海洋溫差能

在南北緯30度這間的大部分海面，表層和深層海水之間的混養在20度左右；如果在南、北緯20度海面上，每隔15公里建造一個海洋溫差發電裝置，理論上最大發電能力估計為500億KW。赤道附近太陽直射多，其海域的表層溫度可達25～28℃，波斯灣和紅海由於被炎熱的陸地包圍，其海面水溫可達35℃。而在海洋深處50O～1000m處海水溫度卻只有3～6℃。這個垂直的溫差就是一個可供利用的巨大能源。在大部分熱帶和亞熱帶海區，表層水溫和1000m深處的水溫相差20℃以上，這是熱能轉換所需的最小溫差。據估計，如果利用這一溫差發電，其功率可達2TW。

海洋熱能主要來自於太陽能。世界大洋的面積浩瀚無邊，熱帶洋麵也相當寬

廣。海洋熱能用過後即可得到補充，很值得開發利用。據計算，從南緯20度到北緯20度的區間海洋洋麵，只要把其中一半用來發電，海水水溫僅平均下降l℃，就能獲得600億千瓦的電能，相當於目前全世界所產生的全部電能。專家們估計，單在美國的東部海岸由墨西哥灣流出的暖流中，就可獲得美國在1980年需用電量的75倍。

如何有效地利用海水溫度差能量來為人類服務呢？法國的Arsened Arsonval於1881年首次提出海洋溫度差發電的構想。即發明利用海水表層（熱源）和深層（冷源）之間的溫度差發電的電站。於是1930年Claude在古巴的近海，首次利用海洋溫度差能量發電成功，但是，由於發電系統的水泵等所耗電力比其所發出的電力更大，結果純發電量為負值。然而人們並沒有泄氣。1979年，夏威夷的MINI-OTEC發電系統第一次發出了15kW的淨髮電容量[1]。

海水溫差發電技術，是以海洋受太陽能加熱的表層海水（25℃～28℃）作高溫熱源，而以500米～l000米深處的海水（4℃～7℃）作低溫熱源，用熱機組成的熱力循環系統進行發電的技術。從高溫熱源到低溫熱源，可能獲得總溫差15℃～20℃左右的有效能量。最終可能獲得具有工程意義的11℃溫差的能量。

早在1881年9月，巴黎生物物理學家德•阿松瓦爾就提出利用海洋溫差發電的設想。1926年11月，法國科學院建立了一個實驗溫差發電站，證實了阿松瓦爾的設想。1930年，阿松瓦爾的學生克洛德在古巴附近的海中建造了一座海水溫差發電站。

1961年法國在西非海岸建成兩座3500千瓦的海水溫差發電站。美國和瑞典於1979年在夏威夷群島上共同建成裝機容量為1000千瓦的海水溫差發電站，美國還計劃在跨入21世紀時建成一座100萬千瓦的海水溫差發電裝置，以及利用墨西哥灣暖流的熱能在東部沿海建立500座海洋熱能發電站，發電能力達2億千瓦[3]。

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。

1、開式循環發電系統

該系統主要由真空泵、冷水泵、溫水泵、冷凝器、蒸發器、汽輪機、發電機組等組成。

真空泵將系統內抽到一定真空，啟動溫水泵把表層的溫海水抽入蒸發器，由於系統內已保持有一定的真空度，所以溫海水就在蒸發器內沸騰蒸發，變為蒸汽。蒸汽經管道由噴嘴噴出推動汽輪機運轉，帶動發電機發電。從汽輪機排出的廢汽進入冷凝器，被由冷水泵從深層海水中抽上的冷海水所冷卻，重新凝結為水，並排入海中。在該系統中作為工質的海水，由泵吸入蒸發器蒸發到最後排回大海，並未循環利用，故該工作系統稱為開式循環系統。

在開式循環系統中，其冷凝水基本上是去鹽水，可以作為淡水供應需要，但因以海水作工作流體和介質，蒸發器與冷凝器之間的壓力非常小，因此必須充分注意管道等的壓力損耗，同時為了獲得預期的輸出功率，必須使用極大的透平（可以和風力渦輪機相比）。

2、閉式循環發電系統

該系統不以海水而採用一些低沸點的物質（如丙烷、異丁烷、氟利昂、氨等）作為工作流體，在閉合迴路中反覆進行蒸發、膨脹、冷凝。因為系統使用低沸點工作流體，蒸汽的壓力得到提高。

系統工作時，溫水泵把表層溫海水抽上送往蒸發器，通過蒸發器內的盤管把一部分熱量傳遞給低沸點的工作流體，例如氨水，氨水從溫海水吸收足夠的熱量后，開始沸騰並變為氨氣（氨氣壓力約為9.5×10^4Pa）。氨氣經過汽輪機的葉片通道，膨脹做功，推動汽輪機旋轉。汽輪機排出的氨氣進入冷凝器，被冷水泵抽上的深層冷海水冷卻后重新變為液態氨，用氨泵把冷凝器中的液態氨重新壓進蒸發器，以供循環使用。

閉式循環系統的工作流體要根據發電條件（渦輪機條件、熱交換器條件）以及環境條件等來決定。現在已用氨、氟利昂、丙烷等工作流體，其中氨在經濟性和熱傳導性等方面有突出優點，很有競爭力，但在管路安裝方面還存在一些問題。

閉式循環系統的優點是：(1)、可採用小型渦輪機，整套裝置可以實現小型化；(2)、海水不用脫氣，免除了這一部分動力需求。其缺點是：因為蒸發器和凝汽器採用表面式換熱器，導致這一部分體積巨大，金屬消耗量大，維護困難。

3、混合循環發電系統

該系統基本與閉式循環相同，但用溫海水閃蒸出來的低壓蒸汽來加熱低沸點工質。這樣做的好處在於減少了蒸發器的體積，可節省材料，便於維護。

從海洋溫差發電設備的設置形式來看，大致分成陸上設備型和海上設備型兩類。陸上型是把發電機設置在海岸，而把取水泵延伸到500～1000米或更深的深海處。例如1981年11月，日本在太平洋赤道地區的諾魯共和國修建的世界上第一座功率為100千瓦的岸式熱能轉換站，即採用一條外徑為0.75米、長1250米的聚乙烯管深入580米的海底設置取水口。這種設置形式很有發展前途。海上型是把吸水泵從船上弔掛下去，發電機組安裝在船上，電力通過海底電纜輸送。海上設備型又可分成三類，即浮體式（包括表面浮體式、半潛式、潛水式）、著底式和海上移動式。例如，1979年在美國夏威夷建成的“mini OTEC”發電裝置，即安裝在一艘268噸的海軍駁船上，利用一根直徑0.6米、長670米的聚乙烯冷水管垂直伸向海底吸取冷水。

1．將海洋表層的溫水抽到常溫蒸發器，在蒸發器中加熱氨水、氟利昂等流動媒體，使之蒸發成高壓氣體媒體。

2．將高壓氣體媒體送到透平機，使透平機轉動並帶動發電機發電，同時高壓氣體媒體變為低壓氣體媒體。

3．將深水區的冷水抽到冷凝器中，使由透平機出來的低壓氣體媒體冷凝成液體媒體。

4．將液體媒體送到壓縮器加壓后，再將其送到蒸發器中去，進行新的循環。

海洋佔地球表面的70%。由於這個能量來自太陽，可以說取之不盡，用之

不絕。②海水溫度差只有20℃且屬於低品位能量，最大轉換效率只有4%左右。③屬於自然能源，不會造成環境污染，與其他自然能源相比，可以不分晝夜，不受時間季節氣候等條件的限制，能量供應穩定。④由於海水具有腐蝕性、生物污損性。因此設備應考慮使用耐腐蝕、少污染材料，同時要考慮耐生物污損的對策，由於深海抽上來的海水含有較多的營養成分，有利於提高海洋漁業產量。

利用熱帶洋麵海水和760米深處的冷海水之間溫度差發電。海洋熱能轉換裝置最大優點是可以不受潮汐變化和海浪影響而連續工作。另外，它不但不產生空氣污染物或放射性廢料，而且它的副產品是優質的淡化海水。熱帶海面的水溫通常約在27℃，深海水溫則保持在冰點以上幾度。這樣的溫度梯度使得海洋熱能轉換裝置的能量轉換隻達3％～4％。因此，海洋熱能轉換裝置必須動用大量的水，方可彌補自身效率低的缺點。實際上20％～40％的電力用來把水通過進水管道抽入裝置內部和熱能轉換裝置四周。儘管OTEC裝置仍存在不少工程技術和成本方面的問題，但它畢竟有很大潛力。未來學家認為，它是全世界從石油向未來無污染的氫燃料過渡的重要組成部分。有的科學家認為，OTEC對環境無害，並可能提供人類所需的全部能量。

鑒於上述特點，美國、日本等海洋資源豐富的國家，目前正在積極研究及應用海洋溫差發電系統。使之在資源短缺的今天，成為人類的有力選擇[3]。

中國的南海海域遼闊，水深大於800米的海域約140～150萬平方公里，位於北回歸線以南，太陽輻射強烈，是典型的熱帶海洋，表層水溫均在25°C以上。5000～800米以下的深層水溫在5°C以下，表深層水溫差在20～24°C，蘊藏著豐富的溫差能資源。據初步計算，南海溫差能資源理論蘊藏量約為1.19～1.33×10^19千焦耳，技術上可開發利用的能量（熱效率取7％）約為（8.33～9.31）×10^17千焦耳，實際可供利用的資源潛力（工作時間取50％，利用資源10％）裝機容量達13.21～14.76億千瓦。我國台灣島以東海域表層水溫全年在24～28°C，500～800米以下的深層水溫在5°C以下，全年水溫差2O～24°C。據台灣電力專家估計，該區域溫差能資源蘊藏量約

2.16×10^14千焦耳。中國溫差能資源蘊藏量大，在各類海洋能資源中占居首位，這些資源主要分佈在南海和台灣以東海域，尤其是南海中部的西沙群島海域和台灣以東海區，具有日照強烈，溫差大且穩定，全年可開發利用，冷水層離岸距離小，近岸海底地形陡峻等優點，開發利用條件良好，可作為國家溫差能資源的先期開發區[2]。

[1]、中國溫差能源網

[2]、中國太陽能網

[3]、《前行的動力來自於哪裡——能源的開發與利用》 作者：周萬程 出版時間：2007年6月 光明日報出版社