海洋溫差能的魔法世界

劉聰

我國是海洋大國，大陸海岸線18000 千米，島嶼眾多。據《全國海島資源綜合調查報告》，全國有淡水資源的海島約490 個。目前，大多數的海島能源供應依靠從大陸運送。對海洋能的開發利用，可以促進海洋經濟和海防建設，解決沿海和海島缺水少電的問題。而在幾種海洋能中，海洋溫差能優勢明顯，在推動能源轉型、可持續發展、實現碳中和方面具有積極作用，是可持續能源中的隱藏寶石。

什么是海洋溫差能？

海洋溫差能屬于熱能的一種，它利用不同深度海水之間存在的溫度差來獲取能源。有研究表明，深層海水的溫度通常在5 ～ 7 攝氏度，而表層海水的溫度則會達到25 ～ 28 攝氏度。這樣的溫度差異為溫差能發電等應用提供了基礎。

為什么不同深度的海水之間會有溫度差？

這是因為太陽光在海水中傳播時會不斷衰減。當一束太陽光照射到大海上，優先接觸到太陽光輻射的表層海水會吸收更多的熱量。這些熱量也會向周圍傳遞，但逐漸遞減，較深的海水只能吸收到比較少的熱量。于是，在不同深度的海水之間就形成了溫度梯度。

近日，我國首套海洋漂浮式溫差能發電裝置成功完成海試，標志著我國海洋溫差能開發利用從陸地試驗向海上工程化應用邁出了關鍵一步。那么，什么是海洋溫差能？怎樣用它來發電？會影響海洋環境嗎……讓我們走進海洋溫差能的魔法世界，了解利用海洋溫差能發電的奧秘。

怎樣利用溫差能發電

在回答這個問題之前，我們先來了解一下發電的原理：當一根導線或導體在磁場中做切割磁感線運動時，會產生感應電動勢，導體的機械能也就變成了電能，完成了發電過程。溫差能的作用，就是為以上過程中的機械運動提供能量來源。我們熟知的風力、水力等發電過程，均是通過利用風、水流等流體驅動渦輪機的轉動，促使磁感線的切割來發電。

海洋溫差能發電需要工作流體，我們喜歡稱它為工質。工質就像魔法師，可以將能量轉化為電力。目前，根據工質的不同，海洋溫差能發電有三種類型的循環系統，分別是封閉式、開放式和混合式。現在，讓我們走進這個魔法世界，看看這些工作流體是如何施展魔法的。

在封閉式循環系統中，表層溫暖的海水和工質（如氨、丁烷、氟利昂等）一起被送入熱交換器。在這里，海水給工質傳遞熱量，使它從液體變成氣體。這個過程就像是把魔法粉撒向空中，等待奇跡的發生。接下來，讓我們見證奇跡的時刻！這些工質氣體推動渦輪發電機運轉，從而產生了電力。是不是很像魔法師揮舞魔法棒，無形的能量就轉化成了電？

完成工作的工質乏氣該如何處理呢？它們會被導入冷凝裝置，與深層寒冷的海水進行熱交換。經過這一過程，工質又變回了液體。在整個循環中，工質始終被封閉在系統中，沒有與外界發生物質交換。這就好像是一個密封的瓶子，魔法粉始終在瓶子里，不會與外界任何物質混合。

開放式循環是直接將表層溫海水作為工質。首先，我們將表層海水導入一個真空狀態的蒸發器。就像是把溫暖的海水倒入一個魔法瓶中，期待發生奇跡。在真空狀態下，部分海水立即蒸發成水蒸氣。這個過程也被稱為“閃蒸”，就像是魔法瓶中的魔法粉瞬間釋放出來。接下來，這些水蒸氣被用來推動渦輪發電機運轉，從而產生電力。

完成工作的水蒸氣會被導入冷凝器，與深層寒冷的海水進行熱交換。在這個過程中，水蒸氣冷凝成水，排出或作為淡水收集。在整個循環過程中，每次做功后的水蒸氣不再參與到循環中，新的表層溫海水會源源不斷地流入系統，所以稱之為開放式循環。

混合式循環

綜合以上兩種循環方式，混合式循環應運而生。它包括工質為溫海水的開放式循環和工質為低沸點液體的封閉式循環。具體循環過程是這樣的：

如何從深海將冷水取出來

利用海洋溫差能發電的難點在于如何從深海將冷水取出來。基于以上幾種循環方式，海洋溫差能發電站目前主要采用兩種形式。

安裝在沿海地帶的岸基式發電站

通過鋪設較長的取水管獲取深層的冷海水，達到利用溫差能的目的。這種長距離深海管的設計、制造、鋪設和管理一直都是整個系統的技術難點。

浮動式發電站

有可移動的優點，再加上其冷水管垂直懸掛即可，不需要沿著海床將管道延伸到更深海中，可以有效減少所使用管道的長度，也能減少沿程的熱量損失。同時，它還可以為海上牧場、海上采油基地以及船只供電，減少海底電纜鋪設的費用。我國這次進行的海洋漂浮式溫差能發電海試中，對于冷水管道的布設，技術人員首次采用了抱箍式的方式連接多節管道，成功達到了低沸點的預期目標。

Q：利用海洋溫差能發電對環境友好嗎？

A：海洋溫差能的開發利用過程對環境的影響，遠遠小于化石燃料等其他傳統能源，但是也會對海洋生態造成一定程度的破壞。例如利用冷水管從深海抽取上來的冷海水，如果未經妥善處理就直接排入表層溫海水中，會致使深層海水中的營養鹽等物質流入上層海水，改變那里的生態環境，甚至會引起海水富營養化。但如果能妥善處理用過的深層海水，不僅可以降低對環境的影響，還能產生其他經濟效益。例如日本將深層海水用于制作海洋礦泉水、給建筑物降溫等，還從中提取貴重金屬鋰。這能給日本帶來每年大約25 億日元的收益呢！

海洋溫差能的吸睛亮點

傳統能源的使用導致的環境問題日益增多，我們對于能源的需求一直處于不斷上升的狀態。為了應對和預防更大環境問題的產生，我們只能極力提高能源的利用率，或者開發新型的清潔能源。而海洋溫差能因其具有相對較大的儲量，且清潔、可再生、受晝夜或者季節影響較小以及不占用土地資源等優勢，逐漸走進公眾的視野，成為國際社會普遍認可的具有開發價值和開發潛力的海洋資源。

你知道嗎？海洋溫差能其實并不是剛發現的。1930 年，古巴馬坦薩斯灣就已經有海洋溫差能發電裝置的記載了。其利用表層27 攝氏度的溫海水與取水管提供的13 攝氏度的冷海水，成功實現了22 千瓦的發電功率。可惜這座發電站不久后被風暴摧毀了。再加上當時還有很多技術難題有待破解，人們對海洋溫差能的研究也就不了了之。

現在，全球多個國家和地區競相開展對海洋溫差能轉換技術的開發，進行了大量的研究和試驗。例如，美國、日本、印度等國家已經有一些示范項目正在運行或規劃中。同時，一些國際組織和企業也在積極推動海洋溫差能的開發利用。我國也在大力推進海洋溫差能發電裝置的研究。雖然目前對于海洋溫差能開發尚在初始階段，但隨著技術的進步、成本的降低以及政策的支持，海洋溫差能發電的規模化與商業化將會迎來更加寬廣的發展前景。