海洋溫差發(fā)電技術(shù)的現(xiàn)狀及其商業(yè)化可行性探討

彭景平，陳鳳云，劉偉民，劉鶴儀

（1.青島理工大學(xué) 環(huán)境與市政工程學(xué)院，山東 青島266033；2.國家海洋局第一海洋研究所，山東 青島266061）

1 引言

海洋面積大約覆蓋了地球表面的71%，這使得它成為世界上最大的太陽能集熱器和儲(chǔ)能系統(tǒng)。海洋能中以海洋溫差能的儲(chǔ)量最大，全世界海洋溫差能的理論儲(chǔ)量估計(jì)為100億kW。海洋溫差能具有清潔、可再生、儲(chǔ)量大，不存在間歇，受晝夜和季節(jié)的影響較小，不占用土地資源等特點(diǎn)，被國際社會(huì)普遍認(rèn)為海洋溫差能的轉(zhuǎn)換是最具開發(fā)利用價(jià)值和潛力的海洋資源。

海洋溫差發(fā)電的基本原理是利用海洋熱能轉(zhuǎn)化技術(shù)，海洋表層高溫海水使冷水或沸點(diǎn)較低的工質(zhì)氣化，推動(dòng)渦輪發(fā)電機(jī)發(fā)電。然后再利用深層低溫冷海水對(duì)蒸氣進(jìn)行冷卻，使之還原為液體狀態(tài)。如此循環(huán)，便可實(shí)現(xiàn)海洋溫差能的發(fā)電。海洋溫差發(fā)電裝置根據(jù)所用工質(zhì)及流程的不同，一般可分為開式循環(huán)、閉式循環(huán)和混合式循環(huán)，目前接近實(shí)用化的是閉式循環(huán)方式（圖1至圖3）。

圖1 開式溫差發(fā)電系統(tǒng)

圖2 閉式海水溫差發(fā)電系統(tǒng)

圖3 混合式溫差發(fā)電系統(tǒng)

在開式循環(huán)系統(tǒng)中海水被直接用作循環(huán)工質(zhì)，發(fā)電的同時(shí)可以產(chǎn)出淡水；但由于溫差小焓降小，要求透平內(nèi)徑尺寸很大。閉式循環(huán)系統(tǒng)由于使用了低沸點(diǎn)工質(zhì)，使整個(gè)裝置，特別是透平機(jī)組的尺寸大大縮小。混合式海洋溫差發(fā)電系統(tǒng)綜合了開式和閉式循環(huán)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，它以閉式循環(huán)發(fā)電，用溫海水閃蒸出來的低壓蒸汽來加熱低沸點(diǎn)工質(zhì)。這樣做的好處在于減小了蒸發(fā)器的體積，節(jié)省材料，便于維護(hù)并可收集淡水。

2 海洋溫差發(fā)電的發(fā)展歷程

在1881年法國人Mr J d Arsonval提出了海洋溫差發(fā)電的概念。G Claude在1926年6月在古巴坦薩斯海灣沿海建造了一座開式循環(huán)發(fā)電裝置，額定22kW的輸出功率。1979年美國在夏威夷沿海搭建了第一座Mini－OTEC 50kW海洋溫差能轉(zhuǎn)換試驗(yàn)性電站，凈輸出功率15kW［4］，這是歷史上第一次通過海洋溫差能得到具有實(shí)用價(jià)值的電能。1993年，在夏威夷建成了210kW的開式循環(huán)系統(tǒng)，有40～50kW的凈輸出功率，同時(shí)該系統(tǒng)還生產(chǎn)出了淡水，是綜合利用海洋溫差能研究和探索的開端［5］。1999年，在印度東南部海上運(yùn)轉(zhuǎn)成功了世界上第一套1MW海洋溫差發(fā)電實(shí)驗(yàn)裝置［6］。2009年美國洛克希德公司及美國能源部與美國海軍研究用溫差能解決關(guān)島上海軍陸戰(zhàn)隊(duì)用電和淡水的問題［7］。

我國具有豐富的海洋溫差能，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。1991年廣州能源研究所實(shí)現(xiàn)了將霧滴提升到21m高度的記錄，還對(duì)開式循環(huán)過程進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室研究。2004～2005年，天津大學(xué)對(duì)閉式和混合式系統(tǒng)進(jìn)行了理論研究，并對(duì)200W氨飽和蒸汽透平進(jìn)行了開發(fā)研究［8］。2007～2008年國家海洋局第一海洋研究所重點(diǎn)開展了海洋溫差能利用的研究，并設(shè)計(jì)出了250W小型溫差能發(fā)電利用實(shí)驗(yàn)裝置。2008年在“十一五”期間重點(diǎn)開展了15kW閉式海洋溫差能系統(tǒng)的研究，系統(tǒng)在2012年5月成功運(yùn)行。

3 技術(shù)可行性分析

自從克勞德在1930年首次在古巴嘗試OTEC技術(shù)的可行性，80多年的經(jīng)驗(yàn)積累和大量的資金投入，以工程數(shù)據(jù)的形式提供了設(shè)備的研發(fā)，環(huán)境研究，及初步設(shè)計(jì)的技術(shù)資料，為建立一個(gè)商業(yè)性的海洋熱能轉(zhuǎn)換工廠提供基礎(chǔ)。

在OTEC過程所需要的熱交換器這一領(lǐng)域已做了廣泛的研究和開發(fā)，MINI－OTEC和OTEC－1為發(fā)展商業(yè)規(guī)模的熱交換器的設(shè)計(jì)方法提供了基礎(chǔ)。由于商業(yè)規(guī)模的OTEC工廠需要大型的熱交換器（熱能轉(zhuǎn)化過程需要大量的水），設(shè)計(jì)和選擇應(yīng)基于兩個(gè)因素：高傳熱效率和低成本（緊湊的尺寸），材料的選擇耐久性、與工作液的相容性。依據(jù)這些標(biāo)準(zhǔn)，最佳選擇是不銹鋼板和鋁釬焊式熱交換器。換熱器設(shè)計(jì)和制造的最新進(jìn)展，鋁釬焊式（Al－BZ）熱交換器允許在OTEC平臺(tái)尺寸，相比與板式換熱器它具有更緊湊的配置和更高的換熱效率［9］。在20世紀(jì)70年代，海洋生物附著OTEC熱交換器被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)OTEC商業(yè)化潛在的障礙。因?yàn)楹Ｑ笊锏母街梢燥@著的降低海洋熱能轉(zhuǎn)換過程中的效率。美國阿貢國家實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在工廠持續(xù)運(yùn)行過程中間歇性低劑量的加入氧化劑可以有效控制生物體附著［10］。OTEC商業(yè)工廠選擇一個(gè)浮動(dòng)平臺(tái)引起了一些關(guān)于它的建設(shè)和運(yùn)營方面的問題，幸好已有令人滿意的答復(fù)［9，11］。

（1）平臺(tái)本身的設(shè)計(jì)需要解決相關(guān)的海上設(shè)施的建設(shè)、運(yùn)行和維護(hù)的問題。在船舶和海洋工程鋼筋后張預(yù)應(yīng)力混凝土或鋼制成的駁船技術(shù)被用于構(gòu)建和部署石油行業(yè)。現(xiàn)有的技術(shù)和施工工藝可以構(gòu)建一座至少100MW容量的OTEC浮動(dòng)平臺(tái)。1979年的MINIOTEC和后來的OTEC－1表明OTEC工廠可以從一個(gè)移動(dòng)的浮動(dòng)平臺(tái)來經(jīng)營，并且平臺(tái)設(shè)計(jì)有30年的運(yùn)行壽命和承受嚴(yán)重風(fēng)暴的能力。

（2）一個(gè)平臺(tái)需要合適的管道技術(shù)給OTEC循環(huán)過程提供必需的深層冷海水。MINI－OTEC和OTEC－1驗(yàn)證了懸吊冷水管在OTEC浮動(dòng)平臺(tái)中應(yīng)用的可行性。重量輕，柔性接頭和玻璃纖維增強(qiáng)塑料混凝土被認(rèn)為是可行的方案，也滿足商業(yè)100MW容量的OTEC所需的冷水管的長(zhǎng)度和直徑。

（3）OTEC工廠電能傳輸?shù)桨渡系暮５纂娏﹄娎|的技術(shù)，是目前世界各地的多數(shù)網(wǎng)站使用的。交聯(lián)聚乙烯電纜用于額定400kV的交流電力輸送，已被證明在技術(shù)上和經(jīng)濟(jì)上是可行的。

（4）浮動(dòng)平臺(tái)所需要的錨固定系統(tǒng)、冷水管和海底電力電纜所需要的系泊及錨固系統(tǒng)，目前這些系統(tǒng)正被應(yīng)用于海上石油鉆井行業(yè)，在市面上都有銷售。

因此，只要具有標(biāo)準(zhǔn)的電力模塊設(shè)計(jì)，緊湊型不銹鋼或鋁釬熱交換器，和其他關(guān)鍵部件像冷水管和海底電纜，一個(gè)50～100MW的OTEC商業(yè)工廠便能以一個(gè)符合成本效益的方式進(jìn)行設(shè)計(jì)、建造、部署和運(yùn)作。

4 環(huán)境影響分析

在一般情況下，海洋熱能轉(zhuǎn)化是從環(huán)保角度出發(fā)，良性的技術(shù)。但海洋熱能轉(zhuǎn)換對(duì)環(huán)境也并不是完全沒有影響。

避免海洋溫差發(fā)電站建立在環(huán)境敏感區(qū)，像養(yǎng)殖區(qū)、產(chǎn)卵區(qū)等。在施工過程中，設(shè)備及海水管道的敷設(shè)，電網(wǎng)互聯(lián)設(shè)施和海底電力電纜的敷設(shè)會(huì)對(duì)這些環(huán)境有暫時(shí)的影響。

在閉式或者混合式循環(huán)發(fā)電廠，工作液的排放可能產(chǎn)生對(duì)環(huán)境的影響。為了控制溫差發(fā)電系統(tǒng)中附著在換熱器表面的海洋生物，間歇性低劑量的氧化劑對(duì)環(huán)境產(chǎn)生影響。大量深層冷海水涌到海洋表面導(dǎo)致海洋表層和底層的熱度不均，會(huì)對(duì)海洋生態(tài)環(huán)境造成影響。海洋深層冷水具有豐富的營養(yǎng)物質(zhì)和病原體低的特點(diǎn)，這可能導(dǎo)致浮游生物的迅猛生長(zhǎng)，將會(huì)對(duì)沿海洋食物鏈產(chǎn)生副作用。現(xiàn)代化工廠設(shè)計(jì)必須考慮必要的措施，以減少這些影響。

5 成本預(yù)測(cè)

OTEC商業(yè)化工廠的設(shè)計(jì)策略應(yīng)著重于優(yōu)化流程，集成系統(tǒng)和系統(tǒng)自身耗功的最小化，以達(dá)到給定的工廠規(guī)模實(shí)現(xiàn)每千瓦電力的最低成本。建一個(gè)75MWe電廠，應(yīng)著眼于換熱器的配制和效率，減少平臺(tái)面積和冷水管的優(yōu)化設(shè)計(jì)，這三個(gè)組成部分所需要的成本大約占總投資的75%。

約翰霍普金斯大學(xué)完成了一個(gè)40MWeOTEC工廠的投資需求和相關(guān)的運(yùn)營成本，作為他們?cè)诓ǘ嗬韪鹘⑼２雌⌒蚈TEC工廠的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)。這個(gè)數(shù)據(jù)，以及其他有價(jià)值的數(shù)據(jù)研究和概念設(shè)計(jì)，已經(jīng)被用來作為估計(jì)擬議OTEC商業(yè)工廠成本的一個(gè)起點(diǎn)。據(jù)估計(jì)，最初設(shè)計(jì)在波多黎各的75MWe的漂浮型的商業(yè)工廠將耗資600萬億美元，能每年生產(chǎn)600百萬kW·h的電力，大約0.15美元／kW·h。

6 結(jié)語

海洋熱能轉(zhuǎn)化是一個(gè)良性的技術(shù)和對(duì)環(huán)境的影響顯著的優(yōu)于其他能源，特別是與化石燃料和核能相比。通過適當(dāng)?shù)囊?guī)劃和設(shè)計(jì)，所有現(xiàn)階段的環(huán)境問題都可以得到緩解。可再生能源市場(chǎng)化具有全球性的意義。海洋溫差能的改良：系統(tǒng)的整合和換熱器的改進(jìn)，可以提高海洋溫差能轉(zhuǎn)換的能力。這些新的發(fā)展并與以前的研發(fā)和示范工廠提供的信息和數(shù)據(jù)的結(jié)合，使得海洋溫差能商業(yè)上可行和經(jīng)濟(jì)吸引力。

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