海洋溫差能

在各種海洋能之中，海洋溫差能屬於海洋熱能，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定的特點，因此，利用海洋溫差能發電有望為一些地區提供大規模的、穩定的電力。

基本介紹

• 中文名：海洋溫差能
• 外文名：Ocean Thermal Energy
• 又稱：海洋熱能
• 開式循環組成：真空泵、冷水泵、溫水泵

能量介紹

利用現狀

海洋熱能主要來自於太陽能。世界大洋的面積浩瀚無邊，熱帶洋面也相當寬mini—OTEC廣。海洋熱能用過後即可得到補充，很值得開發利用。據計算，從南緯20度到北緯20度的區間海洋洋面，只要把其中一半用來發電，海水水溫僅平均下降l℃，就能獲得600億千瓦的電能，相當於目前全世界所產生的全部電能。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。

海洋溫差能

如何有效地利用海水溫度差能量來為人類服務呢？法國的Arsened Arsonval於1881年首次提出海洋溫度差發電的構想。即發明利用海水錶層（熱源）和深層（冷源）之間的溫度差發電的電站。於是1930年Claude在古巴的近海，首次利用海洋溫度差能量發電成功，但是，由於發電系統的水泵等所耗電力比其所發出的電力更大，結果純發電量為負值。然而人們並沒有泄氣。1979年，夏威夷的MINI-OTEC發電系統第一次發出了15kW的淨髮電容量[1]。

發電原理

海水溫差發電技術，是以海洋受太陽能加熱的表層海水（25℃～28℃）作高溫熱源，而以500米～l000米深處的海水（4℃～7℃）作低溫熱源，用熱機組成的熱力循環系統進行發電的技術。從高溫熱源到低溫熱源，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。

海洋溫差能

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

1961年法國在西非海岸建成兩座3500千瓦的海水溫差發電站。美國和瑞典於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電站，美國還計畫在跨入21世紀時建成一座100萬千瓦的海水溫差發電裝置，以及利用墨西哥灣暖流的熱能在東部沿海建立500座海洋熱能發電站，發電能力達2億千瓦[3]。

分類

根據所用工質及流程的不同，一般可分為開式循環、閉式循環和混合式循環，接近實用化的是閉式循環方式。

該系統主要由、冷凝器、蒸發器、汽輪機、發電機組等。

真空泵將系統內抽到一定真空，起動溫水泵把表層的溫海水抽入蒸發器，由於系統內已保持有一定的真空度，所以溫海水就在蒸發器內沸騰蒸發，變為蒸汽。蒸汽經管道由噴嘴噴出推動汽輪機運轉，帶動發電機發電。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，重新凝結為水，並排入海中。在該系統中作為工質的海水，由泵吸入蒸發器蒸發到最後排回大海，並未循環利用，故該工作系統稱為開式循環系統。

海洋溫差能

在開式循環系統中，其冷凝水基本上是去鹽水，可以做為淡水供應需要，但因以海水作工作流體和介質，蒸發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，同時為了獲得預期的輸出功率，必須使用極大的透平（可以和風力渦輪機相比）。

閉式循環

該系統不以海水而採用一些低沸點的物質（如丙烷、異丁烷、氟利昂、氨等）作為工作流體，在閉合迴路中反覆進行蒸發、膨脹、冷凝。因為系統使用低沸點工作流體，蒸汽的壓力得到提高。

系統工作時，溫水泵把表層溫海水抽上送往蒸發器，通過蒸發器內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後，開始沸騰並變為氨氣（氨氣壓力約為9.5×10^4Pa）。氨氣經過汽輪機的葉片通道，膨脹作功，推動汽輪機旋轉。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後重新變為液態氨，用氨泵把冷凝器中的液態氨重新壓進蒸發器，以供循環使用。

海洋溫差能

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

閉式循環系統的優點是：(1)、可採用小型渦輪機，整套裝置可以實現小型化；(2)、海水不用脫氣，免除了這一部分動力需求。其缺點是：因為蒸發器和凝汽器採用表面式換熱器，導致這一部分體積巨大，金屬消耗量大，維護困難。

混合循環

該系統基本與閉式循環相同，但用溫海水閃蒸出來的低壓蒸汽來加熱低沸點工質。這樣做的好處在於減少了蒸發器的體積，可節省材料，便於維護。

從海洋溫差發電設備的設定形式來看，大致分成陸上設備型和海上設備型兩類。陸上型是把發電機設定在海岸，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的諾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換站，即採用一條外徑為0.75米、長1250米的聚乙烯管深入580米的海底設定取水口。這種設定形式很有發展前途。海上型是把吸水泵從船上吊掛下去，發電機組安裝在船上，電力通過海底電纜輸送。海上設備型又可分成三類，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。

發電過程

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

2．將高壓氣體媒體送到透平機，使透平機轉動並帶動發電機發電，同時高壓氣體媒體變為低壓氣體媒體。

3．將深水區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後，再將其送到蒸發器中去，進行新的循環。

優點

海洋占地球表面的70%。由於這個能量來自太陽，可以說取之不盡，用之不絕。②海水溫度差只有20℃且屬於低品位能量，最大轉換效率只有4%左右。③屬於自然能源，不會造成環境污染，與其他自然能源相比，可以不分晝夜，不受時間季節氣候等條件的限制，能量供應穩定。④由於海水具有腐蝕性、生物污損性。因此設備應考慮使用耐腐蝕、少污染材料，同時要考慮耐生物污損的對策，由於深海抽上來的海水含有較多的營養成分，有利於提高海洋漁業產量。

海洋溫差能

利用熱帶洋面海水和760米深處的冷海水之間溫度差發電。海洋熱能轉換裝置最大優點是可以不受潮汐變化和海浪影響而連續工作。另外，它不但不產生空氣污染物或放射性廢料，而且它的副產品是優質的淡化海水。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換裝置的能量轉換隻達3%～4%。因此，海洋熱能轉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部和熱能轉換裝置四周。儘管OTEC裝置仍存在不少工程技術和成本方面的問題，但它畢竟有很大潛力。未來學家認為，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。有的科學家認為，OTEC對環境無害，並可能提供人類所需的全部能量。

鑒於上述特點，美國、日本等海洋資源豐富的國家，目前正在積極研究及套用海洋溫差發電系統。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，水深大於800米的海域約140～150萬平方公里，位於北回歸線以南，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，技術上可開發利用的能量（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。我國台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。據台灣電力專家估計，該區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台灣以東海域，尤其是南海中部的西沙群島海域和台灣以東海區，具有日照強烈，溫差大且穩定，全年可開發利用，冷水層離岸距離小，近岸海底地形陡峻等優點，開發利用條件良好，可作為國家溫差能資源的先期開發區。

海水吸熱體

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。人們不難發現，遼闊的海洋，除了地球南北的極地和部分淺海，一般是不會結凍的，特別是赤道附近一帶海域，海水表面溫度幾乎是恆溫的，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。在熱力學上，凡有溫度差異，都可用來作功，這就叫海洋溫差能。為什麼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，於是海洋溫差能就富集在這一帶。在地球的東半球，從東經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110°～160°和西經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。我國位於東半球，海洋溫差條件較好，尤其是台灣附近海水溫差更大。

海洋溫差能

海洋溫差能的利用主要是溫差發電。早在1881年，法國物理學家阿松瓦爾（J.D′Arsonval）就提出了海洋溫差發電的構想。直到1929年才由法國工程師克勞德（G.Claude）建立起試驗裝置，證實了海洋溫差發電的可能性。但是當時限於技術、材料和資金等諸多問題，未能真正建造海洋溫差發電站。又過去了半個多世紀，到1979年，世界出現第二次石油危機，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換，由夏威夷自然能源實驗室負責，利用一艘268噸的海軍駁船安裝海洋溫差發電試驗台。採用液氨為工質，以閉式朗肯循環方式，完成了中間介質法的海洋溫差發電，設計功率50千瓦，實際發電53.6千瓦，減去水泵等自耗電35.1千瓦，淨輸出功率18.5千瓦，占總功率的34%。當時表面海水溫度28℃，海深663米的冷水溫度為7℃。為此，美國政府決定繼續向萬千瓦級海洋溫差發電努力。美國的試驗結果，引起了日本、英國、法國、瑞典、荷蘭等國的興趣。1981年，日本東京電力事業公司在南太平洋的諾魯島也建起了一座100千瓦的海洋溫差發電裝置。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，再利用柴油發電的餘熱將表面海水加溫到40℃，使溫差達到25℃。

海洋溫差能

溫差發電

目前，海洋溫差發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，對大規模開發海洋來說，它可以在海上就近供電，並可同海水淡化相結合，從長遠觀點看，海洋熱能轉換是有戰略意義的。從技術發展前景看，除現有閉式朗肯循環路線外，還有開式和混合式循環，以及新概念的泡沫提升法和霧滴提升法等技術。因此，技術潛力較大。現在我國除台灣省曾在東部樟原做過一點小實驗外，基本處於空白。