JP2016014524A - 産業的海洋熱エネルギー変換プロセス - Google Patents

Abstract

【課題】産業的海洋熱エネルギー変換プロセスの提供。
【解決手段】冷水システムと流体的に連絡する多段階復水システムを含む、ＯＴＥＣ発電システムと、冷水システムと流体的に連絡する蒸気復水器を備える蒸気システムとを有する、複合ＯＴＥＣおよび蒸気システム。一側面では、浸水部分を備える沖合発電構造が提供される。浸水部分はさらに、一体多段階蒸発器システムを備える第１のデッキ部分と、一体多段階復水システムを備える第２のデッキ部分と、発電および変換機器を格納する第３のデッキ部分と、冷水パイプおよび冷水パイプ接続とを備える。
【選択図】図８

Description

（関連出願）
本願は、米国仮特許出願第６１／３６４，１５９号（２０１０年７月１４日出願）の優先権を主張し、この出願の内容は、全体が本明細書に援用される。

（技術分野）
本発明は、他の発電機器または産業処理施設等の他の産業的運用と組み合わせて、浮動最小波動プラットフォームと、多段階熱機関と、海洋熱エネルギー変換発電所と、ＯＴＥＣ発電所とを含む海洋熱エネルギー変換（「ＯＴＥＣ」）プロセスに関する。

世界中のエネルギー消費および需要は、指数関数的な割合で増大している。この需要は、特にアジアおよびラテンアメリカの発展途上国で上昇し続けることが見込まれる。同時に、従来のエネルギー源、すなわち、化石燃料は、加速的に枯渇しつつあり、化石燃料を利用するコストは上昇し続けている。環境および規制の懸念が、その問題を悪化させている。

太陽関連再生可能エネルギーは、エネルギーの増大する需要に対する解決策の一部分を提供し得る、１つの代替エネルギー源である。太陽関連再生可能エネルギーは、化石燃料、ウラン、または熱「グリーン」エネルギーと違って、その利用と関連する気候リスクがほとんどないか、または全くないため、魅力的である。加えて、太陽関連エネルギーは、無料であり、多いに豊富である。

海洋熱エネルギー変換（「ＯＴＥＣ」）は、海洋の熱帯地方において熱として貯蔵された太陽エネルギーを使用して、再生可能エネルギーを生産する方式である。世界中の熱帯海洋および海は、独自の再生可能エネルギー資源を提供する。多くの熱帯地域（およそ南緯２０°から北緯２０°の間）では、表面海水の温度は、ほぼ一定のままである。約１００ｆｔの深度まで、海水の平均表面温度は、７５°Ｆから８５°Ｆ以上の間で季節的に変化する。同じ地方で、深海水（２５００ｆｔから４２００ｆｔ以上の間）は、極めて一定の４０°Ｆにとどまる。したがって、熱帯海洋構造は、表面で大量の温水貯水器を、深部で大量の冷水貯水器を提供し、温水と冷水貯水器との間の温度差は３５°Ｆから４５°Ｆまでの間である。この温度差（ΔＴ）は、わずかな季節的変化を伴い、昼夜、極めて一定のままである。

ＯＴＥＣプロセスは、熱機関を駆動して電気エネルギーを生産するために、水面および深海熱帯海域の間の温度差を使用する。ＯＴＥＣ発電は、生産されるエネルギーについて、低〜ゼロ二酸化炭素排出量を有する、可能性がある再生可能エネルギー源として、１９７０年代後半に識別された。しかしながら、ＯＴＥＣ発電所は、より従来的な高圧高温発電所と比較して、低い熱力学的効率を有する。例えば、８０°Ｆから８５°Ｆの間の平均界面温度、および４０°Ｆの一定深海温度を使用して、ＯＴＥＣ発電所の最大理想カルノー効率は、７．５〜８％となる。実際の運用では、ＯＴＥＣ電力システムの総電力効率は、カルノー限度の約半分、または約３．５から４．０％であると推定されている。加えて、１９７０年代および１９８０年代の主要な研究者らによって行われ、非特許文献１（参照することにより本明細書に組み込まれる）で文書化された分析は、水および作動流体ポンプを作動させるため、および電力を発電所の他の補助的必要性に供給するために、４０°ＦのΔＴで動作するＯＴＥＣ発電所によって生成された総電力の４分の１から２分の１（またはそれ以上）が必要とされることを示す。これに基づいて、ＯＴＥＣ発電所が海面水に貯蔵された熱エネルギーを正味電気エネルギーに変換する低い全体的な正味効率が、商業的な実用可能なエネルギー生産オプションではなかった。

全体的な熱力学的効率のさらなる低減をもたらす付加的な要因は、精密な周波数調節のために、タービン上に必要な制御を提供することと関連する損失である。これは、温海水から抽出することができる、作業を制限するタービンサイクルの圧力損失を導入する。結果として生じる正味発電所効率は、したがって、１．５％から２．０％となるであろう。

高い温度および圧力で動作する熱機関に特有である効率と比較した、この低いＯＴＥＣ正味効率は、ＯＴＥＣ電力が高価すぎて、より従来的な電力生産の方法と比較できないという、エネルギー計画者によって広く支持されている仮定につながっている。

代わりに、寄生所要電力が、温水と冷水との間の比較的小さい温度差のため、ＯＴＥＣ発電所において特に重要である。温海水と作動流体との間、および冷海水と作動流体との間で、最大熱伝達を達成するために、高い流速とともに、大きい熱交換表面積が必要とされる。これらの要因のうちのいずれか１つを増大させることにより、ＯＴＥＣ発電所への寄生負荷を増加させ、それによって、正味効率を減少させ得る。海水と作動流体との間の制限された温度差におけるエネルギー伝達を最大限化する、効率的な熱伝達システムは、ＯＴＥＣ発電所の商業的実現可能性を増大させる。

一見すると固有の大量寄生負荷を伴う比較的低い効率に加えて、ＯＴＥＣ発電所の運用環境は、そのような運用の商業的実現可能性も減少させる、設計および運用課題を提示する。前述のように、ＯＴＥＣ熱機関に必要とされる温水は、１００ｆｔ以下の深度までの海洋の表面で見出される。ＯＴＥＣエンジンを冷却するための一定の冷水源は、２７００ｆｔから４２００ｆｔ以上の間の深度で見出される。そのような深度は、典型的には、居留区または陸塊にさえごく接近して見出されない。沖合発電所が必要とされる。

発電所が浮動していようと、水中の特徴に固定されていようと、２０００ｆｔ以上の長い冷水取込パイプが必要とされる。また、商業的に実現可能なＯＴＥＣ運用で必要とされる大量の水により、冷水取込パイプは、大きな直径（典型的には、６から３５フィート以上の間）を必要とする。沖合構造から大直径パイプを懸架することにより、商業的実現可能性を超えて、ＯＴＥＣのコストを以前から圧迫してきた、安定性、接続、および構築課題を提示する。

加えて、動的な海洋環境で懸架される、有意な長さ対直径比を有するパイプは、温度差およびパイプの長さに沿って変化する海流に曝され得る。屈曲およびパイプに沿って流れる渦からの応力もまた、課題を提示する。そして、波の作用等の表面影響は、パイプと浮動プラットフォームとの間の接続に関して、さらなる課題を提示する。望ましい性能、接続、および構造の配慮を有する、冷水パイプ取込システムは、ＯＴＥＣ発電所の商業的実現可能性を増大させる。

ＯＴＥＣ発電所と関連する環境的懸念もまた、ＯＴＥＣ運用への障害となっている。従来のＯＴＥＣシステムは、海洋深部から大量の栄養豊富な冷水を引き込み、この水を表面または表面付近で放出する。そのような放出は、有益かまたは有害かに関わらず、ＯＴＥＣ発電所の付近の海洋環境に影響を及ぼし、ＯＴＥＣ放出から下流にあり得る、魚種資源および珊瑚礁系に影響を及ぼし得る。

Ｗｉｌｌｉａｍ Ａｖｅｒｙ ａｎｄ Ｃｈｉｈ Ｗｕ，"Ｒｅｎｅｗａｂｌｅ Ｅｎｅｒｇｙ ｆｒｏｍ ｔｈｅ Ｏｃｅａｎ，ａ Ｇｕｉｄｅ ｔｏ ＯＴＥＣ" Ｏｘｆｏｒｄ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ Ｐｒｅｓｓ，１９９４

本発明の側面は、海洋熱エネルギー変換プロセスを利用する発電所を対象とする。

本発明のさらなる側面は、寄生負荷の低減、より優れた安定性、より低い建設および運用コスト、および環境排出量の改善を伴う、向上した総合効率を有する沖合ＯＴＥＣ発電所に関する。他の側面は、浮動構造と一体である大容量水導管を含む。多段階ＯＴＥＣ熱機関のモジュール性および区画化は、建設および維持コストを削減し、オフグリッド運用を制限し、運用性能を向上させる。なおもさらなる側面は、構造的に統合熱交換区画を有する、浮動プラットフォームを提供し、波の作用によるプラットフォームの最小の移動を提供する。統合浮動プラットフォームはまた、多段階熱交換器を通して、効率的な温水または冷水流を提供し、効率を増加させ、寄生電力需要を低減し得る。本発明の側面は、適切な深度／温度範囲で温水および冷水を放出することによって、環境的に中性の熱排出量を推進することができる。電気の形態で抽出されるエネルギーは、海洋へのバルク温度を低下させる。

本発明のさらなる側面は、最適化された多段階熱交換システムを有する、浮動最小波動ＯＴＥＣ発電所に関し、温水および冷水供給導管および熱交換器キャビネットは、発電所の浮動プラットフォームまたは構造に構造的に統合される。

なおもさらなる側面は、浮動海洋熱エネルギー変換発電所を含む。スパー等の最小波動構造、すなわち、改良された半浸水型沖合構造は、構造的に一体の温海水通路と、多段階熱交換表面と、作動流体通路とを有する、第１のデッキ部分を備えてもよく、第１のデッキ部分は、作動流体の蒸発を提供する。構造的に一体の冷海水通路と、多段階熱交換表面と、作動流体通路とを有する、第２のデッキ部分も提供され、第２のデッキ部分は、蒸気から液体に作動流体を復水するための復水システムを提供する。第１および第２のデッキ作動流体通路は、発電のための１つ以上の蒸気タービン駆動発電機を備える、第３のデッキ部分と連絡する。

一側面では、浸水部分を備える沖合発電構造が提供される。浸水部分はさらに、一体多段階蒸発器システムを備える第１のデッキ部分と、一体多段階復水システムを備える第２のデッキ部分と、発電および変換機器を格納する第３のデッキ部分と、冷水パイプおよび冷水パイプ接続とを備える。

さらなる側面では、第１のデッキ部分はさらに、高容量温水導管を形成する、第１段階温水構造通路を備える。第１のデッキ部分はまた、第１段階温水構造通路と協働し、作動流体を蒸気に加温するように配列される、第１段階作動流体通路も備える。第１のデッキ部分はまた、第２段階温水構造通路に直接連結される、第１段階温水放出口も備える。第２段階温水構造通路は、高容量温水導管を形成し、第１段階温水放出口に連結される、第２段階温水取込口を備える。第２段階温水取込口への第１段階温水放出口の配列は、第１および第２段階の間の温水流において最小の圧力損失をもたらす。第１のデッキ部分はまた、第２段階温水構造通路と協働し、第２の作動流体を蒸気に加温するように配列される、第２段階作動流体通路も備える。第１のデッキ部分はまた、第２段階温水放出口も備える。

さらなる側面では、浸水部分はさらに、高容量温水導管を形成する、第１段階冷水構造通路を備える、第２のデッキ部分を備える。第１段階冷水通路はさらに、第１段階冷水取込口を備える。第２のデッキ部分はまた、第１のデッキ部分の第１段階作動流体通路と連絡する第１段階作動流体通路も備える。第１段階冷水構造通路と協働している第２のデッキ部分の第１段階作動流体通路は、作動流体を液体に冷却する。第２のデッキ部分はまた、高容量温水導管を形成する、第２段階冷水構造通路に直接連結される、第１段階冷水放出口も備える。第２段階冷水構造通路は、第２段階冷水取込口を備える。第１段階冷水放出口および第２段階冷水取込口は、第１段階冷水放出口から第２段階冷水取込口への冷水流の最小圧力損失をもたらすように配列される。第２のデッキ部分はまた、第１のデッキ部分の第２段階作動流体通路と連絡する第２段階作動流体通路も備える。第２段階冷水構造通路と協働している第２段階作動流体通路は、第２段階作動流体通路内の作動流体を流体に冷却する。第２のデッキ部分はまた、第２段階冷水放出口も備える。

さらなる側面では、第３のデッキ部分は、第１および第２の蒸気タービンを備えてもよく、第１のデッキ部分の第１段階作動流体通路は、第１のタービンと連絡しており、第１のデッキ部分の第２段階作動流体通路は、第２のタービンと連絡する。第１および第２のタービンは、１つ以上の発電機に連結することができる。

なおもさらなる側面では、浸水部分を備える、沖合発電構造が提供され、浸水部分はさらに、第４段階蒸発器部分と、第４段階復水器部分と、第４段階発電部分と、冷水パイプ接続と、冷水パイプとを備える。

一側面では、４段階蒸発器部分は、第１段階熱交換表面、第２段階熱交換表面、第３段階熱交換表面、および第４段階熱交換表面を含む、温水導管を備える。温水導管は、浸水部分の垂直構造部材を備える。第１、第２、第３、および第４の熱交換表面は、作動流体導管の第１、第２、第３、および第４段階部分と協働しており、作動流体導管を通って流れる作動流体は、第１、第２、第３、および第４段階部分の各々において蒸気に加熱される。

一側面では、第４段階復水器部分は、第１段階熱交換表面、第２段階熱交換表面、第３段階熱交換表面、および第４熱交換表面を含む、冷水導管を備える。冷水導管は、浸水部分の垂直構造部材を備える。第１、第２、第３、および第４の熱交換表面は、作動流体導管の第１、第２、第３、および第４段階部分と協働しており、作動流体導管を通って流れる作動流体は、各連続段階でより低いΔＴを伴って、第１、第２、第３、および第４段階部分の各々において蒸気に加熱される。

さらに別の側面では、蒸発器部分の第１、第２、第３、および第４段階作動流体導管は、第１、第２、第３、および第４の蒸気タービンと連絡しており、蒸発器部分の第１段階作動流体導管は、第１の蒸気タービンと連絡しており、復水器部分の第４段階作動流体導管へと排出する。

さらに別の側面では、蒸発器部分の第１、第２、第３、および第４段階作動流体導管は、第１、第２、第３、および第４の蒸気タービンと連絡しており、蒸発器部分の第２段階作動流体導管は、第２の蒸気タービンと連絡しており、復水器部分の第３段階作動流体導管へと排出する。

さらに別の側面では、蒸発器部分の第１、第２、第３、および第４段階作動流体導管は、第１、第２、第３、および第４の蒸気タービンと連絡しており、蒸発器部分の第３段階作動流体導管は、第３の蒸気タービンと連絡しており、復水器部分の第２段階作動流体導管へと排出する。

さらに別の側面では、蒸発器部分の第１、第２、第３、および第４段階作動流体導管は、第１、第２、第３、および第４の蒸気タービンと連絡しており、蒸発器部分の第４段階作動流体導管は、第４の蒸気タービンと連絡しており、復水器部分の第１段階作動流体導管へと排出する。

なおもさらなる側面では、第１の発電機が、第１のタービン、第４のタービン、または第１および第４のタービンの組み合わせによって駆動される。

なおもさらなる側面では、第２の発電機が、第２のタービン、第３のタービン、または第２および第３のタービンの両方の組み合わせによって駆動される。

本発明の付加的な側面は、第１および第４のタービンまたは第２および第３のタービンが、９ＭＷから６０ＭＷの間の電力を生産する、第１および第２のタービンが、約５５ＭＷの電力を生産する、第１および第２のタービンが、海洋熱エネルギー変換発電所で複数のタービン発電機セットのうちの１つを形成する、第１段階温水取込口には、第２段階冷水放出口からの干渉がない、第１段階冷水取込口には、第２段階温水放出口からの干渉がない、第１または第２段階作動流体通路内の作動流体が、商業用冷媒を備える、といった特徴のうちの１つ以上を組み込むことができる。作動流体は、アンモニア、プロピレン、ブタン、Ｒ−１３４、またはＲ−２２を備え、第１および第２段階作動流体通路の中の作動流体は、１２°Ｆから２４°Ｆの間で温度が上昇し、第１の作動流体は、第１段階作動流体通路を通って流れ、第２の作動流体は、第２段階作動流体通路を通って流れ、第２の作動流体は、第１の作動流体が第１の蒸気タービンに流入するよりも低い温度で第２の蒸気タービンに流入し、第１および第２段階作動流体通路の中の作動流体は、１２°Ｆから２４°Ｆの間で温度が低下し、第１の作動流体は、第１段階作動流体通路を通って流れ、第２の作動流体は、第２段階作動流体通路を通って流れ、第２の作動流体は、第１の作動流体が第２のデッキ部分に流入するよりも低い温度で第２のデッキ部分に流入する。

本発明のさらなる側面はまた、第１または第２段階温水構造通路内を流れる温水が、温海水、地熱で加熱された水、太陽熱で加熱された貯水器水、加熱された工業用冷却水、またはそれらの組み合わせを備える、温水が５００，０００から６，０００，０００ｇｐｍの間で流れる、温水が５，４４０，０００ｇｐｍで流れる、温水が３００，０００，０００ｌｂ／ｈｒから１，０００，０００，０００ｌｂ／ｈｒの間で流れる、温水が２，７２０，０００ｌｂ／ｈｒで流れる、第１または第２段階冷水構造通路内を流れる冷水が、冷海水、冷たい淡水、冷たい地下水、またはこれらの組み合わせを備える、冷水が２５０，０００から３，０００，０００ｇｐｍの間で流れる、冷水が３，４２０，０００ｇｐｍで流れる、冷水が１２５，０００，０００ｌｂ／ｈｒから１，７５０，０００，０００ｌｂ／ｈｒの間で流れる、冷水が１，７１０，０００ｌｂ／ｈｒで流れる、といった特徴のうちの１つ以上を組み込むこともできる。

本発明の側面はまた、沖合構造が最小波動構造であること、沖合構造が浮動スパー構造であること、沖合構造が半浸水型構造であることといった特徴のうちの１つ以上を組み込むこともできる。

本発明のなおもさらなる側面は、作動流体との熱交換のための第１の水流通路をさらに備える、第１段階キャビネットと、第１の作動流体通路と、作動流体との熱交換のためであり、第１の水流通路から第２の水流通路へ流れる水の圧力降下を最小化する方式で第１の水流通路に連結される、第２の水流通路をさらに備える、第１段階キャビネットに連結される第２段階キャビネットと、第２の作動流体通路とを備える、海洋熱エネルギー変換発電所で使用するための高容量高速熱交換システムを含むことができる。第１および第２段階キャビネットは、発電所の構造部材を備える。

一側面では、水は、第１段階キャビネットから第２段階キャビネットへ流れ、第２段階キャビネットは、第１段階キャビネット蒸発器の下にある。別の側面では、水は、第１段階キャビネットから第２段階キャビネットへ流れ、第２段階キャビネットは、復水器の中の第１段階キャビネットより上側、および蒸発器の中の第１段階キャビネットより下側にある。

なおもさらなる側面では、冷水パイプは、海洋深度からＯＴＥＣの冷水取込口に冷水を提供する。冷水取込口は、ＯＴＥＣ発電所の浸水部分の第２のデッキ部分内にあり得る。冷水パイプは、セグメント化された構造であり得る。冷水パイプは、連続パイプであり得る。冷水パイプは、外面と、最上端と、底端とを有する、細長い管状構造を備えることができる。管状構造はさらに、複数の第１および第２の横桟セグメントを備え、各横桟セグメントは、最上部分と、底部分とを有し、第２の横桟セグメントの最上部分は、第１の横桟セグメントの最上部分からオフセットされる。冷水パイプは、少なくとも部分的に、外側表面を中心として螺旋状に巻着される、外板または薄帯を含むことができる。第１および第２の横桟セグメントおよび／または外板は、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）、塩素化ポリ塩化ビニル（ＣＰＶＣ）、繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）、強化ポリマーモルタル（ＲＰＭＰ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリエチレン（ＰＥ）、架橋高密度ポリエチレン（ＰＥＸ）、ポリブチレン（ＰＢ）、アクリロニトリルブタジエンスチレン（ＡＢＳ）、ポリエステル、繊維強化ポリエステル、ナイロン強化ポリエステル、ビニルエステル、繊維強化ビニルエステル、ナイロン強化ビニルエステル、コンクリート、セラミック、またはそれらのうちの１つ以上の複合材料を備えることができる。

本発明のさらなる側面は、ＯＴＥＣ発電所の浸水部分と冷水パイプとの間に、動的接続を含む。動的接続は、冷水パイプの重量および動的力を支持することができる一方、ＯＴＥＣプラットフォームから懸架される。動的パイプ接続は、ＯＴＥＣプラットフォームと冷水パイプとの間の相対運動を可能にすることができる。相対運動は、垂直線から０．５°から３０°であり得る。一側面では、相対運動は、垂直線から０．５°から５°であり得る。動的パイプ接続は、球状または弓状軸受表面を含むことができる。

ある側面では、浸水された垂直パイプ接続は、垂直パイプ受容ベイを有する浮動構造であって、受容ベイは、第１の直径を有する、浮動構造と、パイプ受容ベイに挿入するための垂直パイプであって、パイプ受容ベイの第１の直径よりも小さい第２の直径を有する、垂直パイプと、軸受表面と、軸受表面とともに動作可能な１つ以上の戻り止めであって、戻り止めは、軸受表面と接触している時に、第１または第２の直径とは異なる直径を画定する、戻り止めとを備える。

本発明の側面は、ＯＴＥＣ電力生産が、エネルギー生産のために、殆どまたは全く燃料費を必要としないＯＴＥＣ熱機関に関与する低圧および低温が、構成要素コストを削減し、高圧高温の発電所で使用される高コストの特殊材料と比較して、通常の材料を必要とする発電所の信頼性が、有意な保守なしで数年間連続的に動作している商業用冷蔵システムに匹敵する、高圧高温の発電所と比較して削減された建設時間、ならびに安全で環境に優しい運用および電力生産といった利点のうちの１つ以上を有してもよい。付加的な利点として、従来のＯＴＥＣシステムと比較して増加した正味効率、より低い犠牲電気負荷、温水および冷水通路内の低減した圧力損失、モジュール式構成要素、低頻度のオフグリッド生産時間、最小の波動および波の作用に対する低減した脆弱性ならびに冷水パイプ接続の排除、水面より下側の冷却水の放出、冷水放出からの干渉がない温水の取り込みが、挙げられ得る。

他の実施形態では、本発明の側面は、本明細書に説明されるＯＴＥＣ発電システムと他の産業プロセス、例えば、他の発電システムとの組み合わせを含む。ある側面では、商業用原子力発電所が、本発明の浮動構造内に組み込まれてもよい。ある側面では、蒸気タービンから放出される排出蒸気は、ＯＴＥＣ発電所の冷水システムによって復水され、それによって、５％から２５％の原子力発電システムの効率を増加させる。

複合原子力およびＯＴＥＣ発電システムを有する浮動構造の利点として、改善された熱力学的効率、向上した安全性、地上ベースの発電所より低コスト、発電所に対する地震設計要件の排除、発電所に対する津波設計要件の排除、および一方のシステム、ＯＴＥＣまたは原子力が、修理または燃料補給のためにオフラインであるとき、送電網または船に電力を提供し続ける能力が挙げられる。

さらなる側面では、ＯＴＥＣ発電所の冷水システムによる蒸気タービンシステム内に排出された蒸気の復水は、浮動原子力施設に制限されず、任意の蒸気タービンシステムに組み込まれ、蒸気サイクルの効率を改善することができる。例えば、沿岸または地上ベースのＯＴＥＣシステムは、沿岸ベースの従来の原子力、石炭、またはガス発電所とともに組み込まれ、これらの沿岸ベースの施設の蒸気サイクル効率を改善することができる。

さらなる側面では、ＯＴＥＣ発電所の冷水システムは、他の発電システムまたは産業プロセスの冷却水温度を低下させ、そのような他のシステムの冷却水放出を周囲条件により近くすることができる。例えば、ＯＴＥＣシステムからの冷却水は、その比較的に大容量かつ冷たい温度のため、原子力発電所からの比較的に暖かい冷却水放出と組み合わせ、組み合わせられた水の温度を周囲貯水器の２５°Ｆ以内にすることができる。これは、貯水器内の熱プルームの形成を回避する。ＯＴＥＣ冷水システムと他の施設の温水放出の組み合わせは、原子力施設に制限されず、石炭およびガス燃焼蒸気発電所、化学および石油処理施設、蒸気発生施設、ならびにその他等、周囲条件を上回る水放出を有する、任意の産業運用において使用することができる。

さらなる側面では、沿岸ベースの発電施設または産業処理設備の温水放出は、温水保水貯水器内に回収することができる。この温水保水貯水器は、ＯＴＥＣ発電施設のための温水供給源として使用される。例えば、１つ以上の石炭またはガス燃焼蒸気発電施設は、中央に設置される保水貯水器内に冷却水を放出することができる。この温水貯水器は、沿岸ベースのＯＴＥＣ発電施設のための温水供給源を形成する。さらなる側面では、温水放出は、直接、ＯＴＥＣ発電施設の温水システムに供給することができる。

なおもさらなる側面では、ＯＴＥＣ運用において使用される栄養分に富んだ深海水は、沿岸ベースのまたは海洋ベースの藻類生産施設と併用することができる。

本発明の１つ以上の実施形態の詳細は、添付図面および以下の説明に記載される。本発明の他の特徴、目的、および利点が、説明および図面から、ならびに請求項から明白となるであろう。
例えば、本願発明は以下の項目を提供する。
（項目１）
複合ＯＴＥＣおよび蒸気システムであって、
該システムは、
冷水システムと流体的に連絡する多段階復水システムを含むＯＴＥＣ発電システムと、
蒸気復水器を含む蒸気システムであって、該蒸気復水器は、該冷水システムと流体的に連絡する、蒸気システムと
を含む、システム。
（項目２）
前記多段階復水システムは、４段階ハイブリッドカスケード熱交換サイクルを含む、項目１に記載のシステム。
（項目３）
前記４段階ハイブリッドカスケード熱交換サイクルは、４５°Ｆから６０°Ｆまでの間の冷水放出温度をさらに含む、項目２に記載のシステム。
（項目４）
前記４段階ハイブリッドカスケード熱交換サイクルは、約５０°Ｆの冷水放出温度をさらに含み、前記冷水システムからの冷水は、約５０°Ｆで前記蒸気復水器に流入し、約６５°Ｆで該蒸気復水器から放出される、項目２に記載のシステム。
（項目５）
前記蒸気システムは、蒸気サイクル発電所の一部である、項目１に記載のシステム。
（項目６）
前記冷水システムの中の冷水は、最初に、ＯＴＥＣ熱機関の中で作動流体を復水し、次に、前記蒸気システムの中で蒸気を復水する、項目５に記載のシステム。
（項目７）
前記蒸気システムは、前記冷水システムと流体的に連絡する複数の蒸気復水器を含む、項目１に記載のシステム。
（項目８）
沖合発電構造であって、
該構造は、
浸水部分を含み、該浸水部分は、
一体型多段階蒸発器システムを含む第１のデッキ部分と、
一体型多段階復水システムを含む第２のデッキ部分であって、該一体型多段階復水システは、作動流体を復水するための冷水システムを有する、第２のデッキ部分と、
１つ以上のタービン発電機を格納する第３のデッキ部分であって、該１つ以上のタービン発電機は、該作動流体と流体的に連絡する、第３のデッキ部分と、
１つ以上の蒸気復水器を含む蒸気システムであって、該１つ以上の蒸気復水器は、冷水流体と流体的に連絡する、蒸気システムとを含む、構造。
（項目９）
前記一体型多段階蒸発器システムは、４段階ハイブリッドカスケード熱交換サイクルを含む、項目８に記載の沖合発電構造。
（項目１０）
前記４段階ハイブリッド熱交換サイクルの段階は、連続であることにより、温水が、接続配管の排除に起因する最小圧力損失を伴って、段階の間を流動する、項目９に記載の沖合発電構造。
（項目１１）
前記一体型多段階復水システムは、４段階ハイブリッドカスケード熱交換サイクルを含む、項目８に記載の沖合発電構造。
（項目１２）
前記４段階ハイブリッド熱交換サイクルの段階は、連続であることにより、冷水が、接続配管の排除に起因する最小圧力損失を伴って、段階の間を流動する、項目１１に記載の沖合発電構造。
（項目１３）
前記第１のデッキ部分は、温水導管を含み、該温水導管は、前記浸水部分の構造部材を形成する、項目８に記載の沖合発電構造。
（項目１４）
前記第２のデッキ部分は、冷水導管を含み、該冷水導管は、前記浸水部分の構造部材を形成する、項目８に記載の沖合発電構造。
（項目１５）
温水は、前記第１のデッキ部分および前記多段階蒸発器システムを通って、冷却温水の自然対流と同一方向に流動する、項目８に記載の沖合発電構造。
（項目１６）
冷水は、前記第２のデッキ部分および前記多段階復水器システムを通って、加温冷水の自然対流と同一方向に流動する、項目８に記載の沖合発電構造。
（項目１７）
前記第１のデッキ部分は、前記第３のデッキ部分の上方にあり、該第３のデッキ部分は、前記第２のデッキ部分の上方にある、項目８に記載の沖合発電構造。
（項目１８）
温水は、５００，０００と６，０００，０００ｇｐｍとの間で流動する、項目８に記載の沖合発電構造。
（項目１９）
浮動スパーを含む、項目８に記載の沖合発電構造。
（項目２０）
ＯＴＥＣ発電システムおよび蒸気サイクル発電システムを含む、項目８に記載の沖合発電構造。
（項目２１）
沖合発電構造であって、
該構造は、
浸水部分と、蒸気サイクル発電システムとを含み、
該浸水部分は、一体型多段階蒸発器システムを含む第１のデッキ部分と、一体型多段階復水システムを含む第２のデッキ部分と、発電機器を格納する第３のデッキ部分とをさらに含み、
該一体型多段階蒸発器システムは、
高容量温水導管を形成する第１の温水構造通路と、
第１段階温水構造通路と協働して、作動流体を蒸気にまで加温するように配列される第１段階作動流体通路と、
第２段階温水構造通路に直接的に連結される第１段階温水放出口であって、該第２段階温水構造通路は、高容量温水導管を形成し、
該第１段階温水放出口に連結される第２段階温水取込口と、
該第２段階温水構造通路と協働して、第２の作動流体を蒸気にまで加温するように配列される第２段階作動流体通路と、
第２段階温水放出口と
を含む、第一段階温水放出口とを含み、
該一体型多段復水システムは、
高容量冷水導管を形成する第１段階冷水構造通路を含み、該第１段階冷水構造通路は、
該第１段階冷水取込口と、
該第１のデッキ部分の該第１段階作動流体通路と連絡する第１段階作動流体通路であって、該第２のデッキ部分の作動流体通路は、該第１段階冷水構造通路と協働して、該作動流体を液体にまで冷却する、第１段階作動流体通路と、
高容量温水導管を形成する第２段階冷水構造通路に直接的に連結される第１段階冷水放出口と、
第２段階冷水取込口であって、第１段階冷水放出口と第２段階冷水取込口とは、該第１段階冷水放出口から該第２段階冷水取込口への冷水流の最小圧力損失をもたらすように配列される、第２段階冷水取込口と、
該第１のデッキ部分の該第２段階作動流体通路と連絡する第２段階作動流体通路であって、該第２段階作動流体通路は、該第２段階冷水構造通路と協働して、該第２段階作動流体通路内の該作動流体を液体にまで冷却する、第２段階作動流体通路と、
第２段階冷水放出口と
をさらに含み、
該発電機器は、第１および第２の蒸気タービンを含み、該第１のデッキ部分の該第１段階作動流体通路は、該第１のタービンと連絡し、該第１のデッキ部分の該第２段階作動流体通路は、第２のタービンと連絡し、
該蒸気サイクル発電システムは、１つ以上の蒸気復水器を有する蒸気サイクルを含み、該１つ以上の蒸気復水器は、該第１または第２段階冷水導管を通過する冷水と流体的に連絡する、構造。
（項目２２）
前記構造は、スパーである、項目２１に記載の沖合発電構造。
（項目２３）
前記構造は、ＯＴＥＣ発電システムおよび蒸気サイクル発電システムを含む、項目２１に記載の沖合発電構造。
（項目２４）
沖合発電構造であって、
該構造は、
浸水部分であって、
該浸水部分は、
一体型多段階蒸発器システムを含む第１のデッキ部分と、
一体型多段階復水システムを含む第２のデッキ部分であって、該一体型多段階復水システムは、冷水システムを含む、第２のデッキ部分と、
機械および電気機器を格納する第３のデッキ部分と、
冷水パイプと、
冷水パイプ接続と
を含む、浸水部分と、
蒸気サイクルを有する原子力発電所を含む水上部分と、
該蒸気サイクルおよび該冷水システムと連絡する蒸気復水器と
を含む、構造。

図１は、例示的従来技術のＯＴＥＣ熱機関を例示する。 図２は、例示的従来技術のＯＴＥＣ発電所を例示する。 図３は、本発明のＯＴＥＣ構造を例示する。 図４は、本発明の熱交換デッキのデッキ平面図を例示する。 図５は、本発明のキャビネット熱交換器を例示する。 図６Ａは、従来の熱交換サイクルを例示する。 図６Ｂは、カスケード多段階熱交換サイクルを例示する。 図６Ｃは、ハイブリッドカスケード多段階熱交換サイクルを例示する。 図６Ｄは、蒸発器圧力降下および関連電力生産を例示する。 図７は、例示的ＯＴＥＣ熱機関の熱平衡図を例示する。 図８は、本発明の複合ＯＴＥＣおよび原子力発電所を例示する 図９は、ＯＴＥＣ冷水システムの冷水放出と統合される、蒸気サイクルの熱平衡図を例示する。

種々の図面中の同一参照記号は、同一要素を示す。

本発明は、海洋熱エネルギー変換（ＯＴＥＣ）技術を使用する発電に関する。本発明の側面は、以前のＯＴＥＣ発電所と比べて、低減した寄生負荷、より優れた安定性、より低い建設および運用コストを伴う改善された総合効率を有する浮動ＯＴＥＣ発電所に関する。他の側面は、浮動構造と一体である大容量水導管を含む。多段階ＯＴＥＣ熱機関のモジュール性および区画化は、建設および維持コストを削減し、オフグリッド運用を制限し、運用性能ならびに残存性を改善する。なおもさらなる側面は、統合熱交換区画を有する浮動プラットフォームを提供し、波の作用によるプラットフォームの最小の移動をもたらす。統合浮動プラットフォームはまた、多段階熱交換器を介して効率的な温水または冷水流を提供し、効率を増加させ、寄生電力需要を低減し得る。本発明の側面は、適切な深度／温度範囲で温水および冷水を放出することによって、中性の熱排出量を推進する。電気の形態で抽出されるエネルギーは、海洋へのバルク温度を低下させる。

ＯＴＥＣは、電気を生成するために、地球の海洋に貯蔵される太陽からの熱エネルギーを使用するプロセスである。ＯＴＥＣは、海洋のより温かい最上層とより冷たい深海洋水との間の温度差を利用する。典型的には、この差は、少なくとも３６°Ｆ（２０℃）である。これらの条件は、およそ南回帰線と北回帰線との間、すなわち、北緯２０°と南緯２０°と間の熱帯地域に存在する。ＯＴＥＣプロセスは、ランキンサイクルに給電するために温度差を使用し、温かい水面水が熱源としての機能を果たし、冷たい深水が熱吸収源としての機能を果たす。ランキンサイクルタービンは、電力を生産する発電機を駆動する。

図１は、温海水入口１２と、蒸発器１４と、温海水出口１５と、タービン１６と、冷海水入口１８と、復水器２０と、冷海水出口２１と、作動流体導管２２と、作動流体ポンプ２４とを含む、典型的なＯＴＥＣランキンサイクル熱機関１０を例示する。

動作中、熱機関１０は、いくつかの作動流体のうちのいずれか１つ、例えば、アンモニア等の商業用冷媒を使用することができる。他の作動流体は、プロピレン、ブタン、Ｒ−２２、およびＲ−１３４ａを含むことができる。他の商業用冷媒を使用することもできる。約７５°Ｆから８５°Ｆ以上の間の温海水が、温海水入口１２を通して、海面または海面の直下から引き込まれ、次に、蒸発器１４を通過するアンモニア作動流体を加温する。アンモニアは、約９．３ａｔｍの蒸気圧まで沸騰する。蒸気は、作動流体導管２２に沿ってタービン１６へと運ばれる。アンモニア蒸気は、タービン１６を通過するにつれて膨張し、発電機２５を駆動する電力を生産する。次いで、アンモニア蒸気は、復水器２０に流入し、そこで、約３０００ｆｔの深海の深度から引き込まれた冷海水によって冷却される。冷海水は、約４０°Ｆの温度で復水器に流入する。約５１°Ｆである、復水器２０の中の温度におけるアンモニア作動流体の蒸気圧は、６．１ａｔｍである。したがって、有意な圧力差が、タービン１６を駆動し、電力を生成するために利用可能である。アンモニア作動流体が復水するにつれて、液体作動流体は、作動流体導管２２を介して、作動流体ポンプ２４によって、蒸発器１４の中へ戻される。

図１の熱機関１０は、異なる作動流体、ならびにより低い温度および圧力を使用することによって、ＯＴＥＣが異なることを除いて、ほとんどの蒸気タービンのランキンサイクルと本質的に同じである。図１の熱機関１０はまた、熱源（例えば、温かい海洋水）および冷たい熱吸収源（例えば、深海洋水）が電力を生産するために使用されるように、ＯＴＥＣサイクルが反対方向に実行されることを除いて、商業用冷蔵設備に類似する。

図２は、船またはプラットフォーム２１０と、温海水入口２１２と、温水ポンプ２１３と、蒸発器２１４と、温海水出口２１５と、タービン発電機２１６と、冷水パイプ２１７と、冷海水入口２１８と、冷水ポンプ２１９と、復水器２２０と、冷海水出口２２１と、作動流体導管２２２と、作動流体ポンプ２２４と、パイプ接続２３０とを含む浮動ＯＴＥＣ発電所２００の典型的な構成要素を例示する。ＯＴＥＣ発電所２００はまた、発電、変換、および伝送システム、推進、スラスタ、または係留システム等の位置制御システム、ならびに種々の補助および支援システム（例えば、職員宿泊施設、非常用電力、携帯用水、下水および排水、消火活動、損傷制御、予備浮力、および他の一般的な船上または沖合システム）を含むこともできる。

図１および２の基本熱機関およびシステムを利用するＯＴＥＣ発電所の実装は、３％以下の比較的低い総合効率を有する。この低い熱効率により、ＯＴＥＣ運用は、生成される電力の１キロワットにつき、電力システムを通る大量の水流を必要とする。これは、ひいては、広い熱交換表面積を有する大型熱交換器を必要とする。

そのような大量の水および広い表面積は、温水ポンプ２１３および冷水ポンプ２１９においてかなりのポンピング能力を必要とし、沿岸ベースの施設または船上産業目的への分配のために利用可能な正味電力を低減する。また、ほとんどの水上船の制限された空間は、大量の水が蒸発器または復水器に向けられ、それを通って流れることを容易に促進しない。実際、大量の水は、大直径パイプおよび導管を必要とする。制限された空間の中にそのような構造を置くことは、他の機械類を収容するために複数の屈曲を必要とする。そして、典型的な水上船または構造の制限された空間は、ＯＴＥＣ発電所での最大効率に必要とされる広い熱交換表面積を容易に促進しない。したがって、ＯＴＥＣシステムまたは船あるいはプラットフォームは、従来、大型で高価であった。これは、ＯＴＥＣ運用が高コストであり、より高い温度および圧力を使用する他のエネルギー生産オプションと比較すると、低収率のエネルギー生産オプションであるという業界の結論につながった。

本発明の側面は、ＯＴＥＣ運用の効率を向上させ、建設および運用コストを削減するための技術的課題に対処する。

船またはプラットフォーム２１０は、冷水パイプ２１７と船またはプラットフォーム２１０との間の動的な力を最小化するため、およびプラットフォームまたは船におけるＯＴＥＣ機器のための良動作環境を提供するために、少ない運動を必要とする。船またはプラットフォーム２１０はまた、冷水および温水入口（２１８および２１２）の体積流量を支持し、ＯＴＥＣプロセスの効率を確保するために、適切なレベルで十分な冷水および温水を取り込むべきである。船またはプラットフォーム２１０はまた、船またはプラットフォーム２１０の水線よりはるかに下側で、冷水および温水出口（２２１および２１５）を介して、冷水および温水放出を可能にして、海面層中への熱再循環を回避するべきである。加えて、船またはプラットフォーム２１０は、発電動作を乱すことなく、荒天を乗り切るべきである。

ＯＴＥＣ熱機関１０は、最大の効率および電力生産のために、高度に効率的な熱サイクルを利用するべきである。沸騰および復水プロセスにおける熱伝達、ならびに熱交換器の材料および設計は、１ポンドあたりの温海水から抽出することができるエネルギーの量を制限する。蒸発器２１４および復水器２２０で使用される熱交換器は、寄生負荷を最小化するために、低い損失水頭を有する大量の温水および冷水流を必要とする。熱交換器はまた、効率を向上させるために、高い熱伝達係数を必要とする。熱交換器は、効率を向上させるために、温水および冷水入口温度に調整され得る材料および設計を組み込むことができる。熱交換器の設計は、コストおよび体積を削減するために、最小の量の材料を用いた単純な構築方法を使用するべきである。

タービン発電機２１６は、最小の内部損失によって高度に効率的となるべきであり、また、効率を向上させるように作動流体に調整されてもよい。

図３は、以前のＯＴＥＣ発電所の効率を向上させ、それと関連する技術的課題の多くを克服する、本発明の実装を例示する。この実装は、スパーと一体である熱交換器ならびに関連する温水および冷水配管とともに、船またはプラットフォーム用のスパーを備える。

ＯＴＥＣスパー３１０は、ＯＴＥＣ発電所と併用するための一体多段階熱交換システムを格納する。スパー３１０は、水線３０５より下側に浸水部分３１１を含む。浸水部分３１１は、温水取込部分３４０と、蒸発器部分３４４と、温水放出部分３４６と、復水器部分３４８と、冷水取込部分３５０と、冷水パイプ３５１と、冷水放出部分３５２と、機械デッキ部分３５４と、デッキハウス３６０とを備える。

動作中、７５°Ｆから８５°Ｆまでの間の温海水が、温水取込部分３４０を通して引き込まれ、示されていない構造的に一体の温水導管を通してスパーを伝って流れる。ＯＴＥＣ熱機関の高容量水流要件により、温水導管は、５００，０００ｇｐｍから６，０００，０００ｇｐｍの間の流量を蒸発器部分３４４に向ける。そのような温水導管は、６ｆｔから３５ｆｔ以上の間の直径を有する。このサイズに起因して、温水導管は、スパー３１０の垂直構造部材である。温水導管は、スパー３１０を垂直に支持するのに十分な強度の大直径パイプであり得る。代替として、温水導管は、スパー３１０の構造と一体である通路であり得る。

次いで、温水は、作動流体を蒸気に加温するために、１つ以上の積層多段階熱交換器を格納する蒸発器部分３４４を通って流れる。次いで、温海水は、温水放出口３４６を介して、スパー３１０から放出される。温水放出は、環境影響を最小化するために、温水放出温度とほぼ同じ温度である海洋温度層、またはそれに近い深度に、温水放出パイプを介して設置される、または向けることができる。温水放出は、温水取込または冷水取込のいずれか一方による熱再循環がないことを確実にするために、十分な深度に指向させられることができる。

冷海水は、冷水パイプ３５１を介して、約４０°Ｆの温度で２５００から４２００ｆｔ以上の間の深度から引き込まれる。冷海水は、冷水取込部分３５０を介して、スパー３１０に流入する。ＯＴＥＣ熱機関の高容量水流要件により、冷海水導管は、５００，０００ｇｐｍから３，５００，０００ｇｐｍの間の流量を復水器部分３４８に向ける。そのような冷海水導管は、６ｆｔから３５ｆｔ以上の間の直径を有する。このサイズに起因して、冷海水導管は、スパー３１０の垂直構造部材である。冷水導管は、スパー３１０を垂直に支持することに十分な強度の大直径パイプであり得る。代替として、冷水導管は、スパー３１０の構造と一体である通路であり得る。

次いで、冷海水は、積層多段階復水器部分３４８へと上方に流れ、そこで、冷海水は、作動流体を液体に冷却する。次いで、冷海水は、冷水放出口３５２を介して、スパー３１０から放出される。冷水放出は、冷海水放出温度とほぼ同じ温度である海洋温度層における、またはそれに近い深度に、冷海水放出パイプを介して配置されるか、または向けられることができる。冷水放出は、温水取込または冷水取込のいずれか一方をによる熱再循環がないことを確実にするために、十分な深度に向けられることができる。

機械デッキ部分３５４は、蒸発器部分３４４と復水器部分３４８との間で垂直方向に配置されることができる。蒸発器部分３４４の下に機械デッキ部分３５４を配置することにより、取込口から多段階蒸発器を通して放出口へのほぼ直線の温水流を可能にする。復水器部分３４８より上側に機械デッキ部分３５４を配置することにより、取込口から多段階復水器を通して放出口へのほぼ直線の冷水流を可能にする。機械デッキ部分３５４は、タービン発電機３５６を含む。

動作中、蒸発器部分３４４からの蒸気に加熱された温かい作動流体は、１つ以上のタービン発電機３５６へと流れる。作動流体は、タービン発電機３５６の中で膨張し、それによって、電力の生産のためにタービンを駆動する。次いで、作動流体は、復水器部分３４８へと流れ、液体まで冷却され、蒸発器部分３４４へと送出される。

図４は、複数の多段階熱交換器４２０がＯＴＥＣスパー４１０の周辺に配列される、本発明の実装を例示する。

熱交換器４２０は、ＯＴＥＣ熱機関で使用される蒸発器または復水器であり得る。熱交換の周辺レイアウトは、ＯＴＥＣスパープラットフォームの蒸発器部分３４４または復水器部分３４８とともに利用することができる。周辺配列は、任意の数の熱交換器（例えば、１つの熱交換器、２個から８個の間の熱交換器、８〜１６個の熱交換器、１６〜３２個の熱交換器、または３２個以上の熱交換器）を支持することができる。１つ以上の熱交換器は、ＯＴＥＣスパー４１０の単一のデッキの上または複数のデッキの上（例えば、２、３、４、５、または６個以上のデッキの上）の周辺に配列することができる。１つ以上の熱交換器は、どの２つの熱交換器も相互の上に垂直方向に整列していないように、２つ以上のデッキの間で周辺にオフセットされることができる。１つ以上の熱交換器は、１つのデッキの中の熱交換器が別の隣接デッキ上の熱交換器と垂直方向に整列しているように周辺に配列されることができる。

個々の熱交換器４２０は、多段階熱交換システム（例えば、２、３、４、５、または６個以上の熱交換システム）を備えることができる。ある実施形態では、個々の熱交換器４２０は、熱交換器を通る温海水流、冷海水流、および作動流体流の最小の圧力損失をもたらすように構築されるキャビネット熱交換器であり得る。

図５を参照すると、キャビネット熱交換器５２０の実施形態は、複数の熱交換段階５２１、５２２、５２３、および５２４を含む。ある実装では、積層熱交換器は、第１の蒸発器段階５２１から、第２の蒸発器段階５２２へ、第３の蒸発器段階５２３へ、第４の蒸発器段階５２４へとキャビネットを通って下方に流れる温海水を収容する。

積層熱交換キャビネットの別の実施形態では、冷海水が、第１の復水器段階５３１から、第２の復水器段階５３２へ、第３の復水器段階５３３へ、第４の復水器段階５３４へとキャビネットを通って上方に流れる。作動流体が、作動流体供給導管５３８および作動流体放出導管５３９を通って流れる。実施形態では、作動流体導管５３８および５３９は、温海水または冷海水の垂直流と比較して水平に各熱交換器に流入し、そこから流出する。キャビネット熱交換器５２０の垂直多段階熱交換設計は、統合船（例えば、スパー）および熱交換器設計を促進し、熱交換器段階の間で配管を相互接続するための必要性を除去し、熱交換器システムの圧力降下の事実上全てが熱伝達面上で起こることを確実にする。

一側面では、熱伝達面は、表面形状、処理、および間隔を使用して最適化することができる。アルミニウムの合金等の材料選択は、従来のチタン基礎設計と比べて優れた経済的性能を提供する。熱伝達面は、３０００系列、または５０００系列アルミニウム合金を備えることができる。熱伝達面は、チタンおよびチタン合金を備えることができる。

多段階熱交換器キャビネットは、ＯＴＥＣ熱機関の比較的低い利用可能な温度差以内の海水から作動流体への最大エネルギー伝達を可能にすることが分かっている。任意のＯＴＥＣ発電所の熱力学効率は、作動流体の温度が海水の温度にどれくらい接近するかの関数である。熱伝達の物理学は、作動流体の温度が海水の温度に接近するにつれて、エネルギーを伝達するために必要とされる面積が増加することを決定付ける。表面積の増加を相殺するために、海水の速度を増加させることにより、熱伝達係数を増加させることができる。しかし、これは、送出に必要とされる電力を多大に増加させ、それによって、ＯＴＥＣ発電所への寄生電気負荷を増加させる。

図６Ａを参照すると、温かい表面海水を使用して、作動流体が熱交換器の中で沸騰させられる従来のＯＴＥＣサイクルである。この従来のランキンサイクルにおける流体特性は、出て行く作動流体を、出て行く温海水の温度の約３°Ｆ以下に制限する沸騰プロセスによって制約される。同様に、サイクルの復水側は、出て行く冷海水の温度よりわずか２°Ｆ高いことに制限される。作動流体の合計の利用可能な温度降下は、約１２°Ｆ（６８°Ｆと５６°Ｆとの間）である。

カスケード多段階ＯＴＥＣサイクルは、作動流体温度が海水の温度により密接に合致することを可能にすることが分かっている。この温度差の増加は、ＯＴＥＣ熱機関と関連するタービンによって行うことができる作業の量を増加させる。

図６Ｂを参照すると、カスケード多段階ＯＴＥＣサイクルの側面は、利用可能な作動流体温度降下を拡張するために、複数の沸騰および復水するステップを使用する。各ステップは、独立した熱交換器、または図５のキャビネット熱交換器５２０の中の専用熱交換器段階を必要とする。図６ｂのカスケード多段階ＯＴＥＣサイクルは、タービンの出力を海水および作動流体の期待圧送負荷との合致を可能にする。この高度に最適化された設計は、専用およびカスタマイズされたタービンを必要とする。

図６Ｃを参照すると、ハイブリッドであるが、さらに最適化されたカスケードＯＴＥＣサイクルが示されており、これは、図６Ｂの純種のカスケード配列の熱力学的効率化または最適化を保持しながら、同一の機器（例えば、タービン、発電機、ポンプ）の使用を促進する。図６Ｃのハイブリッドカスケードサイクルでは、作動流体の利用可能な温度差は、約１８°Ｆから約２２°Ｆまでに及ぶ。この狭い範囲は、熱機関の中のタービンが同一の性能仕様を有することを可能にし、それによって、建設および運用コストを削減する。

システム性能および電力出力は、ＯＴＥＣ発電所においてハイブリッドカスケードサイクルを使用して大きく増加させられる。表Ａは、図６Ａの従来のサイクルの性能を図６Ｃのハイブリッドカスケードサイクルの性能と比較する。

４段階ハイブリッドカスケード熱交換サイクルを利用することにより、流体間で伝達される必要があるエネルギーの量を低減する。これは、ひいては、必要とされる熱交換面の量を低減する働きをする。

熱交換器の性能は、流体間の利用可能な温度差、ならびに熱交換器の表面における熱伝達係数の影響を受ける。熱伝達係数は、概して、熱伝達面を横断する流体の速度とともに変化する。より高い流体速度は、より高いポンプ能力を必要とし、それによって、発電所の正味効率を低減する。ハイブリッドカスケード多段階熱交換システムは、より低い流体速度およびより優れた発電所効率を促進する。積層ハイブリッドカスケード熱交換設計はまた、熱交換器を通るより低い圧力降下も促進する。そして、垂直発電所設計は、システム全体にわたるより低い圧力降下を促進する。

図６Ｄは、１００ＭＷを電力網に送達する合計のＯＴＥＣ発電所の発電への熱交換器圧力降下の影響を例示する。熱交換器を通る圧力降下を最小化することは、ＯＴＥＣ発電所の性能を大きく向上させる。圧力降下は、統合船またはプラットフォーム・熱交換器システムを提供することによって低減され、海水導管は、船の構造部材を形成し、連続して１つの熱交換器段階から別の段階への海水流を可能にする。船の中への取込口から、ポンプを通り、熱交換キャビネットを通り、次に、連続した各熱交換段階を通り、最終的には発電所から放出する方向に最小の変化を伴う、ほぼ直線の海水流が、最小の圧力降下を可能にする。

（実施例）
本発明の側面は、熱帯および亜熱帯地方の水面水と深海洋水との間の温度差を使用して電気を生産する統合多段階ＯＴＥＣ発電所を提供する。側面は、導管または流路として沖合船またはプラットフォームの構造を使用することによって、海水用の従来の配管を排除する。代替として、温および冷海水配管は、垂直または他の構造支持を船またはプラットフォームに提供することに十分なサイズおよび強度の導管またはパイプを使用することができる。これらの統合海水導管セクションまたは通路は、船の構造部材としての機能を果たし、それによって、付加的な鋼鉄の必要を低減する。統合海水通路の一部として、多段階キャビネット熱交換器は、外部水ノズルまたは配管接続を必要とすることなく、作動流体蒸発の複数の段階を提供する。統合多段階ＯＴＥＣ発電所は、温海水および冷海水が自然な方向に流れることを可能にする。温海水は、海洋のより冷たい区域の中へ放出される前に冷却されるため、船を通って下向きに流れる。同様に、海洋の深部からの冷海水は、海洋のより温かい区域の中へ放出される前に加温されるため、船を通って上向きに流れる。この配列は、海水流方向の変化の必要性および関連圧力損失を回避する。配列はまた、必要とされる送出エネルギーも低減する。

多段階キャビネット熱交換器は、ハイブリッドカスケードＯＴＥＣサイクルの使用を可能にする。これらの熱交換器のスタックは、適宜、作動流体を沸騰または復水させるように、連続して海水が通過する複数の熱交換器段階またはセクションを備える。蒸発器セクションでは、温海水は、第１段階を通過し、そこで、海水が冷却されるにつれて作動流体のうちの一部を沸騰させて取り除く。次いで、温海水は、次の熱交換器段階の中へ積層を下方に流れ、わずかにより低い圧力温度の付加的な作動流体を沸騰させて取り除く。これは、スタック全体を通して連続的に起こる。キャビネット熱交換器の各段階またはセクションは、電気を生成する専用タービンに作動流体蒸気を供給する。蒸発器段階の各々は、タービンの排出口において対応する復水器段階を有する。冷海水は、逆の順序で蒸発器まで復水器スタックを通過する。

図７を参照すると、ハイブリッドカスケード熱交換サイクルを利用する例示的多段階ＯＴＥＣ熱機関７１０が提供されている。温海水は、温水ポンプ７１２を介して、温海水取込口（図示せず）から送出され、約１，３６０，０００ｇｐｍおよび約７９°Ｆの温度でポンプから放出される。温水取込口から温水ポンプまで、および温水ポンプから積層熱交換器キャビネットまでの温水導管の全体または複数部分は、船の統合構造部材を形成することができる。

次いで、温水ポンプ７１２から、温海水が第１段階蒸発器７１４に流入し、そこで第１の作動流体を沸騰させる。温水は、約７６．８°Ｆの温度で第１段階蒸発器７１４から流出し、第２段階蒸発器７１５へと下方に流れる。

温水は、約７６．８°Ｆで第２段階蒸発器７１５に流入し、そこで第２の作動流体を沸騰させ、約７４．５°Ｆの温度で第２段階蒸発器７１５から流出する。

温水は、第２段階蒸発器７１５から第３段階蒸発器７１６へと下方に流れ、約７４．５°Ｆの温度で流入し、そこで第３の作動流体を沸騰させる。温水は、約７２．３°Ｆの温度で第３段階蒸発器７１６から流出する。

次いで、温水は、第３段階蒸発器７１６から第４段階蒸発器７１７へと下方に流れ、約７２．３°Ｆの温度で流入し、そこで第４の作動流体を沸騰させる。温水は、約７０．１°Ｆの温度で第４段階蒸発器７１７から流出し、次いで、船から放出される。図示されないが、放出は、温海水の放出温度とほぼ同じ温度、またはその温度の海洋深度における温度層に向けられることができる。代替として、多段階蒸発器を格納する発電所の部分は、温水が適切な海洋温度層に放出されるように、構造内のある深度に設置されることができる。側面では、第４段階蒸発器から船の温水放出口までの温水導管は、船の構造部材を備えることができる。

同様に、冷海水は、冷海水ポンプ７２２を介して冷海水取込口（図示せず）から送出され、約８５５，００３ｇｐｍおよび約４０．０°Ｆの温度でポンプから放出する。冷海水は、約２７００から４２００ｆｔ以上までの間の海洋深度から引き込まれる。船の冷水取込口から冷水ポンプへ、および冷水ポンプから第１段階復水器へ冷海水を運ぶ冷水導管は、その全体で、または部分的に船の構造部材を備えることができる。

冷海水ポンプ７２２から、冷海水は、第１段階復水器７２４に流入し、そこで第４段階ボイラ７１７からの第４の作動流体を復水する。冷海水は、約４３．５°Ｆの温度で第１段階復水器に流入し、第２段階復水器７２５まで流れる。

冷海水は、約４３．５°Ｆで第２段階復水器７２５に流入し、そこで第３段階蒸発器７１６からの第３の作動流体を復水する。冷海水は、約４６．９°Ｆの温度で第２段階復水器７２５に流入し、第３段階復水器まで流れる。

冷海水は、約４６．９°Ｆの温度で第３段階復水器７２６に流入し、そこで第２段階蒸発器７１５からの第２の作動流体を復水する。冷海水は、約５０．４°Ｆの温度で第３段階復水器７２６から流出する。

次いで、冷海水は、第３段階復水器７２６から第４段階復水器７２７まで流れ、約５０．４°Ｆの温度で流入する。第４段階復水器では、冷海水は、第１段階蒸発器７１４からの第１の作動流体を復水する。次いで、冷海水は、約５４．０°Ｆの温度で第４段階復水器から流出し、最終的に船から放出する。冷海水の放出は、冷海水の放出温度とほぼ同じ温度、またはその温度の海洋深度における温度層に向けられることができる。代替として、多段階蒸発器を格納する発電所の部分は、冷海水が適切な海洋温度層に放出されるように、構造内のある深度に設置されることができる。

第１の作動流体は、５６．７°Ｆの温度で第１段階蒸発器７１４に流入し、そこで７４．７°Ｆの温度を有する蒸気に加熱される。次いで、第１の作動流体は、第１のタービン７３１へ、次いで、第４段階復水器７２７へ流れ、そこで第１の作動流体は、約５６．５°Ｆの温度を有する液体に復水される。次いで、液体の第１の作動流体は、第１の作動流体ポンプ７４１を介して第１段階蒸発器７１４に戻される。

第２の作動流体は、約５３．０°Ｆの温度で第２段階蒸発器７１５に流入し、そこで蒸気に加熱される。第２の作動流体は、約７２．４°Ｆの温度で第２段階蒸発器７１５から流出する。次いで、第２の作動流体は、第２のタービン７３２へ、次いで、第３段階復水器７２６へと流れる。第２の作動流体は、約５３．０°Ｆの温度で第３の段階復水器から流出し、作動流体ポンプ７４２へと流れ、ポンプは、次に、第２の作動流体を第２段階蒸発器７１５に戻す。

第３の作動流体は、約４９．５°Ｆの温度で第３段階蒸発器７１６に流入し、そこで蒸気に加熱され、約７０．２°Ｆの温度で第３段階蒸発器７１６から流出する。次いで、第３の作動流体は、第３のタービン７３３へ、次いで、第２段階復水器７２５へと流れ、そこで第３の作動流体は、約４９．５°Ｆの温度で流体に復水される。第３の作動流体は、第２段階復水器７２５から流出し、第３の作動流体ポンプ７４３を介して、第３段階蒸発器７１６に戻される。

第４の作動流体は、約４６．０°Ｆの温度で第４段階蒸発器７１７に流入し、そこで蒸気に加熱される。第４の作動流体は、約６８．０°Ｆの温度で第４段階蒸発器７１７から流出し、第４のタービン７３４へと流れる。第４の作動流体は、第４のタービン７３４から流出し、第１段階復水器７２４へと流れ、そこで約４６．０°Ｆの温度を有する液体に復水される。第４の作動流体は、第１段階復水器７２４から流出し、第４の作動流体ポンプ７４４を介して、第４段階蒸発器７１７に戻される。

第１のタービン７３１と第４のタービン７３４とは、第１の発電機７５１を協働して駆動させ、第１のタービン発電機対７６１を形成する。第１のタービン発電機対は、約２５ＭＷの電力を生産する。

第２のタービン７３２と第３のタービン７３３とは、第２の発電機７５２を協働して駆動させ、第２のタービン発電機対７６２を形成する。第２のタービン発電機対７６２は、約２５ＭＷの電力を生産する。

図７の４段階ハイブリッドカスケード熱交換サイクルは、最大量のエネルギーが、温海水と冷海水との間の比較的低い温度差から抽出されることを可能にする。また、全ての熱交換器は、同じ構成要素のタービンおよび発電機を使用して電気を生産するタービン発電機対を直接支援する。

複数の多段階ハイブリッドカスケード熱交換器およびタービン発電機対を船またはプラットフォーム設計に組む込むことができることが理解されるであろう。

（実施例２）
沖合ＯＴＥＣスパープラットフォームは、４つの別個の電力モジュールを含み、各々が定格設計条件で約２５ＭＷｅの正味電力を生産する。各電力モジュールは、異なる圧力および温度レベルで動作し、４つの異なる段階で海水系から熱を取り入れる４つの別個の電力サイクルまたはカスケード熱力学的段階を備える。４つの異なる段階は、連続して動作する。定格設計条件（全負荷・夏条件）での４つの段階のおよその圧力および温度レベルは、以下の通りである。

作動流体は、温海水（ＷＳＷ）から熱を取り入れることによって複数の蒸発器の中で沸騰させられる。飽和蒸気が、蒸気セパレータの中で分離され、ＳＴＤスケジュールの継目のない炭素鋼パイプによってアンモニアタービンに導かれる。復水器の中で復水された液体は、２ｘ１００％電気モータ駆動型低速給水ポンプによって蒸発器に戻される。サイクル１および４のタービンは、共通の発電機を駆動させる。同様に、サイクル２および３のタービンは、別の共通の発電機を駆動させる。ある側面において、１００ＭＷｅの発電所の中には、各発電所モジュールに２つの発電機、合計８つがある。蒸発器への給水は、蒸気セパレータの中のレベルを維持するために、給水制御弁によって制御される。復水器レベルは、サイクル流体構成制御弁によって制御される。給水ポンプの最小流量が、給水ライン上の流量計によって調節される制御弁を通して復水器に導かれる再循環ラインによって確保される。

動作中、モジュールの４つの電力サイクルが独立して動作する。サイクルのうちのいずれかは、例えば、故障の場合に、または保守のために、必要であれば、他のサイクルの動作を妨げることなく動作停止することができる。しかし、それは、モジュール全体としての電力モジュールの正味発電を低減する。

本発明の側面は、大量の海水を必要とする。各々、送出機器、水管路、配管、弁、熱交換器などを伴う、冷海水および温海水を取り扱うための別個のシステムがある。海水は、淡水よりも腐食性であり、それと接触する場合がある全ての材料は、これを考慮して慎重に選択される必要がある。海水システムの主要な構成要素を構築するための材料は、
大孔配管：ガラス繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）
大型海水管路およびチャンバ：エポキシ被覆炭素鋼
大孔弁：ゴム裏地付きのバタフライ型ポンプインペラ：好適なブロンズ合金
である。

好適な手段によって制御されない限り、海水システムの内部における生体成長は、発電所性能の有意な損失を引き起こし得、かつ発電所からのより低い出力につながる熱伝達面の汚染を引き起こし得る。この内部成長はまた、水流に対する抵抗を増加させ、さらなるポンプ能力要求、より低いシステム流量等を引き起こし、より過酷な場合には、流路の完全な閉塞さえも引き起こし得る。

深海から引き込まれる水を使用する冷海水（「ＣＳＷ」）システムには、生物付着の問題がほとんどないか、または全くないはずである。これらの深度での水は、多くの日光を受容せず、酸素が不足しているので、その中には生物がほどんど存在しない。しかしながら、いくつかの種類の嫌気性細菌が、一部の条件下で成長することが可能であり得る。生物付着に防止するために衝撃塩素処理が使用される。

水面付近からの温海水を取り扱う温海水（「ＷＳＷ」）システムは、生物付着から保護されなければならない。汚染率は、沿岸水よりもＯＴＥＣ運用に好適な熱帯外洋水では、遥かに低いことが分かっている。結果として、環境的に容認可能となる非常に低い用量で、ＯＴＥＣシステムの中の生物付着を制御するために、化学剤を使用することができる。小量の塩素の投与は、海水中の生物付着を防止することに非常に効果的であることが証明されている。１日１時間で約７０ｐｐｂの割合での塩素の用量が、海洋生物の成長を防止することに極めて効果的である。この用量率は、ＥＰＡによって規定された環境的安全レベルの１／２０にすぎない。塩素耐性生物を取り除くために、時々、低用量処理の計画の間に、他の種類の処理（熱衝撃、衝撃塩素処理、他の殺生物剤等）を使用することができる。

海水流に投与するための必要な塩素は、海水の電解によって設備船上で生成される。この種類の電気塩素化設備は、市販されており、投与に使用される次亜塩素酸塩溶液を生産するために成功裏に使用されてきた。電気塩素化設備は、貯蔵タンクを充填するために連続的に動作することができ、これらのタンクの内容物は、前述で説明される周期的投与に使用される。

全ての海水導管は、沈殿物が堆積し得る、または生物が定着してコロニーを開始し得る、あらゆるデッドポケットを回避する。そこに収集される場合がある堆積物を吹き飛ばすために、水洗設備が水管路の低い点から提供される。管路および水チャンバの高い点は、閉じ込められたガスが漏出することを可能にするために通気孔をつけられる。

冷海水（ＣＳＷ）システムは、設備船用の共通深海水取込口、水送出／分配システム、関連水配管を有する復水器、および水を海に戻すための放出管路から構成される。冷水取込パイプは、２７００ｆｔ以上（例えば、２７００ｆｔから４２００ｆｔまでの間）の深度まで下方に延在し、そこでは海水温度は、ほぼ一定の４０°Ｆである。パイプへの入口は、大型生物がその中に吸い込まれることを阻止するためにスクリーンによって保護される。パイプに流入した後、冷水は、海面に向かって上方に流れ、船またはスパーの底付近の冷水ウェルチャンバに送達される。

ＣＳＷ供給ポンプ、分配管路、復水器等は、発電所の最低レベルに設置される。ポンプは、交差管路から吸い込み、冷水を分配管路システムに送る。４ｘ２５％ＣＳＷ供給ポンプが、各モジュールに提供される。各ポンプは、必要な時に、点検、保守等のために隔離し、開くことができるように、入口弁を用いて、独立して循環させられる。ポンプは、高効率電気モータによって駆動される。

冷海水は、連続してサイクルの復水器を通って流れ、次いで、ＣＳＷ流出が海に戻るように放出される。ＣＳＷは、必要な順序で、連続して４つの発電所サイクルの復水器の熱交換器を通って流れる。復水器の設置は、必要な時に、それらが清掃および保守のために隔離され、開かれることを可能にするように配列される。

ＷＳＷシステムは、海面より下側に設置される水中取込グリルと、入ってくる水をポンプに伝えるための取込プレナムと、水ポンプと、熱伝達面の汚染を制御する殺生物剤投与システム、懸濁物質による閉塞を防止する水漉システム、関連水配管を伴う蒸発器、および水を海に戻すための放出管路とを備える。

取込グリルは、海面付近から温水を引き込むために、発電所モジュールの外壁に提供される。取込グリルにおける前面速度は、海洋生物の引込みを最小化するために、０．５ｆｔ／ｓｅｃ未満に保たれる。これらのグリルはまた、大型浮動破片の流入も防止し、それらの障害物のない開口部は、ポンプおよび熱交換器を安全に通過することができる固体の最大サイズに基づいている。これらのグリルを通過した後、水は、グリルの後ろに設置される取込プレナムに流入し、ＷＳＷ供給ポンプの吸引に送られる。

ＷＳＷポンプは、ポンプフロアの反対側に２つのグループで設置される。各グループ用の取込プレナムからの別個の吸引接続を伴って、ポンプの半分が両側に設置される。この配列は、取込プレナムの任意の部分を通る最大流速を全流量の約１／１６に制限するため、取込システムにおける摩擦損失を低減する。ポンプの各々は、必要な時に、点検、保守等のために隔離し、開くことができるように、入口側に弁が提供される。ポンプは、ポンプ出力を負荷に合致させるために、可変周波数駆動を有する高効率電気モータによって駆動される。

ＷＳＷシステム、特にその熱伝達面の生物付着を制御することが必要であり、このために、好適な殺生物剤がポンプの吸引時に投与される。

温水流は、熱交換器の中の狭い通路を封鎖し得るより大型の懸濁粒子を除去するために、漉される必要があり得る。大型自動フィルタまたは「デブリフィルタ」を、必要であればこのために使用することができる。懸濁物質は、スクリーン上に保持し、次いで、逆洗によって除去することができる。懸濁固体を運ぶ逆洗流出物は、海に戻される発電所の放出流に送られる。このための正確な要件は、海水の質に関するより多くのデータの回収の後に、設計のさらなる進展において決定されるであろう。

漉された温海水（ＷＳＷ）は、蒸発器の熱交換器に分配される。ＷＳＷは、必要な順序で、連続して４つの発電所サイクルの復水器の熱交換器を通って流れる。最後のサイクルからのＷＳＷ流出は、海面より約１７５フィート以上下方の深度で放出される。次いで、それは、海水の温度（したがって、密度）が流出の温度に合致する深度までゆっくりと沈む。

（付加的側面：）
基線冷水取込口パイプは、横桟が付けられ、セグメント化され、引き抜き成形された繊維補強ビニルエステルパイプである。横桟が付けられた冷水パイプ構造は、２０１０年１月２１日出願の「Ｏｃｅａｎ Ｔｈｅｒｍａｌ Ｅｎｅｒｇｙ Ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ Ｃｏｌｄ Ｗａｔｅｒ Ｐｉｐｅ」と題された米国特許出願第１２／６９１，６６３号（代理人整理番号第２５６６７−０００４００１号）において説明されており、その内容全体は、参照することにより本明細書に組み込まれる。例示的実施形態では、各横桟セグメントは、長さ４０ｆｔ−６０ｆｔであり得る。横桟セグメントは、横桟を交互に配置し、相互係止継目を作成することによって継合することができる。パイプ横桟は、最大１２０インチ幅および少なくとも４０フィート長のパネルに押出成形され、ｅ−ガラスまたはｓ−ガラスをポリウレタン、ポリエステル、またはビニルエステル樹脂とともに組み込むことができる。いくつかの側面では、横桟セグメントは、コンクリートであり得る。横桟は、中実構造であり得る。横桟は、コア付きまたはハニカム構造であり得る。横桟は、相互に係止するように設計され、横桟の両端において、冷水パイプのセクション間におけるフランジの使用を排除することによって、交互に配置されるであろう。ある側面では、横桟は、長さ４０−ｆｔであって、５−ｆｔおよび１０−ｆｔ毎に、交互に配置することができ、そこでパイプセクションを継合される。横桟およびパイプセクションは、例えば、ポリウレタンまたはポリエステル接着剤を使用して、一緒に接合することができる。３−Ｍおよび他の企業が、好適な接着剤を製造している。挟着構造が利用される場合、ポリカーボネート発泡体またはシンタクチック発泡体が、コア材料として使用され得る。蜘蛛の巣状亀裂は、回避されるべきであって、ポリウレタンの使用は、信頼性のある設計を提供する支援をする。

ある側面では、想定されるＣＷＰは、連続的である、すなわち、セクション間にフランジを有していない。

ＣＷＰは、球状軸受継手を介して、スパーに接続されるであろう。ＯＴＥＣ用途における冷水パイプ接続は、その全体で参照することにより本明細書に組み込まれる、Ａｖｅｒｙ ＆ Ｗｕ，“Ｒｅｎｅｗａｂｌｅ Ｅｎｅｒｇｙ ｆｒｏｍ ｔｈｅ Ｏｃｅａｎ，
ａ Ｇｕｉｄｅ ｔｏ ＯＴＥＣ，”Ｏｘｆｏｒｄ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ Ｐｒｅｓｓ，１９９４の第４．５項で説明されている。プラットフォームとしてスパーブイを使用することの有意な利点のうちの１つは、そうすることにより、最も過酷な１００年間の暴風雨条件でさえも、スパー自体とＣＷＰとの間に比較的わずかな回転をもたらすことである。加えて、スパーとＣＷＰとの間の垂直および横力は、球体とその座部との間の下向きの力が軸受表面を常に接触して保つようなものである。水封の役割も果たす、この軸受は、その噛合球面座部と接触しなくならないため、ＣＷＰを定位置で垂直に担持する機構を設置する必要性がない。これは、球面軸受設計を単純化するのに役立ち、また、そうでなければ任意の付加的なＣＷＰパイプ保持構造またはハードウェアによって引き起こされる、圧力損失を最小化する。球面軸受を通して伝達される横力はまた、ＣＷＰの垂直拘束を必要とすることなく適切に収容することができるほど十分に低い。

本明細書の実施形態は、浮動沖合船またはプラットフォーム内の多段階熱交換器を説明してきたが、他の実施形態が本発明の範囲内であることが理解されるであろう。例えば、多段階熱交換器および統合流路は、沿岸ベースのＯＴＥＣ施設を含む沿岸ベースの施設に組み込むことができる。また、温水は、温かい淡水、地熱で加熱された水、または産業排水（例えば、原子力発電所または他の工場からの放出された冷却水）であり得る。冷水は、冷たい淡水であり得る。本明細書で説明されるＯＴＥＣシステムおよび構成要素は、電気エネルギー生産に、または塩水の脱塩、浄水、深海水再生、水産養殖、バイオマスまたは生物燃料の生産、およびさらに他の産業を含む、他の使用分野において使用することができる。

図８は、原子力発電施設と前述の浮動スパー構造および統合ＯＴＥＣ施設とを組み合わせる本発明の実装を例示する。この実装は、スパーと一体である熱交換器ならびに関連付けられた温水および冷水配管を有する船またはプラットフォーム用のスパーと、構造の水上部分内に組み込まれる原子力発電所および蒸気サイクル発電システムとを備える。

前述のように、ＯＴＥＣスパー８１０は、ＯＴＥＣ発電所と併用するための一体多段階熱交換システムを格納する。スパー８１０は、水線８０５下方の浸水部分８１１と、水線８０５上方の水上部分８１２とを含む。浸水部分８１１は、温水取込口部分８４０と、蒸発器部分８４４と、温水放出部分８４６と、復水器部分８４８と、冷水取込口部分８５０と、冷水パイプ８５１と、冷水放出部分８５２と、機械デッキ部分８５４とをよびデッキハウス８６０とを備える。原子力発電所８６５は、デッキハウス８６０または水上構造８１２の任意の部分内に含むことができる。実施形態では、原子力発電所８６５は、部分的または全体的に、例えば、機械デッキ８５４の一部として、浸水構造８１１の中に組み込むことができる。

前述のように、ＯＴＥＣシステムの動作中、７５°Ｆから８５°Ｆの間の温海水が、温水取込部分３４０を通して引き込まれ、図示されていない構造的に一体の温水導管を通ってスパーを伝って流れる。ＯＴＥＣ熱機関の高容量水流要件により、温水導管は、５００，０００ｇｐｍから６，０００，０００ｇｐｍの間の流量を発器部分３４４に向ける。そのような温水導管は、６ｆｔから３５ｆｔ以上の間の直径を有する。このサイズに起因して、温水導管は、スパー８１０の垂直構造部材である。温水導管は、スパー８１０を垂直に支持することに十分な強度の大直径パイプであり得る。

代替として、温水導管は、スパー８１０の構造と一体である通路であり得る。

次いで、温水は、作動流体を蒸気に加温するために、１つ以上の積層多段階熱交換器を格納する蒸発器部分８４４を通って流れる。多段階熱交換器は、前述のハイブリッドカスケードシステムであり得る。次いで、温海水は、温水放出口８４６を介して、スパー８１０から放出される。温水放出は、環境影響を最小化するために、温水放出温度とほぼ同じ温度である海洋温度層における深度、またはそれに近い深度に、温水放出パイプを介して設置されるか、または向けられることができる。温水放出は、温水取込または冷水取込のいずれか一方を伴う熱再循環がないことを確実にするために、十分な深度に向けられることができる。

冷海水は、冷水パイプ８５１を介して、約４０°Ｆの温度で２５００から４２００ｆｔ以上の間の深度から引き込まれる。冷海水は、冷水取込部分８５０を介して、スパー８１０に流入する。ＯＴＥＣ熱機関の高容量水流要件により、冷海水導管は、５００，０００ｇｐｍから３，５００，０００ｇｐｍの間の流量を復水器部分８４８に向ける。そのような冷海水導管は、６ｆｔから３５ｆｔ以上の間の直径を有する。このサイズに起因して、冷海水導管は、スパー８１０の垂直構造部材である。冷水導管は、スパー８１０を垂直に支持することに十分な強度の大直径パイプであり得る。代替として、冷水導管は、スパー８１０の構造と一体である通路であり得る。

次いで、冷海水は、積層多段階復水器部分８４８へと上方に流れ、そこで、冷海水は、作動流体を液体に冷却する。次いで、冷海水は、冷水放出口８５２を介して、スパー８１０から放出される。冷水放出は、冷海水放出温度とほぼ同じ温度である海洋温度層における深度、またはそれに近い深度に、冷海水放出パイプを介して設置されるか、または向けられることができる。冷水放出は、温水取込または冷水取込のいずれか一方を伴う熱再循環がないことを確実にするために十分な深度に向けられることができる。

機械デッキ部分８５４は、蒸発器部分８４４と復水器部分８４８との間に垂直方向に配置することができる。蒸発器部分８４４の下に機械デッキ部分８５４を配置することにより、取込口から多段階蒸発器を通って放出口までのほぼ直線の温水流を可能にする。復水器部分８４８より上側に機械デッキ部分８５４を配置することにより、取込口から多段階復水器を通って放出口までのほぼ直線の冷水流を可能にする。機械デッキ部分８５４は、タービン発電機８５６を含む。動作中、蒸発器部分８４４からの蒸気に加熱された温かい作動流体は、１つ以上のタービン発電機８５６へと流れる。作動流体は、タービン発電機８５６の中で膨張し、それによって、電力の生産のためにタービンを駆動させる。次いで、作動流体は、復水器部分８４８へと流れ、液体にまで冷却され、蒸発器部分８４４へと送出される。

実施形態では、８５２における冷水放出は、ＯＴＥＣ熱機関の作動流体を復水した後においては、４５から６０°Ｆまでであり得る。例示的実施形態では、８５２における冷水放出は、約５０°Ｆであり得る。この５０度の水は、熱交換器または一連の熱交換器の中で使用され、原子力発電所８６５と関連付けられた蒸気タービンから出る排出された蒸気を復水することができる。

本発明のある側面では、使用済み蒸気は、原子力発電所８６５から、低圧蒸気線８７０を介して、復水器８７２に導かれる。復水器８７２は、シェルおよびチューブまたはキャビネット熱交換器等、従来の蒸気復水器−熱交換器であり得る。１つ以上の復水器８７２を使用することができる。ＯＴＥＣ復水器部分８４８に残った冷海水は、冷水放出口８５２を介して、スパー構造から放出される前に、蒸気サイクル復水器８７２を通して、完全にまたは部分的に迂回させられることができる。排出された蒸気が、復水され、蒸気サイクルのための給水を形成すると、給水は、蒸気サイクル内でのさらなる使用のために、蒸気復水器８７２から、原子力発電所８６５に戻るように送出することができる。

図７を参照すると、ハイブリッドカスケード熱交換サイクルを利用する例示的多段階ＯＴＥＣ熱機関７１０が提供される。温海水は、温水ポンプ７１２を介して、温海水取込口（図示せず）から送出され、約１，３６０，０００ｇｐｍおよび約７９°Ｆの温度でポンプから放出する。温水取込口から温水ポンプまで、および温水ポンプから積層熱交換器キャビネットまでの温水導管の全体または複数部分は、船の統合構造部材を形成することができる。

冷海水は、冷海水ポンプ７２２を介して、冷海水取込口（図示せず）から送出され、約８５５，００３ｇｐｍおよび約４０．０°Ｆの温度でポンプから放出する。冷海水は、約２７００から４２００ｆｔ以上までの間の海洋深度から引き込まれる。船の冷水取込口から冷水ポンプへ、および冷水ポンプから第１段階復水器へ冷海水を運ぶ冷水導管は、その全体で、または部分的に船の構造部材を備えることができる。

冷海水ポンプ７２２から、冷海水は、第１段階復水器７２４に流入し、そこで第４段階ボイラ７１７からの第４の作動流体を復水する。冷海水は、約４３．５°Ｆの温度で第１段階復水器に流入し、第２段階復水器７２５まで流れる。

冷海水は、約４３．５°Ｆで第２段階復水器７２５に流入し、そこで第３段階蒸発器７１６からの第３の作動流体を復水する。冷海水は、約４６．９°Ｆの温度で第２段階復水器７２５に流入し、第３段階復水器まで流れる。

冷海水は、約４６．９°Ｆの温度で第３段階復水器７２６に流入し、そこで第２段階蒸発器７１５からの第２の作動流体を復水する。冷海水は、約５０．４°Ｆの温度で第３段階復水器７２６から流出する。

次いで、冷海水は、第３段階復水器７２６から第４段階復水器７２７まで流れ、約５０．４°Ｆの温度で流入する。第４段階復水器では、冷海水は、第１段階蒸発器７１４からの第１の作動流体を復水する。次いで、冷海水は、約５４．０°Ｆの温度で第４段階復水器から流出し、最終的に、冷水放出口７７６を介して、船から放出する。冷海水の放出は、冷海水の放出温度とほぼ同じ温度、またはその温度の海洋深度における温度層に向けることができる。代替として、多段階蒸発器を格納する発電所の部分は、冷海水が適切な海洋温度層に放出されるように、構造内のある深度に設置されることができる。冷水放出口７７６は、全体的または部分的に、蒸気発電システムの蒸気サイクルと連絡する蒸気復水器に迂回されることができる。

代替実施形態も可能であって、例えば、ＯＴＥＣサイクルからの冷水放出は、蒸気復水器が、スパー８１０の水上部分８１２に設置されるように、完全にまたは部分的に、図８の原子力発電所の蒸気復水器に経由させることができることが理解されるであろう。これは、低圧蒸気配管を短縮し、蒸気サイクルを中央に設置されるよう維持することによって、原子力発電施設８６０の構築および動作を促進し得る。

図９は、例示的蒸気発電システム９０５の熱平衡図を例示する。本実施例では、蒸気発電機９１５は、原子力発電された熱源を使用することが理解されるであろう。熱は、石炭、ガス、およびディーゼル燃焼ボイラを含む、他の従来の手段を使用して、蒸気発電機／ボイラ９１５に提供することができる。図９に例示される実施例では、給水は、給水供給源９１０を介して、蒸気発電機／ボイラ９１５に供給される。給水は、高圧蒸気に放たれ、高圧蒸気線９１７を介して、高圧蒸気タービン９１９に搬送される。蒸気は、高圧蒸気タービン９１９を離れ、蒸気線９２０を介して、低圧蒸気タービン９２２に流入する。蒸気タービン９１９および９２２は、発電機９２５を駆動させる。排出された低圧蒸気は、低圧蒸気タービン９２２から流出し、低圧蒸気線９２４を介して、蒸気復水器９７２へと流れ、そこで、蒸気は、液体水に復水され、給水加熱器９３０を通って流れ、給水供給線９１０を介して、蒸気発電機／ボイラ９１５に戻る。

復水器９７２は、図７の冷水放出口９７０と連絡する。ＯＴＥＣ熱機関からの冷水は、蒸気復水器９７２内の冷却流体として使用される。ある実装では、６８°Ｆで０．３３９ｐｓｉａおよび２４０．５ｌｂ／ｓで復水器に流入する低圧蒸気は、１１，８４４ｌｂ／ｓおよび温度５０．０°Ｆで流れる冷却水供給源によって、従来の熱交換器内において、液体に復水され得る。冷却水は、温度６５°Ｆで、蒸気復水器９７２から水放出口９７６を介して放出する。

図７のＯＴＥＣシステムから得られる冷水放出は、ＯＴＥＣ熱交換サイクルの任意の段階から得られることが理解されるであろう。浮動構造が、本明細書において論じられるが、さらに、ＯＴＥＣシステムを蒸気サイクルと組み合わせる種々の側面は、沿岸ベースのＯＴＥＣ発電所、沿岸ベースの原子力、石炭、ガス、油、または他の石油燃焼発電所を含む、任意の沿岸ベースの施設において達成することができることが理解されるであろう。

ＯＴＥＣシステムからの冷水の一部が、蒸気復水器内等、別個の発電システムにおいて使用するために迂回される実施形態が説明された。ＯＴＥＣシステムからの冷水はまた、他の発電システムまたは産業処理システムからの種々の温水放出を冷却するために迂回されることができる。多くの沿岸ベースの発電および産業処理施設は、種々の冷却水システムが、環境内に放出し得る温度における規制制限に直面する。例えば、原子力発電所または石炭燃焼発電所から放出される冷却水は、貯水器、川、湖、または海洋に、自然環境条件にわたって２５°Ｆを上回って再流入することができない。これは、熱プルームまたは他の熱公害の形成を回避する。本発明の側面では、大容量のＯＴＥＣ冷却水を、完全にまたは部分的に迂回させ、発電施設または他の産業処理施設の温水放出と組み合わせ、その温水放出を規制対応内に低下させることができる。本発明の側面では、ＯＴＥＣサイクルからの冷水放出と他の温水放出との組み合わせは、組み合わされた水放出を環境温度に近づけ、それによって、熱プルームの形成を排除し、熱公害を大幅に低減させることができる。

本発明のさらなる側面では、発電所または産業処理設備の温水放出は、ＯＴＥＣシステムへの温水供給源として使用することができる。例えば、原子力、石炭、ガス、油、または他の石油燃焼発電所等の１つ以上の発電所から放出される温水は、中央温水貯水器内に回収することができる。温水貯水器は、前述のように、海洋から得られる温水の代わりに、ＯＴＥＣシステムへの温水供給源としての機能を果たすことができる。これは、ＯＴＥＣシステムが、海洋表面水温度が低過ぎる領域において使用して、ＯＴＥＣ運用を可能にすることができるという利点を有し得る。本発明の側面では、容量および温度に応じて、発電所または産業処理設備からの温水放出は、中央温水回収貯水器の必要なく、直接、ＯＴＥＣ発電所の温水システムに供給することができる。

本明細書において記述された全ての参考文献は、それらの全体が参照することにより組み込まれる。

他の実施形態も、以下の請求項の範囲内にある。

Claims (8)

1. 発電システムであって、
   前記発電システムは、
   冷水取込口の垂直方向上方に配置された冷水放出口を有する多段階復水システムを備えるＯＴＥＣ発電システムと、
   蒸気システムと
   を備え、
   前記蒸気システムは、
   高圧タービンと、
   低圧タービンと、
   前記高圧タービンおよび前記低圧タービンに接続された発電機であって、前記発電機は、前記高圧タービンおよび前記低圧タービンにより駆動される、発電機と、
   前記低圧タービンと流体的に連絡する蒸気入口と、前記多段階復水システムの前記冷水放出口と流体的に連絡する冷水入口とを有する蒸気システム復水器と
   を備える、発電システム。
2. 前記多段階復水システムは、７．２℃と１５．６℃との間の冷水放出温度を含む、請求項１に記載の発電システム。
3. 前記多段階復水システムは、１０．０℃の冷水放出温度を含み、前記多段階復水システムからの冷水は、１０．０℃で前記蒸気復水器に流入し、１８．３℃で前記蒸気復水器から放出される、請求項２に記載の発電システム。
4. 冷水システムの中の冷水は、まず、ＯＴＥＣ熱機関の中で作動流体を復水し、次に、前記蒸気システムの中で蒸気を復水する、請求項３に記載の発電システム。
5. 前記蒸気システムは、前記冷水システムと流体的に連絡する複数の蒸気復水器を含む、請求項１に記載の発電システム。
6. 浮動スパーを備える、請求項１に記載の発電システム。
7. 原子力発電所を備える、請求項６に記載の発電システム。
8. 原子力発電所が前記スパーのデッキハウスに設置されている、請求項６に記載の発電システム。