海洋溫差發(fā)電

溫差發(fā)電的構(gòu)想早在1880年法國(guó)人達(dá)松發(fā)（1851～1940）就已提出，到了1929年他的學(xué)生克勞德（G.Claude）在古巴海岸建了一座22千瓦的海水溫差發(fā)電試驗(yàn)工廠?？藙诘略囼?yàn)工廠的動(dòng)力系統(tǒng)用開放式循環(huán)（opencycle）（值得一提的是，該循環(huán)的一個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)是可以從中得到淡水）?？藙诘碌暮Ｑ鬁夭畎l(fā)電廠最終以失敗告終，但卻從實(shí)驗(yàn)上證明了海洋溫差發(fā)電的可行性。為了避免出現(xiàn)克勞德建造的海洋溫差發(fā)電站遇到的問題，1965年美國(guó)安德遜父子提出一種以丙烷為工質(zhì)的發(fā)電方法。

1979年美國(guó)最早開發(fā)了海洋溫差發(fā)電（Oceanthermalenergyconversion簡(jiǎn)稱OTEC）系統(tǒng)，當(dāng)時(shí)容量只有50kW。1981年計(jì)劃開發(fā)40MW的大型設(shè)備，并將其1MW中間機(jī)組投入試驗(yàn)。美國(guó)50kWMINI-OTEC號(hào)海水溫差發(fā)電船，由駁船改裝，該發(fā)電機(jī)發(fā)出50kW的電力，大部分用于水泵抽水，凈出力為12-15kW。這是海洋熱能利用歷史性的發(fā)展。由于OTEC系統(tǒng)溫差較小，朗肯循環(huán)凈效率僅3%-5%。

日本通產(chǎn)省工業(yè)技術(shù)院“陽光計(jì)劃”中，由低溫差發(fā)電委員會(huì)對(duì)發(fā)電功率10萬千瓦級(jí)的海上浮體式發(fā)電站作了計(jì)劃，該發(fā)電站朗肯循環(huán)效率為3.44%，凈效率為2.04%。秘魯海水溫差發(fā)電站是日本“陽光計(jì)劃”的一部分，它采用的工質(zhì)不是氨，而是氟利昂HCFC22。20世紀(jì)80年代以來，日本開發(fā)了50kW、75kW、100kW等容量不同的發(fā)電設(shè)備，1996年還驗(yàn)證了采用NH₃/水的混合工質(zhì)循環(huán)試驗(yàn)設(shè)備，以及設(shè)置在海洋水面上的發(fā)電設(shè)備。該電站建在岸上，最大發(fā)電量為120kW，獲得31.5kW的凈出力。

印度政府將海洋溫差能作為未來的重要能源之一進(jìn)行開發(fā)，1997年印度國(guó)家海洋技術(shù)研究所與日本佐賀大學(xué)簽訂協(xié)議，共同進(jìn)行印度洋海洋溫差能的開發(fā)，合作開發(fā)1MW的發(fā)電設(shè)備，進(jìn)行仿真機(jī)驗(yàn)證和評(píng)價(jià)后開發(fā)25-50MW的大型商業(yè)化設(shè)備，并準(zhǔn)備在印度國(guó)內(nèi)投資建立商業(yè)化OTEC系統(tǒng)。1999年，在印度東南部海上，世界第一套1MW海洋溫差發(fā)電實(shí)驗(yàn)裝置運(yùn)轉(zhuǎn)成功。

1989年，臺(tái)灣向太平洋國(guó)際技術(shù)研究中心（PICHTR）提出在臺(tái)灣實(shí)施OTEC商業(yè)化戰(zhàn)略計(jì)劃，準(zhǔn)備在臺(tái)灣島東部沿海建一座5MW的小規(guī)模OTEC試驗(yàn)性發(fā)電廠。臺(tái)灣紅柴海水溫差發(fā)電廠計(jì)劃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(fā)電。鋪設(shè)的冷水管內(nèi)徑為3m、長(zhǎng)約3200m，延伸到臺(tái)灣海峽約300m深的海溝。預(yù)計(jì)電廠發(fā)電量為14.25MW，扣除泵等動(dòng)力消耗后可得凈發(fā)電量約8.74MW。

迄今為止，海洋溫差發(fā)電技術(shù)在熱動(dòng)力循環(huán)方式、高效緊湊型熱交換器、工質(zhì)選擇以及海洋工程技術(shù)等方面的研究均已取得長(zhǎng)足的發(fā)展，很多技術(shù)已漸趨成熟。

1）熱交換器是海洋溫差發(fā)電系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備。鈦的傳熱及防腐性能良好，但是價(jià)格過于昂貴。美國(guó)阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的研究人員發(fā)現(xiàn)，在腐蝕性暖海水環(huán)境下，改進(jìn)后的釬焊鋁換熱器壽命可以達(dá)到30年以上。板式熱交換器體積小，傳熱效果好、造價(jià)低，適合在閉式循環(huán)中采用。

2）最新的洛倫茲循環(huán)有機(jī)液體透平能在20-22℃溫差下工作，適用于閉式循環(huán)裝置中。洛倫茲循環(huán)的特點(diǎn)是熱效率高且接近實(shí)際循環(huán)，其透平采用兩種以上氟利昂混合物作為工質(zhì)，并配以適合的換熱器。

3）海洋溫差發(fā)電有岸基型和海上型兩類。岸基型把發(fā)電裝置設(shè)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(fā)電機(jī)組安裝在船上，電力通過海底電纜輸送。1979年美國(guó)在夏威夷西部海岸建成了一座mini-OTCE發(fā)電裝置，這是世界上首次從海洋溫差能獲得有實(shí)用意義的電力。太平洋高技術(shù)國(guó)際研究中心（PICHTR）還開發(fā)了利用冷海水進(jìn)行空調(diào)、制冷及海水養(yǎng)殖等附屬產(chǎn)業(yè)，在熱帶島嶼顯示出良好的市場(chǎng)前景。

4）中國(guó)的海洋溫差能也比較豐富，但研究工作起步晚。1980年臺(tái)灣電力公司曾計(jì)劃將核電廠余熱和海洋溫差發(fā)電并用。1985年中國(guó)科學(xué)院廣州能源研究所開始對(duì)溫差利用中的“霧滴提升循環(huán)”方法進(jìn)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。

海洋溫差發(fā)電系利用海水的淺層與深層的溫差及其溫、冷不同熱源，經(jīng)過熱交換器及渦輪機(jī)來發(fā)電。現(xiàn)有海洋溫差發(fā)電系統(tǒng)中，熱能的來源即是海洋表面的溫海水，發(fā)電的方法基本上有兩種：一種是利用溫海水，將封閉的循環(huán)系統(tǒng)中的低沸點(diǎn)工作流體蒸發(fā)；另一種則是溫海水本身在真空室內(nèi)沸騰。兩種方法均產(chǎn)生蒸氣，由蒸氣再去推動(dòng)渦輪機(jī)，即可發(fā)電。發(fā)電后的蒸氣，可用溫度很低的冷海水冷卻，將之變回流體，構(gòu)成一個(gè)循環(huán)。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(chǎn)生凈電力。

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(yǎng)分，有多種用途，如產(chǎn)制淡水、冷凍、空調(diào)、養(yǎng)殖、制藥等，可提高海洋溫差發(fā)電以外的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，這方面的應(yīng)用稱為深海水利用（DOWA）。

海洋溫差發(fā)電封閉式

封閉式循環(huán)系統(tǒng)系利用低沸點(diǎn)的工作流體作為工質(zhì)。其主要組件包括蒸發(fā)器、冷凝器、渦輪機(jī)、工作流體泵以及溫海水泵與冷海水泵。因?yàn)楣ぷ髁黧w系在封閉系統(tǒng)中循環(huán)，故稱為封閉式循環(huán)系統(tǒng)。當(dāng)溫海水泵將溫海水抽起，并將其熱源傳導(dǎo)給蒸發(fā)器內(nèi)的工作流體，而使其蒸發(fā)。蒸發(fā)后的工作流體在渦輪機(jī)內(nèi)絕熱膨脹，并推動(dòng)渦輪機(jī)的葉片而達(dá)到發(fā)電的目的。發(fā)電后的工作流體被導(dǎo)入冷凝器，并將其熱量傳給抽自深層的冷海水，因而冷卻并且再恢復(fù)成液體，然后經(jīng)循環(huán)泵打至蒸發(fā)器，形成一個(gè)循環(huán)。工作流體可以反覆循環(huán)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。以氨及氟氯烷22為最有可能的工作流體。封閉式循環(huán)系統(tǒng)之能源轉(zhuǎn)換效率在3.3%～3.5%。若扣除泵的能源消耗，則凈效率在2.1%～2.3%。

海洋溫差發(fā)電開放式

開放式循環(huán)系統(tǒng)并不利用工作流體作為工質(zhì)，而直接使用溫海水。首先將溫海水導(dǎo)入真空狀態(tài)的蒸發(fā)器，使其部分蒸發(fā)，其蒸氣壓力約為3kPa（25℃），相當(dāng)于0.03大氣壓力而已。水蒸氣在低壓渦輪機(jī)內(nèi)進(jìn)行絕熱膨脹，做完功之后引入冷凝器，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。后者即是附帶制備淡水的方法。雖然開放式系統(tǒng)的能源轉(zhuǎn)換效率高于封閉式系統(tǒng)，但因低壓渦輪機(jī)的效率不確定，以及水蒸氣之密度與壓力均較低，故發(fā)電裝置容量較小，不太適合大容量發(fā)電。

海洋溫差發(fā)電混合式

混合式循環(huán)系統(tǒng)與封閉式循環(huán)系統(tǒng)有些類似，唯一不同的是蒸發(fā)器部分?；旌鲜较到y(tǒng)的溫海水系先經(jīng)過一個(gè)閃蒸蒸發(fā)器（flashevaporator，一種使流體急速壓縮，然后急速解壓而產(chǎn)生沸騰蒸發(fā)的設(shè)備），使其中一部分溫海水轉(zhuǎn)變?yōu)樗魵猓浑S即將蒸氣導(dǎo)入第二個(gè)蒸發(fā)器（一種蒸發(fā)器與冷凝器的組合設(shè)備）。水蒸氣在此被冷卻，并釋放潛能；此潛能再將低沸點(diǎn)的工作流體蒸發(fā)。工作流體于此循環(huán)而構(gòu)成一個(gè)封閉式系統(tǒng)。設(shè)計(jì)混合式發(fā)電系統(tǒng)的目的，在于避免溫海水對(duì)熱交換器所產(chǎn)生的生物附著。該系統(tǒng)在第二個(gè)蒸發(fā)器中還可以有淡水副產(chǎn)品的產(chǎn)出。同時(shí)，開放式發(fā)電系統(tǒng)的低容量缺點(diǎn)亦可獲得改善。

世界上發(fā)展海洋溫差技術(shù)的國(guó)家不多，日本、法國(guó)、比利時(shí)等國(guó)已經(jīng)建成了一些海洋溫差能發(fā)電站，功率從100kW至5MW不等。日本在海洋溫差能研究開發(fā)方面投資力度很大，并在海洋熱能發(fā)電系統(tǒng)和換熱器技術(shù)方面領(lǐng)先于美國(guó)，迄今共建造了3座海洋溫差試驗(yàn)電站，均為岸基式。預(yù)計(jì)到2010年全球?qū)⒂?030座海洋溫差能發(fā)電站問世。

海洋溫差能屬低品位能源，與現(xiàn)有的生物化學(xué)能和核能相比，不能大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用的主要原因是循環(huán)熱效率低。提高OTEC系統(tǒng)循環(huán)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(shí)現(xiàn)海洋溫差發(fā)電。按海水表面25℃的平均溫度計(jì)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(xù)擴(kuò)大溫差，則深度會(huì)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(biāo)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(jīng)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(jīng)過太陽池的加熱，海洋溫差發(fā)電的效率即可提高10%，達(dá)到12%左右，性價(jià)比大幅提高。

NoboruYamada[28]等的研究結(jié)果表明，使用5000m²太陽能集熱器，可使溫海水提高20K～40K，利用太陽能集熱器后的海洋溫差發(fā)電系統(tǒng)（SOTEC）朗肯循環(huán)凈效率由2.3%提高到6.3%-9.5%，年平均熱效率比傳統(tǒng)的OTEC循環(huán)系統(tǒng)凈效率高出1.5倍。該項(xiàng)技術(shù)可用于提高溫海水的溫度，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(jìn)入蒸發(fā)器加熱循環(huán)工質(zhì)；也可用于提高汽輪機(jī)入口處工質(zhì)的溫度，即將從蒸發(fā)器出來的工質(zhì)送到太陽能集熱器進(jìn)行再熱后，送入汽輪機(jī)做功。無論用太陽能集熱器加熱溫海水還是加熱工質(zhì)，都是通過提高汽輪機(jī)入口工質(zhì)的溫度而使朗肯循環(huán)的效率提高。這樣，在機(jī)組裝機(jī)容量100kW不變的前提下，SOTEC系統(tǒng)朗肯循環(huán)效率的提高，使得冷海水的質(zhì)量流率降低，導(dǎo)致冷海水泵的耗功比OTEC的降低了30%左右，溫海水泵和循環(huán)工質(zhì)泵的耗功也相應(yīng)減小。因此，SOTEC的凈輸出功高于OTEC系統(tǒng)。

洋溫差發(fā)電存在著若干技術(shù)難題，它們是制約技術(shù)發(fā)展的瓶頸。

1）熱交換器表面容易附著微生物使表面換熱系數(shù)降低，這對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性影響極大。BergerLR等的研究結(jié)果表明，換熱器管道中附著25-50μm微生物時(shí)，換熱率降低40-50%。美國(guó)阿貢實(shí)驗(yàn)室發(fā)現(xiàn)，每天進(jìn)行1小時(shí)的間斷加氯，可有效控制生物體附著。但這種方法對(duì)環(huán)境有一定影響，因此仍有待于尋找更合適的方法。科學(xué)家在1977年的一項(xiàng)模擬換熱器實(shí)驗(yàn)中，換熱器工作十周后，盡管換熱器表層附著物很薄，系統(tǒng)的熱傳導(dǎo)仍有明顯的降低。1985年夏威夷的實(shí)驗(yàn)研究證實(shí)，雖然定期對(duì)微生物進(jìn)行清掃可以清除大部分附著的微生物，但長(zhǎng)期使用后換熱器表面仍有一層堅(jiān)硬的附著層不能通過簡(jiǎn)單清掃清除。另外一項(xiàng)研究表明，使用含有添加劑的海面橡膠可以有效去除附著于系統(tǒng)中的微生物，然而這樣會(huì)使微生物附著并生長(zhǎng)速度加快，清掃工作將會(huì)越來越頻繁。

2）冷水管是未來OTEC技術(shù)發(fā)展面臨的極大挑戰(zhàn)。冷水管必須有足夠的強(qiáng)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。這些問題還沒有完全解決。

3）要達(dá)到海洋溫差能的商業(yè)規(guī)模利用，并實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，除了解決技術(shù)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(nèi)的海域，表層海水溫度達(dá)到25℃以上，才適宜海洋溫差發(fā)電。如果發(fā)電位置與負(fù)荷中心距離太遠(yuǎn)，勢(shì)必加大輸電成本；風(fēng)速、海浪、洋流等影響表面溫度穩(wěn)定的因素都對(duì)裝置的整體效率帶來直接影響。 2100433B

海水溫差發(fā)電技術(shù)，取代火力發(fā)電、風(fēng)電與光伏的太陽能技術(shù)，風(fēng)電與光伏的太陽能提供間歇性電能，對(duì)電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行沖擊很大，接入電網(wǎng)還需要傳統(tǒng)能源給它調(diào)峰。

海水溫差發(fā)電技術(shù)特點(diǎn)

海水溫差發(fā)電設(shè)備制造中采取全新技術(shù)，解決了海水抽取中腐蝕性及高能耗難題、換熱器體積龐大的問題，取消了工質(zhì)回流泵，減少設(shè)備自身能耗，增加能量輸出，并在汽輪機(jī)上采取了全新技術(shù)，使機(jī)構(gòu)效率更高，體積更小，制造成本及制造的技術(shù)難度降到最低。

海水溫差發(fā)電技術(shù)區(qū)別

海水溫差發(fā)電設(shè)備的工作循環(huán)方式：液態(tài)低沸點(diǎn)工質(zhì)加熱汽化產(chǎn)生高壓蒸汽沖擊汽輪機(jī)發(fā)電，再由冷源冷卻液化，但取消了把液化工質(zhì)泵送到原來加熱處這一環(huán)節(jié)（現(xiàn)美國(guó)、日本及國(guó)內(nèi)研究海水溫差發(fā)電的技術(shù)都有這一工作環(huán)節(jié)，這一環(huán)節(jié)把汽輪機(jī)發(fā)出的電能大部分約（60-70%，與工質(zhì)性質(zhì)有關(guān)）消耗掉，這樣整個(gè)機(jī)組向外送不出多余的電能），該技術(shù)專利在申請(qǐng)中 。

在20度的溫差狀態(tài)下，低溫工質(zhì)在飽和狀態(tài)下，體積只能膨脹3倍左右，就相當(dāng)于1體積膨脹到3體積產(chǎn)生3N的能量，如果汽輪機(jī)效率為80%，則汽輪機(jī)輸出能量為2.4N，而膨脹后的工質(zhì)冷卻到原來的1體積，被工質(zhì)泵泵回到加熱器里去，它需要消耗1N的能量，假如泵的效率是66%的話，則泵要消耗約1.5N的能量，這樣機(jī)組只能輸出2.4N-1.5N=0.9N的能量，再加上抽冷、熱海水消耗的能量，整個(gè)機(jī)組輸出能量就很微少，根本沒有什么商業(yè)價(jià)值----這就是現(xiàn)有美國(guó)日本在研究的海水溫差發(fā)電不能商業(yè)化的原因。

溫差發(fā)電器的主要性能參數(shù)包括：開路電壓、輸出電功率、效率、功率衰減率、重量、體積、重量比功率和可靠性等等。

溫差發(fā)電器開路電壓

溫差發(fā)電器的開路電壓，指溫差發(fā)電器負(fù)載開路時(shí)發(fā)電器輸出端的電壓。符號(hào)ε，單位V

溫差發(fā)電器輸出電功率

溫差發(fā)電器的輸出電功率 ，等于負(fù)載上的電壓和回路電流的乘積。

溫差發(fā)電器溫差發(fā)電器的效率

指熱電轉(zhuǎn)換效率，定義為溫差發(fā)電器的輸出電功率與輸入熱功率之比。

溫差發(fā)電器壽命和功率衰降率

溫差發(fā)電器是一種長(zhǎng)壽命的電源。其壽命一般可達(dá)幾年到十幾年。溫差發(fā)電器的壽命規(guī)定為溫差發(fā)電器從正常工作到輸出功率衰降到低于額定功率值一刻的時(shí)間。

溫差發(fā)電器的功率衰降率，指的是單位時(shí)間內(nèi)溫差發(fā)電器輸出功率衰降的百分?jǐn)?shù)。

溫差發(fā)電器重量比功率

溫差發(fā)電器重量比功率定義為溫差發(fā)電器的輸出功率與溫差發(fā)電器總重量之比值。