[科普中国]-海洋温差发电厂

海洋温差发电厂是通过海洋温差能发电的，它利用表层温海水加热某些低沸点工质并使之汽化（或通过降压使海水汽化），以驱动汽轮机发电；同时利用深层冷海水将做功后的乏汽冷凝重新变为液体，形成系统循环。

工作原理海洋表面的海水长期受到在太阳光的照射，而深层海水却长期得不到太阳光的照射，从而表层温海水和深层冷海水存在着温差，并利用这一温差来实现热力循环应用于发电，这种发电方式称为海洋温差发电(Ocean Thermal Energy Conversion 简称 OTEC )。OTEC的基本原理：利用海洋热能转化技术，海洋表层高温海水使冷水或沸点较低的工质气化，推动涡轮发电机发电。然后再利用深层低温冷海水对蒸气进行冷却，使之还原为液体状态。如此循环．便可实现海洋温差能的发电。1

发展历史早在1881年9月，巴黎生物物理学家德·阿松瓦尔就提出利用海洋温差发电的设想。

1926年11月，法国科学院建立了一个实验温差发电站，证实了阿松瓦尔的设想。1930年，阿松瓦尔的学生克洛德在古巴附近的海中建造了一座海水温差发电站。

1961年法国在西非海岸建成两座3500千瓦的海水温差发电站。美国和瑞典于1979年在夏威夷群岛上共同建成装机容量为1000千瓦的海水温差发电站，美国还计划在21世纪初建成一座100万千瓦的海水温差发电装置，以及利用墨西哥湾暖流的热能在东部沿海建立500座海洋热能发电站，发电能力达2亿千瓦。

2005 年，印度在卡瓦拉蒂岛建立海洋温差淡水生产设备，采用海洋温差进行海水淡化满足了岛上淡水的需求。2009 年美国洛克希德马丁公司及美国能源部与美国海军研究利用海洋温差能解决关岛上海军陆战队用电和淡水的问题。目前，在南太平洋、印度洋、夏威夷、加勒比海等海域，海洋温差发电技术有着较好的应用。2

2007-2008 年中国国家海洋局第一海洋研究所重点开展了海洋温差能利用的研究，主要进行了海洋温差能循环的理论研究工作。并设计出了 250W 小型温差能发电利用实验装置。2011 年国家海洋局第一海洋研究所刘伟民博士在中国可再生能源学会 2011 年学术年会上提出新的循环方式（简称国海循环）。

循环方式海洋温差能发电的循环方式根据工质及流程的不同，一般可分为开式循环、闭式循环、混合式循环。不同的循环方式决定不同发电厂的工作原理、组成机构。3

开式循环系统开式循环系统最早是有法国科学家 Mr. G. Claude 提出。开式循环系统以朗肯循环为基础，系统工质为水。系统由闪蒸器、冷凝器、汽轮机、发电机、温水泵和冷水泵等组成。其工作原理为：真空泵是用来保证系统的真空度，由温水泵抽出的表层温海水在闪蒸器内低压沸腾成蒸汽，产生的蒸汽推动汽轮机做功，带动发电机发电；从汽轮机排出的蒸汽在冷凝器内被由冷水泵抽出的深层冷海水冷凝凝结成水。

开式循环的优点是：

(1)由于开式循环的工作介质是海水，不需要其他工质则不需要海水与工质的热交换，因此可以减少由于二次热交换而产生的热量损失；

(2)如果冷凝器采用间壁式冷凝器，则可以产生淡水；

(3)清洁无污染，以在真空下不断蒸发的温海水蒸汽为工作介质，不会因为工质的泄漏而对环境造成破坏；

(4)结构相对比较简单，容易操作。

开式循环的缺点是：

(1)由于海水中含有氧、氮、二氧化碳等溶解性气体， 当海水蒸发的蒸汽进入闪蒸器之类的真空部件后，大部分溶解气体被释放出来，为保持系统真空， 必须连续不断的除去这些气体；

(2)系统处于负压，透平压降较低，25℃时饱和蒸汽压力约为 3.3k Pa，透平效率低，并需要的透平内径尺寸大；

(3)由于只有不到 0.5%的海水能够蒸发成蒸汽，因此需要将大量的海水泵进发电厂以产生足够的蒸汽来推动这一大型低压透平进行发电，这种局限性使得开放式循环系统产生的总电量不超过 3 兆瓦，进一步加大透平的尺寸，增加透平的重量会使支撑系统不堪重负，造成实验系统无法正常运行。

闭式循环海洋温差能发电闭式循环系统由美国安德森父子在 1964 年提出。闭式循环系统由蒸发器、冷凝器、透平、发电机、温海水泵、冷海水泵、工质泵组成。和开式循环一样以朗肯循环为基础。其工作原理为：温海水泵将表层温海水送往蒸发器，在蒸发器内低沸点的工作介质通过换热吸收温海水热量，工作介质的温度升高变为蒸汽，蒸汽通过透平膨胀做功，带动发电机进行发电；透平排出的低沸点工质蒸汽进入冷凝器，再由冷水泵抽出的深层冷海水进行冷却，使工作介质由蒸汽重新变为液体；利用工质泵把液态工作介质重新压进蒸发器进行蒸发，使其循环使用。重复这个循环过程，完成发电。

闭式循环的优点：

(1)系统处于正压，透平压降较大，采用低沸点工质可以提高压力差和压力水平，在同样温度下蒸汽压力比水蒸汽的压力高很多，如氨在 25℃时，饱和压力 1005.1k Pa 是同温下水的饱和压力的 300 多倍， 因此闭式循环系统可以大大地缩小透平尺寸，减小温海水流量，实现装置的小型化以及规模的大型化，易于取得到商业化发展 ；

(2)由于工质在闭路中循环，海水内不凝性气体对系统的影响较小，海水不需要脱气，免除了这一环节的动力需求。

闭式循环的缺点是

(1)海水与工质之间需要二次换热，减小了可利用的温差 ，增加了二次换热过程中的不可逆热量损失；

(2)蒸发器和冷凝器体积较大，金属耗量大，维护困难；

(3)由于温差较小必须有性能优良的热交换器，才能大大降低换热器成本；

(4) 工质的泄露可能会对环境产生影响；

(5)只可发电，不能生产淡水。4

混合式循环混合式循环是在闭式循环的基础上结合开始循环改造而成的，混合式循环将闭式循环和开始循环系统的部分综合起来进行发电和生产淡水。

一种混合式循环系统的工作原理是温海水在闪蒸室闪蒸成蒸汽，蒸汽在蒸发器中加热工质同时被冷却成淡水，与开环系统蒸发过程一致；在闭合周期中工质在蒸发器中吸热蒸发成蒸汽，被汽化的工质通过透平做功带动发电机发电。这种循环方式的优点是蒸发器内以蒸汽形式加热工质，有较高的换热系数，可减小换热面积，且有较高淡水产量；缺点是存在着二次换热，且闪蒸系统需要脱气，闭路系统不能有效的利用温差。

另一种循环系统方式的工作原理是表层温海水先通过蒸发器给工作介质加热，被加热的工作介质成为蒸汽推动透平做功，带动发电机发电。换热后的温海水再进入闪蒸器内闪蒸，闪蒸出来的蒸汽被从冷凝器出来的冷海水冷凝称为淡水。这种系统的优点是：没有影响发电系统的有效温差，而且可以根据需要调节进入闪蒸器的海水流量，从而控制淡水产率；缺点是：系统较复杂，需配备淡水冷凝器，成本更高。

电厂类型海洋温差能发电厂可以建设在岸上，也可以建设在海上。

岸式温差能发电厂岸式发电厂目前己有多个示范装置。岸式发电装置的优势是维护和修理简单，不受台风影响，长期使用经济性较好，如果抽取的海水可以用作其他用途，其经济性还可提高;其局限性是建厂位置条件苛刻，要求厂址附近有水深超过800 m的热带海域以确保表深层海水间具有足够的温差，使用的冷水管包括水下竖直部分及陆上水平部分，长度较长，以及运转水泵需要较高能量。

海上温差能发电厂温差能发电装置也可建在海上。海上装置垂直于水面吸水，水管长度减短，海水在输运过程中的热损失也相应减少;但海上装置需要用锚固定，需要具备抗风浪的能力，且需要电缆将电力输送出去，这就增加了工程的难度和造价。海上装置有船式设计半潜式设计以及全潜式设计。

船式温差能发电装置的建造技术可参考造船技术，比较成熟，目前已经有示范工程。半潜式和全潜式海洋温差能装置目前还处于概念设计阶段。5

发展意义我国海洋温差能资源比较丰富，如果能够很好的开发利用这一清洁可再生能源，将会对我国能源结构的调整、缓解能源压力、开发岛屿资源等具有重要意义。我国对海洋温差能的开发具有如下意义：

(1) 海洋温差能不仅可以用来发电，还可以用来搞海水淡化、海水养殖、冷水空调、深海采矿等各种综合利用。海洋温差能的开发不仅可以缓解能源短缺的现状，还可以为岛屿和船舶提供淡水资源，因此海洋温差能的开发和利用具有重要意义。

(2) 开发海洋温差能对解决我国沿海岛屿用电问题具有重要的现实意义。随着近年来国家经济的迅速发展，许多沿海地区如广东、南海、山东等均将海洋资源开发利用列为经济建设的重大战略措施，而海岛成为海洋开发的前哨和基地。但是大多数岛屿常规能源（如煤、石油）资源短缺，能源供应依靠大陆运送，电力联网困难，普遍缺能少电。独立电网大多都依靠高价柴油发电，不少地方成本超过一元每千瓦时，也仅仅能提供生活用电，因此严重影响岛屿的渔、副、工、农及国防的建设和发展。所以解决我国沿海岛屿能源问题具有重要的政治、国防、经济意义。沿海岛屿虽然缺乏常规能源，但是海洋温差能资源丰富，若能因地制宣地开发环岛周围的海洋温差能，对岛屿的经济发展和守土固疆必将产生重大影响。

(3) 海洋温差能资源的开发，还能为将来的海上工程作业提供便利的电力。随着人类对海洋资源认识的深入和科学技术的发展，海洋开发已经处于由离岸向纵深发展的阶段。海洋开发本身需要越来越多的能源，例如海上钻井平台主要依靠柴油机发电，电源有限。如果发展海上移动式海洋温差能发电装置，就可以跟随海上工程活动使用，解决离岸用电问题。

(4) 发海洋温差能不仅可以缓解我国能源压力，调整能源结构，也有利于我国的环境保护。因此，海水温差能作为一种清洁、可再生的能源，其开发、利用对我国经济可持续发展和人民生活水平的提高具有重要的现实意义。3

前景展望海洋温差发电厂离陆地较近,除了可考虑直接向陆地上的变电站输送电能外,还可利用这些电能从水中分解出高效的氢燃料,或从浓缩海水中提取铀、重水和一些稀有金属,送往陆地供核电站使用,同时它不会产生污染物和温室气体。同时,冷海水的营养丰富,而且无菌,此种高浓度的营养盐类有助于海水养殖、制药或生物科技的发展。而且发电过程中所产出的淡水也是一种很重要的副产品,冷海水的冷度还可用于空调、冷藏或农业生产上,海洋温差电站甚至还有教育、观光及游憩方面的价值。因此,海洋温差发电厂有百利而无害,可谓应用前景广阔。6

本词条内容贡献者为:

石季英 - 副教授 - 天津大学