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网络教育学院《新能源发电》课程设计题目：温差发电的利用学习中心：奥鹏学习中心层次：本科专业：电气工程及其自动化年级：学号：学生：辅导教师：康永红完成日期：2016年05月26日温差发电的利用海洋是全世界最大的太阳能收集器，6000万平方千米的热带海洋一天吸收的太阳辐射能，相当于2500亿桶石油的热能。如果将这些热量的1%转化成电力，也将相当于有140亿千瓦装机容量，是美国当今发电能力的20倍以上。海水温差发电，是以一种混合化学液体作为介质，输出功率是以前的1.l-1.2倍。一座3000千瓦级的电站，每千瓦小时的发电成本只有0.6元以下，比柴油发电价格还低。人们预计，利用海水温差发电;如果能在一个世纪内实现，可成为新能源开发的出发点。海水温差发电，1930年在法国首次试验成功，但当时发出的电能还不如耗去的电力多，因此，没有付诸实施。现在，许多国家都在进行海水温差发电研究。1.海洋温差发电技术发展现状1.1国外研究现状利用海洋温差产生电力的理论研究和技术研究已有120多年的历史，特别是在上世纪70年代的全球能源危机时期尤其得到重视，近年来研究更是取得了实质性进展。在热带海洋地区大约有6000万平方公里适宜发展海洋温差发电，利用海洋温差发电将能产生目前世界能源需求几倍的发电量。目前，美、印、日等国都建有海洋温差发电站。利迄今为止,海洋温差发电技术的研究在热动力循环的方式、高效紧凑型热交换器、工质选择以及海洋工程技术等方面均已取得长足的发展,很多技术已渐趋成熟。1)系统方面以闭式循环最为成熟,已经基本上达到商业化水准。开式循环的主要困难是低压汽轮机的效率太低。工质是闭式循环必须考虑的关键因素。仅从性能角度出发,氨和R22是较为理想的工质,但从环保角度考虑,寻求新工质的努力仍在进行。2)热交换器是海洋温差发电系统的关键设备,它对装置的效率、结构和经济性有直接的重要影响。热交换器性能的关键是它的型式和材料。钛的传热及防腐性能良好,但是价格过于昂贵。美国阿贡国家实验室的研究人员发现,在腐蚀性暖海水环境下,改进后的钎焊铝换热器寿命可以达到30年以上。板式热交换器体积小,传热效果好、造价低,适合在闭式循环中采用。3)最新的洛伦兹循环有机液体透平能20～22℃温差下工作,适用于闭式循环装置中。洛伦兹循环的T-S图如图1.1所示。它的热效率和输出功率均小于在温海水进口温度和冷海水进口温度下的卡诺循环(图1.1上T1和T4之差),而等于温海水进出口平均温度和冷海水进出口平均温度下的卡诺循环(图上T2和T3之差)。洛伦兹循环由两个等温过程和两个多变过程组成,是变温条件下的理想循环,它与卞诺循环都是可逆循环,但比后者更接近实际。选择合适的工质,使工质与热源温度变化保持一致且温差最小,便得到接近洛伦兹循环的实际循环。洛伦兹循环的特点是热效率高且接近实际工程,其透平采用两种以上氟利昂混合物作为工质,并配以适合的换热器。图1.1洛伦兹循环的T-S4)海洋温差发电有岸基型和海上型两类。岸基型把发电装置设在岸上,把抽水泵延伸到500～1000m或更深的深海处。日本1981年11月在瑙鲁修建的一座功率为100KW的岸基发电站即采有一条外径0.7m,长950m的聚乙烯管深入到580m的海底抽取冷海水。海上型是把吸水泵从船上吊下去,发电机组安装在船上,电力通过海底电缆输送。海上型又分成浮体式(包括表面浮体式、半潜式、潜水式)、着底式和海上移动式三类。1979年在夏威夷建成的“mini-ITEC”发电装置就安装在一艘海军驳船上,利用一根直径0.6m、长670m的聚乙烯冷水管垂直伸向海底吸取冷水。1973年石油危机以后,海洋温差能的研究工作开始取得实质性进展。1979年美国在夏威夷西部海岸建成了一座mini-OTCE发电装置,额定功率50KW,净功率15KW。这是世界上首次从海洋温差能获得有实用意义的电力。太平洋高技术国际研究中心(PICHTR)于1991年11月开始在夏威夷进行开式循环发电试验,并于1993年4月建成发电功率210KW,净输出40～50KW,并产生淡水的装置。PICHTR还开发了利用冷海水进行空调、制冷及海水养殖等附属产业,在热带岛屿显示出良好的市场前景。日本在海洋温差能研究开发方面投资力度很大,并在海洋热能发电系统和换热器技术方面领先于美国,迄今共建造3座海洋温差试验电站,均为岸基式。印度政府将海洋温差能作为未来的重要能源之一进行开发，1997年印度国家海洋技术研究所于日本佐贺大学签订协议，共同进行印度洋的海洋温差发电的开发，并准备在印度国内投资建立商业化的OTEC系统。2010年，在印度东南部海上运转成功了世界上第一套1MW海洋温差发电实验装置。温差能发电系统还可以通过制氢后将氢气输送回大陆，解决了以往海上电力敷设需巨大投资的问题，随着能源紧缺和对可再生能源的日益重视，以及氢能源需求日益加大，使得开展海洋温差能的研究重新活跃，美国、日本、印度继续加大对海洋温差能的研究和资金投入。佐贺大学海洋能源研究中心在2002年被“21世纪COH计划”选中后，在2003年建成了新的实验据点——伊万里附属设施。目前正在利用30KW的发电装置进行实证性实验。如果再配上海水淡化装置的话，在发电的同时能得到淡水和深层水，它们可以作为矿泉水来饮用。电解后还能得到燃料电池用的氢。富有养分的深层水回灌海洋后还能形成新的鱼场。海洋温差发电的很大优点是不仅能发电，在经济上还能带动很多相关产业。2012年，印度Kavaratti岛海水温差淡水生产设备，利用海水温差进行海水淡化满足了岛上淡水的需要。日本的日立造船和里见产业在印度试验海水温差发电，拟试验成功后推广用于发动机冷却水和海水的温差发电，以供船用发电设备。这样不产生CO2，大型化后使发电成本可达核电水平，是有发展前途的发电方式。由于此技术适于在表层海水温度高的地区实施，印度政府利用1000千瓦级发电试验为发展2万～5万千瓦机组打下基础。若规模达10万千瓦时，单位发电成本可比火电低和核电水平相当。美国洛克希德公司与美国能源部签署了建造一个由玻璃纤维与合成材料建造的管道原型合同。2013年与美国海军研究用温差能解决关岛上海军陆战队用电和淡水的问题。美国洛克希德•马丁公司在夏威夷的BigIsland建造一座海洋温差发电站，这座发电站的装机容量可达10兆瓦。在2015年左右将继续建造100兆瓦级的大型电站。洛克希德•马丁公司在海洋温差发电系统方面共拥有6项专利。法国DCNS公司在2010年11月建设海洋热能转换（OTEC）试点工厂，在2015年提供10兆瓦稳定的输出。1.2国内温差发电技术的发展中国的海洋温差能储量比较丰富，但研究工作起步晚。中国海洋温差能源等新能源的开发前景还不容乐观。与发达国家相比，中国在海洋温差发电的开发上还停留在实验室原理性验证阶段，还未建立试验电站。20世纪80年代初，中国科学院广州能源研究所、中国海洋大学和天津国家海洋局海洋技术中心研究所等单位开始温差发电研究。1986年广州研制完成开式温差能转换试验模拟装置，利用30℃以下的温水，在温差20℃的情况下，实现电能转换。1989年又完成了雾滴提升循环实验研究，有效提升高度达20米，1989年，该研究所还对开式循环过程进行了实验室研究，建造了两座容量分别为10千瓦和60千瓦的实验台，雾滴提升高度为当时同类设备的最高值。2004-2005年，天津大学完成了对混合式海洋温差能利用系统理论研究课题，并就小型化试验用200W氨饱和蒸汽透平进行了研究开发。国家海洋局第一海洋研究所在“十一五”期间重点开展了闭式海洋温差能利用的研究，完成了海洋温差能闭式循环的理论研究工作，并完成了250W小型温差能发电利用装置的方案设计。2010年，承担了“十一五”科技支撑“15千瓦海洋温差能关键技术与设备的研制”课题。根据《中国新能源与可再生能源1999白皮书》公布的调查统计结果，对130个水道估算统计，我国潮流能理论平均功率为1394万千瓦。我国南海的表层海水温度全年平均值为25～28℃，其中有300多万平方千米海区，上下温差为20℃左右，尤其是南海中部的西沙群岛海域和台湾以东海区，具有日照强烈，温差大且稳定，全年可开发利用，冷水层离岸距离小，近岸海底地形陡峻等优点，开发利用条件良好，科学家研究发现中国近海及毗邻海域的温差能资源理论储量为14.4×1021～15.9×1021J，可开发总装机容量为17.47×108～18.33×108KW,90%分布在我国的南海。在我国西沙群岛海域，测得水深30米以内的水温为30℃，而1000米深处便只有5℃，完全适合温差发电。下一步，国家将在政策上给予鼓励和引导，在海洋温差能源利用的基础研究方面，重点研究地温差热力循环过程，建立千瓦级的实验室模拟循环装置，并开展相应的数值分析研究。科学家正在对西沙、南沙诸岛屿温差能资源做开发研究，计划将西沙、南沙诸岛屿作为国家温差能资源的先期开发区。2.海洋温差发电技术的原理海洋温差发电(oceanthermalenergyconversion简称OTEC)的基本原理是利用海洋表面的温海水加热某些低沸点工质并使之汽化，或通过降压使海水汽化以驱动汽轮机发电。同时利用从海底提取的冷海水将做功后的乏汽冷凝，使之重新变为液体，形成系统循环。目前有闭式循环系统、开式循环系统、混合式循环系统、直接温差发电等，其中以闭式循环系统较成熟。1）闭式循环系统图2.1闭式循环温差发电原理图图2.1为闭式循环温差发电的原理图。工作介质在蒸发器中被表层海水（13～25℃）的热量蒸发后进入涡轮机，并驱动发电机运转。在涡轮机中做了功的工质在凝结器中被深层海水冷却又变成液体，由循环泵再次送入蒸发器。这与火电厂中的循环顺序是相同的。由于低沸点工质是在一个闭合回路中循环使用，所以称这种温差发电方式为闭式循环。1964年，美国海洋热能发电的创始人安德森和他的儿子，提出了用低沸点液体（如丙烷和液态氨）作为工质，用其所产生的蒸汽作为工作流体的闭式循环方案。闭式循环系统的缺点是，蒸发器和冷凝器采用表面式换热器，导致这一部分耗资昂贵，此外也不能产生淡水。但它克服了开式循环中最致命的弱点，可使蒸汽压力提高数倍，发电装置体积变小，而发电量可达到工业规模。闭式循环系统一经提出，就得到广泛的赞同和重视，成为目前海水温差发电的主要形式。2）开式循环系统图2.2开式温差发电原理图开式循环系统以表层的温海水作为工作介质。先用真空泵将循环系统内抽成一定程度的真空，再用温水泵把温海水抽入蒸发器。由于系统内以保持有一定的真空度，温海水就在蒸发器内沸腾蒸发，变为蒸汽；蒸汽经管道喷出推动蒸汽机运转，带动发电机发电。蒸汽通过汽轮机后，又被冷水泵抽上来的深海冷水所冷却，凝结成淡化水后排出。冷海水冷却了水蒸气后又回到海里。作为工作物质的海水，一次使用后就不再重复使用，工作物质与外界相通，所以称这样的循环为开式循环。开式温差发电的原理见图2.2。从1926年法国科学家克劳德在法兰西科学院的大厅里当众进行的温差发电实验，到1948年法国在非洲象牙海岸修造的海水温差发电站，采用的都是这种开式循环系统。开式循环系统在发电的同时，还可以获得很多有用的副产品。例如，温海水在蒸发器内蒸发后所留下的浓缩水，可以被用来提炼很多有用的化工产品；水蒸气在冷凝器内冷却后可以得到大量的淡水。3）混合式循环系统混合式循环系统与闭式循环系统有些类似，也是以低沸点的物质作为工质。其原理见图2.3，唯一不同是在蒸发器的部分，混合式循环系统的温海水先经过闪现蒸发器，是其中一部分转化为水蒸气，随即将蒸汽导入第二个蒸发器。水蒸气在此冷却，并释放潜能，此潜能再将低沸点工作流体蒸发，工作流体循环，于是构成一种封闭式循环系统。设计混合式发电系统的原因是避免温海水对热交换器所产生的生物附着，同时，本系统在第二个蒸发器中还有淡水副产品产出，而且，开始系统低容量的缺陷也可以得到解决。图2.3混合式循环系统原理图4）直接温差发电1821年德国化学家塞贝克（Seebeck）发现，把两种不同的金属导体接成闭合电路时，如果把它得到两个接点