结果发现温度越高,平准化度电成本越低,FRP管对应成本下降25.44%,钢管对应成本下降29.48%,钢管系统的优化效果更明显;分析扩大装机功率对系统的成本优化效果,并将提高热源温度与扩大装机功率两种优化方式结合,确定最优组合系统的平准化度电成本相对原始配置降低近50%。

极地冰基浮标温差能转换技术仿真研究

为了解决北极海域海洋观测与通讯导航节点浮标的供电问题,提出利用北极海域冰面上冷空气与冰下海水之间的温差能转换为电能,为冰基浮标供电。根据北极温差的时空分布特性与冰基浮标的应用场景,提出了一种基于有机朗肯循环的冰基浮标温差能发电系统,并对其进行了建模与仿真分析。根据5种工质的热力循环性能计算结果,确定R124工质作为系统的循环工质。仿真结果表明:温差能发电系统在北极冬季两个月的总发电量为745 kWh,相当于3.72 t能量密度为200 Wh/kg的锂电池。因此,北极海域温差能转换发电系统能输出相当可观的功率与电能,显著提升冰基浮标的供能水平,提高其观测能力,延长其持续工作时间,减少破冰船对其的维护频率,从而打造冰下观测网络的关键节点,支撑北极冰下移动观测网络的构建。

海洋温差发电系统蒸发压力及工质优选分析

文章基于热力学原理,建立了海洋温差发电系统仿真模型,分析了R717,R134a和R600这3种工质系统的性能参数随蒸发压力的变化。研究结果表明:随蒸发压力的增大,不同工质系统的蒸发器和冷凝器的热负荷和海水泵功率均近似呈幂递减的变化趋势,不同工质系统的泵功率均近似呈指数递增的变化趋势,不同工质系统的质量流量均近似呈幂递减的变化趋势,不同工质系统的热效率均近似呈对数递增的变化趋势;蒸发压力越大,R717和R600工质系统的单位换热面积发电量越大,但R134a工质系统的单位换热面积发电量随蒸发压力的增加存在峰值;在不同工质的饱和蒸汽压力下,R600工质系统的单位换热面积发电量最大,但其透平进出口压降较小,乏汽温度高,工质流量大,导致透平尺寸较大;R717工质系统具有较大的蒸发压力操作范围,且其热效率较大,单位换热面积发电量在合适的范围内,适用于海洋温差能发电系统。

10MW海洋温差发电系统热力学分析

受专利保护和技术封锁的制约,海洋温差能发电关键技术及设备国产化问题亟待解决。以建造大型温差能发电平台为背景,通过建立朗肯循环OTEC发电系统仿真模型,对比分析R717、R13a和R600工质发电系统性能参数,探索装机规模对热效率和单位换热面积发电量的影响,为大型OTEC发电系统建造提供理论依据和技术支持。结果表明:R717系统在蒸发器和冷凝器热负荷以及工质方面均优于R134a和R600系统。相同装机功率下,R717工质的循环和系统热效率均最大。增加装机规模有助于提升系统的热效率和单位换热面积发电量。R717系统热效率最大,单位换热面积发电量在合适的范围内,是海洋温差发电系统较为理想的循环工质。

海洋温差能发电系统新型热力循环理论分析

海洋温差能发电系统新型热力循环在Kalina循环基础上增加贫氨溶液回热支路和抽气回热支路以提高热力循环效率。应用能量守恒原理和热平衡方程对新型热力循环——国海循环进行理论研究,计算了不同的透平入口蒸汽压力、氨水混合工质浓度、温海水温度和冷海水温度条件下的循环效率。理论计算结果表明,氨水混合工质浓度对国海循环效率影响显著,冷热源温度确定的条件下存在最优的氨水混合工质浓度使得循环效率最高,当温、冷海水温度分别为26、5℃,氨水工质浓度为92%时,系统效率最大达到4.56%;当氨水混合物浓度不变时,循环效率随透平入口蒸汽压力的升高先升高后降低,存在极大值;冷海水入口温度对循环效率影响很明显,而温海水温度对循环效率影响较小。

小型海洋温差能向心透平的性能研究

针对海洋温差能发电系统设计了发电功率为3 kW的向心透平,并使用CFD技术对设计的透平进行仿真研究和变工况分析,最后分析了动静叶径向间隙以及转子叶片数量对向心透平性能的影响。结果表明:设计的透平性能良好,等熵效率为84.96%;随着转速升高,透平的效率先增大后减少;透平的最佳转速也会随入口压力的增大而增加。入口压力升高会增加透平的输出功;随着转速的增大,流量逐渐减小。合理选择喷嘴与动叶轮之间的径向间隙,可使喷嘴出口处工质流动更加均匀;另外,将透平的转子叶片数量增加到8个,可提高透平性能。