海洋温差发电技术的现状及其商业化可行性探讨

彭景平，陈凤云，刘伟民，刘鹤仪

（1.青岛理工大学 环境与市政工程学院，山东 青岛266033；2.国家海洋局第一海洋研究所，山东 青岛266061）

1 引言

海洋面积大约覆盖了地球表面的71%，这使得它成为世界上最大的太阳能集热器和储能系统。海洋能中以海洋温差能的储量最大，全世界海洋温差能的理论储量估计为100亿kW。海洋温差能具有清洁、可再生、储量大，不存在间歇，受昼夜和季节的影响较小，不占用土地资源等特点，被国际社会普遍认为海洋温差能的转换是最具开发利用价值和潜力的海洋资源。

海洋温差发电的基本原理是利用海洋热能转化技术，海洋表层高温海水使冷水或沸点较低的工质气化，推动涡轮发电机发电。然后再利用深层低温冷海水对蒸气进行冷却，使之还原为液体状态。如此循环，便可实现海洋温差能的发电。海洋温差发电装置根据所用工质及流程的不同，一般可分为开式循环、闭式循环和混合式循环，目前接近实用化的是闭式循环方式（图1至图3）。

图1 开式温差发电系统

图2 闭式海水温差发电系统

图3 混合式温差发电系统

在开式循环系统中海水被直接用作循环工质，发电的同时可以产出淡水；但由于温差小焓降小，要求透平内径尺寸很大。闭式循环系统由于使用了低沸点工质，使整个装置，特别是透平机组的尺寸大大缩小。混合式海洋温差发电系统综合了开式和闭式循环系统的优点，它以闭式循环发电，用温海水闪蒸出来的低压蒸汽来加热低沸点工质。这样做的好处在于减小了蒸发器的体积，节省材料，便于维护并可收集淡水。

2 海洋温差发电的发展历程

在1881年法国人Mr J d Arsonval提出了海洋温差发电的概念。G Claude在1926年6月在古巴坦萨斯海湾沿海建造了一座开式循环发电装置，额定22kW的输出功率。1979年美国在夏威夷沿海搭建了第一座Mini－OTEC 50kW海洋温差能转换试验性电站，净输出功率15kW［4］，这是历史上第一次通过海洋温差能得到具有实用价值的电能。1993年，在夏威夷建成了210kW的开式循环系统，有40～50kW的净输出功率，同时该系统还生产出了淡水，是综合利用海洋温差能研究和探索的开端［5］。1999年，在印度东南部海上运转成功了世界上第一套1MW海洋温差发电实验装置［6］。2009年美国洛克希德公司及美国能源部与美国海军研究用温差能解决关岛上海军陆战队用电和淡水的问题［7］。

我国具有丰富的海洋温差能，但研究工作起步晚。1980年台湾电力公司曾计划将核电厂余热和海洋温差发电并用。1991年广州能源研究所实现了将雾滴提升到21m高度的记录，还对开式循环过程进行了实验室研究。2004～2005年，天津大学对闭式和混合式系统进行了理论研究，并对200W氨饱和蒸汽透平进行了开发研究［8］。2007～2008年国家海洋局第一海洋研究所重点开展了海洋温差能利用的研究，并设计出了250W小型温差能发电利用实验装置。2008年在“十一五”期间重点开展了15kW闭式海洋温差能系统的研究，系统在2012年5月成功运行。

3 技术可行性分析

自从克劳德在1930年首次在古巴尝试OTEC技术的可行性，80多年的经验积累和大量的资金投入，以工程数据的形式提供了设备的研发，环境研究，及初步设计的技术资料，为建立一个商业性的海洋热能转换工厂提供基础。

在OTEC过程所需要的热交换器这一领域已做了广泛的研究和开发，MINI－OTEC和OTEC－1为发展商业规模的热交换器的设计方法提供了基础。由于商业规模的OTEC工厂需要大型的热交换器（热能转化过程需要大量的水），设计和选择应基于两个因素：高传热效率和低成本（紧凑的尺寸），材料的选择耐久性、与工作液的相容性。依据这些标准，最佳选择是不锈钢板和铝钎焊式热交换器。换热器设计和制造的最新进展，铝钎焊式（Al－BZ）热交换器允许在OTEC平台尺寸，相比与板式换热器它具有更紧凑的配置和更高的换热效率［9］。在20世纪70年代，海洋生物附着OTEC热交换器被认为是实现OTEC商业化潜在的障碍。因为海洋生物的附着可以显著的降低海洋热能转换过程中的效率。美国阿贡国家实验发现在工厂持续运行过程中间歇性低剂量的加入氧化剂可以有效控制生物体附着［10］。OTEC商业工厂选择一个浮动平台引起了一些关于它的建设和运营方面的问题，幸好已有令人满意的答复［9，11］。

（1）平台本身的设计需要解决相关的海上设施的建设、运行和维护的问题。在船舶和海洋工程钢筋后张预应力混凝土或钢制成的驳船技术被用于构建和部署石油行业。现有的技术和施工工艺可以构建一座至少100MW容量的OTEC浮动平台。1979年的MINIOTEC和后来的OTEC－1表明OTEC工厂可以从一个移动的浮动平台来经营，并且平台设计有30年的运行寿命和承受严重风暴的能力。

（2）一个平台需要合适的管道技术给OTEC循环过程提供必需的深层冷海水。MINI－OTEC和OTEC－1验证了悬吊冷水管在OTEC浮动平台中应用的可行性。重量轻，柔性接头和玻璃纤维增强塑料混凝土被认为是可行的方案，也满足商业100MW容量的OTEC所需的冷水管的长度和直径。

（3）OTEC工厂电能传输到岸上的海底电力电缆的技术，是目前世界各地的多数网站使用的。交联聚乙烯电缆用于额定400kV的交流电力输送，已被证明在技术上和经济上是可行的。

（4）浮动平台所需要的锚固定系统、冷水管和海底电力电缆所需要的系泊及锚固系统，目前这些系统正被应用于海上石油钻井行业，在市面上都有销售。

因此，只要具有标准的电力模块设计，紧凑型不锈钢或铝钎热交换器，和其他关键部件像冷水管和海底电缆，一个50～100MW的OTEC商业工厂便能以一个符合成本效益的方式进行设计、建造、部署和运作。

4 环境影响分析

在一般情况下，海洋热能转化是从环保角度出发，良性的技术。但海洋热能转换对环境也并不是完全没有影响。

避免海洋温差发电站建立在环境敏感区，像养殖区、产卵区等。在施工过程中，设备及海水管道的敷设，电网互联设施和海底电力电缆的敷设会对这些环境有暂时的影响。

在闭式或者混合式循环发电厂，工作液的排放可能产生对环境的影响。为了控制温差发电系统中附着在换热器表面的海洋生物，间歇性低剂量的氧化剂对环境产生影响。大量深层冷海水涌到海洋表面导致海洋表层和底层的热度不均，会对海洋生态环境造成影响。海洋深层冷水具有丰富的营养物质和病原体低的特点，这可能导致浮游生物的迅猛生长，将会对沿海洋食物链产生副作用。现代化工厂设计必须考虑必要的措施，以减少这些影响。

5 成本预测

OTEC商业化工厂的设计策略应着重于优化流程，集成系统和系统自身耗功的最小化，以达到给定的工厂规模实现每千瓦电力的最低成本。建一个75MWe电厂，应着眼于换热器的配制和效率，减少平台面积和冷水管的优化设计，这三个组成部分所需要的成本大约占总投资的75%。

约翰霍普金斯大学完成了一个40MWeOTEC工厂的投资需求和相关的运营成本，作为他们在波多黎各建立停泊漂浮型OTEC工厂的设计基础。这个数据，以及其他有价值的数据研究和概念设计，已经被用来作为估计拟议OTEC商业工厂成本的一个起点。据估计，最初设计在波多黎各的75MWe的漂浮型的商业工厂将耗资600万亿美元，能每年生产600百万kW·h的电力，大约0.15美元／kW·h。

6 结语

海洋热能转化是一个良性的技术和对环境的影响显著的优于其他能源，特别是与化石燃料和核能相比。通过适当的规划和设计，所有现阶段的环境问题都可以得到缓解。可再生能源市场化具有全球性的意义。海洋温差能的改良：系统的整合和换热器的改进，可以提高海洋温差能转换的能力。这些新的发展并与以前的研发和示范工厂提供的信息和数据的结合，使得海洋温差能商业上可行和经济吸引力。

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