海洋温差发电

2024年2月20日发(作者：中国文化历史)

海洋温差发电报告

海洋是世界上最大的太阳能接收器,6000万平方公里的热带海洋平均每天吸收的太阳能,相当于2500亿桶石油所含的热量.吸收太阳热能的海洋表面温度较高, 大海里蕴藏着巨大的热能，而一定深度海水温度较低.海洋温差发电是利用海洋表面和海洋深处的温度差来发电的新技术。据估计只要把南北纬20度以内的热带海洋充分利用起来发电，水温降低1℃放出的热量就有600亿千瓦发电容量，全世界人口按60亿计算，每人也能分得10千瓦，前景是十分诱人的。自1979年8月在美国夏威夷建成世界上第一座温差发电装置以后，世界各国都对海洋温差发电给予足够的重视，这是一种巨大的能源 ,同时又是一种有利于环保清洁可再生的新能源，因此，如果能够充分利用这一技术，则能有效缓解能源问题。

一 海洋温差发电原理

海水随著深度愈深，温度愈低。根据调查，南太平洋的海水温度在水面是摄氏三十度，水面下一百公尺处是二十三度，二百公尺处急降为十四度，五百公尺处就低到七度而已。也就是利用这种温度差转为能量的。它的基本原理是利用太阳辐射的热量进入海面以下1米处，就有60％～68％被海水吸收掉了，而几米以下的热量已所剩无几了，即使海面上有波浪搅动，水温有所调节，但水深200米处，几乎没有热量传到。海洋温差发电就是将海洋表面的温水引进真空锅炉，这时因压力突然大幅度下降，温度不高的温水也立即变成蒸汽。例如，在压力为0.031兆帕时，24℃的水也会沸腾。利用这种温度不高的蒸汽可以推动汽轮发电机发电，然后用深层的冷海水冷凝乏气，继续使用。

从理论上说，冷、热水的温差在16.6℃即可发电，但实际应用中一般都在20℃以上。凡南北纬度在20度以内的热带海洋都适合温差发电。例如，我国西沙群岛海域，在5月份测得水深30米以内的水温为30℃，而1000米深处便只有5℃，完全适合温差发电。

二 海洋温差发电的发电系统

1．开式循环系统

开式循环系统如图所示。表层温海水在闪蒸蒸发器中由于闪蒸而产生蒸汽，蒸汽进人汽轮机做功后再流人凝汽器。来自深层的冷海水作为凝汽器的冷却介质。由于水蒸汽是在负压下工作，所以必须配置真空泵。这种系统简单，还可兼制淡水；但设备和管道体积庞大，真空泵及抽水水泵耗功较多，影响发电效率。

2．闭式循环系统

来自表层的温海水先在热交换器内将热量传给低沸点工质—丙烷、氨等，使之蒸发，产生的蒸汽再推动汽轮机做功。深层冷海水仍作为凝汽器的冷却介质。这种系统因不需要真空泵是目前海洋温差发电中常采用的循环。 海洋温差发电由于冷热温差很小，其效率远低于普通火电厂， 仅为3％左右，且温差小，换热面积大，建设费用高；海水腐蚀和海洋生物的吸附以及远离陆地输电困难等不利因素都制约着海洋温 差发电的发展。但海洋辽阔，储能丰富，修建海上温差发电站仍具有广阔前景

3 混合式循环系统

混合式循环系统与闭式循环系统有些类似，唯一不同是在蒸发器的部分，混合式循环系统的温海水先经过闪现蒸发器，是其中一部分转化为水蒸气，随即将蒸汽导入第二个蒸发器。水蒸气在此冷却，并释放潜能，此潜能再将低沸点工作流体蒸发，工作流体循环，于是构成

一种封闭式循环系统。设计混合式发电系统的原因是避免温海水对热交换器所产生的生物附着，同时，本系统在第二个蒸发器中还有淡水副产品产出，而且，开始系统低容量的缺陷也可以得到解决

三 海洋温差发电的技术难题

海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)热交换器表而容易附着生物使表而换热系数降低，这对整个系统的经济性影响极大。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。

2)冷水管问题。冷水管是未来n'I'EC技术发展而临的极大挑战。因为海洋温差仅20 0C，所以冷热海水的流量要非常大才能获得所希望的功率。而为了减小海水在管内流动的压头损失，管道直径必须非常大。据估计，商业规模电站的冷水管直径应在S m左右。冷水管必须足够长，以便其入曰能到达深层。尤其是岸式系统要求冷水管长度达2 000 m，才可到达600一 900 m深度。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。这些问题现在还没有完全解决。

3)开式循环系统的低压汽轮机效率太低，这也是开式循环系统还不能商业化的重要原因。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、洋流等影响表而温度稳定的因素都对装置的整体效率带来直接影响。

当然，除了以上需待解决的问题以外，我们也不得不考虑环境问题。对于环境影响的评价，是另一项重要的课题。尽管海洋温差装置排出的温水温度下降了3一4℃，而排出的冷水温度上升了3一4℃，但其温度都在海洋垂直的温度分布之中，没有超出环境温度的范围，因此从本质上对环境的影响是不大的。可是，海洋温差发电将引起海水移动，这对于海洋生物有什么影响?就一台发电装置来说，在海洋中只不过是沧海一粟，而大规模利用海洋温差究竟对大气和海洋间的热交换有无影响呢?这些都是有待研究的课题。由于海洋温差电站都是分期进行安装施工，所以必须经常进行有关环境影响的评价。在评价海洋温差发电对环境的影响时，首先必须定量估计环境的变化，然后提出具体措施，将其影响程度限制到最小。但是目前为止还没有找到什么办法，可以说还处于初级阶段，即在建立电站之前预测环境变

化程度的阶段。电站排入海洋的，与海水的温度和密度都不同，会同时出现温度扩散和密度扩散的现象，虽然它与周围环境的差别很小，但从性质上来说仍是一个复杂的问题。此外，当前解决换热器生物污染的问题的通行方法是在海水中加入杀虫剂或对海水进行氯化处理，由此带来的环境污染问题也是不容忽视的。对海洋温差发电及其相关技术展开研究，是一项考虑长远可持续能源需求的高技术投资项目。虽然当前并未见到太多的实效，但是它在未来能源资源的多样化、可持续化中起到的作用将是难以估量的。

四 国外温差发电技术的发展

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

1)系统方面以闭式循环最为成熟,已经基本上达到商业化水准。开式循环的主要困难是低压汽轮机的效率太低。工质是闭式循环必须考虑的关键因素。仅从性能角度出发,氨和R22是较为理想的工质,但从环保角度考虑,寻求新工质的努力仍在进行。

2)热交换器是海洋温差发电系统的关键设备,它对装置的效率、结构和经济性有直接的重要影响。热交换器性能的关键是它的型式和材料。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。

3)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T-S图如图4所示。它的热效率和输出功率均小于在温海水进口温度和冷海水进口温度下的卡诺循环(图上T1和T4之差),而等于温海水进出口平均温度和冷海水进出口平均温度下的卡诺循环(图上T2和T3之差)。洛伦兹循环由两个等温过程和两个多变过程组成,是变温条件下的理想循环,它与卞诺循环都是可逆循环,但比后者更接近实际。选择合适的工质,使工质与热源温度变化保持一致且温差最小,便得到接近洛伦兹循环的实际循环。洛伦兹循环的特点是热效率高且接近实际工程,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。

4)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500~1 000 m或更深的深海处。日本1981年11月在瑙鲁修建的一座功率为100 kW的岸基发电站即采有一条外径0·7m,长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。海上型又分成浮体式(包括表面浮体式、半潜式、潜水式)、着底式和海上移动式三类。1979年在夏威夷建成

的“mini-ITEC”发电装置就安装在一艘海军驳船上,利用一根直径0·6 m、长670 m的聚乙烯冷水管垂直伸向海底吸取冷水。

1973年石油危机以后,海洋温差能的研究工作开始取得实质性进展。1979年美国在夏威夷西部海岸建成了一座mini-OTCE发电装置,额定功率50 kW,净功率15 kW。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)于1991年11月开始在夏威夷进行开式循环发电试验,并于1993年4月建成发电功率210 kW,净输出40~50

kW,并产生淡水的装置。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[9]。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。

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于日本佐贺大学签订协议，共同进行印度洋的海洋温差发电的开发，并准备在印度国内投资建立商业化的OTEC 系统。1999年，在印度东南部海上运转成功了世界上第一套1MW 海洋温差发电实验装置。温差能发电系统还可以通过制氢后将氢气输送回大陆，解决了以往海上电力敷设需巨大投资的问题，随着能源紧缺和对可再生能源的日益重视，以及氢能源需求日益加大，使得开展海洋温差能的研究重新活跃，美国、日本、印度继续加大对海洋温差能的研究和资金投入 。佐贺大学海洋能源研究中心在2002 年被“21 世纪 COH 计划”选中后，在2003 年建成了新的实验据点——伊万里附属设施。目前正在利用 30kW

的发电装置进行实证性实验。如果再配上海水淡化装置的话，在发电的同时能得到淡水和深层水，它们可以作为矿泉水来饮用。电解后还能得到燃料电池用的氢。富有养分的深层水回灌海洋后还能形成新的鱼场。

海洋温差发电的很大优点是不仅能发电，在经济上还能带动很多相关产业。 2005 年，印度Kavaratti 岛海水温差淡水生产设备，利用海水温差进行海水淡化满足了岛上淡水的需要。

日本的日立造船和里见产业在印度试验海水温差发电，拟试验成功后推广用于发动机冷却水和海水的温差发电，以供船用发电设备。这样不产生C02，大型化后使发电成本可达核电水平，是有发展前途的发电方式。由于此技术适于在表层海水温度高的地区实施，印度政府利用 1000 千瓦级发电试验为发展2 万～5 万千瓦机组打下基础。若规模达 10 万千瓦时，单位发电成本可比火电低和核电水平相当。

美国洛克希德公司与美国能源部签署了建造一个由玻璃纤维与合成材料建造的管道原型合同。2009 年与美国海军研究用温差能解决关岛上海军陆战队用电和淡水的问题。

五 国内温差发电技术的发展

中国的海洋温差能储量比较丰富，但研究工作起步晚。20 世纪 80 年代初，中国科学院广州能源研究所、中国海洋大学和天津国家海洋局海洋技术中心研究所等单位开始温差发电研究。1986 年广州研制完成开式温差能转换试验模拟装置，利用30℃以下的温水，在温差20℃的情况下，实现电能转换。1989 年又完成了雾滴提升循环实验研究，有效提升高度达 20m，1989 年，该研究所还对开式循环过程进行了实验室研究，建造了两座容量分别为

10 W 和60 W 的实验台，雾滴提升高度为当时同类设备的最高值。

中国台湾省台湾电力公司从 1980 年开始，对台湾岛东海岸的温差能资源进行了调查研究，并对花莲县的和平溪口、石梯坪和台东县的樟原等 3 个初选地址进行了自然环境条件调查研究评价和方案设计，曾计划 1995 年采用闭式循环建设一座 4×104KW岸式示范电站，由于台湾政府能源计划的导向问题而搁置，一直到 2005 年环境污染世界能源危机又逐

渐受到重视，李遠哲博士呼吁国人重视能源科技之开发，海洋大学一些研究人员责无旁贷地响应，在花莲县政府的支持下与台肥公司在花莲海域布放海洋深层水管的硬件建設，开展了新一轮的海洋温差发电开发任务。

2004-2005 年，天津大学完成了对混合式海洋温差能利用系统理论研究课题，并就小型

化试验用200W 氨饱和蒸汽透平进行了研究开发。

国家海洋局第一海洋研究所在“十一五”期间重点开展了闭式海洋温差能利用的研究，完成了海洋温差能闭式循环的理论研究工作，并完成了250W 小型温差能发电利用装置的方案设计，2008 年，承担了 “十一五”科技支撑 “15 千瓦海洋温差能关键技术与设备的研制”课题。

温差能目前还未形成产业。一旦技术发展成熟，在西沙、南沙诸岛屿的开发中应该有较好的市场。

世界各国主要OTEC项目概况

六 海洋温差能的其他利用

理论上，OTEC的效率约为3%，扣除发电系统中的机械损失后，实际效率仅约2%，而燃煤火电厂的效率为30%，因此仅从发电上看比常规能源发电成本高。海洋温差能是一种全面的资源系统，评价其开发利用在商业上取得成功的关键不仅要看发电，而且要考虑获得淡水、海水养殖、制冷空调等的综合效益。因此，要充分发挥海洋温差能的优势，围绕海洋热能发电技术的开发，积极开展海洋资源的综合利用。

海洋温差能的综合利用途径：

1海水淡化

开式循环和混合式循环系统本身就是一个海水淡化器，开式循环的冷凝水和混合式循环蒸发器的冷凝水就是淡水，可供人们饮用或农业利用。在太平洋岛屿上，淡水的市场价格达到1-4.60美元/千加仑(0.27-1.21美元/升)，在没有地下水资源的地方价格会更高。而在太平洋岛屿上1.5 MW(电)净功率开式海洋温差发电系统则可日产淡水300万升。美国太平洋高技术研究国际中心设计了一个多功能的MW级OTEC系统，除发电以外，佑计每天可产淡水4750m3，足够2万人使用。

2制冷和空调

排放的深层冷海水一方面可以用来冷凝淡水，还可以用于冷水空调系统中。研究表明，一家有300间客房的酒店使用1MW的MP-OTEC系统的冷水用于空调，其运行费用仅为常规空调的25%。

3海水养殖

深海冷水含有丰富的氮、磷、硅等营养盐类，十分有利于海水养殖。据计算，一座4万kW的OTEC电站，其深海水流量约800m3/s。这些海水每年可输送约8000吨的氮到海

洋表层，能增产8万吨干海藻或800吨鱼。事实上，海洋养殖的开发是成功的。夏威夷海洋农场用一种称为“综合养殖”的方法养殖鲜鱼、鲍鱼、海胆和牡蛹。实验表明，鲜鱼和海藻在一起都生长得很好，海藻为鲜鱼提供氧气，鲜鱼的排泄物则成为海藻的肥料;而牡蛹起滤

食动物的作用，保持水池清洁;鲍鱼和海胆放在不同的水槽内，供海藻生长。目前在夏威夷，由OTEC派生的海水养殖业已投入5000万美元，用于养殖龙虾、比目鱼、海胆和海藻。

4热带农业

夏威夷大学首先提出把冷海水用于农业的想法。在地下埋一排冷水管，创造出热带地区没有的低温气候环境。此系统由于大气中的水分子在管子表面上的冷凝还可以产生滴灌效果。使用此方法，可以在热带地区终年生产草荀和其他春季收获的谷物和花卉。经过几年的研究，商业开发人员已建起一个占地4100m2的试验点。

5燃料生产

从海洋中生产燃料的方法有两种。第一种，利用电站排放的大量深层冷海水富含的营养盐类来养殖深海巨藻，再经厌氧消化生产中热值沼气，其转化率可达80%以上;或者是经发酵生产酒精、丙酮、乙醛等;戴使用超临界水，将高含水量的海藻汽化生产氢。 第二种方法是利用海洋能生产的电力就地生产燃料。比如以海水和空气为原料生产氢、氨或甲

醇。美国提出利用16万kW的海水温差能发电船生产优质燃料的设计方案，即利用发电船本身发出的电力电解水中的氧和氢，与船上的煤浆共同生产代替石油的人造燃料甲醇，每天可达1000吨。另外还可以利用电站的电力从浓缩海水中提取稀有金属。例如锉和重水，然后送往陆地供原子能电站使用。而且能生产铀以及氯、铝、镁、乙烯、聚乙烯、氯化乙烯树脂等能量密集型产品和化工产品。

6深海采矿

向海上采油工程核锰矿开采工程提供电力。开发OTEC的最佳地点一般也是深海采矿的最好地点，因此可把深海矿业的开采和OTEC相结合。这样可以就地利用电力获得锰、钻、铜和镍等。日本提出建一座10万千瓦的海水温差发电站从深海采铀的设想。 OTEC系统排放大量的海水也引起回收黄金和其它稀有金属的兴趣。一座1MW的OTEC电厂每年所能炼出的黄金价值超过5000万美元。

海洋温差能的利用可以提供可持续发展的能源、淡水、生存空间并可以和海洋采矿与海洋养殖业共同发展，解决人类生存和发展的资源问题。开展海洋能资源的综合利用，不仅是降低海洋能发电成本的有效途径，而且有利于改善自然、社会和经济环境，促进经济社会的发展和居民生活质量的提高。但是海洋温差能的综合利用要考虑各种因素，建站地址不仅要靠近电力负载中心，另外还要靠近副产品市场，这样才能使电站得到最大的收益。

总而言之，海水温差能作为一种清洁、可再生的能源，具有很好的发展前景。其开发、利用对我国经济的可持续发展和人民生活水平的提高具有重要的现实意义。迄今为止，海洋温差发电技术的研究在热动力循环方式、高效紧凑型热交换器、微型透平、工质选择以及海洋工程技术等方面均已取得长足的发展，很多技术已渐趋成熟。对海洋温差发电及其相关技术展开研究，是一项考虑长远可持续能源需求的高技术投资项目。虽然不能指望它很快见到实效，但是它在未来能源资源的多样化、可持续化中的作用，以及它的环境效益和长远经济效益都将难以估量。