温差发电方法和温差发电设备技术领域
本发明涉及新能源的技术领域，尤其涉及温差发电方法和温差发电设备。
背景技术
温差式发电技术是在新能源技术探索中，研究出的一种较为前沿的发电技
术，其原理是借助外部介质的温差，使工质做功，最终推动叶轮转动发电。例
如海洋温差发电技术，由于热带区域的海洋表层与几百至上千米深处之间存在
着基本恒定的20～25℃的温差，为发电提供了一个总量巨大并且非常稳定的冷
热源。目前，全世界海洋温差能的理论估计储存量为100亿千瓦，所以OTEC在
1981年的联合国新能源和可再生能源会议中确认为所有海洋能转换系统中最
重要的新能源系统。
在现有技术的海洋温差发电法，原理是利用温度较高的海水通过蒸发器将
低沸点工质汽化，然后利用工质的蒸汽推动汽轮发电机组发电，完成后再利用
温度较低的海水通过冷凝器将工质汽冷却回液态，并采用工质泵将该液态的工
质泵回蒸发器，如此往复进行发电。在海洋温差发电领域，无论是用朗肯循环
还是上原循环等等，都是利用透平汽轮机带动发电机来进行发电的，在小温差，
如11℃到25℃之间的环境下，由于小温差环境下工质前后体积变化小，导致压
差小，最后蒸汽循环的汽轮机做功发电的效率低。并且常规汽轮机在这种工况
下热功转换效率本身较低，如果需要提升功率，只能采用体积庞大的叶轮，或
者采多叶轮排列，在海面上形成庞大的汽轮机采能场，导致建设成本和设备成
本提高；膨胀做功后气体被冷源液化后，还需要消耗较多的电力把液体重新压
入蒸发器进行循环，在温差较小的情况下耗费的电力与发出的电力相较，已经
失去了温差发电工程的意义。
因此，采用现有的海洋温差发电的方法进行发电，发电效率低，发电成本
高，无法商业化有效的利用海洋温差进行发电。
发明内容
本发明的目的在于提供温差发电方法，旨在解决现有技术的温差发电方式
发电成本高，发电效率低的问题。
本发明是这样实现的，温差发电方法，用于利用介质的温差使工质推动叶
轮转动做功进行发电，包括以下步骤：
1)借助较高温的所述介质加热所述工质，使所述工质被汽化上升至较高位
置；
2)借助较低温的所述介质冷却气化上升的所述工质，使所述工质在较高位
置冷凝为液态；
3)导流液态的所述工质使其较高位置下落，推动叶轮机转动做功发电；
4)导流并集中做功完成后的工质，重复步骤1)。
与现有技术相比，本发明中的海洋温差发电方法，先加热工质，待其上升
后冷凝液化，利用其重力势能推动叶轮转动发电。这种发电方式，对小温差环
境适应性强，对叶轮要求低，相应地发电成本低，发电效率高，而且易于推广，
可以有效的利用广泛的温差资源，例如海洋温差、地表空气温差等进行发电。
本发明还提供了温差发电设备，利用介质的温差使工质推动叶轮转动做功
进行发电，包括可使所述工质先加热上升然后冷凝成为液态的转化装置和用于
引导转化成液态的所述工质推动所述叶轮转动的导流管，所述转化装置内部开
设有包括可供所述工质受热上升的内腔，还包括可借助较高温所述介质进行热
交换的加热结构以及可借助较低温所述介质进行热交换的冷却结构，所述加热
结构设置于所述转化装置下端，所述冷却结构设置于所述转化装置上端，所述
导流管竖直设置，其上端连通至所述内腔的上部，其下端设有叶轮腔，所述叶
轮设置于所述叶轮腔内，所述叶轮腔下端连通至所述内腔下部。
本发明中的温差发电设备，其转化装置内部控制压强环境，外部抽取具有
温差的介质与工质进行热交换，先使工质先在气态状态下沿内腔加热上升，然
后在高处冷凝转化为液态，流下推动叶轮，利用其重力势能进行发电。发电原
理简单，对小温差环境适应性好，发电效率高、成本低。
附图说明
图1为本发明实施例一提供的温差发电设备的整体结构示意图；
图2为本发明实施例一提供的温差发电设备的另一种控温结构原理图；
图3为图1中接口加压装置的结构示意图；
图4为图1中另外一种接口加压装置的结构示意图；
图5为本发明实施例二提供的温差发电设备的整体结构示意图；
图6为图5中加热结构在水平方向延伸示意图。
图7为本发明实施例三提供的深海温差发电设备的整体结构示意图；
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实
施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅
仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
以下结合具体附图对本实施例的实现进行详细的描述。
实施例一：
本实施例提供了温差发电方法，采用300-1000米下的冷海水作为较低温介
质，洋表层100-200米热海水作为较高温介质，二氧化碳作为主要工质进行发
电，包括以下步骤：
1)借助较高温的介质，即抽取的较高温海水，通过热交换加热工质，使其
气化上升；
2)借助较低温的介质，即抽取的较低温海水，通过热交换冷却气化上升的
工质，使其冷凝为液态；
3)导流液态的工质从高处流下，推动叶轮机转动做功发电；
4)导流集中做功完成的工质，重复步骤1)。
本实施例中最后参与做功发电的介质为液态，借助其重力势能进行发电，
而现有技术中是依靠气态的介质体积变化进行发电，二者相比，本实施例中采
用的方法对叶轮本身的要求低，功能转化效率高，而且更加适应温差较小的环
境下发电，其成本低，发电效率高。
本实施例中采用的工质为二氧化碳，在实际使用中，还可以根据压强、温
度的条件，在二氧化碳中参杂水蒸气和/或雾化的小水珠作为次要工质，利用二
氧化碳受热的升力携带水蒸气或水蒸气凝结的小水珠共同上升，水和二氧化碳
还具有小部分形成碳酸的结合力，这些因素可共同提高热能转换为重力势能的
热效率，增加总的重力势能，从而提高发电效率。
以下结合本实施例提供的温差发电设备1，详细进行说明。如图1所示，
温差发电设备1，包括转化装置和导流管12，转化装置包括内腔、加热结构132
和冷却结构131。内腔沿竖直方向延伸，内部容纳有二氧化碳作为工质。转化
装置下端设有加热结构132，加热结构132可借助较高温的海水加热该位置，
使位于该位置的工质受热并且沿内腔上升；上端设有冷却结构131，冷却结构
131可借助较低温的海水冷却该位置，使位于该位置的工质冷凝。导流管12竖
直设置，上端连通至内腔的上部，可供冷凝后的工质流出，下端设有叶轮腔122，
叶轮设置于叶轮腔122内，叶轮腔122下端连通至内腔下部，可将做功完成后
的工质导流回内腔的下端。
温差发电设备1的发电流程为：
(1)位于内腔下端的工质(最初状态，此时工质为液态)，在加热结构
132的加热下，液态工质汽化，温度升高，来自较热海水的温度转化为工质的
内能，同时由于气态工质受热密度减小，在气体浮力推动下上升至内腔上端；
(2)气态的工质在冷却结构131降温下，转化为液态，将内能转化为重力
势能；
(3)液态工质进入导流管12，竖直流下推动叶轮转动做功，叶轮将工质
的重力势能转化为动能，继而传递至发电机转化为电能，实现发电；
(4)流经叶轮腔122的液气混合工质，再次进入转化管11内腔下端，重
复步骤(1)。
本实施例中的温差发电方式并非直接借助加热的气态工质的推动叶轮转动
进行做功，而是利用加热的气态工质上升，再冷凝为液态，将气态工质的内能
转化为液态工质的重力势能，最后液态的工质从高处流下推动叶轮转动进行发
电。由于物质沸点与压强、气温都有关系，即使应用在温差较小的环境，也可
以通过较大的压强实现工质的物理状态改变，对小温差的发电环境适应能力好，
发电效率高。与现有技术中的温差发电方式相比，单位体积工质做功更多，发
同样的电需要的叶轮面积更小，大大降低了设备成本和建设成本，也降低了最
终的发电成本，易于建设推广，可以真正的将海洋的温差变成可以商业化运行
的发电能量来源。
如图1所示，本实施例中的转化装置包括转化管11，转化管11相当于整
根管材弯折形成，其具有依次连接的三段：上连接段112、竖直段111和下连
接段115，其中竖直段111在空间中竖直设置，其内部的空腔即为可供工质上
升的内腔；上连接段112连接在竖直段111的上端，其端部连接于导流管12
的上端，该段设有加热结构132；下连接段115连接在竖直段111的下端，其
端部连接于叶轮腔122的下端，该段设有冷却结构131。工质在下连接段115
内受热，经过竖直段111上升，进入上连接段112后被冷却，最后进入导流管
12。
由于转化管11本身内径较小，可承受较大的压强，可以通过其他压强结构
预先将转化管11内加压，使其内部为高压环境，由于压强越高，工质越容易从
气态凝结为液态，因此可以选择常温下为气态的物质作为工质，例如二氧化碳、
乙烷、乙烯等，这些物质本身沸点低于常温，较为容易受热气化，即使提供的
较低温海水温度无法达到工质的沸点，在较高的压强下也可以实现工质液化。
具体地，本实施例采用二氧化碳为工质，由于系统需要用到大量的二氧化碳工
质，需要保证液态二氧化碳的体积至少两倍于发电引流管17的体积，例如实际
应用时，若发电引流管17的截面面积是3平方米，高度是1000米，则至少需
要6000立方米体积的液态二氧化碳。
为了满足发电的需求，竖直段111的最低高度为100米，最佳高度为600
米至1000米之间。
如图1所示，由于上连接段112和下连接段115本身为管状，加热结构132
和冷却结构131相应的设置为紧贴其管外壁的管状结构，其内部可流经海水，
与转化管11的相应部分发生热交换。相关温度的海水供应只需借助抽水泵和水
循环管道即可使实现，将其对应的进水口放置于所需温度的海水层，直接抽取
使用，使用完成后排放至周围海水即可，这种抽水循环结构为成熟现有技术，
在后述部分如不特别指明，较高温海水和较低温海水均由该抽水循环结构提供，
下文中不做赘述。
如图2所示，加热结构132和冷却结构131也可以采用螺旋式，即在正常
管路内设置螺旋管路，充分提高工质和海水的接触面积，在实际应用中，可以
根据具体的制热、制冷需要，将螺旋管内充入工质，螺旋管外充入海水，或者
在螺旋管内充入海水，螺旋管外充入工质，这种热交换方式与图1所示的外壁
式相比，降低了流速，增加了热交换效率，可以根据实际的海水的温差环境，
择优使用。
如图1所示，转化管11的竖直段111包括多级单元管1111，多个单元管
1111沿竖直方向排列并依次连接。在各单元管1111的外侧壁上部设有冷却结
构131，外侧壁下部设有加热结构132，并且各相邻单元管1111之间的连接处
设有接口加压装置114。在多级单元管1111上，冷却结构131依次串联，加热
结构132也依次串联，并且高温海水首先从最下端的加热结构132，即下连接
段115上设置的加热结构132流入，依次流经各加热结构132；低温海水从最
上端的冷却结构131，即上连接段112上设置的冷却结构131流入，依次流经
各冷却结构131。
在每级单元管1111的内部，工质均历经液态—气态—液态的转化过程，即
在单元管1111底部，工质处于液态，在加热结构132的加热下，转化为气态上
升至单元管1111的顶部，然后在冷却结构131的冷却下，又转化为液态，并且
通过接口加压装置114进入相邻且位于竖直方向上方的另一单元管1111下端，
在该单元管1111内重复上述过程。为了便于叙述，将单元管1111自下而上称
为第一级、第二级、第三级……，本实施例中共设置有五级，以第一级和第二
级为例说明其结构。
在第一级的单元管1111上，其加热结构132内的海水温度直接来自于下连
接段115上的加热结构132，在各级单元管1111中，其享受的海水温度最高，
当工质被加热后自下而上进入第二级单元管1111时，在第二级单元管1111的
加热结构132中的海水经过第一级的消耗，虽然已经降低了一部分温度，但是
还具有较高的温度，可以对第二级的单元管1111继续加热，依次类推形成多级
式采热。相应地，在第二级单元管1111的冷却结构131中的海水虽然已经吸热
升温，但温度仍然较低，继续进如第一级单元管1111上的冷却结构131进行降
温。从整个垂直段上的多级串联式结构来看，越靠近下端加热效果越好，工质
越容易蒸发，越靠近上端，冷却效果越好，工质越容易冷凝，符合高温加热上
升到低温冷凝液化的整体趋势。在级数较高的单元管1111所处的海域，已经靠
近海洋表层100-200米热海水层，也可以不经过前几级单元管1111的加热结构
132，直接从该层采集热海水作为较高温介质，实际应用中将这些级数较高的单
元管1111的加热结构132独立作为另外一套串联系统，单独输送热海水即可。
这种多级式单元管1111的方式，相当于在转化管11的垂直段内，按照一
定的长度分为多个温差能采集段进行温差梯度式采集。每段的下半端为加热段，
上半端为制冷段，与热海水和冷海水进行热交换，每一段都经历液态二氧化碳
在下半端逐步汽化膨胀上升，在上半端逐步液化收缩，形成从下往上的压差推
动汽流往上运动，温差热能最终转换为液态二氧化碳重力势能。对较高温的海
水而言，下一段的海水流出后，温度降低几度，可流入上一段继续利用；对较
低温的海水而言，上一段的海水流出后，温度上升几度，可流入下一段继续利
用，结合海洋温度随深度的变化特征，可形成如20℃、16℃、12℃、8℃
等的温差利用段，对海洋温差能进行多级温差利用，即多级式采集。多级式采
集可大幅度提高海洋温差能的热能利用率，使温差多次做功，单位海水采能面
积提供的热量，让工质可以上升的实际高度更高，即转化的重力势能更多，最
后发电的效率也更高。
当工质由单元管1111进入其上方单元管1111的时候，由于在下方单元管
1111上部为冷却状态，工质的压强较低，而在上方单元管1111下部为加热状
态，工质的压强较高，所以需要接口加压装置114，在工质经过两单元管1111
连接处时提升其压强，抵消两单元管1111之间的压强差，使工质能顺利的自下
而上进入另外一级单元管1111。
接口加压装置114可由多种结构实现，例如图3所示的动力加压式，其内
部设有用于增加的增压泵，工质经过增压泵1144时，增压泵1144输出动力增
加其压力；或者如图4所示，采用重力加压式，包括通过管道1143连通的第一
接口1141和第二接口1142，第一接口1141的位置高于第二接口1142，在相互
连接的两单元管1111中，第一接口1141连接于下方的单元管1111上端，第二
接口1142连接于上方的单元管1111下端。从下方的单元管1111上升的工质进
入第一接口1141，通过管道1143沿箭头所示方向下降一部分高度，从第二接
口1142流出进入上方的单元管1111，其原理是将工质的一部分重力势与前述
的压强差抵消，使其能顺利的进入上方的单元管1111。
为了提高发电效率，本实施例还采用了多条转化管11同时工作的模式，即
多方式采能。如图1所示，多条转化管11以导流管12为轴线，空间上围绕设
置在其外周，各自结构相同。在导流管12上端设有上部集液器121，各组转化
管11的上连接段112均连通于上部集液器121，从各转化管11流出的液态工
质汇集到上部集液器121中，然后进入导流管12。多条转化管11提高了空间
利用率，也大大增加了海水中单位采能面积内的采能效率，整体的发电成降低，
使其更易实际推广，进行商业建设。
如图1所示，为了便于维护，温差发电设备1还包括护理容器116，护理
容器116连接于导流管12的下端，在对温差发电设备11整体护理时，可将工
质排入护理容器116中进行储藏，使温差发电设备1的维护过程更为容易，且
工质不易泄露。
本实施例中的温差发电设备1，其特点主要在于能量采集积累和统一发电。
基于海洋温差能温差小、能量密度低，但热能总量多，取之不尽的特点，以二
氧化碳作为工质，在海洋温度范围内，利用1℃温差可使二氧化碳气体升高
100多米的放大效应，用温热海水加热液态二氧化碳使其汽化升高到一定的高
度，再用冷海水或冷空气将其冷却变为液态，将小温差热能转换为二氧化碳的
液态重力势能。热能转化成重力势能的过程自身消耗能量极少，可以把大量的
小温差热能积聚为液态二氧化碳的重力势能，能量密度提高，采用这种小温差
放大为大的势能差作为海洋温差能的采集方法，在一定的海洋采能面积内，结
合多级式和多方式采能，对海洋温差能进行高效的采集积累，积累为二氧化碳
的液态重力势能，然后通过叶轮发电机组发电以将所积累的二氧化碳液态重力
势能统一转化成电能，这种大功率统一发电的方式有效的提高能量转换率。采
用这种海洋温差发电方法，可大幅度提高了海洋温差能的热能利用率，为海洋
温差能处于小温差条件下的热能利用提供一种行而有效的方法。
实施例二：
本实施例的温差发电设备1a，其主要应用于较为寒冷地带，由于寒冷地带
空气温度较低，尤其在深冬，高空的空气和海面下的海水温度温差较大，可以
借助其温差进行发电。在具体实施中，温差发电设备1a的下端设置在海面下，
以从该处采集到的4～5摄氏度的海水作为较高温的介质，上端延伸到高空，以
高空中低于0摄氏度的空气作为较低温的介质。
如图5所示，本实施例中的温差发电设备1a与实施例一中的温差发电方法
原理相同，整体结构与实施例一中的温差发电设备1也大体相同，只有以下部
分存在差异：
1、冷却介质不同，实施例一中，需要从深海抽取低温海水供冷却用，而本
实施例中直接借助外界的寒冷空气进行冷却。
2、控温结构不同，由于本实施例中直接借助外界寒冷空气进行冷却，所以
可采用结构更简单冷却结构131a，例如安装相应的散热片结构，增加散热效率，
提高冷热交换速度，也可以直接依靠转化管11a本身与外界的热交换进行冷却。
3、无多级单元管结构，由于整体环境较为寒冷，即使是海水中抽出的作为
热源的热海水，其温度也非常有限，而实际液化工质，更多的是依靠更高的压
强，所以没有必要设置多级上升的单元管；
4、如图5所示，在竖直段111a的中部设置中部输出管117，相应地，导
流管12a中部也对应设置有中部集液器123，中部输出管117连接至中部集液
器123。
5、如图6所示，在海水中的加热结构132沿着流体的方向稍微往上提升，
有利于工质液体的汽化和气体的顺畅通行。
本实施例中的温差发电设备1a在四季都可以保持较低的气温的地区，可以
依靠外界的冷空气冷却，恒定持续的使工质转化持续发电；而在温度环境一年
四季有变化的区域，例如北方邻海的寒冷地区，其温差的差异也随着气温而变
化，在温差较小的时候，工质难以上升到转化管11a的最高处，导致发电效率
大大降低，而转化管11a中部设置的中部输出管117，可使工质可以在上升到
转化管11a中部时，即通过进入导流管12a的中部集液器123，从而进行发电。
虽然降低了工质实际上升的高度，但是增加了实际参与做工的工质总量，使本
实施例中的温差发电设备1a在温差较小的环境下，也能进行一定程度的发电，
对环境的适应性更强。
本实施例中的温差发电设备1a也可以应用于寒冷地区的陆地上，借助附近
可采用的热源，例如温泉、地热等作为介质进行发电，对环境的适应性较强，
是易于商业推广的温差发电技术。
实施例三
本实施例中的温差发电设备1b，应用于深海(深度超过500米)中，以深
海中的低温海水作为较低温介质，从浅海处抽取的海水作为较高温介质。
由于深海中的压强较大，其本身提供的压强已经可以使工质容易液化，所
以实际设备的抗压要求由抗内压转变为抗外压，所以本实施例中用内径较大的
容器式转化装置即主体11b，代替实施例一中的管式转化装置，由于主体11b
的横截面面积远大于转化管，自身具有较高的采集温差的效率，无需采用多方
式设计，单体式悬浮在深海中即可。
如图6所示，导流管12b位于主体11b的内腔中部，工质容纳于内腔中。
导流管12b的上端设有集液器121，下端设有封闭的叶轮腔122，叶轮腔122
内设有叶轮，叶轮腔122的下端与内腔连通。加热结构132b为设置在内腔下端
的加热仓，加热仓内可存放较高温海水，其散发的热量可直接加热工质；冷却
结构131b为设置在内腔上端的多根冷凝管，各冷凝管的一端连通于内腔，中部
延伸出主体11b外与外部的较低温海水接触，另一端延伸入内腔并且连通至集
液器121。
其采用的温差发电方法与实施例一相同，具体详细步骤为：
1、工质在内腔下端被加热结构132b加热后变成气态，上升至内腔的上端；
2、工质在内腔上端进入冷却结构131b冷却后变为液态，进入集液器121b；
3、工质从集液器121b进入导流管12b，并推动叶轮发电；
4、发电完成后的工质流入内腔下端，重复步骤1。
本实施中主要的转化过程发生在主体11b的内腔，与管道式相比，其热交
换更为容易，故不需要设置外部热交换结构，只需要在内腔下部设置加热仓，
将较高温的海水存放于内，其散发的热量即可实现对工质的加热。而冷凝部也
可以采用类似的结构，但是由于深海中主体11b所处位置，其外侧的海水已经
足够提供冷却，无需专门设置抽取较低温海水再容纳的结构。本实施例中采用
冷凝管式结构，冷凝管中部先扬后然后下降，较高温的工质本身具有上升力，
会随着其上升自动进入冷凝管，并沿着冷凝管进入外部的深海环境中进行热交
换，冷却后再流回内腔内，进入集液器121，从而进行发电。这种冷凝方式不
仅冷凝效率高，而且无需相关抽水容纳结构，从而降低了结构复杂程度和建设
成本。
本实施例中的温差发电设备1b本身不需要额外的调整压强设备，在深海中
具有发电效率高，发电成本低的优点，能开发利用其它设备难以利用到的深海
温差资源，可以在深海资源丰富的海域建设推广。
为了能调节主体11b在深海中的深度，本实施例中的温差发电设备1b还包
括用于提供浮力的浮体装置118，浮体装置118内部设有配重腔，外侧壁设有
海水阀1181，下端连接于与主体11b上端。海水可通过海水阀1181进入配重
腔，通过改变配重腔内海水的多少，可以改变浮体装置118的浮力，即可改变
主体11b悬浮在深海处的深度，以满足不同的压强、温差需求。
以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的
精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保
护范围之内。