海洋溫差能發電技術的發展與展望

陳鳳云，劉偉民，彭景平

（1.國家海洋局第一海洋研究所，山東 青島266061；2.青島理工大學，山東 青島266033）

1 引言

伴隨著地球陸地礦物燃料的日趨枯竭和污染日趨嚴重，世界主要海洋國家紛紛將目標轉向蘊藏豐富能源的海洋，并不斷加大科技和資金投入，以期在開發利用海洋能源的“爭奪戰”中搶得先機。我國作為世界能源消費大國和海洋大國，積極開發利用海洋能已成為未來能源戰略的重要選擇。

在1981年3月聯合國新能源和再生能源會議海洋能小組第二屆會議報告中，分析了海洋能在技術、經濟、環境和資源供應等條件后，認為從預測到可行性和近期內的重要性及采取國際行動的必要性出發，斷定海洋溫差能轉換是所有海洋能系統的主要中心，并由此開展了大規模的海洋溫差能資源調查與研究。

2 海洋溫差能發電概述

海洋溫差發電（ocean thermal energy conversion，簡稱OTEC）的基本原理是利用海洋表面的溫海水加熱某些低沸點工質并使之汽化，或通過降壓使海水汽化以驅動汽輪機發電。同時利用從海底提取的冷海水將做功后的乏汽冷凝，使之重新變為液體，形成系統循環。

我國南海海洋溫差能儲量巨大，中國近海及毗鄰海域的溫差能資源理論儲量為14.4×1021～15.9×1021J，可開發總裝機容量為17.47×108～18.33×108kW，90%分布在我國的南海［1］。一般而言，海洋能具有密度低和不穩定的特點，但海洋溫差能是海洋能中能量最穩定、密度較高的一種，在溫差12～20℃時折合成有效水頭為210～570m，已具有相當水力能的強度，能量密度較高。

3 海洋溫差能發電的開發研究

3.1 國外海洋溫差發電研究

海洋溫差發電的概念是在1881年由法國人J.D Arsonval［2］提出的。1926年，他的學生 G Claude［3］首次進行了海洋溫差能利用的實驗室原理試驗并于1926年6月在古巴坦薩斯海灣沿海建成了一座開式循環發電裝置，輸出功率22kW。

美國于1979年在夏威夷沿海［4］建造了第一座Mini－OTEC 50kW試驗性海洋溫差能轉換電站，凈功率達15kW，這是人類首次通過海洋溫差能來得到有實用價值的電能。1993年，在夏威夷建成了210kW的開式循環系統［5］。1981年日本電力公司（TEPCO）［6］在瑙魯共和國建造了一座全岸基的閉式循環電站并投入運行［7］。1982年［8］，在日本國內建成了鹿兒島縣的德之島50kW的溫差試驗電站。1994年建成新型閉式循環的9kW 試驗設施［9］。

印度政府將海洋溫差能作為未來的重要能源之一進行開發，1997年印度國家海洋技術研究所與日本佐賀大學簽訂協議，共同進行印度洋海洋溫差發電的開發，并準備在印度國內投資建立商業化的OTEC系統。1999年，在印度東南部海上運轉成功了世界上第一套1MW海洋溫差發電實驗裝置［10］。

佐賀大學海洋能源研究中心在2002年被“21世紀COH計劃”選中后，在2003年建成了新的實驗據點——伊萬里附屬設施［11］。目前正在利用30kW 的發電裝置進行實證性實驗。2005年，印度Kavaratti［12］島海水溫差淡水生產設備，利用海水溫差進行海水淡化滿足了島上淡水的需要。

3.2 國內海洋溫差發電研究

中國的海洋溫差能儲量比較豐富，但研究工作起步晚。20世紀80年代初，中國科學院廣州能源研究所、中國海洋大學和天津國家海洋局海洋技術中心研究所等單位開始溫差發電研究［13］。1986年廣州研制完成開式溫差能轉換試驗模擬裝置，利用30℃以下的溫水，在溫差20℃的情況下，實現電能轉換。1989年又完成了霧滴提升循環實驗研究［14］，有效提升高度達20m。1989年，還對開式循環過程進行了實驗室研究，建造了兩座容量分別為10W和60W的實驗臺。

臺灣電力公司從1980年開始，對臺灣島東海岸的溫差能資源進行了調查研究，并對花蓮縣的和平溪口、石梯坪和臺東縣的樟原等3個初選地址進行了自然環境條件調查研究評價和方案設計，曾計劃1995年采用閉式循環建設一座4×104kW的岸式示范電站，由于臺灣政府能源計劃的導向問題而擱置，一直到2005年因環境污染世界能源危機又逐漸受到重視，李遠哲博士呼吁國人重視能源科技之開發，展開新一波的海洋溫差發電開發任務。

2004～2005年，天津大學完成了對混合式海洋溫差能利用系統理論研究課題，并就小型化試驗用200W氨飽和蒸汽透平進行了研究開發［15］。

國家海洋局第一海洋研究所在“十一五”期間重點開展了閉式海洋溫差能利用的研究，完成了海洋溫差能閉式循環的理論研究工作，并完成了250W小型溫差能發電利用裝置的方案設計，并于2012年成功建成了我國第一個15kW實用溫差能發電裝置。作為千瓦級試驗用溫差發電裝置，該項目填補了我國在此領域內的空白。

3.3 OTEC系統發展

海洋溫差發電試驗系統包括開式循環系統、閉式循環系統和混合式循環系統。其中閉式系統從運行工質上可分為單工質循環系統和混合工質循環系統。

1926年法國科學家克勞德在分別裝在兩個燒瓶里的28℃的溫水和冰塊之間實現溫差能至電能的轉換，而這種循環被稱為開式循環，實質是朗肯循環，其原理示意圖見圖1。

圖1 開式循環系統

1964年，安德森父子提出了一種新型的循環發電系統——閉式循環發電系統［16］。他們找到了一種對管道設備沒有腐蝕、低沸點的工作流體——丙烷，用以代替海水。工作流體丙烷在閉合回路中反復進行蒸發、膨脹、冷凝，所以被稱為閉合式循環發電系統，其原理圖如圖2所示。

圖2 閉式循環系統

混合式循環系統與封閉式循環系統有些類似，唯一不同的是蒸發器部分。混合式系統的溫海水先經過一個閃蒸蒸發器，使其中的一部分溫海水轉變為水蒸汽，隨即將蒸汽導入第二個蒸發器，見圖3。

圖3 混合式循環系統

圖1和圖2所示的開式和閉式循環系統都是單工質循環，換熱由蒸發和冷凝兩部分構成，結構簡單可靠，因海洋溫差低其循環效率僅能達到3%左右［17］。

國家海洋局第一海洋研究所對非共沸氨－水朗肯循環進行簡化并計算機模擬，在溫差20℃時，系統效率相對單工質系統增加6%左右，系統如圖4所示。

圖4 溫差發電系統

佐賀大學海洋能源研究中心的上原春男教授1994年找到了被稱為“上原循環”的新方式［18］，見圖5。“上原循環”所使用的媒介是氨和水的混合物，通過把兩個循環系統聯結起來，大大提高了效率。

4 海洋溫差能利用存在的問題

（1）由于海洋溫差比較小，熱力循環過程效率低，因此選取合適的熱力循環方式及工質能提高系統發電效率。

（2）換熱器防腐蝕和防生物附著。由于在海水中，海洋溫差系統中的換熱器容易被海水腐蝕和海生物附著，發生腐蝕和生物附著后，換熱器的換熱效率就會大大降低，因此換熱器的防腐蝕和防生物附著是換熱器研究的主要內容。

（3）氨透平的密封問題。由于氨氣是具有刺激性氣味的有毒氣體，在整個系統循環中應當盡量避免氨的泄漏。而氨透平又是整個系統中帶動電機高速轉動的設備，因此在保證氨透平內部靜密封的密封性外，還必須保證其與電動機連接處的軸端密封能夠很好地防止氨泄漏。

5 結語

在海洋溫差發電的未來研究中，主要研究方向有：①基礎方面，重點研究低溫差熱力循環過程，解決小溫差下熱力循環效率低的問題；②在技術項目方面，考慮與南海各島嶼開發與建設相結合，綜合海水淡化、養殖、海水空調等技術，建設溫差發電綜合利用示范系統。

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［2］ J D Arsonval.Revue Scientifique［M］.France：September，1881.

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