海洋温差能及其开发利用

海洋温差能是海水吸收和储存的太阳辐射能，也称海洋热能。太阳辐射热随纬度的不同而变化，纬度越低，水温越高；纬度越高，水温越低。海水温度随深度不同也发生变化，表层因吸收大量的太阳辐射热，温度越高，随着海水深度加大，水温逐渐降低。南纬20°至北纬20°之间，海水表层（130 m左右深）的温度通常是25～29℃。红海的表层水温高达35℃，而深达500 m层的水温保持在5～7℃。

海水温差发电是指利用海水表层之间的温差能发电，海水表层和底层之间形成的20℃温度差可使低沸点的工质通过蒸发及冷凝的热力过程（如用氨作工质），从而推动汽轮机发电。按循环方式温差发电可分为开式循环系统、闭式循环系统、混合循环系统和外压循环系统。按发电站的位置，温差发电可分为海水海洋温差发电站、海洋式海水差发电站、冰洋发电站。

由于该类能源随时可取，并且还有海水淡化、水产养殖等综合效益，被国际社会公认为是最具有开发潜力的海水资源，已受到有关国家的高度重视，部分技术已达到了商业化程度，美国和日本已建成了几座该类能源的发电厂，而荷兰、瑞典、英国、法国、加拿大和中国台湾已都有开发该类发电厂的计划。

（1）海洋温差能发电的研发历史和现状

早在1881年，法国物理学家德尔松瓦（Jacquesd Arsonval）提出利用海洋表层温水和深层冰水的温差使机体做功，过程利用一种工作介质（二氧化硫液体）在温泉中汽化而在冰河水中凝结。1926年，德尔松瓦的学生法国科学家克劳德在法国科学院进行一次公开海洋温差发电实验：在两只烧杯分别装入28℃的温水和冰屑，抽去系统内的空气，使温水沸腾，水蒸气吹动透平发动机而为冰屑凝结。发的电点亮三个小灯泡。当时可劳德向记者发表他的计算结果称：如果1秒用1000 m3的温水，能够发10万瓦的电力。

1930年，在古巴曼坦萨斯湾海岸建成一座开式循环发电装置，出力22 k W，但是，该装置发出的电力小于为维持其运转所消耗的功率。

1964年，美国安德森重提类似当年德尔松瓦闭式循环的概念。闭式循环，使用在高压下比沸水点低、密度大德工质，并且提出蒸发机和冷凝器沉入工质压力相同的水压的海中，发电站是半潜式的。这样可以使整个装置体积变小，而且避免风暴破坏。案德森的专利在技术上为海洋温差开辟新途径。

自20世纪70年代以来，美、日忽然西欧诸国，对海洋热能利用进行了大量工作，由于基础研究、可行性研究、各式电站的设计直到部件和整机的实验和海上实验、研究几乎集中在闭式循环发电系统上。

1979年，美国在夏威夷建成了世界第一个闭式循环的“微型海洋温差能”发电船是当今开发利用海水温差发电技术的典型代表。该装置由驳船改装，锚泊在夏威夷附近海面，采用氨为工作介质，额定功率为50 k W，除装置自耗电外，净输出功率达18.5 k W。系统采用的冷水管外径约60 cm，利用深层海水与表面海水21～23℃的温差发电，于当年8月进行了持续3个500小时发电试验。

1981年，日本在瑙鲁共和国把海水提取到陆上，建成了世界上第一座100 k W的海岸式海洋温差能发电站，净输出功率为14.9 k W。日本又在康儿岛建成了1000 k W的海洋温差能发电站，并计划在隅群岛和富士湾建设10万千瓦大型实用海洋温差能发电装置。

目前，人们已经实现了大型电站建设的技术可行性，阻碍其发展的关键在于，低温差20～27℃时系统的转换效率仅为6.8%～9%，加上发出电的大部分在于抽水，冷水管的直径又大又长，工程难度大，研究工作处于停顿状态，每千瓦投资成本约1万美元，近期不会有人投资建实用的电站。若能利用沿海电厂的温差废水，提高温差，或者将来与开发深海或天然气水合物结合，并在海上建化等综合考虑还是可能的。

（2）海洋温差能发电原理和系统

海洋温差发电根据所用工质及流程的不同，一般可分为开式循环系统、闭式循环系统和混合循环系统，如图8-6、图8-7、图8-8所示，从图中可以看出，除发电外还能将排出的海水进行综合利用，图8-6、图8-8中的装置可以产生淡水。

图8-6　开式循环系统

图8-7　闭式循环系统

图8-8　混合循环系统

①开式循环系统。开式循环系统以表层的海水作为工作介质。真空泵将系统内抽到一定真空，海水泵把温海水抽入蒸发器，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，蒸汽经管道喷出推动蒸汽轮运转，带动发动机发电。蒸汽通过汽轮机后，由被冷水泵抽上来的深海冷水所冷却而凝结成淡化水。由于只有不到0.5%的温海水变为蒸汽，因此必须泵送大量的温海水，以便产生出足够的蒸汽来推动巨大的低压汽轮机，这就使得开式循环系统的净水发电能力受到了限制。

②闭式循环系统。闭式循环系统以一些低沸点的物质（如丙烷、异丁烷、氟利昂、氨气）作为工作介质。系统工作时，表层温海水通过热交换器把热量传递给低沸点的工作介质，例如氨水，氨水从温海水吸收足够的热量后开始沸腾，变为氨气，氨气经过管道推动汽轮发动机，深沉冷海水在冷凝中使氨气冷凝、液化，用氨泵把液态氨重新压进蒸发器，以供循环使用。闭式循环系统能使发电量达到工业规模，但其缺点是蒸发器和冷凝器采用表面式换热器，导致这一部分不仅统计庞大，而且耗资昂贵。此外，闭式循环系统不能产生淡水。

③混合循环系统。混合循环系统也是以低沸点的物质作为工作介质。用温海水闪蒸出来的低压蒸汽来加热低沸点工质，这样做的好处在于既能产生新鲜的淡水，又可减少蒸发器的体积，节约材料，便于维护，从而使其成为温差发电的新方向。