Design Optimization of Ocean Thermal Energy Conversion(OTEC)Considering the Off-Design Condition

The comprehensive optimization of thermodynamic and economic performances is significant for the engineering application of ocean thermal energy conversion(OTEC).Motivated by this,this paper develops a thermo-economic OTEC model and conducts a sensitivity analysis of the OTEC system concerning its thermodynamic and economic performances.Specifically,the impact of warm-seawater temperature and cold-seawater pumping depth on the net thermal efficiency and the total investment cost are investigated.The results indicate that,an increase in warm-seawater temperature and cold-seawater pumping depth can improve the net thermal efficiency and a higher installed capacity is beneficial to the system economics.Building on these,a design optimization method with considering the on-design and off-design conditions is proposed in this paper,and the dynamic variation of warm-seawater temperature are considered in this method.In multi-objective optimization procedure,with the objective functions being the average net thermal efficiency and unit power cost within the operational cycle,the non-dominated sorting genetic algorithm Ⅱ(NSGA-Ⅱ) is employed to maximize the net thermal efficiency and minimize the unit power investment cost,resulting in the Pareto front.The net thermal efficiencies of OTEC systems using ammonia and R245fa as working fluids are 4.13% and 3.8%,respectively.This represents an improvement of 19.4% and 57.0%,respectively,compared to traditional optimization methods that do not account for off-design conditions.

Assessment of the stiffened panel performance in the OTEC seawater tank design:Parametric study and sensitivity analysis

Ocean thermal energy conversion(OTEC)is a process of generating electricity by exploiting the temperature difference between warm surface seawater and cold deep seawater.Due to the high static and dynamic pressures that are caused by seawater circulation,the stiffened panel that constitutes a seawater tank may undergo a reduction in ultimate strength.The current paper investigates the design of stiffening systems for OTEC seawater tanks by examining the effects of stiffening parameters such as stiffener sizes and span-over-bay ratio for the applied combined loadings of lateral and transverse pressure by fluid motion and axial compression due to global bending moment.The ultimate strength calculation was conducted by using the non-linear finite element method via the commercial software known as ABAQUS.The stress and deformation distribution due to pressure loads was computed in the first step and then brought to the second step,in which the axial compression was applied.The effects of pressure on the ultimate strength of the stiffener were investigated for representative stiffened panels,and the significance of the stiffener parameters was assessed by using the sensitivity analysis method.As a result,the ultimate strength was reduced by approximately 1.5%for the span-over-bay ratio of 3 and by 7%for the span-over-bay ratio of 6.

Review of enhancement for ocean thermal energy conversion system

Ocean thermal energy conversion(OTEC)is a renewable energy source that uses differences in ocean water temperature between warm surface and cold depth to generate electricity.It is an essential link in the carbon neutrality chain and one of the rising sectors of the ocean energy.This paper provides an overview of studies on closed thermodynamic cycles and the numerous difficulties that OTEC technology faces.A description of the thermodynamic cycles incorporating mixed or pure working fluids,as well as the implications of different working fluids on cycle efficiency were also studied.Changes in condensing and evaporating temperatures induced by variations in heat resources affect the efficiency of cycles with pure working fluids.Several strategies,such as intermediate extraction regeneration and heat recovery of ammonia-depleted solution can increase the thermal efficiency with mixed working fluids.In addition,the impact of the ejector on the cycle’s performance is examined.Finally,the efficiency-improving strate-gies are described and summarized.Thermodynamic efficiency can increase using suitable working fluids and taking steps to maximize the rate of ocean thermal energy.To establish which approach is the most effective,different methods have been evaluated and compared under identical operating conditions.

基于上原循环中间抽气的OTEC性能和热经济性分析

以温差发电的上原循环为基础,考虑中国南海海域气候条件,采用模拟方法对上原循环的中间抽气环节展开分析,探究其对上原循环发电系统的循环热效率、冷热海水消耗量及循环[火用]效率的影响,并分析其平准化度电成本(LCOE)。研究结果表明,存在最佳额外中间抽气率使循环热效率及[火用]效率同时达到最佳,且对不同中间抽气压力,其所达到最佳值的额外中间抽气率不同。设备投资成本随额外中间抽气率的增加而增加,且成本主要集中在换热器部分。在搭建海洋温差发电工厂时,应考虑具体工况选择合适的中间抽气压力及额外中间抽气率。

海洋温差发电混合工质二次热回收循环系统理论和实验研究

因海洋温差发电系统中可利用的温差较小,发电效率相对较低,寻求海洋温差发电系统高效热力循环方式一直是该领域的重要研究内容。本文构建了非共沸混合工质的海洋温差发电热力循环,增加了稀溶液支路的二次热回收装置,并进行理论分析与数值计算,得到了循环效率与工质浓度、透平进口压力和抽气系数等参数之间的关系。结果表明:通过增加稀溶液支路的二次热回收装置,循环效率最高可达5.25%。研建了10 kW二次热回收海洋温差发电系统,得到了平稳运行工况下的系统性能,发电系统效率最高达3.8%,同时得到了蒸发器和冷凝器在该换热条件下的换热系数,为工程应用提供基础数据和技术支撑。

基于CORA数据的南海温差能资源时空特征研究

基于2000—2013年中国近海及邻近海域海洋逐日再分析产品(China Ocean Reanalysis,CORA)数据资料,通过计算南海表层(5 m)与深层(1000 m)的温差、卡诺效率、有效水头、暖水体积量、温差能可开发量等参数,对中国南海温差能在季节、年代际的地理分布及其变化特征进行详细分析。结果表明:1)南海大于1000 m水深海域的温差均满足发电净效率的要求,可全年有效开采,温差分布具有明显季节变换特征,夏季最高,秋、春次之,冬季最低,常年高值主要集中在南沙群岛至吕宋岛西部一带。2)中沙群岛以南是卡诺效率高值且月波动较小海区,效率最高月份为5—8月份。3)南海温差能年平均有效水头介于774~945 m,高值主要分布在南海中东部、南部海域,呈西南—东北走向,有效水头在850 m以上;南海中南部、吕宋岛西部海域年际变化呈2.0~3.0 m/a上升趋势。4)南海暖水体积量月变化呈“V”型,冬季8.50×10^(13)m^(3)以上,处在较高水平;年际变化0.165×10^(13)m^(3)/a,呈增长趋势,年平均7.31×10^(13)m^(3)。5)南海温差能14年平均可开发量238.86 GW,年际变化5.61 GW/a,呈增长趋势,潜在开发前景十分可观。

永兴岛温差能评估及电站选址分析

基于NOAA WOA 2018数据集数据,用Nihous方法评估2005—2017年南海、西沙群岛海域以及1955—2017年永兴岛海域温差能资源储量,分析温差能资源的时空变化特点。为符合永兴岛温差能电站选址要求,对永兴岛周边海域温差能资源分布和水深条件进行更具体的分析,选出8个温差能发电潜在站址,再结合温差能净功率、离岸距离及水深等因素,找出相对更适宜的4个站址,并对这些站址温差能发电的净功率年际变化加以分析。

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。

Optimal Offering Strategy of Virtual Power Plant with Hybrid Renewable Ocean Energy Portfolio

This paper proposes a hybrid ocean energy sys-tem to form a virtual power plant(VPP)for participating in electricity markets in order to promote the renewable ocean energy utilization and accommodation.In the proposed system,solar thermal energy is integrated with the closed-cycle ocean thermal energy conversion(OTEC)to boost the temperature differences between the surface and deep seawater for efficiency and flexibility improvements,and the thermodynamic effects of seawater mass flow rates on the output of solar-boosted OTEC(SOTEC)are exploited for deploying SOTEC as a renewable dispatchable unit.An optimal tidal-storage operation model is also developed to make use of subsea pumped storage(SPS)with hydrostatic pressures at ocean depths for mitigating the intermittent tidal range energy in order to make the arbitrage in the electricity market.Furthermore,a two-stage coordinated scheduling strategy is presented to optimally control seawater mass flow rates of SOTEC and hydraulic reversible pump-turbines of SPS for enhancing the daily VPP profit.Comparative studies have been investigated to confirm the superiority of the developed methodology in various renewable ocean energy and electricity market price scenarios.

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。

基于海洋温差发电的低温热法海水淡化系统实验研究

针对我国南海深远海岛屿淡水资源短缺和海洋温差发电效率低的问题,对海洋温差能发电的低温海水淡化系统进行研究。设计并搭建了海洋温差发电的低温热法海水淡化实验装置,通过对采用光管和翅片两种冷凝器型式的系统性能分析与对比,得到了系统在不同运行条件下的整体运行性能。结果表明:温、冷海水的流量对淡水产量影响较小,影响淡水产量的主要因素是温、冷海水温度,采用翅片式冷凝器的淡化系统效率为65%左右。系统充分再次利用了海洋温差发电后排出的低温热能,提高了经济效益,为我国南海海洋温差能综合利用提供依据。

海洋温差能发电系统仿真平台开发及应用

构建海洋温差能发电系统仿真平台,对于开展该领域的技术研究具有重要意义。本文介绍了海洋温差能发电系统仿真平台研发技术,包括仿真系统热力循环模型和海水输送模型的构建、仿真平台的技术框架、仿真系统的特点及功能等,详细介绍朗肯循环各热力学过程的仿真计算模型,并利用该仿真平台分别计算了朗肯循环下9种不同工质在海洋温差能发电系统中的运行效率,比较了它们之间的性能差异,给出了不同装机容量下的工质流量、温海水流量、冷海水流量及蒸发器、冷凝器的热负荷计算值。该成果为海洋温差能研究提供了一个有价值的仿真试验研究平台。

海洋温差发电有机朗肯循环工质选择

为了筛选出适宜于海洋温差热力发电有机朗肯循环的工质,采用PR状态方程计算11种低沸点有机流体工质在闭式海洋温差有机朗肯循环中的热力性能。结果表明,随着工质临界温度升高,循环热效率总体呈上升趋势。正丁烷具有较高的循环热效率,其蒸发压力较低、凝汽压力比较适中,比较适合用作海洋温差发电有机朗肯循环的工质。

海洋热能利用进展

海洋热能储量巨大,随时间变化相对稳定,具有广阔的开发利用前景。当前,海洋热能利用技术主要包括海洋温差能发电技术、海洋温差能制淡技术以及海水源热泵技术。发电技术要求海水温差不小于20℃,制淡技术要求海水温差不小于10℃,海水源热泵技术则在不同纬度地区、不同季节均能应用。本文重点分析了海洋温差能发电技术的3种循环方式,针对低温差导致低发电效率的问题,提出了利用太阳辐射加热温海水以提高温差和利用波浪能驱动泵以降低系统能耗两种提高发电效率的方法。

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。

小型温差能发电装置发电特性分析与试验

针对自主升降海洋观测平台的电能供给问题,设计一种小型化温差能发电装置,建立热能转换和蓄能发电仿真模型;针对南海海域温度分布情况,对装置的温差热能转换性能和发电性能进行仿真分析。在此基础上,制作小型温差能发电装置,并在北黄海冷水团进行温差换热和发电性能验证试验。试验结果表明:温差发电装置达到设计要求,热能转换系统能在高温环境(温度高于24.5℃)、低温环境(温度低于13.6℃)的条件下完成热能转换,一次热能转换中换热系统能输出约360mL的液压油,发电机最大输出功率达298W,发电量约为939.9J。

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。

海洋热能的利用

海洋热能是一种重要的可再生能源 ,对其进行开发利用是解决当前人类所面临的能源短缺和由于矿物燃料燃烧和大量使用空调所造成的环境效应的有效途径。文章综述了海洋热能利用的 3个领域 :海洋温差发电、海水冷却和海水源空调 ,介绍了几种利用方式的现状、优缺点及其应用前景。重点对海水作为空调热源的可行性进行分析和讨论 ,在对空调系统进行火用分析的基础上 ,针对间接换热和热泵方式的缺点 ,提出了两种高效的节能环保海水空调的应用方案 ,即海水直接换热供冷供热和热泵 +直接换热方案。

海洋温差能发展现状与关键科技问题研究综述

针对海洋温差能这一海洋新能源研究热点问题,总结分析温差能资源评估技术发展和资源分布现状,梳理温差能发电的循环方式、工质和深海管道等方面的技术变迁,并介绍当前国内外主要的温差能示范工程。从温差能发电装置的安全稳定、深层冷海水的综合利用、转换效率与多能互补和温差能发展的环境效应等几个方面探讨温差能发展中的关键科技问题,指出发展温差能的可行性和必要性以及当前面临的问题和挑战。

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。