海洋溫差發電技術的現狀及其商業化可行性探討

彭景平，陳鳳云，劉偉民，劉鶴儀

（1.青島理工大學 環境與市政工程學院，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能系統。海洋能中以海洋溫差能的儲量最大，全世界海洋溫差能的理論儲量估計為100億kW。海洋溫差能具有清潔、可再生、儲量大，不存在間歇，受晝夜和季節的影響較小，不占用土地資源等特點，被國際社會普遍認為海洋溫差能的轉換是最具開發利用價值和潛力的海洋資源。

海洋溫差發電的基本原理是利用海洋熱能轉化技術，海洋表層高溫海水使冷水或沸點較低的工質氣化，推動渦輪發電機發電。然后再利用深層低溫冷海水對蒸氣進行冷卻，使之還原為液體狀態。如此循環，便可實現海洋溫差能的發電。海洋溫差發電裝置根據所用工質及流程的不同，一般可分為開式循環、閉式循環和混合式循環，目前接近實用化的是閉式循環方式（圖1至圖3）。

圖1 開式溫差發電系統

圖2 閉式海水溫差發電系統

圖3 混合式溫差發電系統

在開式循環系統中海水被直接用作循環工質，發電的同時可以產出淡水；但由于溫差小焓降小，要求透平內徑尺寸很大。閉式循環系統由于使用了低沸點工質，使整個裝置，特別是透平機組的尺寸大大縮小。混合式海洋溫差發電系統綜合了開式和閉式循環系統的優點，它以閉式循環發電，用溫海水閃蒸出來的低壓蒸汽來加熱低沸點工質。這樣做的好處在于減小了蒸發器的體積，節省材料，便于維護并可收集淡水。

2 海洋溫差發電的發展歷程

在1881年法國人Mr J d Arsonval提出了海洋溫差發電的概念。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發電裝置，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海洋溫差能轉換試驗性電站，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用價值的電能。1993年，在夏威夷建成了210kW的開式循環系統，有40～50kW的凈輸出功率，同時該系統還生產出了淡水，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轉成功了世界上第一套1MW海洋溫差發電實驗裝置［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島上海軍陸戰隊用電和淡水的問題［7］。

我國具有豐富的海洋溫差能，但研究工作起步晚。1980年臺灣電力公司曾計劃將核電廠余熱和海洋溫差發電并用。1991年廣州能源研究所實現了將霧滴提升到21m高度的記錄，還對開式循環過程進行了實驗室研究。2004～2005年，天津大學對閉式和混合式系統進行了理論研究，并對200W氨飽和蒸汽透平進行了開發研究［8］。2007～2008年國家海洋局第一海洋研究所重點開展了海洋溫差能利用的研究，并設計出了250W小型溫差能發電利用實驗裝置。2008年在“十一五”期間重點開展了15kW閉式海洋溫差能系統的研究，系統在2012年5月成功運行。

3 技術可行性分析

自從克勞德在1930年首次在古巴嘗試OTEC技術的可行性，80多年的經驗積累和大量的資金投入，以工程數據的形式提供了設備的研發，環境研究，及初步設計的技術資料，為建立一個商業性的海洋熱能轉換工廠提供基礎。

在OTEC過程所需要的熱交換器這一領域已做了廣泛的研究和開發，MINI－OTEC和OTEC－1為發展商業規模的熱交換器的設計方法提供了基礎。由于商業規模的OTEC工廠需要大型的熱交換器（熱能轉化過程需要大量的水），設計和選擇應基于兩個因素：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。依據這些標準，最佳選擇是不銹鋼板和鋁釬焊式熱交換器。換熱器設計和制造的最新進展，鋁釬焊式（Al－BZ）熱交換器允許在OTEC平臺尺寸，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70年代，海洋生物附著OTEC熱交換器被認為是實現OTEC商業化潛在的障礙。因為海洋生物的附著可以顯著的降低海洋熱能轉換過程中的效率。美國阿貢國家實驗發現在工廠持續運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商業工廠選擇一個浮動平臺引起了一些關于它的建設和運營方面的問題，幸好已有令人滿意的答復［9，11］。

（1）平臺本身的設計需要解決相關的海上設施的建設、運行和維護的問題。在船舶和海洋工程鋼筋后張預應力混凝土或鋼制成的駁船技術被用于構建和部署石油行業。現有的技術和施工工藝可以構建一座至少100MW容量的OTEC浮動平臺。1979年的MINIOTEC和后來的OTEC－1表明OTEC工廠可以從一個移動的浮動平臺來經營，并且平臺設計有30年的運行壽命和承受嚴重風暴的能力。

（2）一個平臺需要合適的管道技術給OTEC循環過程提供必需的深層冷海水。MINI－OTEC和OTEC－1驗證了懸吊冷水管在OTEC浮動平臺中應用的可行性。重量輕，柔性接頭和玻璃纖維增強塑料混凝土被認為是可行的方案，也滿足商業100MW容量的OTEC所需的冷水管的長度和直徑。

（3）OTEC工廠電能傳輸到岸上的海底電力電纜的技術，是目前世界各地的多數網站使用的。交聯聚乙烯電纜用于額定400kV的交流電力輸送，已被證明在技術上和經濟上是可行的。

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

因此，只要具有標準的電力模塊設計，緊湊型不銹鋼或鋁釬熱交換器，和其他關鍵部件像冷水管和海底電纜，一個50～100MW的OTEC商業工廠便能以一個符合成本效益的方式進行設計、建造、部署和運作。

4 環境影響分析

在一般情況下，海洋熱能轉化是從環保角度出發，良性的技術。但海洋熱能轉換對環境也并不是完全沒有影響。

避免海洋溫差發電站建立在環境敏感區，像養殖區、產卵區等。在施工過程中，設備及海水管道的敷設，電網互聯設施和海底電力電纜的敷設會對這些環境有暫時的影響。

在閉式或者混合式循環發電廠，工作液的排放可能產生對環境的影響。為了控制溫差發電系統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環境產生影響。大量深層冷海水涌到海洋表面導致海洋表層和底層的熱度不均，會對海洋生態環境造成影響。海洋深層冷水具有豐富的營養物質和病原體低的特點，這可能導致浮游生物的迅猛生長，將會對沿海洋食物鏈產生副作用。現代化工廠設計必須考慮必要的措施，以減少這些影響。

5 成本預測

OTEC商業化工廠的設計策略應著重于優化流程，集成系統和系統自身耗功的最小化，以達到給定的工廠規模實現每千瓦電力的最低成本。建一個75MWe電廠，應著眼于換熱器的配制和效率，減少平臺面積和冷水管的優化設計，這三個組成部分所需要的成本大約占總投資的75%。

約翰霍普金斯大學完成了一個40MWeOTEC工廠的投資需求和相關的運營成本，作為他們在波多黎各建立停泊漂浮型OTEC工廠的設計基礎。這個數據，以及其他有價值的數據研究和概念設計，已經被用來作為估計擬議OTEC商業工廠成本的一個起點。據估計，最初設計在波多黎各的75MWe的漂浮型的商業工廠將耗資600萬億美元，能每年生產600百萬kW·h的電力，大約0.15美元／kW·h。

6 結語

海洋熱能轉化是一個良性的技術和對環境的影響顯著的優于其他能源，特別是與化石燃料和核能相比。通過適當的規劃和設計，所有現階段的環境問題都可以得到緩解。可再生能源市場化具有全球性的意義。海洋溫差能的改良：系統的整合和換熱器的改進，可以提高海洋溫差能轉換的能力。這些新的發展并與以前的研發和示范工廠提供的信息和數據的結合，使得海洋溫差能商業上可行和經濟吸引力。

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