國內外海洋溫差能發電技術最新進展及發展建議

岳 娟，于 汀，李大樹，李志川，吳勇虎

（中海油研究總院，北京 100028）

國內外海洋溫差能發電技術最新進展及發展建議

岳 娟，于 汀，李大樹，李志川，吳勇虎

（中海油研究總院，北京 100028）

國際社會對能源安全、生態環境保護及應對氣候變化等問題日益重視，加快開發利用海洋能已成為世界沿海國家和地區的普遍共識。海洋溫差能因其“可持續24 h無間歇發電、清潔無污染”等特點受到各國青睞，紛紛通過制定中長期發展路線和布局以推動海洋溫差能技術發展。文中對溫差能開發利用技術進展情況進行了總結歸納，對比了國外已建項目的技術特點，重點對近年來國外海洋溫差能開發利用技術最新進展進行總結，對海洋溫差能發展趨勢及前景進行展望，并結合實際情況對我國開展海洋溫差能開發利用技術提出建議。

海洋溫差能發電；進展；發展建議

隨著經濟的飛速發展，國際社會對保護生態環境、應對氣候變化等環境問題日益重視，加上化石能源日漸枯竭，海洋能作為清潔可再生能源逐漸走入人們的視野，加快開發利用海洋能已成為世界沿海國家和地區的普遍共識和一致行動。海洋溫差能作為海洋能的一個能種，因其可持續24 h無間歇發電、蘊藏量巨大、清潔無污染等優點[1]廣泛受到學者關注。海洋溫差能是海洋能中能量最穩定、密度最高的一種，在溫差12～20℃時折合成有效水頭為210～570 m，已具有相當水力能的強度，能量密度較高。溫差能開發利用發展歷史悠久，迄今為止以美、日、法等為代表的發達國家對海洋溫差能開發利用技術開展了大量的研究工作，處于世界領先水平。我國溫差能開發利用技術仍處在溫差能發電裝置原理研究，雖然近些年有了一些進展，但與國外相比，仍存在較大的差距。

本文對溫差能開發利用技術進展情況進行了總結歸納，并對比了國內外已建項目的技術特點，重點對近年來國外海洋溫差能開發利用技術最新進展進行總結，對海洋溫差能發展趨勢及前景進行展望，并結合我國實際情況對我國開展海洋溫差能開發利用技術提出建議。

1 溫差能開發利用技術國外進展

迄今為止以美、日、法等國為代表的發達國家對海洋溫差能開發利用技術開展了大量的研究工作，處于世界領先水平。通過資料及文獻的調研，2013年以后，溫差能的開發技術發展向著商業化目標又邁進了一步，主要進展如下。

1.1 國外在建及運行項目進展

（1）日本沖繩縣50 kW海洋溫差能電站

2013年3月，沖繩縣久米島50 kW海洋溫差能發電（Ocean Thermal Energy Conversion，OTEC）電站首次發電成功[2]。該溫差能電站由日本沖繩海洋深水研究院于2013年建成，采用閉式朗肯循環，最大發電功率為50 kW，表層海水溫度為27℃，冷水源抽取612 m深處海水，溫度為8.8℃，循環系統采用的是閉式系統，工質為四氟乙烷（R134a）。

圖1 沖繩縣50 kW溫差能發電裝置

（2）美國夏威夷100 kW溫差能電站

以美國洛克希德·馬丁公司和馬凱公司為突出代表的公司多年來一直致力于海洋溫差能開發利用技術的研發，完成了大量的實驗和測試，擁有多年的研究基礎和經驗。

圖2 夏威夷100kW OTEC發電系統

2010年，馬凱公司在美國夏威夷自然能源實驗室（NELHA）建成OTEC熱交換測試系統。2014年，安裝完成透平發電機及兩臺換熱器（圖為安裝現場），建成100 kW OTEC示范電站。2015年8月試發電成功并連網[3]。據報道，該電站耗資500萬美元建成，是目前世界上最大的利用可再生的清潔能源發電站，是全球第一個真正的閉式溫差能電站并成功并入美國國家電網。

整套發電系統形成高40 inch的塔狀，為今后在該島建造10 MW大型海水溫差發電站做準備。該系統共有兩臺換熱器，每臺換熱器的熱負荷為2 MW[4]。換熱器費用約占總投資的30%。由于換熱系統是模塊化組件，因此可以進行適當的小規模測試。例如，原型換熱器的橫截面積為1 m2，高為2～8 m，需要設計海水流量為0.25 m3/s。氨工質循環系統配有兩臺工質循環泵和儲存罐。該裝置還可以通過海水流速、溫度差、氨流量測蒸發器和冷凝器的性能。

此外，NELHA可以提供98 m3的冷海水及相應溫海水[5]。深層海水通過620 m深的40 inch海水管道或914 m深的55 inch管道獲得（1 inch=25.4 mm），約占總投資的10%。是全球可以提供深海水流量最大的實驗室。

（3）法屬留尼汪島10 MW OTEC項目

法屬留尼汪島10 MW岸基式溫差能發電站，該項目由法國國有船舶制造集團（以下簡稱DCNS）資助[6]。2008年DCNS開始著手籌備，2009年4月DCNS與留尼汪島區域政府第一次簽署可行性研究協議[7]，同年10月第二次簽署合約確立了陸地和海上兩方面的實施方案，得到島上圣皮埃爾大學的技術支持。2010年2月15日，法國總統薩科奇訪問留尼汪島時指定該島為OTEC技術的示范及實驗基地。2012年，陸上的研制工作完成，從南特運往海上組裝調試。2013年完成模型樣機的安裝，進入測試階段。面臨的主要挑戰在于深海冷水管的固定，船舶在留尼汪島的拋錨情況，水泵管道的數值建模以及環境的考量研究等。目標是在2030年擁有大功率的OTEC發電站組，總發電量將達到100～150 MW。

圖3 留尼汪島10MW OTEC項目設計方案及樣機[8]

（a）樣機安裝 2013年，法國DCNS公司在法屬留尼汪島成功建造并安裝一臺實驗樣機。采用岸式，以避免錨定、浮動平臺1 000 m長柔性冷海水管等海洋工程相關問題。與10 MW OTEC電站比較，實驗樣機為1/200的比例原型[9]，目標是產生15 kW等效功率。

但考慮到規模和成本原因，沒有安裝交流發電機，此外，受規模限制，這個岸基樣機不發電。冷源和熱源均由熱泵模擬，通過調節可以模擬全年的溫海水溫度，從23～28℃均可。而冷海水溫度通常相對穩定，設置約為5℃。為了使樣機盡可能接近10 MW OTEC發電裝置，它們采用了相同的工作壓力。

（b）關于熱交換裝置 用于樣機的換熱器尺寸為長3～4 m，用于電站的實際尺寸長達到12 m，直徑達4 m[10]。經實驗測試顯示，板式蒸發器每平方米的換熱量大于管殼式蒸發器。板式蒸發器和管殼式蒸發器，兩者之間最重要的區別是氨的消耗量，板式蒸發器需要37 L且產生的凈發電量更多，而管殼式蒸發器需要270 L。盡管如此，板式蒸發器也具有一些缺點，如：實驗導致沿程損失增加（海水泵消耗增加）、結垢問題、材料（鋁）腐蝕，添加隔板導致空間損失和成本提高。

考慮到以上缺點，還需對蒸發器及對應水泵消耗做其他探索，并開展其他熱力循環形式的研究。研究人員提出的模型模擬方法可以用該實驗樣機來驗證。

（c）島上可再生能源項目分布（如圖4）

圖4 留尼汪島可再生能源項目分布圖[11]

（d）熱經濟分析 對20 kW OTEC裝置進行熱經濟分析可以計算發電成本。一臺OTEC裝置產生20.1 kW，其中冷海水泵及暖海水泵耗能共10 kW，當海水的單位成本為零時，發電成本約為0.363美元/kWh[12]。20 kW OTEC裝置的單位成本估計值與10 MW OTEC電站的單位成本0.44美元/kWh相差不大。

如果溫海水用焚燒廠或太陽能熱電廠的廢熱水來代替，那么OTEC發電成本將隨著供應的熱水的單位成本線性增加。對于某些地區，如有較穩定的25℃溫海水，或有來自于發電廠冷凝器的溫排水，溫差能是經濟上可行的可再生能源。對于規模較大的OTEC電站，減少海水泵消耗（特別是深海水）對降低OTEC發電成本、提高發電效率尤為重要。

1.2 國外規劃中項目最新進展

海洋能溫差能開發利用技術作為未來海洋能發展的重要方向，近年來世界各國也紛紛通過廣泛開展國際交流和合作等方式加快該領域的迅速發展。

（1）法國船級社批準韓國海洋溫差能轉換電站

2016年3月，國際領先的船級社，法國國際檢驗集團(簡稱BV)，首次原則上批準韓國船舶與海洋工程研究院（簡稱KRISO）設計的1 MW海洋溫差能發電站。該OTEC電站建造完成后，將安裝于南太平洋基里巴斯共和國南塔瓦海岸，形式為漂浮式，離岸安裝。

圖5 KRISO海洋熱能轉換電站

KRISO設計的1 MW海洋熱能轉換電站，是首個可實用的此類電站，可為今后100 MW商業化電站建立鋪路的基礎電站。該電站為寬度35 m的八邊形[13]，有四層甲板，重6 700 t，錨定在水深1 300 m、離岸6 km的海面之處。冷水管長度1 000 m、管徑1.2 m，將底層海水泵入平臺上使用。BV原則上的批準，意味該設計是可行的，可以實現的，并且解決了在適合的海洋氣象條件下運行的基本技術問題。BV的認證工作包括海洋氣象/流體動力學分析、系泊分析、穩定性分析、立管設計和系統概念設計的驗證等。

（2）印度海軍計劃建造OTEC電站，發展綠色能源

2015年，印度海軍計劃在安達曼-尼科巴群島，通過建立20 MW[14]OTEC發電基地，為該生態島供電。安達曼-尼科巴群島是印度聯邦的海外聯合屬地，是安達曼群島、十度海峽和尼科巴群島的統稱，處于孟加拉灣與緬甸海之間，緬甸以南，距離印度大陸800 km。

發電將用于海軍設施和島上的空軍基地。DCNS集團已經完成了有關該離岸式OTEC電站部署的預可行性研究。該OTEC基地的建成，標志著該島柴油發電的結束，開啟了依靠清潔可持續能源開展海軍行動的新模式。

印度海軍熱衷于綠色能源。在最近一次的海軍參謀長招待會上展示了該OTEC基地的比例尺模型，這個模型曾經也給總理莫迪展示過。

（3）馬提尼克島16 MW漂浮式溫差能項目（NEMO項目）

2015年，DCNS與Akuo能源公司合作，計劃在法屬馬提尼克島建造16 MW漂浮式OTEC電站[15]（以下簡稱NEMO項目），該島位于加勒比熱帶海域。項目總體目標是，2019-2020年完工，可供35 000戶家庭用電，實現孤島能源自給，滿足日益增長的馬提尼克島供能需求[16]。NEMO項目得到法國當局支持，總投資29.6億歐元，其中來自歐洲NER300基金7.2億歐元的資助[17]。該試點還有海上風能等其它形式的海洋能設施，進行多能互補。

圖6NEMO項目概念圖

2016年2月，瑞典高分辨率海底測量供應商MMT和Reach Subsea，獲得NEMO項目的簽約合同，目的是測量該電站所在區域的地球物理和地質環境，計劃在2016年第一季度的兩個月開展。MMT公司與Reach Subsea合作利用二代動力定位系統“Stril Explorer”號潛水器對熱帶水域的火山斜坡地質進行資源調查，該潛水器裝有水下機器人及與物探工作相關的配置。該電站的水下電纜通往加勒比海法屬馬提尼克島西海岸的貝爾方丹鎮。

（4）夏威夷計劃建造100 MW漂浮式溫差能電站

2015年，美國計劃在夏威夷建造一個100 MW浮式溫差能電站[18]。冷海水將從1 000 m深處抽取，冷水管徑達10 m，水中的重量將超過2 300 t。這樣的冷水管在海洋工程中前所未有，不過洛克希德·馬丁公司在海上的浮動溫差能平臺上開發了一種制造這種玻璃纖維管的方法。面對的另一工程挑戰是如何將大型、靈活和精細的冷水管安全降低到海洋中，因為它在平臺的甲板上是逐段制造的。馬凱公司設計了完成這項任務的系統，并在碼頭建立并測試了一個1/20的比例模型用以研究。

圖7 100 MW OTEC電站概念圖

OTEC有望作為一種可再生能源，以0.2美元/ kw·h的價格進行商業化規模發電。一座單個的商業規模OTEC電站可節省130萬桶石油的燃燒，從而減少每年50萬t的碳排量。不過，目前該技術還處于研究階段。105 kW的OTEC電站供電只夠120戶家庭使用[19]。這意味將需要12個商業級電站來滿足夏威夷100%的供電需求。

2 溫差能開發利用技術國內進展

國家海洋局第一海洋研究所多年來致力于該領域的研究，并獲得了大量研究成果。據最新報道，國家海洋局第一海洋研究所在國家海洋可再生能源專項資金支持下開展了“海洋溫差能開發利用技術研究與試驗”項目，建立了具有自主知識產權的熱力學模型，研建了海洋溫差能發電系統，成功地解決了密封、材質等關鍵技術問題，該系統轉換效率達到了3%，最高達到3.8%，連續運行時間超過了1 000 h。

中國海油自2016年開始開展海洋能溫差能開發利用技術研究，探索引進國際先進技術，開發我國海洋溫差能開發利用技術的可行性，為建設大型溫差能發電平臺提供技術決策支持。

3 總結及建議

3.1 進展總結

綜上所述，近年來，越來越多國際知名研究機構進軍海洋溫差能產業，海洋溫差能產業化進程正在不斷加快。國外溫差能開發利用技術取得了實質性進展。這表明，實現利用溫差能為目標用戶發電的偉大設想指日可待。

雖然海洋溫差能開發利用技術不斷突破，但其投資成本高仍是制約其發展的重要原因。現有熱交換器換熱效率及其在海洋環境中運行可靠性較低，是制約海洋溫差發電高效換熱器發展的主要技術難題。海洋溫差能開發還存在一些技術難點，主要體現在以下幾個方面：（1）熱機系統：溫差較低（一般20～25℃左右）、系統循環熱效率不高（朗肯循環3%）；（2）水管道系統：循環海水大流量導致海水管直徑大（4～10 m）、管道布置有難度；（3）泵系統：抽取深層冷海水所要求的水泵功率大（系統自耗主要原因）、海水管進、出口對環境有影響；（4）換熱系統：蒸發器和冷凝器要求高耗資昂貴；（5）設備防腐蝕技術：防止海水腐蝕。

3.2 發展建議

我國溫差能開發利用技術尚處在溫差能發電裝置原理研究，雖然近些年有了一些進展，但與國外該領域資深研究機構相比，仍存在較大的差距。我國南海作為溫差能資源儲量豐富區域，居各類海洋能資源首位，具備良好的開發條件和開發前景。我國若希望成為我國溫差能開發利用的排頭兵，引進消化吸收再創新是迅速掌握關鍵技術、占領制高點的最佳途徑。借鑒美國馬凱海洋工程公司和法國DCNS公司的成功經驗和發展道路，通過與國外該技術領域的研究權威機構廣泛合作，結合國內海洋工程上豐富的經驗和自身優勢，聯合開發，才能盡快實現溫差能發電的目標。

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[17]Ocean EnergyEurope calls for newEU renewable energyfunding.July08,2014[EB/OL].http://www.offshorewind.biz/2014/07/08/ocean-energy-europe-calls-for-new-eu-renewable-energy-funding/.

[18]Largest OTECFacilityInaugurated in Hawaii.Oct 1,2015[EB/OL].http://www.powermag.com/largest-otec-facility-inaugurated-inhawaii/.

[19]Hawaii's MakingClean Power FromOcean Water.Aug30,2015[EB/OL].https://www.labroots.com/trending/technology/1600/hawaiis-making-clean-power-from-ocean-water.

Study on the Up-to-Date Progress and Suggestions for Ocean Thermal Energy Conversion Technologies

YUE Juan,YU Ting,LI Da-shu,LI Zhi-chuan,WU Yong-hu
CNOOC Research Institute,Beijing 100028,China

Currently,the international community has paid increasing attention to energy security,environmental protection and climate change.To accelerate the development and utilization of marine energies has become a common consensus and turned out into concerted action in a number of coastal countries and regions.Ocean thermal energy conversion (OTEC)is increasingly favored by countries owing to a 24/7 base-load and CO2-free renewable feature.Many countries have developed long-term development plans and layout and promoted the utilization of ocean thermal energy.This paper summarizes the technological progress of developing ocean thermal energy,compares the technical characteristics of completed overseas OTEC projects,focuses on the latest status of ocean thermal energy development and utilization in recent years.In this paper,the future development of ocean thermal energy is predicted and some suggestions on the development and utilization of ocean thermal energy are put forward based on the actual situation in China.

ocean thermal energy conversion(OTEC);technological progress;development trend

P743.4

A

1003-2029（2017）04-0082-06

10.3969/j.issn.1003-2029.2017.04.015

2017-04-10

中國海洋石油總公司科技項目資助“新型低碳清潔能源技術跟蹤與探索研究”（CNOOC-KJZHKYZY2016-01）

岳娟（1986-），女，碩士，工程師，主要從事海洋能相關研究。E-mail：yuejuan2@cnooc.com.cn