探析海洋溫差發電的可行性

陳超 趙景飛 劉劍鴻 陳彬

摘?要：現如今在世界上積極發展OTEC技術的國家并不是很多，其中主要是有美國和日本以及我國等，其原因則是由于具有OTEC資源的地理地區主要是集中到了熱帶和臨近的地區中。我國只有廣東、廣西、海南、臺灣等具有這種地理條件，在美國則是限制在了夏威夷地區，而其他的國家則是在南太平洋諸島嶼中尋找試驗地。我國得天獨厚，具有發展OTEC資源的潛力，如果政府能積極資助研發，極有可能領先世界。

關鍵詞：海洋溫差;發電;可行性;分析

對于海洋溫差發電而言，現如今已經具有幾百年以上的發展歷史了，但是一些關鍵性的技術尚待突破，比如熱交換的材料和大口徑冷水管制造等，但是隨著科學技術持續的發展，人們必然會加深對這項技術的研究和應用，海洋溫差發電的商業化將可實現。

1?海洋溫差發電原理

對于海洋而言，所吸收的太陽能大約有一半左右會在蒸發的過程中逐漸失去，剩余的將會存儲在海水之中，所吸收的能力將會根據熱能的方式慢慢地存儲在海水之中，因為北半球的海洋熱能收支，大約在赤道至北緯30°之間的洋面，熱能收支才是正值。此為海洋溫差發電多集中于此帶的緣故。就海水溫度梯度而言，大約可明顯地分成三層，由上而下分別稱為表層、固定溫降層及深層。表層的厚度一般不超過200米，此為儲藏日照熱能的地方。固定溫降層位于表層之下，其溫降曲線的形狀固定不變，而且海水溫度隨著深度而加速下降，直至深層，溫度的下降方趨于緩和。以我國南海海域為例，在西沙群島附近，表層溫度大約在25～28℃之間，至1，000米深溫度即降到4℃左右。

2?分析海洋溫差的發電系統

對于海洋溫差的發電系統而言，主要是存在以下幾個子系統，一是動力系統;二是海水管理系統;三是房室基礎結構系統。現在分別敘述如下：

2.1?動力系統

對于動力系統而言，包括了蒸發器、冷凝器以及工作流體、泵和渦輪發電機等。其類型、材料及性能，均需經深入考慮與設計。因為海水是存在一定的腐蝕性，因此封閉式的系統蒸發器以及冷凝器均應采用鈦合金材料，又重又貴。現在已研究使用鋁合金，壽命可達15～20年，優點是質輕而且價錢可以省三分之二。

2.2?海水管路系統

海水管路系統是OTEC發電室很重要的一部分，通常情況下包括以下內容，首先為取水用的三管（溫水管、冷水管以及排水管）等。其中尤以冷水管（Cool?Water?Pipe）最為重要，可以說是OTEC的技術關鍵所在。對于冷水管的監測工作而言，主要是可以確定出它的水下的位置和管壁應力，并且通過在出水口位置進行設置檢測設備，能夠對海水溫度和壓力進行測量，求出相應的熱能損耗。但是在對冷水管進行布設的時候，是較為棘手的，因為其尺寸比較大和長度長，在進行制造和布放以及維護的過程中要做到仔細的設計，冷水管系統是否可以成功布設關鍵在于技術和經驗，通常可以分為以下階段：首先是進岸段，將其管子可以埋設在明溝內，避免波浪以及海流所帶來的沖刷作用。其次是中段，采用巖栓將管子栓系在海床上，并且需要保留大約三到六尺的距離。最后是前段，僅僅只是在兩個端點系到海床上，其余的則是進行懸浮，呈現為一種倒鏈狀。對于這種布設的方法優點是可以節省布設時間，同時對一些不規則的海床地形進行避開。

2.3?室房基礎的結構系統

針對于OTEC的室房基地而言，是可以分為兩種，一是設置在陸地上，稱之為陸上型;二是設置在海上稱之為海上型。對于陸地上的室房而言，所需要的取水管長度相對較長，管子布設中難度較大，同時會受到海底地形所帶來的影響。然而海上型的室房所受到的上述限制比較小，但是甲板或者是浮臺穩定性是十分重要的。

3?海洋溫差發電在南海的可行性

通常南海遠海島嶼是需要海洋溫差能源系具有以下訴求：西沙、南沙群島缺少著自產的能源，然而海南島以南的南海海域中蘊含著大于3.8*108MW的海洋溫差能源有待于開發。在進行開發的過程中雖不會產生二氧化碳，但在核能安全與核廢料處置上世界各國意見不一，要上馬核電也不是易事。海洋溫差發電不會產生二氧化碳，而且無廢料難題，所以在環保與經濟能夠滿足需要的基礎上，也可以滿足能源需求。

海洋溫差的發電主要是作為一種清潔能源，無須燃料費、無廢料問題、不排放二氧化碳、全年以及全日進行穩定發電，同時其可用量超過了海南島的電力發電總裝置的容量，因此未來它在南海遠海島嶼的能源供應上將占有重要的地位。遠海島嶼海域的海底地形陡峻，離岸不遠處水深即達1，000米。在這之中，南沙群島島嶼最近，大約僅僅有2公里外，離岸不遠處水深即達1，000米以上，其中海洋的溫差常年是維持在20℃以上，并且國際上公認南海海域為最具有開發OTEC潛力的地區之一。

若以海上型OTEC而言，根據南海海域的環境條件，估計每平方公里約可獲取0.5MW的能源;若建立一座400MW容量的商業化的OTEC電室，那么則是需要800平方公里的海域面積，因此南海海域設置較多座OTEC，總裝置容量可以達到2.3*108MW。但是海洋溫差發電在技術上仍存在一些不確定性，如大尺寸冷水管的技術，巨大型組件的制造、搬運與安裝等，都還沒有可分享的經驗。同時，在經濟上，海洋溫差能源的價格目前尚難與傳統能源相競爭。但以前瞻性眼光來看，如一旦國際上的經濟或政治發生變化或者能源短缺、戰爭禁運等情況發生，我們就不得不用南海海域的豐富資源。

4?科技的需求

對于海洋溫差發電而言，依然是存在一些關鍵性的技術需要進行研究，這些技術主要是包括了以下數據：一是電力系統，提高高性能熱交換的特性研究，對于熱交換的效率提高和裝置小型化而言，通過降低其腐蝕和生物附著的研究，合理的選擇最佳的、低成本的鋁基、鎂基、鈦基等合成材料。OTEC系統的熱質交換研究;封閉式循環的基礎試驗：封閉式循環的全系統整合;開放式循環的基礎試驗。二是海水系統，對取排水全系統進行研究。冷水管的材質與應力分析;冷水管模型試驗與尺寸效應;取水口的流力研究;冷排水的擴散機制;OTEC的二氧化碳釋放研究。三是結構系統，對海洋的結構力學進行研究。海洋結構體（如大型浮臺）的設計;同時研究海水結構體的系留和潛水式的海洋結構進行設計，水下作業研究;巨大結構體之制造、運送與安裝技術。四是環境，對OTEC裝置之環境影響評估綱領進行研究;OTEC裝置之監控系統;南海中南部海域基本資料搜集。

在此之外美國在OTEC的研究方面花了大量資金，日本每年的研究經費大約為350萬元，我國則是在21世紀20年代大約投入2000萬元的經費和廠址調查費用，這數目若與太空計劃或國家其他大型計劃的預算相比，簡直算是小巫見大巫。一個新興科技的興起，國家的大力支持是使它成熟的重要關鍵。美國則是在19世紀60年代受到了蘇聯載人宇宙飛船發射的刺激，已經是投入了大量的人力以及財力，急起直追，不出幾年即迎頭趕上，便是個很好的明證。

5?結語

海洋溫差發電具有許多優點，它是一種清潔能源、不會釋放或僅釋放極少量的二氧化碳，無須燃料且來源幾無窮盡，沒有燃料的運輸、儲存、燃燒、污染、廢料處理等問題;它還可出現較多具有價值的副產品，比如淡水和冷藏以及藥品等等，因此，它又是一種極有價值的資源。海洋溫差發電尚有正面的廣泛效益，包括環保、觀光與休閑旅游、地域性之特色開發、技術提升與擴散并增加就業機會等。

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