海洋溫差發(fā)電技術(shù)現(xiàn)狀及其商業(yè)化可行性探析

1、海洋溫差發(fā)電技術(shù)現(xiàn)狀及其商業(yè)化可行性探析摘要：對海洋溫差能發(fā)電技術(shù)的基本原理、類型、系統(tǒng)與 裝置，以及發(fā)展歷史和現(xiàn)狀作了全面的綜述。探討了海洋溫 差發(fā)電商業(yè)化的技術(shù)可行性及其帶來的環(huán)境影響和成本預(yù) 測。關(guān)鍵詞：海洋溫差發(fā)電；商業(yè)化技術(shù)可行性；環(huán)境影響; 成本預(yù)測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(tǒng)。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 kwo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(jié)的影響較小，不占用土地資源等特點(diǎn)，被國際 社會普遍認(rèn)為海洋溫差能的轉(zhuǎn)換是最具開發(fā)利用價值和潛 力的海洋

2、資源。海洋溫差發(fā)電的基本原理是利用海洋熱能轉(zhuǎn)化技術(shù)，海 洋表層高溫海水使冷水或沸點(diǎn)較低的工質(zhì)氣化，推動渦輪發(fā) 電機(jī)發(fā)電。然后再利用深層低溫冷海水對蒸氣進(jìn)行冷卻，使 之還原為液體狀態(tài)。如此循環(huán)，便可實現(xiàn)海洋溫差能的發(fā)電。 海洋溫差發(fā)電裝置根據(jù)所用工質(zhì)及流程的不同，一般可分為 開式循環(huán)、閉式循環(huán)和混合式循環(huán)，目前接近實用化的是閉 式循環(huán)方式（圖1至圖3）。在開式循環(huán)系統(tǒng)中海水被直接用作循環(huán)工質(zhì)，發(fā)電的同 時可以產(chǎn)出淡水；但由于溫差小焙降小，要求透平內(nèi)徑尺寸 很大。閉式循環(huán)系統(tǒng)由于使用了低沸點(diǎn)工質(zhì)，使整個裝置， 特別是透平機(jī)組的尺寸大大縮小?；旌鲜胶Ｑ鬁夭畎l(fā)電系統(tǒng) 綜合了開式和閉式循環(huán)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，它

3、以閉式循環(huán)發(fā)電，用 溫海水閃蒸出來的低壓蒸汽來加熱低沸點(diǎn)工質(zhì)。這樣做的好 處在于減小了蒸發(fā)器的體積，節(jié)省材料，便于維護(hù)并可收集 淡水。2海洋溫差發(fā)電的發(fā)展歷程在1881年法國人mr j d arsonval提出了海洋溫差發(fā) 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(huán)發(fā)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(zhuǎn)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(huán)系統(tǒng)，有4050kw的凈輸 出功

4、率，同時該系統(tǒng)還生產(chǎn)出了淡水，是綜合利用海洋溫差 能研究和探索的開端.5o 1999年，在印度東南部海上運(yùn)轉(zhuǎn) 成功了世界上第一套1mw海洋溫差發(fā)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(guān)島上海軍陸戰(zhàn)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(fā)電并用。 1991年廣州能源研究所實現(xiàn)了將霧滴提升到21m高度的記 錄，還對開式循環(huán)過程進(jìn)行了實驗室研究。20042005年， 天津大學(xué)對閉式和混合式系統(tǒng)進(jìn)行了理論研究，并對200w 氨飽和蒸汽透平進(jìn)行了開發(fā)研究.8。20072008年

5、國家海 洋局第一海洋研究所重點(diǎn)開展了海洋溫差能利用的研究，并 設(shè)計出了 250w小型溫差能發(fā)電利用實驗裝置。2008年在“十 一五”期間重點(diǎn)開展了 15kw閉式海洋溫差能系統(tǒng)的研究， 系統(tǒng)在2012年5月成功運(yùn)行。3技術(shù)可行性分析自從克勞德在1930年首次在古巴嘗試otec技術(shù)的可行 性，80多年的經(jīng)驗積累和大量的資金投入，以工程數(shù)據(jù)的形 式提供了設(shè)備的研發(fā)，環(huán)境研究，及初步設(shè)計的技術(shù)資料， 為建立一個商業(yè)性的海洋熱能轉(zhuǎn)換工廠提供基礎(chǔ)。在0tec過程所需要的熱交換器這一領(lǐng)域已做了廣泛的 研究和開發(fā)，mini-otec和otec-1為發(fā)展商業(yè)規(guī)模的熱交換 器的設(shè)計方法提供了基礎(chǔ)。由于商業(yè)規(guī)模的o

6、tec工廠需要 大型的熱交換器（熱能轉(zhuǎn)化過程需要大量的水），設(shè)計和選 擇應(yīng)基于兩個因素：髙傳熱效率和低成本（緊湊的尺寸）， 材料的選擇耐久性、與工作液的相容性。依據(jù)這些標(biāo)準(zhǔn)，最 佳選擇是不銹鋼板和鋁釬焊式熱交換器。換熱器設(shè)計和制造 的最新進(jìn)展，鋁釬焊式(a1-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(jì)70年代，海洋生物附著0tec熱交換 器被認(rèn)為是實現(xiàn)otec商業(yè)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(zhuǎn)換過程中的效率。美國阿貢 國家實驗發(fā)現(xiàn)在工廠持續(xù)運(yùn)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.1

7、0 o 0tec商業(yè)工廠選擇 一個浮動平臺引起了一些關(guān)于它的建設(shè)和運(yùn)營方面的問題， 幸好已有令人滿意的答復(fù).：9, 11 o(1) 平臺本身的設(shè)計需要解決相關(guān)的海上設(shè)施的建設(shè)、 運(yùn)行和維護(hù)的問題。在船舶和海洋工程鋼筋后張預(yù)應(yīng)力混凝 土或鋼制成的駁船技術(shù)被用于構(gòu)建和部署石油行業(yè)?，F(xiàn)有的 技術(shù)和施工工藝可以構(gòu)建一座至少100mw容量的otec浮動 平臺。1979年的mini-otec和后來的0tec-1表明otec工廠 可以從一個移動的浮動平臺來經(jīng)營，并且平臺設(shè)計有30年 的運(yùn)行壽命和承受嚴(yán)重風(fēng)暴的能力。(2) 一個平臺需要合適的管道技術(shù)給otec循環(huán)過程提 供必需的深層冷海水o mini-0te

8、c和0tec-1驗證了懸吊冷水 管在otec浮動平臺中應(yīng)用的可行性。重量輕，柔性接頭和 玻璃纖維增強(qiáng)塑料混凝土被認(rèn)為是可行的方案，也滿足商業(yè) 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?shù)桨渡系暮５纂娏﹄娎|的技術(shù), 是目前世界各地的多數(shù)網(wǎng)站使用的。交聯(lián)聚乙烯電纜用于額 定400kv的交流電力輸送，已被證明在技術(shù)上和經(jīng)濟(jì)上是可 行的。(4) 浮動平臺所需要的錨固定系統(tǒng)、冷水管和海底電 力電纜所需要的系泊及錨固系統(tǒng)，目前這些系統(tǒng)正被應(yīng)用于 海上石油鉆井行業(yè)，在市面上都有銷售。因此，只要具有標(biāo)準(zhǔn)的電力模塊設(shè)計，緊湊型不銹鋼或 鋁釬熱交換器，和其他關(guān)鍵部件像冷水管和海

9、底電纜，一個 50100mw的otec商業(yè)工廠便能以一個符合成本效益的方式 進(jìn)行設(shè)計、建造、部署和運(yùn)作。4環(huán)境影響分析在一般情況下，海洋熱能轉(zhuǎn)化是從環(huán)保角度出發(fā)，良性 的技術(shù)。但海洋熱能轉(zhuǎn)換對環(huán)境也并不是完全沒有影響。 避免海洋溫差發(fā)電站建立在環(huán)境敏感區(qū)，像養(yǎng)殖區(qū)、產(chǎn)卵區(qū) 等。在施工過程中，設(shè)備及海水管道的敷設(shè)，電網(wǎng)互聯(lián)設(shè)施 和海底電力電纜的敷設(shè)會對這些環(huán)境有暫時的影響。在閉式或者混合式循環(huán)發(fā)電廠，工作液的排放可能產(chǎn)生 對環(huán)境的影響。為了控制溫差發(fā)電系統(tǒng)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(huán)境產(chǎn)生影響。大量 深層冷海水涌到海洋表面導(dǎo)致海洋表層和底層的熱度不均， 會對海洋生態(tài)環(huán)

10、境造成影響。海洋深層冷水具有豐富的營養(yǎng) 物質(zhì)和病原體低的特點(diǎn)，這可能導(dǎo)致浮游生物的迅猛生長， 將會對沿海洋食物鏈產(chǎn)生副作用?，F(xiàn)代化工廠設(shè)計必須考慮 必要的措施，以減少這些影響。5成本預(yù)測otec商業(yè)化工廠的設(shè)計策略應(yīng)著重于優(yōu)化流程，集成系 統(tǒng)和系統(tǒng)自身耗功的最小化，以達(dá)到給定的工廠規(guī)模實現(xiàn)每 千瓦電力的最低成本。建一個75mwe電廠，應(yīng)著眼于換熱器 的配制和效率，減少平臺面積和冷水管的優(yōu)化設(shè)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(xué)完成了一個40mweotec工廠的投資需 求和相關(guān)的運(yùn)營成本，作為他們在波多黎各建立停泊漂浮型 otec工廠的設(shè)計基礎(chǔ)。這個數(shù)據(jù)，以及其

11、他有價值的數(shù)據(jù)研 究和概念設(shè)計，已經(jīng)被用來作為估計擬議otec商業(yè)工廠成 本的一個起點(diǎn)。據(jù)估計，最初設(shè)計在波多黎各的75mwe的漂 浮型的商業(yè)工廠將耗資600萬億美元，能每年生產(chǎn)600百萬 kw - h的電力，大約0.15美元/kw - ho6結(jié)語海洋熱能轉(zhuǎn)化是一個良性的技術(shù)和對環(huán)境的影響顯著 的優(yōu)于其他能源，特別是與化石燃料和核能相比。通過適當(dāng) 的規(guī)劃和設(shè)計，所有現(xiàn)階段的環(huán)境問題都可以得到緩解?？?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(tǒng)的整合和換熱器的改進(jìn)，可以提高海洋溫差能轉(zhuǎn)換的能 力。這些新的發(fā)展并與以前的研發(fā)和示范工廠提供的信息和 數(shù)據(jù)的結(jié)合，使得海洋溫差能商業(yè)上可行

12、和經(jīng)濟(jì)吸引力。參考文獻(xiàn)：1 戴春山，龔建明海洋能源的種類j遼寧科技參 考,2002, 7 (4)： 2022.2 王莉，史林興，盧佃清.華東沿海海洋溫差發(fā)電系 統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計j可再生能源，2010, 28 (1)： 112-113.3 heydt g t. an assessment of ocean thermal energy conversion as an advanced electric generation methodology proceedings of the ieeej. may, 1993 (81)： 409 418.4 trimble lc, owens w l. r

13、eview of mini-otec performancej. iecec, 1980 (4)： 3738.5 haruo uehara the present status and future of ocean thermal energy conversionj solar energy, 1995(16)： 217231.6 ravindr an m. the indian 1 mw f loa ting otec pla nt an overview , key note addressmthe international otec/dowa conference, 1999.7 rick dworsky. a warin bath of energy-ocean thermal energy conversionjsolar energy, 2008 (3)： 23-25.8 劉奕晴混合式海洋溫差能利用系統(tǒng)的理論研究 d.天津：天津大學(xué)，2004.9 cohen r.energy from the ocean. philmlondon： transactions royal society, 1982： 40543710 panchai c b. 0tec bio fouling contr