陳鳳云，劉偉民，彭景平

（1.國(guó)家海洋局第一海洋研究所，山東 青島266061；2.青島理工大學(xué)，山東 青島266033）

1 引言

伴隨著地球陸地礦物燃料的日趨枯竭和污染日趨嚴(yán)重，世界主要海洋國(guó)家紛紛將目標(biāo)轉(zhuǎn)向蘊(yùn)藏豐富能源的海洋，并不斷加大科技和資金投入，以期在開(kāi)發(fā)利用海洋能源的“爭(zhēng)奪戰(zhàn)”中搶得先機(jī)。我國(guó)作為世界能源消費(fèi)大國(guó)和海洋大國(guó)，積極開(kāi)發(fā)利用海洋能已成為未來(lái)能源戰(zhàn)略的重要選擇。

在1981年3月聯(lián)合國(guó)新能源和再生能源會(huì)議海洋能小組第二屆會(huì)議報(bào)告中，分析了海洋能在技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境和資源供應(yīng)等條件后，認(rèn)為從預(yù)測(cè)到可行性和近期內(nèi)的重要性及采取國(guó)際行動(dòng)的必要性出發(fā)，斷定海洋溫差能轉(zhuǎn)換是所有海洋能系統(tǒng)的主要中心，并由此開(kāi)展了大規(guī)模的海洋溫差能資源調(diào)查與研究。

2 海洋溫差能發(fā)電概述

海洋溫差發(fā)電（ocean thermal energy conversion，簡(jiǎn)稱OTEC）的基本原理是利用海洋表面的溫海水加熱某些低沸點(diǎn)工質(zhì)并使之汽化，或通過(guò)降壓使海水汽化以驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電。同時(shí)利用從海底提取的冷海水將做功后的乏汽冷凝，使之重新變?yōu)橐后w，形成系統(tǒng)循環(huán)。

我國(guó)南海海洋溫差能儲(chǔ)量巨大，中國(guó)近海及毗鄰海域的溫差能資源理論儲(chǔ)量為14.4×1021～15.9×1021J，可開(kāi)發(fā)總裝機(jī)容量為17.47×108～18.33×108kW，90%分布在我國(guó)的南海［1］。一般而言，海洋能具有密度低和不穩(wěn)定的特點(diǎn)，但海洋溫差能是海洋能中能量最穩(wěn)定、密度較高的一種，在溫差12～20℃時(shí)折合成有效水頭為210～570m，已具有相當(dāng)水力能的強(qiáng)度，能量密度較高。

3 海洋溫差能發(fā)電的開(kāi)發(fā)研究

3.1 國(guó)外海洋溫差發(fā)電研究

海洋溫差發(fā)電的概念是在1881年由法國(guó)人J.D Arsonval［2］提出的。1926年，他的學(xué)生 G Claude［3］首次進(jìn)行了海洋溫差能利用的實(shí)驗(yàn)室原理試驗(yàn)并于1926年6月在古巴坦薩斯海灣沿海建成了一座開(kāi)式循環(huán)發(fā)電裝置，輸出功率22kW。

美國(guó)于1979年在夏威夷沿海［4］建造了第一座Mini－OTEC 50kW試驗(yàn)性海洋溫差能轉(zhuǎn)換電站，凈功率達(dá)15kW，這是人類首次通過(guò)海洋溫差能來(lái)得到有實(shí)用價(jià)值的電能。1993年，在夏威夷建成了210kW的開(kāi)式循環(huán)系統(tǒng)［5］。1981年日本電力公司（TEPCO）［6］在瑙魯共和國(guó)建造了一座全岸基的閉式循環(huán)電站并投入運(yùn)行［7］。1982年［8］，在日本國(guó)內(nèi)建成了鹿兒島縣的德之島50kW的溫差試驗(yàn)電站。1994年建成新型閉式循環(huán)的9kW 試驗(yàn)設(shè)施［9］。

印度政府將海洋溫差能作為未來(lái)的重要能源之一進(jìn)行開(kāi)發(fā)，1997年印度國(guó)家海洋技術(shù)研究所與日本佐賀大學(xué)簽訂協(xié)議，共同進(jìn)行印度洋海洋溫差發(fā)電的開(kāi)發(fā)，并準(zhǔn)備在印度國(guó)內(nèi)投資建立商業(yè)化的OTEC系統(tǒng)。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(shí)驗(yàn)裝置［10］。

佐賀大學(xué)海洋能源研究中心在2002年被“21世紀(jì)COH計(jì)劃”選中后，在2003年建成了新的實(shí)驗(yàn)據(jù)點(diǎn)——伊萬(wàn)里附屬設(shè)施［11］。目前正在利用30kW 的發(fā)電裝置進(jìn)行實(shí)證性實(shí)驗(yàn)。2005年，印度Kavaratti［12］島海水溫差淡水生產(chǎn)設(shè)備，利用海水溫差進(jìn)行海水淡化滿足了島上淡水的需要。

3.2 國(guó)內(nèi)海洋溫差發(fā)電研究

中國(guó)的海洋溫差能儲(chǔ)量比較豐富，但研究工作起步晚。20世紀(jì)80年代初，中國(guó)科學(xué)院廣州能源研究所、中國(guó)海洋大學(xué)和天津國(guó)家海洋局海洋技術(shù)中心研究所等單位開(kāi)始溫差發(fā)電研究［13］。1986年廣州研制完成開(kāi)式溫差能轉(zhuǎn)換試驗(yàn)?zāi)M裝置，利用30℃以下的溫水，在溫差20℃的情況下，實(shí)現(xiàn)電能轉(zhuǎn)換。1989年又完成了霧滴提升循環(huán)實(shí)驗(yàn)研究［14］，有效提升高度達(dá)20m。1989年，還對(duì)開(kāi)式循環(huán)過(guò)程進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室研究，建造了兩座容量分別為10W和60W的實(shí)驗(yàn)臺(tái)。

臺(tái)灣電力公司從1980年開(kāi)始，對(duì)臺(tái)灣島東海岸的溫差能資源進(jìn)行了調(diào)查研究，并對(duì)花蓮縣的和平溪口、石梯坪和臺(tái)東縣的樟原等3個(gè)初選地址進(jìn)行了自然環(huán)境條件調(diào)查研究評(píng)價(jià)和方案設(shè)計(jì)，曾計(jì)劃1995年采用閉式循環(huán)建設(shè)一座4×104kW的岸式示范電站，由于臺(tái)灣政府能源計(jì)劃的導(dǎo)向問(wèn)題而擱置，一直到2005年因環(huán)境污染世界能源危機(jī)又逐漸受到重視，李遠(yuǎn)哲博士呼吁國(guó)人重視能源科技之開(kāi)發(fā)，展開(kāi)新一波的海洋溫差發(fā)電開(kāi)發(fā)任務(wù)。

2004～2005年，天津大學(xué)完成了對(duì)混合式海洋溫差能利用系統(tǒng)理論研究課題，并就小型化試驗(yàn)用200W氨飽和蒸汽透平進(jìn)行了研究開(kāi)發(fā)［15］。

國(guó)家海洋局第一海洋研究所在“十一五”期間重點(diǎn)開(kāi)展了閉式海洋溫差能利用的研究，完成了海洋溫差能閉式循環(huán)的理論研究工作，并完成了250W小型溫差能發(fā)電利用裝置的方案設(shè)計(jì)，并于2012年成功建成了我國(guó)第一個(gè)15kW實(shí)用溫差能發(fā)電裝置。作為千瓦級(jí)試驗(yàn)用溫差發(fā)電裝置，該項(xiàng)目填補(bǔ)了我國(guó)在此領(lǐng)域內(nèi)的空白。

3.3 OTEC系統(tǒng)發(fā)展

海洋溫差發(fā)電試驗(yàn)系統(tǒng)包括開(kāi)式循環(huán)系統(tǒng)、閉式循環(huán)系統(tǒng)和混合式循環(huán)系統(tǒng)。其中閉式系統(tǒng)從運(yùn)行工質(zhì)上可分為單工質(zhì)循環(huán)系統(tǒng)和混合工質(zhì)循環(huán)系統(tǒng)。

1926年法國(guó)科學(xué)家克勞德在分別裝在兩個(gè)燒瓶里的28℃的溫水和冰塊之間實(shí)現(xiàn)溫差能至電能的轉(zhuǎn)換，而這種循環(huán)被稱為開(kāi)式循環(huán)，實(shí)質(zhì)是朗肯循環(huán)，其原理示意圖見(jiàn)圖1。

圖1 開(kāi)式循環(huán)系統(tǒng)

1964年，安德森父子提出了一種新型的循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)——閉式循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)［16］。他們找到了一種對(duì)管道設(shè)備沒(méi)有腐蝕、低沸點(diǎn)的工作流體——丙烷，用以代替海水。工作流體丙烷在閉合回路中反復(fù)進(jìn)行蒸發(fā)、膨脹、冷凝，所以被稱為閉合式循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)，其原理圖如圖2所示。

圖2 閉式循環(huán)系統(tǒng)

混合式循環(huán)系統(tǒng)與封閉式循環(huán)系統(tǒng)有些類似，唯一不同的是蒸發(fā)器部分?；旌鲜较到y(tǒng)的溫海水先經(jīng)過(guò)一個(gè)閃蒸蒸發(fā)器，使其中的一部分溫海水轉(zhuǎn)變?yōu)樗羝?，隨即將蒸汽導(dǎo)入第二個(gè)蒸發(fā)器，見(jiàn)圖3。

圖3 混合式循環(huán)系統(tǒng)

圖1和圖2所示的開(kāi)式和閉式循環(huán)系統(tǒng)都是單工質(zhì)循環(huán)，換熱由蒸發(fā)和冷凝兩部分構(gòu)成，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠，因海洋溫差低其循環(huán)效率僅能達(dá)到3%左右［17］。

國(guó)家海洋局第一海洋研究所對(duì)非共沸氨－水朗肯循環(huán)進(jìn)行簡(jiǎn)化并計(jì)算機(jī)模擬，在溫差20℃時(shí)，系統(tǒng)效率相對(duì)單工質(zhì)系統(tǒng)增加6%左右，系統(tǒng)如圖4所示。

圖4 溫差發(fā)電系統(tǒng)

佐賀大學(xué)海洋能源研究中心的上原春男教授1994年找到了被稱為“上原循環(huán)”的新方式［18］，見(jiàn)圖5?！吧显h(huán)”所使用的媒介是氨和水的混合物，通過(guò)把兩個(gè)循環(huán)系統(tǒng)聯(lián)結(jié)起來(lái)，大大提高了效率。

4 海洋溫差能利用存在的問(wèn)題

（1）由于海洋溫差比較小，熱力循環(huán)過(guò)程效率低，因此選取合適的熱力循環(huán)方式及工質(zhì)能提高系統(tǒng)發(fā)電效率。

（2）換熱器防腐蝕和防生物附著。由于在海水中，海洋溫差系統(tǒng)中的換熱器容易被海水腐蝕和海生物附著，發(fā)生腐蝕和生物附著后，換熱器的換熱效率就會(huì)大大降低，因此換熱器的防腐蝕和防生物附著是換熱器研究的主要內(nèi)容。

（3）氨透平的密封問(wèn)題。由于氨氣是具有刺激性氣味的有毒氣體，在整個(gè)系統(tǒng)循環(huán)中應(yīng)當(dāng)盡量避免氨的泄漏。而氨透平又是整個(gè)系統(tǒng)中帶動(dòng)電機(jī)高速轉(zhuǎn)動(dòng)的設(shè)備，因此在保證氨透平內(nèi)部靜密封的密封性外，還必須保證其與電動(dòng)機(jī)連接處的軸端密封能夠很好地防止氨泄漏。

5 結(jié)語(yǔ)

在海洋溫差發(fā)電的未來(lái)研究中，主要研究方向有：①基礎(chǔ)方面，重點(diǎn)研究低溫差熱力循環(huán)過(guò)程，解決小溫差下熱力循環(huán)效率低的問(wèn)題；②在技術(shù)項(xiàng)目方面，考慮與南海各島嶼開(kāi)發(fā)與建設(shè)相結(jié)合，綜合海水淡化、養(yǎng)殖、海水空調(diào)等技術(shù)，建設(shè)溫差發(fā)電綜合利用示范系統(tǒng)。

［1］ 王傳崑.海洋能資源分析方法及能量評(píng)估［M］.北京：海洋出版社，2009.

［2］ J D Arsonval.Revue Scientifique［M］.France：September，1881.

［3］ G Claude.Power from the tropical seas［J］.Mechanical Engineering，1930，52（12）：1039～1044.

［4］ Robert L Waid.The Mini－OTEC test［J］.IEEE，1979（6）：548～552.

［5］ Daniel T.A brief history of OTEC research at nelha［M］.Hawaii：Natural Energy Laboratory of Hawaii，1999.

［6］ E Saris，W Scholten，D Kerner，et al.Overview of international ocean energy activities［C］／／HI.Proc Int Conf Oc Energy Recovery，Honolulu：HI，1989.

［7］ F A Johnson.A 250kW closed－cycle land based ocean thermal energy plane［C］.New York：First int.Conf.ICOER－89.American Society of Civil Engineers，1989.

［8］ D E Lennard.Ocean thermal energy conversion－past progress and future prospects［J］.Proceedings，1987（134）：621～623.

［9］ 陳恩鑒.國(guó)外海洋能研究開(kāi)發(fā)的現(xiàn)狀及展望［J］.新能源，1995，17（1）：16～21.

［10］ Ravindran M.The Indian 1MW floating OTEC plant an overview，Key note address［C］.Imari：The International OTEC／DOWA Conference，1999.

［11］ 唐黎標(biāo).日本海洋能發(fā)電［J］.太陽(yáng)能，2005，49（3）：117～119.

［12］ Phanikumar V S Sistla，Venkatesan G.Low Temperature Thermal Desalination Plants［C］.New York：The Eighth ISOPE O－cean Mining Symposium，2009.

［13］ 薛桂芳，武 文.淺談海洋溫差能及其可持續(xù)利用［J］.中國(guó)海洋大學(xué)學(xué)報(bào)，2008（2）：15～19.

［14］ 王 祺，王 東.海洋溫差能發(fā)電的一種新設(shè)想［J］.節(jié)能與環(huán)保，2003（5）：33～35.

［15］ 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.

［16］ 崔清晨.海洋資源［M］.北京：商務(wù)印書館，1981.

［17］ 趙偉閣.試驗(yàn)用200W氨飽和蒸汽透平的研究與開(kāi)發(fā)［D］.天津：天津大學(xué)，2005.

［18］ Yasuyuki Ikegami，Haruo Uehara.New development and future prospects of ocean thermal energy conversion［J］.日本舶用機(jī)関學(xué)會(huì)誌，1999，34（11）：741～747.