[科普中国]-海洋温差能

在各种海洋能之中，海洋温差能属于海洋热能，其能量的主要来源是蕴藏在海洋中的太阳辐射能。海洋温差能具有储量巨大以及随时间变化相对稳定的特点，因此，利用海洋温差能发电有望为一些地区提供大规模的、稳定的电力。1

概述利用现状海洋热能主要来自于太阳能。世界大洋的面积浩瀚无边，热带洋面也相当宽mini—OTEC广。海洋热能用过后即可得到补充，很值得开发利用。据计算，从南纬20度到北纬20度的区间海洋洋面，只要把其中一半用来发电，海水水温仅平均下降l℃，就能获得600亿千瓦的电能，相当于目前全世界所产生的全部电能。专家们估计，单在美国的东部海岸由墨西哥湾流出的暖流中，就可获得美国在1980年需用电量的75倍。

如何有效地利用海水温度差能量来为人类服务呢？法国的Arsened Arsonval于1881年首次提出海洋温度差发电的构想。即发明利用海水表层（热源）和深层（冷源）之间的温度差发电的电站。于是1930年Claude在古巴的近海，首次利用海洋温度差能量发电成功，但是，由于发电系统的水泵等所耗电力比其所发出的电力更大，结果纯发电量为负值。然而人们并没有泄气。1979年，夏威夷的MINI-OTEC发电系统第一次发出了15kW的净发电容量[1]。

发电原理海水温差发电技术，是以海洋受太阳能加热的表层海水（25℃～28℃）作高温热源，而以500米～l000米深处的海水（4℃～7℃）作低温热源，用热机组成的热力循环系统进行发电的技术。从高温热源到低温热源，可能获得总温差15℃～20℃左右的有效能量。最终可能获得具有工程意义的11℃温差的能量。

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，美国还计划在跨入21世纪时建成一座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[3]。

分类根据所用工质及流程的不同，一般可分为开式循环、闭式循环和混合式循环，接近实用化的是闭式循环方式。

该系统主要由、冷凝器、蒸发器、汽轮机、发电机组等。

真空泵将系统内抽到一定真空，起动温水泵把表层的温海水抽入蒸发器，由于系统内已保持有一定的真空度，所以温海水就在蒸发器内沸腾蒸发，变为蒸汽。蒸汽经管道由喷嘴喷出推动汽轮机运转，带动发电机发电。从汽轮机排出的废汽进入冷凝器，被由冷水泵从深层海水中抽上的冷海水所冷却，重新凝结为水，并排入海中。在该系统中作为工质的海水，由泵吸入蒸发器蒸发到最后排回大海，并未循环利用，故该工作系统称为开式循环系统。

在开式循环系统中，其冷凝水基本上是去盐水，可以做为淡水供应需要，但因以海水作工作流体和介质，蒸发器与冷凝器之间的压力非常小，因此必须充分注意管道等的压力损耗，同时为了获得预期的输出功率，必须使用极大的透平（可以和风力涡轮机相比）。

闭式循环该系统不以海水而采用一些低沸点的物质（如丙烷、异丁烷、氟利昂、氨等）作为工作流体，在闭合回路中反复进行蒸发、膨胀、冷凝。因为系统使用低沸点工作流体，蒸汽的压力得到提高。

系统工作时，温水泵把表层温海水抽上送往蒸发器，通过蒸发器内的盘管把一部分热量传递给低沸点的工作流体，例如氨水，氨水从温海水吸收足够的热量后，开始沸腾并变为氨气（氨气压力约为9.5×10^4Pa）。氨气经过汽轮机的叶片通道，膨胀作功，推动汽轮机旋转。汽轮机排出的氨气进入冷凝器，被冷水泵抽上的深层冷海水冷却后重新变为液态氨，用氨泵把冷凝器中的液态氨重新压进蒸发器，以供循环使用。

闭式循系环统的工作流体要根据发电条件（涡轮机条件、热交换器条件）以及环境条件等来决定。已用氨、氟利昂、丙烷等工作流体，其中氨在经济性和热传导性等方面有突出优点，很有竞争力，但在管路安装方面还存在一些问题。

闭式循环系统的优点是：(1)、可采用小型涡轮机，整套装置可以实现小型化；(2)、海水不用脱气，免除了这一部分动力需求。其缺点是：因为蒸发器和凝汽器采用表面式换热器，导致这一部分体积巨大，金属消耗量大，维护困难。

混合循环该系统基本与闭式循环相同，但用温海水闪蒸出来的低压蒸汽来加热低沸点工质。这样做的好处在于减少了蒸发器的体积，可节省材料，便于维护。

从海洋温差发电设备的设置形式来看，大致分成陆上设备型和海上设备型两类。陆上型是把发电机设置在海岸，而把取水泵延伸到500～1000米或更深的深海处。例如1981年11月，日本在太平洋赤道地区的瑙鲁共和国修建的世界上第一座功率为100千瓦的岸式热能转换站，即采用一条外径为0.75米、长1250米的聚乙烯管深入580米的海底设置取水口。这种设置形式很有发展前途。海上型是把吸水泵从船上吊挂下去，发电机组安装在船上，电力通过海底电缆输送。海上设备型又可分成三类，即浮体式（包括表面浮体式、半潜式、潜水式）、着底式和海上移动式。例如，1979年在美国夏威夷建成的“mini OTEC”发电装置，即安装在一艘268吨的海军驳船上，利用一根直径0.6米、长670米的聚乙烯冷水管垂直伸向海底吸取冷水。

发电过程1．将海洋表层的温水抽到常温蒸发器，在蒸器中加热氨水、氟利昂等流动媒体，使之蒸发成高压气体媒体。

2．将高压气体媒体送到透平机，使透平机转动并带动发电机发电，同时高压气体媒体变为低压气体媒体。

3．将深水区的冷水抽到冷凝器中，使由透平机出来的低压气体媒体冷凝成液体媒体。

4．将液体媒体送到压缩器加压后，再将其送到蒸发器中去，进行新的循环。

优点海洋占地球表面的70%。由于这个能量来自太阳，可以说取之不尽，用之不绝。②海水温度差只有20℃且属于低品位能量，最大转换效率只有4%左右。③属于自然能源，不会造成环境污染，与其他自然能源相比，可以不分昼夜，不受时间季节气候等条件的限制，能量供应稳定。④由于海水具有腐蚀性、生物污损性。因此设备应考虑使用耐腐蚀、少污染材料，同时要考虑耐生物污损的对策，由于深海抽上来的海水含有较多的营养成分，有利于提高海洋渔业产量。

利用热带洋面海水和760米深处的冷海水之间温度差发电。海洋热能转换装置最大优点是可以不受潮汐变化和海浪影响而连续工作。另外，它不但不产生空气污染物或放射性废料，而且它的副产品是优质的淡化海水。热带海面的水温通常约在27℃，深海水温则保持在冰点以上几度。这样的温度梯度使得海洋热能转换装置的能量转换只达3%～4%。因此，海洋热能转换装置必须动用大量的水，方可弥补自身效率低的缺点。实际上20%～40%的电力用来把水通过进水管道抽入装置内部和热能转换装置四周。尽管OTEC装置仍存在不少工程技术和成本方面的问题，但它毕竟有很大潜力。未来学家认为，它是全世界从石油向未来无污染的氢燃料过渡的重要组成部分。有的科学家认为，OTEC对环境无害，并可能提供人类所需的全部能量。

鉴于上述特点，美国、日本等海洋资源丰富的国家，目前正在积极研究及应用海洋温差发电系统。使之在资源短缺的今天，成为人类的有力选择[3]。

分布中国的南海海域辽阔，水深大于800米的海域约140～150万平方公里，位于北回归线以南，太阳辐射强烈，是典型的热带海洋，表层水温均在25°C以上。5000～800米以下的深层水温在5°C以下，表深层水温差在20～24°C，蕴藏着丰富的温差能资源。据初步计算，南海温差能资源理论蕴藏量约为1.19～1.33×10^19千焦耳，技术上可开发利用的能量（热效率取7%）约为（8.33～9.31）×10^17千焦耳，实际可供利用的资源潜力（工作时间取50%，利用资源10%）装机容量达13.21～14.76亿千瓦。我国台湾岛以东海域表层水温全年在24～28°C，500～800米以下的深层水温在5°C以下，全年水温差20～24°C。据台湾电力专家估计，该区域温差能资源蕴藏量约

2.16×10^14千焦耳。中国温差能资源蕴藏量大，在各类海洋能资源中占居首位，这些资源主要分布在南海和台湾以东海域，尤其是南海中部的西沙群岛海域和台湾以东海区，具有日照强烈，温差大且稳定，全年可开发利用，冷水层离岸距离小，近岸海底地形陡峻等优点，开发利用条件良好，可作为国家温差能资源的先期开发区。

海水是吸热体海水的比热大，是一个巨大的吸热体。太阳辐射到地球表面的热能，很大一部分被海水吸收，且长期被贮存在海水的上层。人们不难发现，辽阔的海洋，除了地球南北的极地和部分浅海，一般是不会结冰的，特别是赤道附近一带海域，海水表面温度几乎是恒温的，所以人们常形容海洋是温暖的。其实海洋很深，有的可深达几千米，在海洋深处的海水却是很冷，它终年温度只有摄氏几度，无论如何，太阳也没有办法把它晒热，这与海洋上层的温水比较，相差可有20℃左右。在热力学上，凡有温度差异，都可用来作功，这就叫海洋温差能。为什么海水会有如此的温差呢？原来还是太阳能在此作怪。太阳不仅把表面海水晒热了，同时它也把地球两极的冰雪融化了不少，冰冷的雪水由两极向海洋的深处流来。冷水密度大，这些冰冷的水就沉积在海底。海洋越深，水越冷。据海洋水深测量，地球沿南北回归线之间的海洋最深，深海的水最冷。然而这一带的海面却最温暖，于是海洋温差能就富集在这一带。在地球的东半球，从东经130°～180°，北纬20°～南纬20°之间的海洋温差最大，约在21～24℃；西半球西经110°～160°和西经10°～40°，北纬20°～南纬20°之间的海洋温差也很大，约在20～22℃之间。通常海洋温差是指南纬25°至北纬32°之间海域中海水深层与表层的温度差。我国位于东半球，海洋温差条件较好，尤其是台湾附近海水温差更大。

海洋温差能是温差发电能源海洋温差能的利用主要是温差发电。早在1881年，法国物理学家阿松瓦尔（J.D′Arsonval）就提出了海洋温差发电的设想。直到1929年才由法国工程师克劳德（G.Claude）建立起试验装置，证实了海洋温差发电的可能性。但是当时限于技术、材料和资金等诸多问题，未能真正建造海洋温差发电站。又过去了半个多世纪，到1979年，世界出现第二次石油危机，美国能源部不惜重金在太平洋中心海洋温差条件最佳的夏威夷着手进行海洋热能转换，由夏威夷自然能源实验室负责，利用一艘268吨的海军驳船安装海洋温差发电试验台。采用液氨为工质，以闭式朗肯循环方式，完成了中间介质法的海洋温差发电，设计功率50千瓦，实际发电53.6千瓦，减去水泵等自耗电35.1千瓦，净输出功率18.5千瓦，占总功率的34%。当时表面海水温度28℃，海深663米的冷水温度为7℃。为此，美国政府决定继续向万千瓦级海洋温差发电努力。美国的试验结果，引起了日本、英国、法国、瑞典、荷兰等国的兴趣。1981年，日本东京电力事业公司在南太平洋的瑙鲁岛也建起了一座100千瓦的海洋温差发电装置。接着1990年又在鹿儿岛建起了一座兆瓦级的同类电站。日本这两座海洋温差发电装置都是岸式电站，鹿儿岛取用370米深处的海水为15℃，因此，再利用柴油发电的余热将表面海水加温到40℃，使温差达到25℃。

海洋温差发电是一项高科技项目目前，海洋温差发电仍是一项高科技项目，它涉及许多耐压、绝热、防腐材料问题，以及热能利用效率问题（效率现仅2%），且投资巨大，一般国家无力支持。但海洋温差资源丰富，对大规模开发海洋来说，它可以在海上就近供电，并可同海水淡化相结合，从长远观点看，海洋热能转换是有战略意义的。从技术发展前景看，除现有闭式朗肯循环路线外，还有开式和混合式循环，以及新概念的泡沫提升法和雾滴提升法等技术。因此，技术潜力较大。现在我国除台湾省曾在东部樟原做过一点小实验外，基本处于空白。

本词条内容贡献者为:

刘勇 - 副教授 - 西南大学资源环境学院