海洋温差能发电技术的发展与展望

陈凤云，刘伟民，彭景平

（1.国家海洋局第一海洋研究所，山东 青岛266061；2.青岛理工大学，山东 青岛266033）

1 引言

伴随着地球陆地矿物燃料的日趋枯竭和污染日趋严重，世界主要海洋国家纷纷将目标转向蕴藏丰富能源的海洋，并不断加大科技和资金投入，以期在开发利用海洋能源的“争夺战”中抢得先机。我国作为世界能源消费大国和海洋大国，积极开发利用海洋能已成为未来能源战略的重要选择。

在1981年3月联合国新能源和再生能源会议海洋能小组第二届会议报告中，分析了海洋能在技术、经济、环境和资源供应等条件后，认为从预测到可行性和近期内的重要性及采取国际行动的必要性出发，断定海洋温差能转换是所有海洋能系统的主要中心，并由此开展了大规模的海洋温差能资源调查与研究。

2 海洋温差能发电概述

海洋温差发电（ocean thermal energy conversion，简称OTEC）的基本原理是利用海洋表面的温海水加热某些低沸点工质并使之汽化，或通过降压使海水汽化以驱动汽轮机发电。同时利用从海底提取的冷海水将做功后的乏汽冷凝，使之重新变为液体，形成系统循环。

我国南海海洋温差能储量巨大，中国近海及毗邻海域的温差能资源理论储量为14.4×1021～15.9×1021J，可开发总装机容量为17.47×108～18.33×108kW，90%分布在我国的南海［1］。一般而言，海洋能具有密度低和不稳定的特点，但海洋温差能是海洋能中能量最稳定、密度较高的一种，在温差12～20℃时折合成有效水头为210～570m，已具有相当水力能的强度，能量密度较高。

3 海洋温差能发电的开发研究

3.1 国外海洋温差发电研究

海洋温差发电的概念是在1881年由法国人J.D Arsonval［2］提出的。1926年，他的学生 G Claude［3］首次进行了海洋温差能利用的实验室原理试验并于1926年6月在古巴坦萨斯海湾沿海建成了一座开式循环发电装置，输出功率22kW。

美国于1979年在夏威夷沿海［4］建造了第一座Mini－OTEC 50kW试验性海洋温差能转换电站，净功率达15kW，这是人类首次通过海洋温差能来得到有实用价值的电能。1993年，在夏威夷建成了210kW的开式循环系统［5］。1981年日本电力公司（TEPCO）［6］在瑙鲁共和国建造了一座全岸基的闭式循环电站并投入运行［7］。1982年［8］，在日本国内建成了鹿儿岛县的德之岛50kW的温差试验电站。1994年建成新型闭式循环的9kW 试验设施［9］。

印度政府将海洋温差能作为未来的重要能源之一进行开发，1997年印度国家海洋技术研究所与日本佐贺大学签订协议，共同进行印度洋海洋温差发电的开发，并准备在印度国内投资建立商业化的OTEC系统。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［10］。

佐贺大学海洋能源研究中心在2002年被“21世纪COH计划”选中后，在2003年建成了新的实验据点——伊万里附属设施［11］。目前正在利用30kW 的发电装置进行实证性实验。2005年，印度Kavaratti［12］岛海水温差淡水生产设备，利用海水温差进行海水淡化满足了岛上淡水的需要。

3.2 国内海洋温差发电研究

中国的海洋温差能储量比较丰富，但研究工作起步晚。20世纪80年代初，中国科学院广州能源研究所、中国海洋大学和天津国家海洋局海洋技术中心研究所等单位开始温差发电研究［13］。1986年广州研制完成开式温差能转换试验模拟装置，利用30℃以下的温水，在温差20℃的情况下，实现电能转换。1989年又完成了雾滴提升循环实验研究［14］，有效提升高度达20m。1989年，还对开式循环过程进行了实验室研究，建造了两座容量分别为10W和60W的实验台。

台湾电力公司从1980年开始，对台湾岛东海岸的温差能资源进行了调查研究，并对花莲县的和平溪口、石梯坪和台东县的樟原等3个初选地址进行了自然环境条件调查研究评价和方案设计，曾计划1995年采用闭式循环建设一座4×104kW的岸式示范电站，由于台湾政府能源计划的导向问题而搁置，一直到2005年因环境污染世界能源危机又逐渐受到重视，李远哲博士呼吁国人重视能源科技之开发，展开新一波的海洋温差发电开发任务。

2004～2005年，天津大学完成了对混合式海洋温差能利用系统理论研究课题，并就小型化试验用200W氨饱和蒸汽透平进行了研究开发［15］。

国家海洋局第一海洋研究所在“十一五”期间重点开展了闭式海洋温差能利用的研究，完成了海洋温差能闭式循环的理论研究工作，并完成了250W小型温差能发电利用装置的方案设计，并于2012年成功建成了我国第一个15kW实用温差能发电装置。作为千瓦级试验用温差发电装置，该项目填补了我国在此领域内的空白。

3.3 OTEC系统发展

海洋温差发电试验系统包括开式循环系统、闭式循环系统和混合式循环系统。其中闭式系统从运行工质上可分为单工质循环系统和混合工质循环系统。

1926年法国科学家克劳德在分别装在两个烧瓶里的28℃的温水和冰块之间实现温差能至电能的转换，而这种循环被称为开式循环，实质是朗肯循环，其原理示意图见图1。

图1 开式循环系统

1964年，安德森父子提出了一种新型的循环发电系统——闭式循环发电系统［16］。他们找到了一种对管道设备没有腐蚀、低沸点的工作流体——丙烷，用以代替海水。工作流体丙烷在闭合回路中反复进行蒸发、膨胀、冷凝，所以被称为闭合式循环发电系统，其原理图如图2所示。

图2 闭式循环系统

混合式循环系统与封闭式循环系统有些类似，唯一不同的是蒸发器部分。混合式系统的温海水先经过一个闪蒸蒸发器，使其中的一部分温海水转变为水蒸汽，随即将蒸汽导入第二个蒸发器，见图3。

图3 混合式循环系统

图1和图2所示的开式和闭式循环系统都是单工质循环，换热由蒸发和冷凝两部分构成，结构简单可靠，因海洋温差低其循环效率仅能达到3%左右［17］。

国家海洋局第一海洋研究所对非共沸氨－水朗肯循环进行简化并计算机模拟，在温差20℃时，系统效率相对单工质系统增加6%左右，系统如图4所示。

图4 温差发电系统

佐贺大学海洋能源研究中心的上原春男教授1994年找到了被称为“上原循环”的新方式［18］，见图5。“上原循环”所使用的媒介是氨和水的混合物，通过把两个循环系统联结起来，大大提高了效率。

4 海洋温差能利用存在的问题

（1）由于海洋温差比较小，热力循环过程效率低，因此选取合适的热力循环方式及工质能提高系统发电效率。

（2）换热器防腐蚀和防生物附着。由于在海水中，海洋温差系统中的换热器容易被海水腐蚀和海生物附着，发生腐蚀和生物附着后，换热器的换热效率就会大大降低，因此换热器的防腐蚀和防生物附着是换热器研究的主要内容。

（3）氨透平的密封问题。由于氨气是具有刺激性气味的有毒气体，在整个系统循环中应当尽量避免氨的泄漏。而氨透平又是整个系统中带动电机高速转动的设备，因此在保证氨透平内部静密封的密封性外，还必须保证其与电动机连接处的轴端密封能够很好地防止氨泄漏。

5 结语

在海洋温差发电的未来研究中，主要研究方向有：①基础方面，重点研究低温差热力循环过程，解决小温差下热力循环效率低的问题；②在技术项目方面，考虑与南海各岛屿开发与建设相结合，综合海水淡化、养殖、海水空调等技术，建设温差发电综合利用示范系统。

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