海洋温差能的魔法世界

刘聪

我国是海洋大国，大陆海岸线18000 千米，岛屿众多。据《全国海岛资源综合调查报告》，全国有淡水资源的海岛约490 个。目前，大多数的海岛能源供应依靠从大陆运送。对海洋能的开发利用，可以促进海洋经济和海防建设，解决沿海和海岛缺水少电的问题。而在几种海洋能中，海洋温差能优势明显，在推动能源转型、可持续发展、实现碳中和方面具有积极作用，是可持续能源中的隐藏宝石。

什么是海洋温差能？

海洋温差能属于热能的一种，它利用不同深度海水之间存在的温度差来获取能源。有研究表明，深层海水的温度通常在5 ～ 7 摄氏度，而表层海水的温度则会达到25 ～ 28 摄氏度。这样的温度差异为温差能发电等应用提供了基础。

为什么不同深度的海水之间会有温度差？

这是因为太阳光在海水中传播时会不断衰减。当一束太阳光照射到大海上，优先接触到太阳光辐射的表层海水会吸收更多的热量。这些热量也会向周围传递，但逐渐递减，较深的海水只能吸收到比较少的热量。于是，在不同深度的海水之间就形成了温度梯度。

近日，我国首套海洋漂浮式温差能发电装置成功完成海试，标志着我国海洋温差能开发利用从陆地试验向海上工程化应用迈出了关键一步。那么，什么是海洋温差能？怎样用它来发电？会影响海洋环境吗……让我们走进海洋温差能的魔法世界，了解利用海洋温差能发电的奥秘。

怎样利用温差能发电

在回答这个问题之前，我们先来了解一下发电的原理：当一根导线或导体在磁场中做切割磁感线运动时，会产生感应电动势，导体的机械能也就变成了电能，完成了发电过程。温差能的作用，就是为以上过程中的机械运动提供能量来源。我们熟知的风力、水力等发电过程，均是通过利用风、水流等流体驱动涡轮机的转动，促使磁感线的切割来发电。

海洋温差能发电需要工作流体，我们喜欢称它为工质。工质就像魔法师，可以将能量转化为电力。目前，根据工质的不同，海洋温差能发电有三种类型的循环系统，分别是封闭式、开放式和混合式。现在，让我们走进这个魔法世界，看看这些工作流体是如何施展魔法的。

在封闭式循环系统中，表层温暖的海水和工质（如氨、丁烷、氟利昂等）一起被送入热交换器。在这里，海水给工质传递热量，使它从液体变成气体。这个过程就像是把魔法粉撒向空中，等待奇迹的发生。接下来，让我们见证奇迹的时刻！这些工质气体推动涡轮发电机运转，从而产生了电力。是不是很像魔法师挥舞魔法棒，无形的能量就转化成了电？

完成工作的工质乏气该如何处理呢？它们会被导入冷凝装置，与深层寒冷的海水进行热交换。经过这一过程，工质又变回了液体。在整个循环中，工质始终被封闭在系统中，没有与外界发生物质交换。这就好像是一个密封的瓶子，魔法粉始终在瓶子里，不会与外界任何物质混合。

开放式循环是直接将表层温海水作为工质。首先，我们将表层海水导入一个真空状态的蒸发器。就像是把温暖的海水倒入一个魔法瓶中，期待发生奇迹。在真空状态下，部分海水立即蒸发成水蒸气。这个过程也被称为“闪蒸”，就像是魔法瓶中的魔法粉瞬间释放出来。接下来，这些水蒸气被用来推动涡轮发电机运转，从而产生电力。

完成工作的水蒸气会被导入冷凝器，与深层寒冷的海水进行热交换。在这个过程中，水蒸气冷凝成水，排出或作为淡水收集。在整个循环过程中，每次做功后的水蒸气不再参与到循环中，新的表层温海水会源源不断地流入系统，所以称之为开放式循环。

混合式循环

综合以上两种循环方式，混合式循环应运而生。它包括工质为温海水的开放式循环和工质为低沸点液体的封闭式循环。具体循环过程是这样的：

如何从深海将冷水取出来

利用海洋温差能发电的难点在于如何从深海将冷水取出来。基于以上几种循环方式，海洋温差能发电站目前主要采用两种形式。

安装在沿海地带的岸基式发电站

通过铺设较长的取水管获取深层的冷海水，达到利用温差能的目的。这种长距离深海管的设计、制造、铺设和管理一直都是整个系统的技术难点。

浮动式发电站

有可移动的优点，再加上其冷水管垂直悬挂即可，不需要沿着海床将管道延伸到更深海中，可以有效减少所使用管道的长度，也能减少沿程的热量损失。同时，它还可以为海上牧场、海上采油基地以及船只供电，减少海底电缆铺设的费用。我国这次进行的海洋漂浮式温差能发电海试中，对于冷水管道的布设，技术人员首次采用了抱箍式的方式连接多节管道，成功达到了低沸点的预期目标。

Q：利用海洋温差能发电对环境友好吗？

A：海洋温差能的开发利用过程对环境的影响，远远小于化石燃料等其他传统能源，但是也会对海洋生态造成一定程度的破坏。例如利用冷水管从深海抽取上来的冷海水，如果未经妥善处理就直接排入表层温海水中，会致使深层海水中的营养盐等物质流入上层海水，改变那里的生态环境，甚至会引起海水富营养化。但如果能妥善处理用过的深层海水，不仅可以降低对环境的影响，还能产生其他经济效益。例如日本将深层海水用于制作海洋矿泉水、给建筑物降温等，还从中提取贵重金属锂。这能给日本带来每年大约25 亿日元的收益呢！

海洋温差能的吸睛亮点

传统能源的使用导致的环境问题日益增多，我们对于能源的需求一直处于不断上升的状态。为了应对和预防更大环境问题的产生，我们只能极力提高能源的利用率，或者开发新型的清洁能源。而海洋温差能因其具有相对较大的储量，且清洁、可再生、受昼夜或者季节影响较小以及不占用土地資源等优势，逐渐走进公众的视野，成为国际社会普遍认可的具有开发价值和开发潜力的海洋资源。

你知道吗？海洋温差能其实并不是刚发现的。1930 年，古巴马坦萨斯湾就已经有海洋温差能发电装置的记载了。其利用表层27 摄氏度的温海水与取水管提供的13 摄氏度的冷海水，成功实现了22 千瓦的发电功率。可惜这座发电站不久后被风暴摧毁了。再加上当时还有很多技术难题有待破解，人们对海洋温差能的研究也就不了了之。

现在，全球多个国家和地区竞相开展对海洋温差能转换技术的开发，进行了大量的研究和试验。例如，美国、日本、印度等国家已经有一些示范项目正在运行或规划中。同时，一些国际组织和企业也在积极推动海洋温差能的开发利用。我国也在大力推进海洋温差能发电装置的研究。虽然目前对于海洋温差能开发尚在初始阶段，但随着技术的进步、成本的降低以及政策的支持，海洋温差能发电的规模化与商业化将会迎来更加宽广的发展前景。