鹽度梯度發(fā)電

1、海洋鹽度差發(fā)電技術(shù)的概述三種主要的發(fā)電方案三種鹽差發(fā)電方法的比較海洋鹽差發(fā)電實現(xiàn)的技術(shù)問題國內(nèi)外鹽差發(fā)電的研究我國鹽差能資源特點海洋鹽度差發(fā)電技術(shù)參考文獻(xiàn) 海洋地球最寶貴的資源之一！以其博大的胸懷給人類帶來了無窮的寶藏。大家都知道海洋中的水都不是淡水，海水里含有豐富的鹽類！地球上的水分為兩大類：淡水和咸水。全世界水的總儲量為152.6平方千米，其中97.2為分布在大洋和淺海中的咸水。在陸地水中，2.15為位于兩極的冰蓋和高山的冰川中的儲水，余下的0.65才是可供人類直接利用的淡水。海洋的咸水中含有各種礦物和大量的食鹽，每一平方千米的海水里即含有3600萬噸食鹽。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們掌握了鹽

2、差發(fā)電技術(shù)！而海洋的鹽資源是非常豐富的。這就可以為人類提供大量的電能。鹽差能是指海水和淡水之間或兩種含鹽濃度不同的海水之間的化學(xué)電位差能，是以化學(xué)能形態(tài)出現(xiàn)的海洋能。主要存在于河海交匯處。鹽差能是海洋能中能量密度最大的一種可再生能源。海洋鹽差能發(fā)電的設(shè)想是年由美國人首先提出的。鹽差能發(fā)電的原理是：當(dāng)兩種不同鹽度的海水被一層只能通過水分而不能通過鹽分的半透膜相分離的時候，兩邊的海水就會產(chǎn)生一種滲透壓，促使水從濃度低的一側(cè)通過這層膜向濃度高的一則滲透，使?jié)舛雀叩囊粋?cè)水位升高，直到膜兩側(cè)的含鹽濃度相等。通常，海水和河水之間的化學(xué)電位差具有相當(dāng)于240 m高水位的落差所產(chǎn)生的能量，利用這一水位差就可以

3、直接由水輪發(fā)電機(jī)發(fā)電。鹽差能發(fā)電的基本方式是，將不同鹽濃度的海水之間或海水與淡水之間的化學(xué)電位差能轉(zhuǎn)換成水的勢能，再利用水輪機(jī)發(fā)電。具體主要有滲透壓式、蒸汽壓式和機(jī)械一化學(xué)式等，其中滲透壓式方案最受重視。將一層半滲透膜放在不同鹽度的兩種海水之間，通過這個膜會產(chǎn)生一個壓力梯度，迫使水從鹽度低的一側(cè)通過膜向鹽度高的一側(cè)滲透，從而稀釋高鹽度的水，直到膜兩側(cè)水的鹽度相等為止。此壓力稱為滲透壓，它與海水的鹽濃度及溫度有關(guān)。目前，日本、美國、瑞典等沿海發(fā)達(dá)國家做了許多積極探索，已經(jīng)提出多種鹽差發(fā)電方案，可分為滲透壓法、滲析電池法和蒸汽壓法。水壓塔滲透壓系統(tǒng)強力滲壓系統(tǒng) 目前的海水發(fā)電方法主要為“滲透法”。

4、所謂“滲透法”，就是使用增壓方法，加速海水滲透過程。在演示實驗中，科學(xué)家用特殊薄膜在容器內(nèi)把海水與純水隔開后，海水一側(cè)對膜的壓力會高于純水這一側(cè)。于是，一部分純水就會透過薄膜漫出水槽，并產(chǎn)生能夠推動水電機(jī)運轉(zhuǎn)的巨大動力，從而進(jìn)行發(fā)電。目前，有些科學(xué)家使用帶電的薄膜，以加速淡水向海水的滲透過程。為了延長薄膜的使用壽命，研究人員還必須即時切換電薄膜的正負(fù)電極位置。如果在河流的入海口使用一種大型單向滲透薄膜，將河水與海水分開的話，就能獲得巨大的海水滲透壓，推動巨型渦輪機(jī)發(fā)電。研究人員建議，利用海水進(jìn)行發(fā)電的滲透壓發(fā)電站，可以建造在河流的入?？诘鹊攸c。另外，滲透壓發(fā)電廠還能建在任何一個淡水資源和咸水資

5、源共存的地區(qū)，甚至是在某些地區(qū)的地下。滲透壓式鹽差能發(fā)電系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)是膜技術(shù)和膜與海水介面間的流體交換技術(shù)。日前，世界上第一座滲透發(fā)電站在挪威建成投產(chǎn)。挪威可再生能源公司斯塔克拉夫特（Statkraft）已經(jīng)在奧斯陸峽灣建造了一座標(biāo)準(zhǔn)的滲透發(fā)電站。設(shè)計者計劃用5年的時間，使得該發(fā)電站發(fā)出來的電力可以滿足一個小鎮(zhèn)的照明和取暖需求。系統(tǒng)組成：壓塔滲透壓系統(tǒng)主要由水壓塔、半透膜、海水泵、水輪機(jī)一發(fā)電機(jī)組等組成。其中水壓塔與淡水問由半透膜隔開，而塔與海水之間通過水泵連通。系統(tǒng)的工作過程：先由海水泵向水壓塔內(nèi)充入海水。這時，由于滲透壓的作用，淡水從半透膜向水壓塔內(nèi)滲透，使水壓塔內(nèi)水位上升。當(dāng)塔內(nèi)水位上

6、升到一定高度后，便從塔頂?shù)乃垡绯?，沖擊水輪機(jī)旋轉(zhuǎn)，帶動發(fā)電機(jī)發(fā)電。為了使水壓塔內(nèi)的海水保持一定的鹽度、必須用海水泵不斷向塔內(nèi)打入海水，以實現(xiàn)系統(tǒng)連續(xù)工作，除去海水泵等的動力消耗，系統(tǒng)的總效率約為20左右。 系統(tǒng)構(gòu)成：強力系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換方法是在河水與海水之間建兩座水壩分別稱為前壩和后壩，并在兩水壩之間挖一個低于海平面約200米的水庫。前壩內(nèi)安裝水輪發(fā)電機(jī)組，使河水與低水庫相連，而后壩底部則安裝半透膜滲流器，使低水庫與海水相通。系統(tǒng)的工作過程：當(dāng)河水通過水輪機(jī)流進(jìn)低水庫時，沖擊水輪機(jī)旋轉(zhuǎn)并帶動發(fā)電機(jī)發(fā)電。同時，低水庫的水通過半透膜流入海中，以保持低水庫與河水之間的水位差。理論上這一水位差可以達(dá)到

7、240m。但實際上要在比此壓差小很多時，才能使淡水順利通過透水而不透鹽的半透膜直接排人海中。此外，薄膜必須用大量海水不斷地沖洗才能將滲透過薄膜的淡水帶走，以保持膜在海水側(cè)的水的鹽度，使發(fā)電過程可以連續(xù)。1. 反電滲析電池法原理利用陰、陽離子交換膜選擇性地透過Cl-、Na +，在兩電極板形成電勢差，并在外部產(chǎn)生電流。2. 反電滲析電池試驗裝置反電滲析電池裝置的原理如下圖所示。它采用陰離子和陽離子兩種交換膜，陽離子交換膜。只允許陽離子(主要是Na+離子)透過，陰離子交換膜只允許陰離子(主要是Cl-離子)通過。陽離子滲透膜和陰離子滲透膜交替放置，中間的間隔交替充以淡水和鹽水。對于NaC1溶液，Na+

8、透過陽離子交換膜向陽極流動，Cl-透過陰離子交換膜向陰極流動，陽極隔室的電中性溶液通過陽極表面的氧化作用維持，陰極隔室的電中性溶液通過陰極表面的還原反應(yīng)維持，電子通過外部電路從陽極傳人陰極形成電流。當(dāng)回路中接入外部負(fù)載時，這個電流和電壓差可以產(chǎn)生電能。通常為了減少電極的腐蝕，把多個電池串聯(lián)起來，可以形成更高的電壓。在同樣的溫度下，淡水比海水蒸發(fā)的更快，所以淡水一邊的氣壓要比海水一邊高得多，于是，在空室內(nèi)，水蒸氣會很快從淡水上方流向海水上方，裝上渦輪，就可以利用鹽度差能進(jìn)行工作。這種方法的產(chǎn)生源于20世紀(jì)初，法國工程師克勞德建造了一臺利用深海冷水和表海熱水的貯熱池之間的蒸汽壓差發(fā)電的裝置。后來，

9、研究人員還發(fā)現(xiàn)如果用淡水間的蒸汽壓差，將更具發(fā)展的可能性。這樣，類似于風(fēng)力發(fā)電，就可以利用兩邊不同的壓差來發(fā)電，但又有所不同。利用蒸汽壓發(fā)電有相對來比較高效率這個重要優(yōu)點，受熱力學(xué)第二定律的限制海洋熱能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)在轉(zhuǎn)換過程中必有熵增，效率一般為4%6%。而鹽度差發(fā)電裝置是天然的循環(huán) 不用加熱加壓，不受卡洛效率的限制，效率比海洋熱能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)高得多。蒸汽壓力機(jī)械最大的優(yōu)點是它不需要使用滲透膜，水表面本身就起滲透膜的作用，在滲透膜的研究還在初級階段這個大背景下，這種方法會有大發(fā)展。1. 滲透壓法在技術(shù)上實現(xiàn)的可能性比較大！而且，海水滲透壓發(fā)電法是一種非常環(huán)保的發(fā)電方式。因為海水滲透壓是一種從自然物理過

10、程中獲得的能源，不會產(chǎn)生任何污染環(huán)境的“副產(chǎn)品”，更不會排放出二氧化碳。此外，由于海洋與河流是現(xiàn)成的資源，所以海水滲透壓的收集成本相對較低，比較容易獲得。而且海水發(fā)電也不會像風(fēng)力發(fā)電和太陽能發(fā)電一樣，受到天氣因素的制約。但關(guān)鍵技術(shù)是半滲透膜工藝水平。目前生產(chǎn)的半透膜，是由海水提取純水的逆滲透膜，而用于發(fā)電的是正滲透膜。有關(guān)正滲透膜的研究在加緊進(jìn)行中。日本曾經(jīng)在實驗中采用過一種滲透膜，在直徑131mm的圓筒容器內(nèi)裝設(shè)10萬條空心纖維，構(gòu)成半滲透膜，將海水所具有的濃度差能的8.6成功地轉(zhuǎn)化為電能，并在歷時10小時的實驗中，發(fā)出了比設(shè)備運轉(zhuǎn)耗電多1瓦的輸出，在世界范圍的同類試驗中，首次實現(xiàn)發(fā)電量超過

11、耗電量，因此實際上已成功地產(chǎn)生了動力。2. 反電滲析電池這種電池利用的是由帶電薄膜分隔的鹽濃度不同的溶液間形成的電位差。膜技術(shù)是反電滲析的核心，它要求膜有高選擇透過性和高電導(dǎo)率。在濃度為850%的海水和淡水作為膜兩側(cè)的溶液的情況下，界面產(chǎn)生的電位差約為80毫伏。這個電壓隨相鄰電池的鹽濃度比成對數(shù)變化。如果把多個這類電池串聯(lián)起來，可以形成更高的電壓。這種電池采用了兩種膜，即陰離子滲透膜和陽離子滲透膜。例如，用1000只電池串聯(lián)可得80伏的電壓。而且在這種情況下，由于只在電池組兩端才需要電極，所以電極溶解腐蝕的問題就大大減少了。這種電池的終端單元內(nèi)部是海水，所以在終端電極處會產(chǎn)生氯氣和氫氣。這兩類

12、氣體都是有價值的，可以幫助償付設(shè)備投資。3 利用蒸汽壓發(fā)電有一個重要優(yōu)點，OTEC（海洋熱能轉(zhuǎn)換）的效率一般為4-6，而鹽度差發(fā)電裝置則不受卡諾效率的限制，效率要高得多；而且根據(jù)有關(guān)試驗結(jié)論，蒸汽壓發(fā)電中，每平方米熱交換器表面積(銅)的功率密度約為10瓦，比反電滲析的功率密度大10倍以上，且比滲析膜單位面積的價格便宜很多。蒸汽壓力機(jī)械最吸引人的性能是它不需要使用滲透膜，水表面本身就起滲透膜的作用。因而大多數(shù)諸如退化、價格昂貴以及水的預(yù)處理和與滲透膜有關(guān)的問題都不復(fù)存在了，但它適合在低緯度地區(qū)發(fā)展。結(jié)論：待解決問題：1，提高單位膜的發(fā)電功率；2，降低膜制造成本；3，延長膜使用壽命1. 因海水鹽差

13、能發(fā)電裝置在設(shè)計、制造和運行發(fā)電等技術(shù)和經(jīng)濟(jì)方面所面臨的困難，所以研究進(jìn)展十分緩慢，僅有以色列建成一座150千瓦的鹽差能發(fā)電試驗裝置，要想實現(xiàn)規(guī)?；?、商業(yè)化生產(chǎn)還相差很遠(yuǎn)。2. 在滲透發(fā)電技術(shù)中，薄膜的制造是重中之重。合格的薄膜，必須具有滲水性好、經(jīng)久耐用待性，并能最大限度地阻止鹽分通過。理論上這一水位差可以達(dá)到240m。但實際上要在比此壓差小很多時，才能使淡水順利通過透水而不透鹽的半透膜直接排人海中。此外，薄膜必須用大量海水不斷地沖洗才能將滲透過薄膜的淡水帶走，以保持膜在海水側(cè)的水的鹽度，使發(fā)電過程可以連續(xù)。3. 在兩種鹽度不同溶液混合時，產(chǎn)生的熱量很小，只使溫度提高不到半攝氏度，比自然混合

14、的實際結(jié)果還要小，所以廢水將和在自然條件下一樣被排走，對環(huán)境的有害影響極小。但有一系列問題需要解決，例如河水帶來的泥砂的處理以及如何防止海洋動物可能被海水進(jìn)水口吸入等。如果把滲透膜放置在海水中，腐蝕、生物積垢和泥沙淤積等都將是棘手的問題，需要設(shè)法過濾海水和河水，甚至需要進(jìn)行水的預(yù)處理以防止積垢和腐蝕，提高滲透膜的效率，使電壓有所提高，這些都要作進(jìn)一步的研究。 自60年代，特別是70年代中期以來，世界許多發(fā)達(dá)工業(yè)國家，如美國、日本、英國、法國、俄羅斯、加拿大和挪威等對海洋能利用都非常重視，投入了相當(dāng)多的財力和人力進(jìn)行研究。在對諸項海洋能源的研究中，對鹽差能的探索相對要晚一些，規(guī)模也不大。最早是1

15、973年由以色列科學(xué)家洛布(Loeb）提出并展開實驗工作；以后，美國、瑞典、日本等國相繼開始了這方面的研究，并制成實驗發(fā)電裝置。我國于1979年也開始這方面的研究，1981年發(fā)表第一篇科研論文，1985年7月14日在西安采用半滲透膜，研制成干涸鹽湖鹽差發(fā)電實驗室置，半透膜面積為14m2。試驗中溶劑(淡水)向溶液(濃鹽水)滲透，溶液水柱升高10m，水輪機(jī)發(fā)電機(jī)組電功率為0.9-1.2瓦。西安冶金建筑學(xué)院于1985年對水壓塔系統(tǒng)進(jìn)行了試驗研究。上水箱高出滲透器約10m，用30公斤干鹽可以工作814小時，發(fā)電功率為0.91.2W。顯然我國鹽差能發(fā)電研究尚處在初期階段。從全球情況來看，鹽差能發(fā)電的研究

16、都還處于不成熟的規(guī)模較小的實驗室研究階段，但隨著對能源的越來越迫切的需求和各國政府及科研力量的重視，鹽差能發(fā)電的研究將越來越深入，鹽差能及其它海洋能的開發(fā)利用必將出現(xiàn)一個嶄新的局面。2號線是全球的鹽度分布，可以看出在30度左右是最高的。1地理分布不均。長江口及其以南的大江河口沿岸的資源量占全國總量的92.5%，理論總功率達(dá)1.156108kW，其中東海沿海占69%，理論功率為0.86108kW。2沿海大城市附近資源最富集，特別是上海和廣東附近的資源量分別占全國的59.2和20。3資源量具有明顯的季節(jié)變化和年際變化。一般汛期4-5個月的資源量占全年的60以上，長江占70以上，珠江占75以上。 4山東半島以北的江河冬季均有1-3個月的冰封期，不利于全年開發(fā)利