海洋溫差發電

2024年2月20日發(作者：中國文化歷史)

海洋溫差發電報告

海洋是世界上最大的太陽能接收器,6000萬平方公里的熱帶海洋平均每天吸收的太陽能,相當于2500億桶石油所含的熱量.吸收太陽熱能的海洋表面溫度較高, 大海里蘊藏著巨大的熱能，而一定深度海水溫度較低.海洋溫差發電是利用海洋表面和海洋深處的溫度差來發電的新技術。據估計只要把南北緯20度以內的熱帶海洋充分利用起來發電，水溫降低1℃放出的熱量就有600億千瓦發電容量，全世界人口按60億計算，每人也能分得10千瓦，前景是十分誘人的。自1979年8月在美國夏威夷建成世界上第一座溫差發電裝置以后，世界各國都對海洋溫差發電給予足夠的重視，這是一種巨大的能源 ,同時又是一種有利于環保清潔可再生的新能源，因此，如果能夠充分利用這一技術，則能有效緩解能源問題。

一 海洋溫差發電原理

海水隨著深度愈深，溫度愈低。根據調查，南太平洋的海水溫度在水面是攝氏三十度，水面下一百公尺處是二十三度，二百公尺處急降為十四度，五百公尺處就低到七度而已。也就是利用這種溫度差轉為能量的。它的基本原理是利用太陽輻射的熱量進入海面以下1米處，就有60％～68％被海水吸收掉了，而幾米以下的熱量已所剩無幾了，即使海面上有波浪攪動，水溫有所調節，但水深200米處，幾乎沒有熱量傳到。海洋溫差發電就是將海洋表面的溫水引進真空鍋爐，這時因壓力突然大幅度下降，溫度不高的溫水也立即變成蒸汽。例如，在壓力為0.031兆帕時，24℃的水也會沸騰。利用這種溫度不高的蒸汽可以推動汽輪發電機發電，然后用深層的冷海水冷凝乏氣，繼續使用。

從理論上說，冷、熱水的溫差在16.6℃即可發電，但實際應用中一般都在20℃以上。凡南北緯度在20度以內的熱帶海洋都適合溫差發電。例如，我國西沙群島海域，在5月份測得水深30米以內的水溫為30℃，而1000米深處便只有5℃，完全適合溫差發電。

二 海洋溫差發電的發電系統

1．開式循環系統

開式循環系統如圖所示。表層溫海水在閃蒸蒸發器中由于閃蒸而產生蒸汽，蒸汽進人汽輪機做功后再流人凝汽器。來自深層的冷海水作為凝汽器的冷卻介質。由于水蒸汽是在負壓下工作，所以必須配置真空泵。這種系統簡單，還可兼制淡水；但設備和管道體積龐大，真空泵及抽水水泵耗功較多，影響發電效率。

2．閉式循環系統

來自表層的溫海水先在熱交換器內將熱量傳給低沸點工質—丙烷、氨等，使之蒸發，產生的蒸汽再推動汽輪機做功。深層冷海水仍作為凝汽器的冷卻介質。這種系統因不需要真空泵是目前海洋溫差發電中常采用的循環。 海洋溫差發電由于冷熱溫差很小，其效率遠低于普通火電廠， 僅為3％左右，且溫差小，換熱面積大，建設費用高；海水腐蝕和海洋生物的吸附以及遠離陸地輸電困難等不利因素都制約著海洋溫 差發電的發展。但海洋遼闊，儲能豐富，修建海上溫差發電站仍具有廣闊前景

3 混合式循環系統

混合式循環系統與閉式循環系統有些類似，唯一不同是在蒸發器的部分，混合式循環系統的溫海水先經過閃現蒸發器，是其中一部分轉化為水蒸氣，隨即將蒸汽導入第二個蒸發器。水蒸氣在此冷卻，并釋放潛能，此潛能再將低沸點工作流體蒸發，工作流體循環，于是構成

一種封閉式循環系統。設計混合式發電系統的原因是避免溫海水對熱交換器所產生的生物附著，同時，本系統在第二個蒸發器中還有淡水副產品產出，而且，開始系統低容量的缺陷也可以得到解決

三 海洋溫差發電的技術難題

海洋溫差發電存在著若干技術難題，它們是制約技術發展的瓶頸。

1)熱交換器表而容易附著生物使表而換熱系數降低，這對整個系統的經濟性影響極大。美國阿貢實驗室發現，每天進行1小時的間斷加氯，可有效控制生物體附著。但這種方法對環境有一定影響，因此仍有待于尋找更合適的方法。

2)冷水管問題。冷水管是未來n'I'EC技術發展而臨的極大挑戰。因為海洋溫差僅20 0C，所以冷熱海水的流量要非常大才能獲得所希望的功率。而為了減小海水在管內流動的壓頭損失，管道直徑必須非常大。據估計，商業規模電站的冷水管直徑應在S m左右。冷水管必須足夠長，以便其入曰能到達深層。尤其是岸式系統要求冷水管長度達2 000 m，才可到達600一 900 m深度。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。這些問題現在還沒有完全解決。

3)開式循環系統的低壓汽輪機效率太低，這也是開式循環系統還不能商業化的重要原因。要達到海洋溫差能的商業規模利用，并實現產業化，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的海域，表層海水溫度達到25℃以上，才適宜海洋溫差發電。如果發電位置與負荷中心距離太遠，勢必加大輸電成本;風速、海浪、洋流等影響表而溫度穩定的因素都對裝置的整體效率帶來直接影響。

當然，除了以上需待解決的問題以外，我們也不得不考慮環境問題。對于環境影響的評價，是另一項重要的課題。盡管海洋溫差裝置排出的溫水溫度下降了3一4℃，而排出的冷水溫度上升了3一4℃，但其溫度都在海洋垂直的溫度分布之中，沒有超出環境溫度的范圍，因此從本質上對環境的影響是不大的。可是，海洋溫差發電將引起海水移動，這對于海洋生物有什么影響?就一臺發電裝置來說，在海洋中只不過是滄海一粟，而大規模利用海洋溫差究竟對大氣和海洋間的熱交換有無影響呢?這些都是有待研究的課題。由于海洋溫差電站都是分期進行安裝施工，所以必須經常進行有關環境影響的評價。在評價海洋溫差發電對環境的影響時，首先必須定量估計環境的變化，然后提出具體措施，將其影響程度限制到最小。但是目前為止還沒有找到什么辦法，可以說還處于初級階段，即在建立電站之前預測環境變

化程度的階段。電站排入海洋的，與海水的溫度和密度都不同，會同時出現溫度擴散和密度擴散的現象，雖然它與周圍環境的差別很小，但從性質上來說仍是一個復雜的問題。此外，當前解決換熱器生物污染的問題的通行方法是在海水中加入殺蟲劑或對海水進行氯化處理，由此帶來的環境污染問題也是不容忽視的。對海洋溫差發電及其相關技術展開研究，是一項考慮長遠可持續能源需求的高技術投資項目。雖然當前并未見到太多的實效，但是它在未來能源資源的多樣化、可持續化中起到的作用將是難以估量的。

四 國外溫差發電技術的發展

利迄今為止,海洋溫差發電技術的研究在熱動力循環的方式、高效緊湊型熱交換器、工質選擇以及海洋工程技術等方面均已取得長足的發展,很多技術已漸趨成熟。

1)系統方面以閉式循環最為成熟,已經基本上達到商業化水準。開式循環的主要困難是低壓汽輪機的效率太低。工質是閉式循環必須考慮的關鍵因素。僅從性能角度出發,氨和R22是較為理想的工質,但從環保角度考慮,尋求新工質的努力仍在進行。

2)熱交換器是海洋溫差發電系統的關鍵設備,它對裝置的效率、結構和經濟性有直接的重要影響。熱交換器性能的關鍵是它的型式和材料。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現,在腐蝕性暖海水環境下,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,適合在閉式循環中采

用。

3)最新的洛倫茲循環有機液體透平能在20°~22℃溫差下工作,適用于閉式循環裝置中。洛倫茲循環的T-S圖如圖4所示。它的熱效率和輸出功率均小于在溫海水進口溫度和冷海水進口溫度下的卡諾循環(圖上T1和T4之差),而等于溫海水進出口平均溫度和冷海水進出口平均溫度下的卡諾循環(圖上T2和T3之差)。洛倫茲循環由兩個等溫過程和兩個多變過程組成,是變溫條件下的理想循環,它與卞諾循環都是可逆循環,但比后者更接近實際。選擇合適的工質,使工質與熱源溫度變化保持一致且溫差最小,便得到接近洛倫茲循環的實際循環。洛倫茲循環的特點是熱效率高且接近實際工程,其透平采用兩種以上氟利昂混合物作為工質,并配以適合的換熱器。

4)海洋溫差發電有岸基型和海上型兩類。岸基型把發電裝置設在岸上,把抽水泵延伸到500~1 000 m或更深的深海處。日本1981年11月在瑙魯修建的一座功率為100 kW的岸基發電站即采有一條外徑0·7m,長950 m的聚乙烯管深入到580 m的海底抽取冷海水。海上型是把吸水泵從船上吊下去,發電機組安裝在船上,電力通過海底電纜輸送。海上型又分成浮體式(包括表面浮體式、半潛式、潛水式)、著底式和海上移動式三類。1979年在夏威夷建成

的“mini-ITEC”發電裝置就安裝在一艘海軍駁船上,利用一根直徑0·6 m、長670 m的聚乙烯冷水管垂直伸向海底吸取冷水。

1973年石油危機以后,海洋溫差能的研究工作開始取得實質性進展。1979年美國在夏威夷西部海岸建成了一座mini-OTCE發電裝置,額定功率50 kW,凈功率15 kW。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)于1991年11月開始在夏威夷進行開式循環發電試驗,并于1993年4月建成發電功率210 kW,凈輸出40~50

kW,并產生淡水的裝置。PICHTR還開發了利用冷海水進行空調、制冷及海水養殖等附屬產業,在熱帶島嶼顯示出良好的市場前景[9]。日本在海洋溫差能研究開發方面投資力度很大,并在海洋熱能發電系統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。

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，1997 年印度國家海洋技術研究所于日本佐賀大學簽訂協議，共同進行印度洋的海洋溫差發電的開發，并準備在印度國內投資建立商業化的OTEC 系統。1999年，在印度東南部海上運轉成功了世界上第一套1MW 海洋溫差發電實驗裝置。溫差能發電系統還可以通過制氫后將氫氣輸送回大陸，解決了以往海上電力敷設需巨大投資的問題，隨著能源緊缺和對可再生能源的日益重視，以及氫能源需求日益加大，使得開展海洋溫差能的研究重新活躍，美國、日本、印度繼續加大對海洋溫差能的研究和資金投入 。佐賀大學海洋能源研究中心在2002 年被“21 世紀 COH 計劃”選中后，在2003 年建成了新的實驗據點——伊萬里附屬設施。目前正在利用 30kW

的發電裝置進行實證性實驗。如果再配上海水淡化裝置的話，在發電的同時能得到淡水和深層水，它們可以作為礦泉水來飲用。電解后還能得到燃料電池用的氫。富有養分的深層水回灌海洋后還能形成新的魚場。

海洋溫差發電的很大優點是不僅能發電，在經濟上還能帶動很多相關產業。 2005 年，印度Kavaratti 島海水溫差淡水生產設備，利用海水溫差進行海水淡化滿足了島上淡水的需要。

日本的日立造船和里見產業在印度試驗海水溫差發電，擬試驗成功后推廣用于發動機冷卻水和海水的溫差發電，以供船用發電設備。這樣不產生C02，大型化后使發電成本可達核電水平，是有發展前途的發電方式。由于此技術適于在表層海水溫度高的地區實施，印度政府利用 1000 千瓦級發電試驗為發展2 萬～5 萬千瓦機組打下基礎。若規模達 10 萬千瓦時，單位發電成本可比火電低和核電水平相當。

美國洛克希德公司與美國能源部簽署了建造一個由玻璃纖維與合成材料建造的管道原型合同。2009 年與美國海軍研究用溫差能解決關島上海軍陸戰隊用電和淡水的問題。

五 國內溫差發電技術的發展

中國的海洋溫差能儲量比較豐富，但研究工作起步晚。20 世紀 80 年代初，中國科學院廣州能源研究所、中國海洋大學和天津國家海洋局海洋技術中心研究所等單位開始溫差發電研究。1986 年廣州研制完成開式溫差能轉換試驗模擬裝置，利用30℃以下的溫水，在溫差20℃的情況下，實現電能轉換。1989 年又完成了霧滴提升循環實驗研究，有效提升高度達 20m，1989 年，該研究所還對開式循環過程進行了實驗室研究，建造了兩座容量分別為

10 W 和60 W 的實驗臺，霧滴提升高度為當時同類設備的最高值。

中國臺灣省臺灣電力公司從 1980 年開始，對臺灣島東海岸的溫差能資源進行了調查研究，并對花蓮縣的和平溪口、石梯坪和臺東縣的樟原等 3 個初選地址進行了自然環境條件調查研究評價和方案設計，曾計劃 1995 年采用閉式循環建設一座 4×104KW岸式示范電站，由于臺灣政府能源計劃的導向問題而擱置，一直到 2005 年環境污染世界能源危機又逐

漸受到重視，李遠哲博士呼吁國人重視能源科技之開發，海洋大學一些研究人員責無旁貸地響應，在花蓮縣政府的支持下與臺肥公司在花蓮海域布放海洋深層水管的硬件建設，開展了新一輪的海洋溫差發電開發任務。

2004-2005 年，天津大學完成了對混合式海洋溫差能利用系統理論研究課題，并就小型

化試驗用200W 氨飽和蒸汽透平進行了研究開發。

國家海洋局第一海洋研究所在“十一五”期間重點開展了閉式海洋溫差能利用的研究，完成了海洋溫差能閉式循環的理論研究工作，并完成了250W 小型溫差能發電利用裝置的方案設計，2008 年，承擔了 “十一五”科技支撐 “15 千瓦海洋溫差能關鍵技術與設備的研制”課題。

溫差能目前還未形成產業。一旦技術發展成熟，在西沙、南沙諸島嶼的開發中應該有較好的市場。

世界各國主要OTEC項目概況

六 海洋溫差能的其他利用

理論上，OTEC的效率約為3%，扣除發電系統中的機械損失后，實際效率僅約2%，而燃煤火電廠的效率為30%，因此僅從發電上看比常規能源發電成本高。海洋溫差能是一種全面的資源系統，評價其開發利用在商業上取得成功的關鍵不僅要看發電，而且要考慮獲得淡水、海水養殖、制冷空調等的綜合效益。因此，要充分發揮海洋溫差能的優勢，圍繞海洋熱能發電技術的開發，積極開展海洋資源的綜合利用。

海洋溫差能的綜合利用途徑：

1海水淡化

開式循環和混合式循環系統本身就是一個海水淡化器，開式循環的冷凝水和混合式循環蒸發器的冷凝水就是淡水，可供人們飲用或農業利用。在太平洋島嶼上，淡水的市場價格達到1-4.60美元/千加侖(0.27-1.21美元/升)，在沒有地下水資源的地方價格會更高。而在太平洋島嶼上1.5 MW(電)凈功率開式海洋溫差發電系統則可日產淡水300萬升。美國太平洋高技術研究國際中心設計了一個多功能的MW級OTEC系統，除發電以外，佑計每天可產淡水4750m3，足夠2萬人使用。

2制冷和空調

排放的深層冷海水一方面可以用來冷凝淡水，還可以用于冷水空調系統中。研究表明，一家有300間客房的酒店使用1MW的MP-OTEC系統的冷水用于空調，其運行費用僅為常規空調的25%。

3海水養殖

深海冷水含有豐富的氮、磷、硅等營養鹽類，十分有利于海水養殖。據計算，一座4萬kW的OTEC電站，其深海水流量約800m3/s。這些海水每年可輸送約8000噸的氮到海

洋表層，能增產8萬噸干海藻或800噸魚。事實上，海洋養殖的開發是成功的。夏威夷海洋農場用一種稱為“綜合養殖”的方法養殖鮮魚、鮑魚、海膽和牡蛹。實驗表明，鮮魚和海藻在一起都生長得很好，海藻為鮮魚提供氧氣，鮮魚的排泄物則成為海藻的肥料;而牡蛹起濾

食動物的作用，保持水池清潔;鮑魚和海膽放在不同的水槽內，供海藻生長。目前在夏威夷，由OTEC派生的海水養殖業已投入5000萬美元，用于養殖龍蝦、比目魚、海膽和海藻。

4熱帶農業

夏威夷大學首先提出把冷海水用于農業的想法。在地下埋一排冷水管，創造出熱帶地區沒有的低溫氣候環境。此系統由于大氣中的水分子在管子表面上的冷凝還可以產生滴灌效果。使用此方法，可以在熱帶地區終年生產草荀和其他春季收獲的谷物和花卉。經過幾年的研究，商業開發人員已建起一個占地4100m2的試驗點。

5燃料生產

從海洋中生產燃料的方法有兩種。第一種，利用電站排放的大量深層冷海水富含的營養鹽類來養殖深海巨藻，再經厭氧消化生產中熱值沼氣，其轉化率可達80%以上;或者是經發酵生產酒精、丙酮、乙醛等;戴使用超臨界水，將高含水量的海藻汽化生產氫。 第二種方法是利用海洋能生產的電力就地生產燃料。比如以海水和空氣為原料生產氫、氨或甲

醇。美國提出利用16萬kW的海水溫差能發電船生產優質燃料的設計方案，即利用發電船本身發出的電力電解水中的氧和氫，與船上的煤漿共同生產代替石油的人造燃料甲醇，每天可達1000噸。另外還可以利用電站的電力從濃縮海水中提取稀有金屬。例如銼和重水，然后送往陸地供原子能電站使用。而且能生產鈾以及氯、鋁、鎂、乙烯、聚乙烯、氯化乙烯樹脂等能量密集型產品和化工產品。

6深海采礦

向海上采油工程核錳礦開采工程提供電力。開發OTEC的最佳地點一般也是深海采礦的最好地點，因此可把深海礦業的開采和OTEC相結合。這樣可以就地利用電力獲得錳、鉆、銅和鎳等。日本提出建一座10萬千瓦的海水溫差發電站從深海采鈾的設想。 OTEC系統排放大量的海水也引起回收黃金和其它稀有金屬的興趣。一座1MW的OTEC電廠每年所能煉出的黃金價值超過5000萬美元。

海洋溫差能的利用可以提供可持續發展的能源、淡水、生存空間并可以和海洋采礦與海洋養殖業共同發展，解決人類生存和發展的資源問題。開展海洋能資源的綜合利用，不僅是降低海洋能發電成本的有效途徑，而且有利于改善自然、社會和經濟環境，促進經濟社會的發展和居民生活質量的提高。但是海洋溫差能的綜合利用要考慮各種因素，建站地址不僅要靠近電力負載中心，另外還要靠近副產品市場，這樣才能使電站得到最大的收益。

總而言之，海水溫差能作為一種清潔、可再生的能源，具有很好的發展前景。其開發、利用對我國經濟的可持續發展和人民生活水平的提高具有重要的現實意義。迄今為止，海洋溫差發電技術的研究在熱動力循環方式、高效緊湊型熱交換器、微型透平、工質選擇以及海洋工程技術等方面均已取得長足的發展，很多技術已漸趨成熟。對海洋溫差發電及其相關技術展開研究，是一項考慮長遠可持續能源需求的高技術投資項目。雖然不能指望它很快見到實效，但是它在未來能源資源的多樣化、可持續化中的作用，以及它的環境效益和長遠經濟效益都將難以估量。