[科普中國]-海洋溫差發(fā)電

海洋溫差發(fā)電系利用海水的淺層與深層的溫差及其溫、冷不同熱源，經(jīng)過熱交換器及渦輪機來發(fā)電?，F(xiàn)有海洋溫差發(fā)電系統(tǒng)中，熱能的來源即是海洋表面的溫海水，發(fā)電的方法基本上有兩種：一種是利用溫海水，將封閉的循環(huán)系統(tǒng)中的低沸點工作流體蒸發(fā)；另一種則是溫海水本身在真空室內(nèi)沸騰。

概述海洋溫差發(fā)電系利用海水的淺層與深層的溫差及其溫、冷不同熱源，經(jīng)過熱交換器及渦輪機來發(fā)電?，F(xiàn)有海洋溫差發(fā)電系統(tǒng)中，熱能的來源即是海洋表面的溫海水，發(fā)電的方法基本上有兩種：一種是利用溫海水，將封閉的循環(huán)系統(tǒng)中的低沸點工作流體蒸發(fā)；另一種則是溫海水本身在真空室內(nèi)沸騰。兩種方法均產(chǎn)生蒸氣，由蒸氣再去推動渦輪機，即可發(fā)電。發(fā)電后的蒸氣，可用溫度很低的冷海水冷卻，將之變回流體，構成一個循環(huán)。冷海水一般要從海平面以下600～1000m的深部抽取。一般溫海水與冷海水的溫差在20℃以上，即可產(chǎn)生凈電力。1

從深海抽取的冷海水，不但溫度低（一般為4、5℃），無菌且富有養(yǎng)分，有多種用途，如產(chǎn)制淡水、冷凍、空調(diào)、養(yǎng)殖、制藥等，可提高海洋溫差發(fā)電以外的經(jīng)濟價值，這方面的應用稱為深海水利用（DOWA）。

海洋溫差發(fā)電系統(tǒng)分類封閉式系統(tǒng)封閉式循環(huán)系統(tǒng)系利用低沸點的工作流體作為工質(zhì)。其主要組件包括蒸發(fā)器、冷凝器、渦輪機、工作流體泵以及溫海水泵與冷海水泵。因為工作流體系在封閉系統(tǒng)中循環(huán)，故稱為封閉式循環(huán)系統(tǒng)。當溫海水泵將溫海水抽起，并將其熱源傳導給蒸發(fā)器內(nèi)的工作流體，而使其蒸發(fā)。蒸發(fā)后的工作流體在渦輪機內(nèi)絕熱膨脹，并推動渦輪機的葉片而達到發(fā)電的目的。發(fā)電后的工作流體被導入冷凝器，并將其熱量傳給抽自深層的冷海水，因而冷卻并且再恢復成液體，然后經(jīng)循環(huán)泵打至蒸發(fā)器，形成一個循環(huán)。工作流體可以反覆循環(huán)使用，其種類有氨、丁烷、氟氯烷等密度大、蒸氣壓力高的氣體冷凍劑。目前以氨及氟氯烷22為最有可能的工作流體。封閉式循環(huán)系統(tǒng)之能源轉(zhuǎn)換效率在3.3%～3.5%。若扣除泵的能源消耗，則凈效率在2.1%～2.3%。2

開放式系統(tǒng)開放式循環(huán)系統(tǒng)并不利用工作流體作為工質(zhì)，而直接使用溫海水。首先將溫海水導入真空狀態(tài)的蒸發(fā)器，使其部分蒸發(fā)，其蒸氣壓力約為3kPa（25℃），相當于0.03大氣壓力而已。水蒸氣在低壓渦輪機內(nèi)進行絕熱膨脹，做完功之后引入冷凝器，由冷海水冷卻成液體。冷凝的方法有兩種：一種是水蒸汽直接混入冷海水中，稱為直接接觸冷凝；另外一種是使用表面冷凝器，水蒸汽不直接與冷海水接觸。后者即是附帶制備淡水的方法。雖然開放式系統(tǒng)的能源轉(zhuǎn)換效率高于封閉式系統(tǒng)，但因低壓渦輪機的效率不確定，以及水蒸氣之密度與壓力均較低，故發(fā)電裝置容量較小，不太適合大容量發(fā)電。3

混合式系統(tǒng)混合式循環(huán)系統(tǒng)與封閉式循環(huán)系統(tǒng)有些類似，唯一不同的是蒸發(fā)器部分。混合式系統(tǒng)的溫海水系先經(jīng)過一個閃蒸蒸發(fā)器（flashevaporator，一種使流體急速壓縮，然后急速解壓而產(chǎn)生沸騰蒸發(fā)的設備），使其中一部分溫海水轉(zhuǎn)變?yōu)樗魵?；隨即將蒸氣導入第二個蒸發(fā)器（一種蒸發(fā)器與冷凝器的組合設備）。水蒸氣在此被冷卻，并釋放潛能；此潛能再將低沸點的工作流體蒸發(fā)。工作流體于此循環(huán)而構成一個封閉式系統(tǒng)。設計混合式發(fā)電系統(tǒng)的目的，在于避免溫海水對熱交換器所產(chǎn)生的生物附著。該系統(tǒng)在第二個蒸發(fā)器中還可以有淡水副產(chǎn)品的產(chǎn)出。同時，開放式發(fā)電系統(tǒng)的低容量缺點亦可獲得改善。

目前，世界上發(fā)展海洋溫差技術的國家不多，日本、法國、比利時等國已經(jīng)建成了一些海洋溫差能發(fā)電站，功率從100kW至5MW不等。日本在海洋溫差能研究開發(fā)方面投資力度很大，并在海洋熱能發(fā)電系統(tǒng)和換熱器技術方面領先于美國，迄今共建造了3座海洋溫差試驗電站，均為岸基式。預計到2010年全球?qū)⒂?030座海洋溫差能發(fā)電站問世。4

海洋溫差發(fā)電發(fā)展歷程溫差發(fā)電的構想早在1880年法國人達松發(fā)（1851～1940）就已提出，到了1929年他的學生克勞德（G.Claude）在古巴海岸建了一座22千瓦的海水溫差發(fā)電試驗工廠?？藙诘略囼灩S的動力系統(tǒng)用開放式循環(huán)（opencycle）（值得一提的是，該循環(huán)的一個主要優(yōu)點是可以從中得到淡水）?？藙诘碌暮Ｑ鬁夭畎l(fā)電廠最終以失敗告終，但卻從實驗上證明了海洋溫差發(fā)電的可行性。為了避免出現(xiàn)克勞德建造的海洋溫差發(fā)電站遇到的問題，1965年美國安德遜父子提出一種以丙烷為工質(zhì)的發(fā)電方法。

1979年美國最早開發(fā)了海洋溫差發(fā)電（Oceanthermalenergyconversion簡稱OTEC）系統(tǒng)，當時容量只有50kW。1981年計劃開發(fā)40MW的大型設備，并將其1MW中間機組投入試驗。美國50kWMINI-OTEC號海水溫差發(fā)電船，由駁船改裝，該發(fā)電機發(fā)出50kW的電力，大部分用于水泵抽水，凈出力為12-15kW。這是海洋熱能利用歷史性的發(fā)展。由于OTEC系統(tǒng)溫差較小，朗肯循環(huán)凈效率僅3%-5%。

日本通產(chǎn)省工業(yè)技術院“陽光計劃”中，由低溫差發(fā)電委員會對發(fā)電功率10萬千瓦級的海上浮體式發(fā)電站作了計劃，該發(fā)電站朗肯循環(huán)效率為3.44%，凈效率為2.04%。秘魯海水溫差發(fā)電站是日本“陽光計劃”的一部分，它采用的工質(zhì)不是氨，而是氟利昂HCFC22。20世紀80年代以來，日本開發(fā)了50kW、75kW、100kW等容量不同的發(fā)電設備，1996年還驗證了采用NH3/水的混合工質(zhì)循環(huán)試驗設備，以及設置在海洋水面上的發(fā)電設備。該電站建在岸上，最大發(fā)電量為120kW，獲得31.5kW的凈出力。

印度政府將海洋溫差能作為未來的重要能源之一進行開發(fā)，1997年印度國家海洋技術研究所與日本佐賀大學簽訂協(xié)議，共同進行印度洋海洋溫差能的開發(fā)，合作開發(fā)1MW的發(fā)電設備，進行仿真機驗證和評價后開發(fā)25-50MW的大型商業(yè)化設備，并準備在印度國內(nèi)投資建立商業(yè)化OTEC系統(tǒng)。1999年，在印度東南部海上，世界第一套1MW海洋溫差發(fā)電實驗裝置運轉(zhuǎn)成功。

1989年，臺灣向太平洋國際技術研究中心（PICHTR）提出在臺灣實施OTEC商業(yè)化戰(zhàn)略計劃，準備在臺灣島東部沿海建一座5MW的小規(guī)模OTEC試驗性發(fā)電廠。臺灣紅柴海水溫差發(fā)電廠計劃利用馬鞍山核電站排出的36-38℃的廢熱水與300m深處的冷海水（約12℃）的溫差發(fā)電。鋪設的冷水管內(nèi)徑為3m、長約3200m，延伸到臺灣海峽約300m深的海溝。預計電廠發(fā)電量為14.25MW，扣除泵等動力消耗后可得凈發(fā)電量約8.74MW。4

海洋溫差發(fā)電關鍵技術的發(fā)展迄今為止，海洋溫差發(fā)電技術在熱動力循環(huán)方式、高效緊湊型熱交換器、工質(zhì)選擇以及海洋工程技術等方面的研究均已取得長足的發(fā)展，很多技術已漸趨成熟。

1）熱交換器是海洋溫差發(fā)電系統(tǒng)的關鍵設備。鈦的傳熱及防腐性能良好，但是價格過于昂貴。美國阿貢國家實驗室的研究人員發(fā)現(xiàn)，在腐蝕性暖海水環(huán)境下，改進后的釬焊鋁換熱器壽命可以達到30年以上。板式熱交換器體積小，傳熱效果好、造價低，適合在閉式循環(huán)中采用。

2）最新的洛倫茲循環(huán)有機液體透平能在20-22℃溫差下工作，適用于閉式循環(huán)裝置中。洛倫茲循環(huán)的特點是熱效率高且接近實際循環(huán)，其透平采用兩種以上氟利昂混合物作為工質(zhì)，并配以適合的換熱器。

3）海洋溫差發(fā)電有岸基型和海上型兩類。岸基型把發(fā)電裝置設在岸上，把抽水泵延伸到500-1000m或更深的深海處。海上型是把吸水泵從船上吊下去，發(fā)電機組安裝在船上，電力通過海底電纜輸送。1979年美國在夏威夷西部海岸建成了一座mini-OTCE發(fā)電裝置，這是世界上首次從海洋溫差能獲得有實用意義的電力。太平洋高技術國際研究中心（PICHTR）還開發(fā)了利用冷海水進行空調(diào)、制冷及海水養(yǎng)殖等附屬產(chǎn)業(yè)，在熱帶島嶼顯示出良好的市場前景。

4）中國的海洋溫差能也比較豐富，但研究工作起步晚。1980年臺灣電力公司曾計劃將核電廠余熱和海洋溫差發(fā)電并用。1985年中國科學院廣州能源研究所開始對溫差利用中的“霧滴提升循環(huán)”方法進行研究。這種方法利用表層和深層海水之間的溫降來提高海水的位能。3

提高海洋溫差發(fā)電效率的方法與技術海洋溫差能屬低品位能源，與現(xiàn)有的生物化學能和核能相比，不能大規(guī)模商業(yè)化應用的主要原因是循環(huán)熱效率低。提高OTEC系統(tǒng)循環(huán)熱效率最有效的途徑是提高冷、溫海水的溫差，溫海水與冷海水的溫度差至少要在20℃以上才能實現(xiàn)海洋溫差發(fā)電。按海水表面25℃的平均溫度計算，5℃左右的冷海水一般取自千米左右的大洋深處，若要繼續(xù)擴大溫差，則深度會更深。這樣一來，不僅投資更大，可利用的海域面積也將大為減少。在海面建一座“浮標式”的太陽池，利用天然陽光“煮”上一池海水，再用水泵將海面的溫海水抽出，順著管道流經(jīng)被加熱的池底。如此一來，池底的高溫可將溫海水加熱至32℃，與洋底冷海水間的溫差可提高到27℃。這樣經(jīng)過太陽池的加熱，海洋溫差發(fā)電的效率即可提高10%，達到12%左右，性價比大幅提高。

目前，NoboruYamada[28]等的研究結果表明，使用5000m2太陽能集熱器，可使溫海水提高20K～40K，利用太陽能集熱器后的海洋溫差發(fā)電系統(tǒng)（SOTEC）朗肯循環(huán)凈效率由2.3%提高到6.3%-9.5%，年平均熱效率比傳統(tǒng)的OTEC循環(huán)系統(tǒng)凈效率高出1.5倍。該項技術可用于提高溫海水的溫度，即將溫水泵抽出的溫海水先送往太陽能集熱器加熱，溫度升高后再進入蒸發(fā)器加熱循環(huán)工質(zhì)；也可用于提高汽輪機入口處工質(zhì)的溫度，即將從蒸發(fā)器出來的工質(zhì)送到太陽能集熱器進行再熱后，送入汽輪機做功。無論用太陽能集熱器加熱溫海水還是加熱工質(zhì)，都是通過提高汽輪機入口工質(zhì)的溫度而使朗肯循環(huán)的效率提高。這樣，在機組裝機容量100kW不變的前提下，SOTEC系統(tǒng)朗肯循環(huán)效率的提高，使得冷海水的質(zhì)量流率降低，導致冷海水泵的耗功比OTEC的降低了30%左右，溫海水泵和循環(huán)工質(zhì)泵的耗功也相應減小。因此，SOTEC的凈輸出功高于OTEC系統(tǒng)。3

海洋溫差發(fā)電技術難題海洋溫差發(fā)電存在著若干技術難題，它們是制約技術發(fā)展的瓶頸。

1）熱交換器表面容易附著微生物使表面換熱系數(shù)降低，這對整個系統(tǒng)的經(jīng)濟性影響極大。BergerLR等的研究結果表明，換熱器管道中附著25-50μm微生物時，換熱率降低40-50%。美國阿貢實驗室發(fā)現(xiàn)，每天進行1小時的間斷加氯，可有效控制生物體附著。但這種方法對環(huán)境有一定影響，因此仍有待于尋找更合適的方法。科學家在1977年的一項模擬換熱器實驗中，換熱器工作十周后，盡管換熱器表層附著物很薄，系統(tǒng)的熱傳導仍有明顯的降低。1985年夏威夷的實驗研究證實，雖然定期對微生物進行清掃可以清除大部分附著的微生物，但長期使用后換熱器表面仍有一層堅硬的附著層不能通過簡單清掃清除。另外一項研究表明，使用含有添加劑的海面橡膠可以有效去除附著于系統(tǒng)中的微生物，然而這樣會使微生物附著并生長速度加快，清掃工作將會越來越頻繁。

2）冷水管是未來OTEC技術發(fā)展面臨的極大挑戰(zhàn)。冷水管必須有足夠的強度，以保證30年使用壽命。冷水管的保溫性能也要好，以免冷海水溫度升高影響熱效率。這些問題現(xiàn)在還沒有完全解決。

3）要達到海洋溫差能的商業(yè)規(guī)模利用，并實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，除了解決技術上的難題以外，還需要考慮另外一些因素。如自然條件和地理位置，只有在赤道附近一定范圍內(nèi)的海域，表層海水溫度達到25℃以上，才適宜海洋溫差發(fā)電。如果發(fā)電位置與負荷中心距離太遠，勢必加大輸電成本；風速、海浪、洋流等影響表面溫度穩(wěn)定的因素都對裝置的整體效率帶來直接影響。4

本詞條內(nèi)容貢獻者為:

郭亮 - 副教授 - 中國海洋大學