海洋温差发电

海洋科学术语

海洋温差发电系利用海水的浅层与深层的温差及其温、冷不同热源，经过热交换器及涡轮机来发电。现有海洋温差发电系统中，热能的来源即是海洋表面的温海水，发电的方法基本上有两种：一种是利用温海水，将封闭的循环系统中的低沸点工作流体蒸发；另一种则是温海水本身在真空室内沸腾。

发电原理

海洋温差发电系利用海水的浅层与深层的温差及其温、冷不同热源，经过热交换器及涡轮机来发电。现有海洋温差发电系统中，热能的来源即是海洋表面的温海水，发电的方法基本上有两种：一种是利用温海水，将封闭的循环系统中的低沸点工作流体蒸发；另一种则是温海水本身在真空室内沸腾。两种方法均产生蒸气，由蒸气再去推动涡轮机，即可发电。发电后的蒸气，可用温度很低的冷海水冷却，将之变回流体，构成一个循环。冷海水一般要从海平面以下600～1000m的深部抽取。一般温海水与冷海水的温差在20℃以上，即可产生净电力。

从深海抽取的冷海水，不但温度低（一般为4、5℃），无菌且富有养分，有多种用途，如产制淡水、冷冻、空调、养殖、制药等，可提高海洋温差发电以外的经济价值，这方面的应用称为深海水利用（DOWA）。

系统分类

封闭式

封闭式循环系统系利用低沸点的工作流体作为工质。其主要组件包括蒸发器、冷凝器、涡轮机、工作流体泵以及温海水泵与冷海水泵。因为工作流体系在封闭系统中循环，故称为封闭式循环系统。当温海水泵将温海水抽起，并将其热源传导给蒸发器内的工作流体，而使其蒸发。蒸发后的工作流体在涡轮机内绝热膨胀，并推动涡轮机的叶片而达到发电的目的。发电后的工作流体被导入冷凝器，并将其热量传给抽自深层的冷海水，因而冷却并且再恢复成液体，然后经循环泵打至蒸发器，形成一个循环。工作流体可以反覆循环使用，其种类有氨、丁烷、氟氯烷等密度大、蒸气压力高的气体冷冻剂。以氨及氟氯烷22为最有可能的工作流体。封闭式循环系统之能源转换效率在3.3%～3.5%。若扣除泵的能源消耗，则净效率在2.1%～2.3%。

开放式

开放式循环系统并不利用工作流体作为工质，而直接使用温海水。首先将温海水导入真空状态的蒸发器，使其部分蒸发，其蒸气压力约为3kPa（25℃），相当于0.03大气压力而已。水蒸气在低压涡轮机内进行绝热膨胀，做完功之后引入冷凝器，由冷海水冷却成液体。冷凝的方法有两种：一种是水蒸汽直接混入冷海水中，称为直接接触冷凝；另外一种是使用表面冷凝器，水蒸汽不直接与冷海水接触。后者即是附带制备淡水的方法。虽然开放式系统的能源转换效率高于封闭式系统，但因低压涡轮机的效率不确定，以及水蒸气之密度与压力均较低，故发电装置容量较小，不太适合大容量发电。

混合式

混合式循环系统与封闭式循环系统有些类似，唯一不同的是蒸发器部分。混合式系统的温海水系先经过一个闪蒸蒸发器（flashevaporator，一种使流体急速压缩，然后急速解压而产生沸腾蒸发的设备），使其中一部分温海水转变为水蒸气；随即将蒸气导入第二个蒸发器（一种蒸发器与冷凝器的组合设备）。水蒸气在此被冷却，并释放潜能；此潜能再将低沸点的工作流体蒸发。工作流体于此循环而构成一个封闭式系统。设计混合式发电系统的目的，在于避免温海水对热交换器所产生的生物附着。该系统在第二个蒸发器中还可以有淡水副产品的产出。同时，开放式发电系统的低容量缺点亦可获得改善。

世界上发展海洋温差技术的国家不多，日本、法国、比利时等国已经建成了一些海洋温差能发电站，功率从100kW至5MW不等。日本在海洋温差能研究开发方面投资力度很大，并在海洋热能发电系统和换热器技术方面领先于美国，迄今共建造了3座海洋温差试验电站，均为岸基式。预计到2010年全球将有1030座海洋温差能发电站问世。

发展历程

温差发电的构想早在1880年法国人达松发（1851～1940）就已提出，到了1929年他的学生克劳德（G.Claude）在古巴海岸建了一座22千瓦的海水温差发电试验工厂。克劳德试验工厂的动力系统用开放式循环（opencycle）（值得一提的是，该循环的一个主要优点是可以从中得到淡水）。克劳德的海洋温差发电厂最终以失败告终，但却从实验上证明了海洋温差发电的可行性。为了避免出现克劳德建造的海洋温差发电站遇到的问题，1965年美国安德逊父子提出一种以丙烷为工质的发电方法。

1979年美国最早开发了海洋温差发电（Oceanthermalenergyconversion简称OTEC）系统，当时容量只有50kW。1981年计划开发40MW的大型设备，并将其1MW中间机组投入试验。美国50kWMINI-OTEC号海水温差发电船，由驳船改装，该发电机发出50kW的电力，大部分用于水泵抽水，净出力为12-15kW。这是海洋热能利用历史性的发展。由于OTEC系统温差较小，朗肯循环净效率仅3%-5%。

日本通产省工业技术院“阳光计划”中，由低温差发电委员会对发电功率10万千瓦级的海上浮体式发电站作了计划，该发电站朗肯循环效率为3.44%，净效率为2.04%。秘鲁海水温差发电站是日本“阳光计划”的一部分，它采用的工质不是氨，而是氟利昂HCFC22。20世纪80年代以来，日本开发了50kW、75kW、100kW等容量不同的发电设备，1996年还验证了采用NH3/水的混合工质循环试验设备，以及设置在海洋水面上的发电设备。该电站建在岸上，最大发电量为120kW，获得31.5kW的净出力。

印度政府将海洋温差能作为未来的重要能源之一进行开发，1997年印度国家海洋技术研究所与日本佐贺大学签订协议，共同进行印度洋海洋温差能的开发，合作开发1MW的发电设备，进行仿真机验证和评价后开发25-50MW的大型商业化设备，并准备在印度国内投资建立商业化OTEC系统。1999年，在印度东南部海上，世界第一套1MW海洋温差发电实验装置运转成功。

1989年，台湾向太平洋国际技术研究中心（PICHTR）提出在台湾实施OTEC商业化战略计划，准备在台湾岛东部沿海建一座5MW的小规模OTEC试验性发电厂。台湾红柴海水温差发电厂计划利用马鞍山核电站排出的36-38℃的废热水与300m深处的冷海水（约12℃）的温差发电。铺设的冷水管内径为3m、长约3200m，延伸到台湾海峡约300m深的海沟。预计电厂发电量为14.25MW，扣除泵等动力消耗后可得净发电量约8.74MW。

关键技术

迄今为止，海洋温差发电技术在热动力循环方式、高效紧凑型热交换器、工质选择以及海洋工程技术等方面的研究均已取得长足的发展，很多技术已渐趋成熟。

1）热交换器是海洋温差发电系统的关键设备。钛的传热及防腐性能良好，但是价格过于昂贵。美国阿贡国家实验室的研究人员发现，在腐蚀性暖海水环境下，改进后的钎焊铝换热器寿命可以达到30年以上。板式热交换器体积小，传热效果好、造价低，适合在闭式循环中采用。

2）最新的洛伦兹循环有机液体透平能在20-22℃温差下工作，适用于闭式循环装置中。洛伦兹循环的特点是热效率高且接近实际循环，其透平采用两种以上氟利昂混合物作为工质，并配以适合的换热器。

3）海洋温差发电有岸基型和海上型两类。岸基型把发电装置设在岸上，把抽水泵延伸到500-1000m或更深的深海处。海上型是把吸水泵从船上吊下去，发电机组安装在船上，电力通过海底电缆输送。1979年美国在夏威夷西部海岸建成了一座mini-OTCE发电装置，这是世界上首次从海洋温差能获得有实用意义的电力。太平洋高技术国际研究中心（PICHTR）还开发了利用冷海水进行空调、制冷及海水养殖等附属产业，在热带岛屿显示出良好的市场前景。

4）中国的海洋温差能也比较丰富，但研究工作起步晚。1980年台湾电力公司曾计划将核电厂余热和海洋温差发电并用。1985年中国科学院广州能源研究所开始对温差利用中的“雾滴提升循环”方法进行研究。这种方法利用表层和深层海水之间的温降来提高海水的位能。

效率提升

海洋温差能属低品位能源，与现有的生物化学能和核能相比，不能大规模商业化应用的主要原因是循环热效率低。提高OTEC系统循环热效率最有效的途径是提高冷、温海水的温差，温海水与冷海水的温度差至少要在20℃以上才能实现海洋温差发电。按海水表面25℃的平均温度计算，5℃左右的冷海水一般取自千米左右的大洋深处，若要继续扩大温差，则深度会更深。这样一来，不仅投资更大，可利用的海域面积也将大为减少。在海面建一座“浮标式”的太阳池，利用天然阳光“煮”上一池海水，再用水泵将海面的温海水抽出，顺着管道流经被加热的池底。如此一来，池底的高温可将温海水加热至32℃，与洋底冷海水间的温差可提高到27℃。这样经过太阳池的加热，海洋温差发电的效率即可提高10%，达到12%左右，性价比大幅提高。

NoboruYamada[28]等的研究结果表明，使用5000m2太阳能集热器，可使温海水提高20K～40K，利用太阳能集热器后的海洋温差发电系统（SOTEC）朗肯循环净效率由2.3%提高到6.3%-9.5%，年平均热效率比传统的OTEC循环系统净效率高出1.5倍。该项技术可用于提高温海水的温度，即将温水泵抽出的温海水先送往太阳能集热器加热，温度升高后再进入蒸发器加热循环工质；也可用于提高汽轮机入口处工质的温度，即将从蒸发器出来的工质送到太阳能集热器进行再热后，送入汽轮机做功。无论用太阳能集热器加热温海水还是加热工质，都是通过提高汽轮机入口工质的温度而使朗肯循环的效率提高。这样，在机组装机容量100kW不变的前提下，SOTEC系统朗肯循环效率的提高，使得冷海水的质量流率降低，导致冷海水泵的耗功比OTEC的降低了30%左右，温海水泵和循环工质泵的耗功也相应减小。因此，SOTEC的净输出功高于OTEC系统。

技术难题

洋温差发电存在着若干技术难题，它们是制约技术发展的瓶颈。

1）热交换器表面容易附着微生物使表面换热系数降低，这对整个系统的经济性影响极大。BergerLR等的研究结果表明，换热器管道中附着25-50μm微生物时，换热率降低40-50%。美国阿贡实验室发现，每天进行1小时的间断加氯，可有效控制生物体附着。但这种方法对环境有一定影响，因此仍有待于寻找更合适的方法。科学家在1977年的一项模拟换热器实验中，换热器工作十周后，尽管换热器表层附着物很薄，系统的热传导仍有明显的降低。1985年夏威夷的实验研究证实，虽然定期对微生物进行清扫可以清除大部分附着的微生物，但长期使用后换热器表面仍有一层坚硬的附着层不能通过简单清扫清除。另外一项研究表明，使用含有添加剂的海面橡胶可以有效去除附着于系统中的微生物，然而这样会使微生物附着并生长速度加快，清扫工作将会越来越频繁。

2）冷水管是未来OTEC技术发展面临的极大挑战。冷水管必须有足够的强度，以保证30年使用寿命。冷水管的保温性能也要好，以免冷海水温度升高影响热效率。这些问题还没有完全解决。

3）要达到海洋温差能的商业规模利用，并实现产业化，除了解决技术上的难题以外，还需要考虑另外一些因素。如自然条件和地理位置，只有在赤道附近一定范围内的海域，表层海水温度达到25℃以上，才适宜海洋温差发电。如果发电位置与负荷中心距离太远，势必加大输电成本；风速、海浪、洋流等影响表面温度稳定的因素都对装置的整体效率带来直接影响。

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