[科普中國]-海洋溫差能

在各種海洋能之中，海洋溫差能屬于海洋熱能，其能量的主要來源是蘊藏在海洋中的太陽輻射能。海洋溫差能具有儲量巨大以及隨時間變化相對穩(wěn)定的特點，因此，利用海洋溫差能發(fā)電有望為一些地區(qū)提供大規(guī)模的、穩(wěn)定的電力。1

概述利用現(xiàn)狀海洋熱能主要來自于太陽能。世界大洋的面積浩瀚無邊，熱帶洋面也相當(dāng)寬mini—OTEC廣。海洋熱能用過后即可得到補充，很值得開發(fā)利用。據(jù)計算，從南緯20度到北緯20度的區(qū)間海洋洋面，只要把其中一半用來發(fā)電，海水水溫僅平均下降l℃，就能獲得600億千瓦的電能，相當(dāng)于目前全世界所產(chǎn)生的全部電能。專家們估計，單在美國的東部海岸由墨西哥灣流出的暖流中，就可獲得美國在1980年需用電量的75倍。

如何有效地利用海水溫度差能量來為人類服務(wù)呢？法國的Arsened Arsonval于1881年首次提出海洋溫度差發(fā)電的構(gòu)想。即發(fā)明利用海水表層（熱源）和深層（冷源）之間的溫度差發(fā)電的電站。于是1930年Claude在古巴的近海，首次利用海洋溫度差能量發(fā)電成功，但是，由于發(fā)電系統(tǒng)的水泵等所耗電力比其所發(fā)出的電力更大，結(jié)果純發(fā)電量為負值。然而人們并沒有泄氣。1979年，夏威夷的MINI-OTEC發(fā)電系統(tǒng)第一次發(fā)出了15kW的凈發(fā)電容量[1]。

發(fā)電原理海水溫差發(fā)電技術(shù)，是以海洋受太陽能加熱的表層海水（25℃～28℃）作高溫?zé)嵩?，而?00米～l000米深處的海水（4℃～7℃）作低溫?zé)嵩矗脽釞C組成的熱力循環(huán)系統(tǒng)進行發(fā)電的技術(shù)。從高溫?zé)嵩吹降蜏責(zé)嵩?，可能獲得總溫差15℃～20℃左右的有效能量。最終可能獲得具有工程意義的11℃溫差的能量。

早在1881年9月，巴黎生物物理學(xué)家德·阿松瓦爾就提出利用海洋溫差發(fā)電的設(shè)想。1926年11月，法國科學(xué)院建立了一個實驗溫差發(fā)電站，證實了阿松瓦爾的設(shè)想。1930年，阿松瓦爾的學(xué)生克洛德在古巴附近的海中建造了一座海水溫差發(fā)電站。

1961年法國在西非海岸建成兩座3500千瓦的海水溫差發(fā)電站。美國和瑞典于1979年在夏威夷群島上共同建成裝機容量為1000千瓦的海水溫差發(fā)電站，美國還計劃在跨入21世紀時建成一座100萬千瓦的海水溫差發(fā)電裝置，以及利用墨西哥灣暖流的熱能在東部沿海建立500座海洋熱能發(fā)電站，發(fā)電能力達2億千瓦[3]。

分類根據(jù)所用工質(zhì)及流程的不同，一般可分為開式循環(huán)、閉式循環(huán)和混合式循環(huán)，接近實用化的是閉式循環(huán)方式。

該系統(tǒng)主要由、冷凝器、蒸發(fā)器、汽輪機、發(fā)電機組等。

真空泵將系統(tǒng)內(nèi)抽到一定真空，起動溫水泵把表層的溫海水抽入蒸發(fā)器，由于系統(tǒng)內(nèi)已保持有一定的真空度，所以溫海水就在蒸發(fā)器內(nèi)沸騰蒸發(fā)，變?yōu)檎羝?。蒸汽?jīng)管道由噴嘴噴出推動汽輪機運轉(zhuǎn)，帶動發(fā)電機發(fā)電。從汽輪機排出的廢汽進入冷凝器，被由冷水泵從深層海水中抽上的冷海水所冷卻，重新凝結(jié)為水，并排入海中。在該系統(tǒng)中作為工質(zhì)的海水，由泵吸入蒸發(fā)器蒸發(fā)到最后排回大海，并未循環(huán)利用，故該工作系統(tǒng)稱為開式循環(huán)系統(tǒng)。

在開式循環(huán)系統(tǒng)中，其冷凝水基本上是去鹽水，可以做為淡水供應(yīng)需要，但因以海水作工作流體和介質(zhì)，蒸發(fā)器與冷凝器之間的壓力非常小，因此必須充分注意管道等的壓力損耗，同時為了獲得預(yù)期的輸出功率，必須使用極大的透平（可以和風(fēng)力渦輪機相比）。

閉式循環(huán)該系統(tǒng)不以海水而采用一些低沸點的物質(zhì)（如丙烷、異丁烷、氟利昂、氨等）作為工作流體，在閉合回路中反復(fù)進行蒸發(fā)、膨脹、冷凝。因為系統(tǒng)使用低沸點工作流體，蒸汽的壓力得到提高。

系統(tǒng)工作時，溫水泵把表層溫海水抽上送往蒸發(fā)器，通過蒸發(fā)器內(nèi)的盤管把一部分熱量傳遞給低沸點的工作流體，例如氨水，氨水從溫海水吸收足夠的熱量后，開始沸騰并變?yōu)榘睔猓ò睔鈮毫s為9.5×10^4Pa）。氨氣經(jīng)過汽輪機的葉片通道，膨脹作功，推動汽輪機旋轉(zhuǎn)。汽輪機排出的氨氣進入冷凝器，被冷水泵抽上的深層冷海水冷卻后重新變?yōu)橐簯B(tài)氨，用氨泵把冷凝器中的液態(tài)氨重新壓進蒸發(fā)器，以供循環(huán)使用。

閉式循系環(huán)統(tǒng)的工作流體要根據(jù)發(fā)電條件（渦輪機條件、熱交換器條件）以及環(huán)境條件等來決定。已用氨、氟利昂、丙烷等工作流體，其中氨在經(jīng)濟性和熱傳導(dǎo)性等方面有突出優(yōu)點，很有競爭力，但在管路安裝方面還存在一些問題。

閉式循環(huán)系統(tǒng)的優(yōu)點是：(1)、可采用小型渦輪機，整套裝置可以實現(xiàn)小型化；(2)、海水不用脫氣，免除了這一部分動力需求。其缺點是：因為蒸發(fā)器和凝汽器采用表面式換熱器，導(dǎo)致這一部分體積巨大，金屬消耗量大，維護困難。

混合循環(huán)該系統(tǒng)基本與閉式循環(huán)相同，但用溫海水閃蒸出來的低壓蒸汽來加熱低沸點工質(zhì)。這樣做的好處在于減少了蒸發(fā)器的體積，可節(jié)省材料，便于維護。

從海洋溫差發(fā)電設(shè)備的設(shè)置形式來看，大致分成陸上設(shè)備型和海上設(shè)備型兩類。陸上型是把發(fā)電機設(shè)置在海岸，而把取水泵延伸到500～1000米或更深的深海處。例如1981年11月，日本在太平洋赤道地區(qū)的瑙魯共和國修建的世界上第一座功率為100千瓦的岸式熱能轉(zhuǎn)換站，即采用一條外徑為0.75米、長1250米的聚乙烯管深入580米的海底設(shè)置取水口。這種設(shè)置形式很有發(fā)展前途。海上型是把吸水泵從船上吊掛下去，發(fā)電機組安裝在船上，電力通過海底電纜輸送。海上設(shè)備型又可分成三類，即浮體式（包括表面浮體式、半潛式、潛水式）、著底式和海上移動式。例如，1979年在美國夏威夷建成的“mini OTEC”發(fā)電裝置，即安裝在一艘268噸的海軍駁船上，利用一根直徑0.6米、長670米的聚乙烯冷水管垂直伸向海底吸取冷水。

發(fā)電過程1．將海洋表層的溫水抽到常溫蒸發(fā)器，在蒸器中加熱氨水、氟利昂等流動媒體，使之蒸發(fā)成高壓氣體媒體。

2．將高壓氣體媒體送到透平機，使透平機轉(zhuǎn)動并帶動發(fā)電機發(fā)電，同時高壓氣體媒體變?yōu)榈蛪簹怏w媒體。

3．將深水區(qū)的冷水抽到冷凝器中，使由透平機出來的低壓氣體媒體冷凝成液體媒體。

4．將液體媒體送到壓縮器加壓后，再將其送到蒸發(fā)器中去，進行新的循環(huán)。

優(yōu)點海洋占地球表面的70%。由于這個能量來自太陽，可以說取之不盡，用之不絕。②海水溫度差只有20℃且屬于低品位能量，最大轉(zhuǎn)換效率只有4%左右。③屬于自然能源，不會造成環(huán)境污染，與其他自然能源相比，可以不分晝夜，不受時間季節(jié)氣候等條件的限制，能量供應(yīng)穩(wěn)定。④由于海水具有腐蝕性、生物污損性。因此設(shè)備應(yīng)考慮使用耐腐蝕、少污染材料，同時要考慮耐生物污損的對策，由于深海抽上來的海水含有較多的營養(yǎng)成分，有利于提高海洋漁業(yè)產(chǎn)量。

利用熱帶洋面海水和760米深處的冷海水之間溫度差發(fā)電。海洋熱能轉(zhuǎn)換裝置最大優(yōu)點是可以不受潮汐變化和海浪影響而連續(xù)工作。另外，它不但不產(chǎn)生空氣污染物或放射性廢料，而且它的副產(chǎn)品是優(yōu)質(zhì)的淡化海水。熱帶海面的水溫通常約在27℃，深海水溫則保持在冰點以上幾度。這樣的溫度梯度使得海洋熱能轉(zhuǎn)換裝置的能量轉(zhuǎn)換只達3%～4%。因此，海洋熱能轉(zhuǎn)換裝置必須動用大量的水，方可彌補自身效率低的缺點。實際上20%～40%的電力用來把水通過進水管道抽入裝置內(nèi)部和熱能轉(zhuǎn)換裝置四周。盡管OTEC裝置仍存在不少工程技術(shù)和成本方面的問題，但它畢竟有很大潛力。未來學(xué)家認為，它是全世界從石油向未來無污染的氫燃料過渡的重要組成部分。有的科學(xué)家認為，OTEC對環(huán)境無害，并可能提供人類所需的全部能量。

鑒于上述特點，美國、日本等海洋資源豐富的國家，目前正在積極研究及應(yīng)用海洋溫差發(fā)電系統(tǒng)。使之在資源短缺的今天，成為人類的有力選擇[3]。

分布中國的南海海域遼闊，水深大于800米的海域約140～150萬平方公里，位于北回歸線以南，太陽輻射強烈，是典型的熱帶海洋，表層水溫均在25°C以上。5000～800米以下的深層水溫在5°C以下，表深層水溫差在20～24°C，蘊藏著豐富的溫差能資源。據(jù)初步計算，南海溫差能資源理論蘊藏量約為1.19～1.33×10^19千焦耳，技術(shù)上可開發(fā)利用的能量（熱效率取7%）約為（8.33～9.31）×10^17千焦耳，實際可供利用的資源潛力（工作時間取50%，利用資源10%）裝機容量達13.21～14.76億千瓦。我國臺灣島以東海域表層水溫全年在24～28°C，500～800米以下的深層水溫在5°C以下，全年水溫差20～24°C。據(jù)臺灣電力專家估計，該區(qū)域溫差能資源蘊藏量約

2.16×10^14千焦耳。中國溫差能資源蘊藏量大，在各類海洋能資源中占居首位，這些資源主要分布在南海和臺灣以東海域，尤其是南海中部的西沙群島海域和臺灣以東海區(qū)，具有日照強烈，溫差大且穩(wěn)定，全年可開發(fā)利用，冷水層離岸距離小，近岸海底地形陡峻等優(yōu)點，開發(fā)利用條件良好，可作為國家溫差能資源的先期開發(fā)區(qū)。

海水是吸熱體海水的比熱大，是一個巨大的吸熱體。太陽輻射到地球表面的熱能，很大一部分被海水吸收，且長期被貯存在海水的上層。人們不難發(fā)現(xiàn)，遼闊的海洋，除了地球南北的極地和部分淺海，一般是不會結(jié)冰的，特別是赤道附近一帶海域，海水表面溫度幾乎是恒溫的，所以人們常形容海洋是溫暖的。其實海洋很深，有的可深達幾千米，在海洋深處的海水卻是很冷，它終年溫度只有攝氏幾度，無論如何，太陽也沒有辦法把它曬熱，這與海洋上層的溫水比較，相差可有20℃左右。在熱力學(xué)上，凡有溫度差異，都可用來作功，這就叫海洋溫差能。為什么海水會有如此的溫差呢？原來還是太陽能在此作怪。太陽不僅把表面海水曬熱了，同時它也把地球兩極的冰雪融化了不少，冰冷的雪水由兩極向海洋的深處流來。冷水密度大，這些冰冷的水就沉積在海底。海洋越深，水越冷。據(jù)海洋水深測量，地球沿南北回歸線之間的海洋最深，深海的水最冷。然而這一帶的海面卻最溫暖，于是海洋溫差能就富集在這一帶。在地球的東半球，從東經(jīng)130°～180°，北緯20°～南緯20°之間的海洋溫差最大，約在21～24℃；西半球西經(jīng)110°～160°和西經(jīng)10°～40°，北緯20°～南緯20°之間的海洋溫差也很大，約在20～22℃之間。通常海洋溫差是指南緯25°至北緯32°之間海域中海水深層與表層的溫度差。我國位于東半球，海洋溫差條件較好，尤其是臺灣附近海水溫差更大。

海洋溫差能是溫差發(fā)電能源海洋溫差能的利用主要是溫差發(fā)電。早在1881年，法國物理學(xué)家阿松瓦爾（J.D′Arsonval）就提出了海洋溫差發(fā)電的設(shè)想。直到1929年才由法國工程師克勞德（G.Claude）建立起試驗裝置，證實了海洋溫差發(fā)電的可能性。但是當(dāng)時限于技術(shù)、材料和資金等諸多問題，未能真正建造海洋溫差發(fā)電站。又過去了半個多世紀，到1979年，世界出現(xiàn)第二次石油危機，美國能源部不惜重金在太平洋中心海洋溫差條件最佳的夏威夷著手進行海洋熱能轉(zhuǎn)換，由夏威夷自然能源實驗室負責(zé)，利用一艘268噸的海軍駁船安裝海洋溫差發(fā)電試驗臺。采用液氨為工質(zhì)，以閉式朗肯循環(huán)方式，完成了中間介質(zhì)法的海洋溫差發(fā)電，設(shè)計功率50千瓦，實際發(fā)電53.6千瓦，減去水泵等自耗電35.1千瓦，凈輸出功率18.5千瓦，占總功率的34%。當(dāng)時表面海水溫度28℃，海深663米的冷水溫度為7℃。為此，美國政府決定繼續(xù)向萬千瓦級海洋溫差發(fā)電努力。美國的試驗結(jié)果，引起了日本、英國、法國、瑞典、荷蘭等國的興趣。1981年，日本東京電力事業(yè)公司在南太平洋的瑙魯島也建起了一座100千瓦的海洋溫差發(fā)電裝置。接著1990年又在鹿兒島建起了一座兆瓦級的同類電站。日本這兩座海洋溫差發(fā)電裝置都是岸式電站，鹿兒島取用370米深處的海水為15℃，因此，再利用柴油發(fā)電的余熱將表面海水加溫到40℃，使溫差達到25℃。

海洋溫差發(fā)電是一項高科技項目目前，海洋溫差發(fā)電仍是一項高科技項目，它涉及許多耐壓、絕熱、防腐材料問題，以及熱能利用效率問題（效率現(xiàn)僅2%），且投資巨大，一般國家無力支持。但海洋溫差資源豐富，對大規(guī)模開發(fā)海洋來說，它可以在海上就近供電，并可同海水淡化相結(jié)合，從長遠觀點看，海洋熱能轉(zhuǎn)換是有戰(zhàn)略意義的。從技術(shù)發(fā)展前景看，除現(xiàn)有閉式朗肯循環(huán)路線外，還有開式和混合式循環(huán)，以及新概念的泡沫提升法和霧滴提升法等技術(shù)。因此，技術(shù)潛力較大?，F(xiàn)在我國除臺灣省曾在東部樟原做過一點小實驗外，基本處于空白。

本詞條內(nèi)容貢獻者為:

劉勇 - 副教授 - 西南大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院