海洋溫差發電系利用海水的淺層與深層的溫差及其溫、冷不同熱源，經過熱交換器及渦輪機來發電。現有海洋溫差發電系統中，熱能的來源即是海洋表面的溫海水，發電的方法基本上有兩種：一種是利用溫海水，將封閉的循環系統中的低沸點工作流體蒸發；另一種則是溫海水本身在真空室內沸騰。
基本介紹
- 中文名：海洋溫差發電
- 外文名：ocean thermal energy conversion
- 釋義：利用海水的淺層和深層的溫差發電
- 學科：海洋科學
發電原理,系統分類,封閉式,開放式,混合式,發展歷程,關鍵技術,效率提升,技術難題,
發電原理
海洋溫差發電系利用海水的淺層與深層的溫差及其溫、冷不同熱源，經過熱交換器及渦輪機來發電。現有海洋溫差發電系統中，熱能的來源即是海洋表面的溫海水，發電的方法基本上有兩種：一種是利用溫海水，將封閉的循環系統中的低沸點工作流體蒸發；另一種則是溫海水本身在真空室內沸騰。兩種方法均產生蒸氣，由蒸氣再去推動渦輪機，即可發電。發電後的蒸氣，可用溫度很低的冷海水冷卻，將之變回流體，構成一個循環。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，即可產生淨電力。
從深海抽取的冷海水，不但溫度低（一般為4、5℃），無菌且富有養分，有多種用途，如產制淡水、冷凍、空調、養殖、製藥等，可提高海洋溫差發電以外的經濟價值，這方面的套用稱為深海水利用（DOWA）。
系統分類
封閉式
封閉式循環系統系利用低沸點的工作流體作為工質。其主要組件包括蒸發器、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中循環，故稱為封閉式循環系統。當溫海水泵將溫海水抽起，並將其熱源傳導給蒸發器內的工作流體，而使其蒸發。蒸發後的工作流體在渦輪機內絕熱膨脹，並推動渦輪機的葉片而達到發電的目的。發電後的工作流體被導入冷凝器，並將其熱量傳給抽自深層的冷海水，因而冷卻並且再恢復成液體，然後經循環泵打至蒸發器，形成一個循環。工作流體可以反覆循環使用，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。封閉式循環系統之能源轉換效率在3.3%～3.5%。若扣除泵的能源消耗，則淨效率在2.1%～2.3%。
開放式
開放式循環系統並不利用工作流體作為工質，而直接使用溫海水。首先將溫海水導入真空狀態的蒸發器，使其部分蒸發，其蒸氣壓力約為3kPa（25℃），相當於0.03大氣壓力而已。水蒸氣在低壓渦輪機內進行絕熱膨脹，做完功之後引入冷凝器，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。後者即是附帶製備淡水的方法。雖然開放式系統的能源轉換效率高於封閉式系統，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，故發電裝置容量較小，不太適合大容量發電。
混合式
混合式循環系統與封閉式循環系統有些類似，唯一不同的是蒸發器部分。混合式系統的溫海水系先經過一個閃蒸蒸發器（flashevaporator，一種使流體急速壓縮，然後急速解壓而產生沸騰蒸發的設備），使其中一部分溫海水轉變為水蒸氣；隨即將蒸氣導入第二個蒸發器（一種蒸發器與冷凝器的組合設備）。水蒸氣在此被冷卻，並釋放潛能；此潛能再將低沸點的工作流體蒸發。工作流體於此循環而構成一個封閉式系統。設計混合式發電系統的目的，在於避免溫海水對熱交換器所產生的生物附著。該系統在第二個蒸發器中還可以有淡水副產品的產出。同時，開放式發電系統的低容量缺點亦可獲得改善。
目前，世界上發展海洋溫差技術的國家不多，日本、法國、比利時等國已經建成了一些海洋溫差能發電站，功率從100kW至5MW不等。日本在海洋溫差能研究開發方面投資力度很大，並在海洋熱能發電系統和換熱器技術方面領先於美國，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年全球將有1030座海洋溫差能發電站問世。
發展歷程
溫差發電的構想早在1880年法國人達松發（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電試驗工廠。克勞德試驗工廠的動力系統用開放式循環（opencycle）（值得一提的是，該循環的一個主要優點是可以從中得到淡水）。克勞德的海洋溫差發電廠最終以失敗告終，但卻從實驗上證明了海洋溫差發電的可行性。為了避免出現克勞德建造的海洋溫差發電站遇到的問題，1965年美國安德遜父子提出一種以丙烷為工質的發電方法。
1979年美國最早開發了海洋溫差發電（Oceanthermalenergyconversion簡稱OTEC）系統，當時容量只有50kW。1981年計畫開發40MW的大型設備，並將其1MW中間機組投入試驗。美國50kWMINI-OTEC號海水溫差發電船，由駁船改裝，該發電機發出50kW的電力，大部分用於水泵抽水，淨出力為12-15kW。這是海洋熱能利用歷史性的發展。由於OTEC系統溫差較小，朗肯循環淨效率僅3%-5%。
日本通產省工業技術院“陽光計畫”中，由低溫差發電委員會對發電功率10萬千瓦級的海上浮體式發電站作了計畫，該發電站朗肯循環效率為3.44%，淨效率為2.04%。秘魯海水溫差發電站是日本“陽光計畫”的一部分，它採用的工質不是氨，而是氟利昂HCFC22。20世紀80年代以來，日本開發了50kW、75kW、100kW等容量不同的發電設備，1996年還驗證了採用NH3/水的混合工質循環試驗設備，以及設定在海洋水面上的發電設備。該電站建在岸上，最大發電量為120kW，獲得31.5kW的淨出力。
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，1997年印度國家海洋技術研究所與日本佐賀大學簽訂協定，共同進行印度洋海洋溫差能的開發，合作開發1MW的發電設備，進行仿真機驗證和評價後開發25-50MW的大型商業化設備，並準備在印度國內投資建立商業化OTEC系統。1999年，在印度東南部海上，世界第一套1MW海洋溫差發電實驗裝置運轉成功。
1989年，台灣向太平洋國際技術研究中心（PICHTR）提出在台灣實施OTEC商業化戰略計畫，準備在台灣島東部沿海建一座5MW的小規模OTEC試驗性發電廠。台灣紅柴海水溫差發電廠計畫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℃）的溫差發電。鋪設的冷水管內徑為3m、長約3200m，延伸到台灣海峽約300m深的海溝。預計電廠發電量為14.25MW，扣除泵等動力消耗後可得淨髮電量約8.74MW。
關鍵技術
迄今為止，海洋溫差發電技術在熱動力循環方式、高效緊湊型熱交換器、工質選擇以及海洋工程技術等方面的研究均已取得長足的發展，很多技術已漸趨成熟。
1）熱交換器是海洋溫差發電系統的關鍵設備。鈦的傳熱及防腐性能良好，但是價格過於昂貴。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，改進後的釺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，適合在閉式循環中採用。
2）最新的洛倫茲循環有機液體透平能在20-22℃溫差下工作，適用於閉式循環裝置中。洛倫茲循環的特點是熱效率高且接近實際循環，其透平採用兩種以上氟利昂混合物作為工質，並配以適合的換熱器。
3）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500-1000m或更深的深海處。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。1979年美國在夏威夷西部海岸建成了一座mini-OTCE發電裝置，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）還開發了利用冷海水進行空調、製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。
4）中國的海洋溫差能也比較豐富，但研究工作起步晚。1980年台灣電力公司曾計畫將核電廠餘熱和海洋溫差發電並用。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”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。
效率提升
海洋溫差能屬低品位能源，與現有的生物化學能和核能相比，不能大規模商業化套用的主要原因是循環熱效率低。提高OTEC系統循環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℃以上才能實現海洋溫差發電。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℃。這樣經過太陽池的加熱，海洋溫差發電的效率即可提高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，利用太陽能集熱器後的海洋溫差發電系統（SOTEC）朗肯循環淨效率由2.3%提高到6.3%-9.5%，年平均熱效率比傳統的OTEC循環系統淨效率高出1.5倍。該項技術可用於提高溫海水的溫度，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器加熱循環工質；也可用於提高汽輪機入口處工質的溫度，即將從蒸發器出來的工質送到太陽能集熱器進行再熱後，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，都是通過提高汽輪機入口工質的溫度而使朗肯循環的效率提高。這樣，在機組裝機容量100kW不變的前提下，SOTEC系統朗肯循環效率的提高，使得冷海水的質量流率降低，導致冷海水泵的耗功比OTEC的降低了30%左右，溫海水泵和循環工質泵的耗功也相應減小。因此，SOTEC的淨輸出功高於OTEC系統。
技術難題
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）熱交換器表面容易附著微生物使表面換熱係數降低，這對整個系統的經濟性影響極大。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，因此仍有待於尋找更合適的方法。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，儘管換熱器表層附著物很薄，系統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，但長期使用後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於系統中的微生物，然而這樣會使微生物附著並生長速度加快，清掃工作將會越來越頻繁。
2）冷水管是未來OTEC技術發展面臨的極大挑戰。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）要達到海洋溫差能的商業規模利用，並實現產業化，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範圍內的海域，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、洋流等影響表面溫度穩定的因素都對裝置的整體效率帶來直接影響。
