彭景平，陳鳳云，劉偉民，劉鶴儀

（1.青島理工大學(xué) 環(huán)境與市政工程學(xué)院，山東 青島266033；2.國家海洋局第一海洋研究所，山東 青島266061）

1 引言

海洋面積大約覆蓋了地球表面的71%，這使得它成為世界上最大的太陽能集熱器和儲能系統(tǒng)。海洋能中以海洋溫差能的儲量最大，全世界海洋溫差能的理論儲量估計為100億kW。海洋溫差能具有清潔、可再生、儲量大，不存在間歇，受晝夜和季節(jié)的影響較小，不占用土地資源等特點，被國際社會普遍認為海洋溫差能的轉(zhuǎn)換是最具開發(fā)利用價值和潛力的海洋資源。

海洋溫差發(fā)電的基本原理是利用海洋熱能轉(zhuǎn)化技術(shù)，海洋表層高溫海水使冷水或沸點較低的工質(zhì)氣化，推動渦輪發(fā)電機發(fā)電。然后再利用深層低溫冷海水對蒸氣進行冷卻，使之還原為液體狀態(tài)。如此循環(huán)，便可實現(xiàn)海洋溫差能的發(fā)電。海洋溫差發(fā)電裝置根據(jù)所用工質(zhì)及流程的不同，一般可分為開式循環(huán)、閉式循環(huán)和混合式循環(huán)，目前接近實用化的是閉式循環(huán)方式（圖1至圖3）。

圖1 開式溫差發(fā)電系統(tǒng)

圖2 閉式海水溫差發(fā)電系統(tǒng)

圖3 混合式溫差發(fā)電系統(tǒng)

在開式循環(huán)系統(tǒng)中海水被直接用作循環(huán)工質(zhì)，發(fā)電的同時可以產(chǎn)出淡水；但由于溫差小焓降小，要求透平內(nèi)徑尺寸很大。閉式循環(huán)系統(tǒng)由于使用了低沸點工質(zhì)，使整個裝置，特別是透平機組的尺寸大大縮小?；旌鲜胶Ｑ鬁夭畎l(fā)電系統(tǒng)綜合了開式和閉式循環(huán)系統(tǒng)的優(yōu)點，它以閉式循環(huán)發(fā)電，用溫海水閃蒸出來的低壓蒸汽來加熱低沸點工質(zhì)。這樣做的好處在于減小了蒸發(fā)器的體積，節(jié)省材料，便于維護并可收集淡水。

2 海洋溫差發(fā)電的發(fā)展歷程

在1881年法國人Mr J d Arsonval提出了海洋溫差發(fā)電的概念。G Claude在1926年6月在古巴坦薩斯海灣沿海建造了一座開式循環(huán)發(fā)電裝置，額定22kW的輸出功率。1979年美國在夏威夷沿海搭建了第一座Mini－OTEC 50kW海洋溫差能轉(zhuǎn)換試驗性電站，凈輸出功率15kW［4］，這是歷史上第一次通過海洋溫差能得到具有實用價值的電能。1993年，在夏威夷建成了210kW的開式循環(huán)系統(tǒng)，有40～50kW的凈輸出功率，同時該系統(tǒng)還生產(chǎn)出了淡水，是綜合利用海洋溫差能研究和探索的開端［5］。1999年，在印度東南部海上運轉(zhuǎn)成功了世界上第一套1MW海洋溫差發(fā)電實驗裝置［6］。2009年美國洛克希德公司及美國能源部與美國海軍研究用溫差能解決關(guān)島上海軍陸戰(zhàn)隊用電和淡水的問題［7］。

我國具有豐富的海洋溫差能，但研究工作起步晚。1980年臺灣電力公司曾計劃將核電廠余熱和海洋溫差發(fā)電并用。1991年廣州能源研究所實現(xiàn)了將霧滴提升到21m高度的記錄，還對開式循環(huán)過程進行了實驗室研究。2004～2005年，天津大學(xué)對閉式和混合式系統(tǒng)進行了理論研究，并對200W氨飽和蒸汽透平進行了開發(fā)研究［8］。2007～2008年國家海洋局第一海洋研究所重點開展了海洋溫差能利用的研究，并設(shè)計出了250W小型溫差能發(fā)電利用實驗裝置。2008年在“十一五”期間重點開展了15kW閉式海洋溫差能系統(tǒng)的研究，系統(tǒng)在2012年5月成功運行。

3 技術(shù)可行性分析

自從克勞德在1930年首次在古巴嘗試OTEC技術(shù)的可行性，80多年的經(jīng)驗積累和大量的資金投入，以工程數(shù)據(jù)的形式提供了設(shè)備的研發(fā)，環(huán)境研究，及初步設(shè)計的技術(shù)資料，為建立一個商業(yè)性的海洋熱能轉(zhuǎn)換工廠提供基礎(chǔ)。

在OTEC過程所需要的熱交換器這一領(lǐng)域已做了廣泛的研究和開發(fā)，MINI－OTEC和OTEC－1為發(fā)展商業(yè)規(guī)模的熱交換器的設(shè)計方法提供了基礎(chǔ)。由于商業(yè)規(guī)模的OTEC工廠需要大型的熱交換器（熱能轉(zhuǎn)化過程需要大量的水），設(shè)計和選擇應(yīng)基于兩個因素：高傳熱效率和低成本（緊湊的尺寸），材料的選擇耐久性、與工作液的相容性。依據(jù)這些標(biāo)準(zhǔn)，最佳選擇是不銹鋼板和鋁釬焊式熱交換器。換熱器設(shè)計和制造的最新進展，鋁釬焊式（Al－BZ）熱交換器允許在OTEC平臺尺寸，相比與板式換熱器它具有更緊湊的配置和更高的換熱效率［9］。在20世紀(jì)70年代，海洋生物附著OTEC熱交換器被認為是實現(xiàn)OTEC商業(yè)化潛在的障礙。因為海洋生物的附著可以顯著的降低海洋熱能轉(zhuǎn)換過程中的效率。美國阿貢國家實驗發(fā)現(xiàn)在工廠持續(xù)運行過程中間歇性低劑量的加入氧化劑可以有效控制生物體附著［10］。OTEC商業(yè)工廠選擇一個浮動平臺引起了一些關(guān)于它的建設(shè)和運營方面的問題，幸好已有令人滿意的答復(fù)［9，11］。

（1）平臺本身的設(shè)計需要解決相關(guān)的海上設(shè)施的建設(shè)、運行和維護的問題。在船舶和海洋工程鋼筋后張預(yù)應(yīng)力混凝土或鋼制成的駁船技術(shù)被用于構(gòu)建和部署石油行業(yè)?，F(xiàn)有的技術(shù)和施工工藝可以構(gòu)建一座至少100MW容量的OTEC浮動平臺。1979年的MINIOTEC和后來的OTEC－1表明OTEC工廠可以從一個移動的浮動平臺來經(jīng)營，并且平臺設(shè)計有30年的運行壽命和承受嚴(yán)重風(fēng)暴的能力。

（2）一個平臺需要合適的管道技術(shù)給OTEC循環(huán)過程提供必需的深層冷海水。MINI－OTEC和OTEC－1驗證了懸吊冷水管在OTEC浮動平臺中應(yīng)用的可行性。重量輕，柔性接頭和玻璃纖維增強塑料混凝土被認為是可行的方案，也滿足商業(yè)100MW容量的OTEC所需的冷水管的長度和直徑。

（3）OTEC工廠電能傳輸?shù)桨渡系暮５纂娏﹄娎|的技術(shù)，是目前世界各地的多數(shù)網(wǎng)站使用的。交聯(lián)聚乙烯電纜用于額定400kV的交流電力輸送，已被證明在技術(shù)上和經(jīng)濟上是可行的。

（4）浮動平臺所需要的錨固定系統(tǒng)、冷水管和海底電力電纜所需要的系泊及錨固系統(tǒng)，目前這些系統(tǒng)正被應(yīng)用于海上石油鉆井行業(yè)，在市面上都有銷售。

因此，只要具有標(biāo)準(zhǔn)的電力模塊設(shè)計，緊湊型不銹鋼或鋁釬熱交換器，和其他關(guān)鍵部件像冷水管和海底電纜，一個50～100MW的OTEC商業(yè)工廠便能以一個符合成本效益的方式進行設(shè)計、建造、部署和運作。

4 環(huán)境影響分析

在一般情況下，海洋熱能轉(zhuǎn)化是從環(huán)保角度出發(fā)，良性的技術(shù)。但海洋熱能轉(zhuǎn)換對環(huán)境也并不是完全沒有影響。

避免海洋溫差發(fā)電站建立在環(huán)境敏感區(qū)，像養(yǎng)殖區(qū)、產(chǎn)卵區(qū)等。在施工過程中，設(shè)備及海水管道的敷設(shè)，電網(wǎng)互聯(lián)設(shè)施和海底電力電纜的敷設(shè)會對這些環(huán)境有暫時的影響。

在閉式或者混合式循環(huán)發(fā)電廠，工作液的排放可能產(chǎn)生對環(huán)境的影響。為了控制溫差發(fā)電系統(tǒng)中附著在換熱器表面的海洋生物，間歇性低劑量的氧化劑對環(huán)境產(chǎn)生影響。大量深層冷海水涌到海洋表面導(dǎo)致海洋表層和底層的熱度不均，會對海洋生態(tài)環(huán)境造成影響。海洋深層冷水具有豐富的營養(yǎng)物質(zhì)和病原體低的特點，這可能導(dǎo)致浮游生物的迅猛生長，將會對沿海洋食物鏈產(chǎn)生副作用。現(xiàn)代化工廠設(shè)計必須考慮必要的措施，以減少這些影響。

5 成本預(yù)測

OTEC商業(yè)化工廠的設(shè)計策略應(yīng)著重于優(yōu)化流程，集成系統(tǒng)和系統(tǒng)自身耗功的最小化，以達到給定的工廠規(guī)模實現(xiàn)每千瓦電力的最低成本。建一個75MWe電廠，應(yīng)著眼于換熱器的配制和效率，減少平臺面積和冷水管的優(yōu)化設(shè)計，這三個組成部分所需要的成本大約占總投資的75%。

約翰霍普金斯大學(xué)完成了一個40MWeOTEC工廠的投資需求和相關(guān)的運營成本，作為他們在波多黎各建立停泊漂浮型OTEC工廠的設(shè)計基礎(chǔ)。這個數(shù)據(jù)，以及其他有價值的數(shù)據(jù)研究和概念設(shè)計，已經(jīng)被用來作為估計擬議OTEC商業(yè)工廠成本的一個起點。據(jù)估計，最初設(shè)計在波多黎各的75MWe的漂浮型的商業(yè)工廠將耗資600萬億美元，能每年生產(chǎn)600百萬kW·h的電力，大約0.15美元／kW·h。

6 結(jié)語

海洋熱能轉(zhuǎn)化是一個良性的技術(shù)和對環(huán)境的影響顯著的優(yōu)于其他能源，特別是與化石燃料和核能相比。通過適當(dāng)?shù)囊?guī)劃和設(shè)計，所有現(xiàn)階段的環(huán)境問題都可以得到緩解。可再生能源市場化具有全球性的意義。海洋溫差能的改良：系統(tǒng)的整合和換熱器的改進，可以提高海洋溫差能轉(zhuǎn)換的能力。這些新的發(fā)展并與以前的研發(fā)和示范工廠提供的信息和數(shù)據(jù)的結(jié)合，使得海洋溫差能商業(yè)上可行和經(jīng)濟吸引力。

［1］ 戴春山，龔建明.海洋能源的種類［J］遼寧科技參考，2002，7（4）：20～22.

［2］ 王 莉，史林興，盧佃清.華東沿海海洋溫差發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計［J］.可再生能源，2010，28（1）：112～113.

［3］ Heydt G T.An assessment of ocean thermal energy conversion as an advanced electric generation methodology Proceedings of the IEEE［J］.May，1993（81）：409～418.

［4］ Trimble LC，Owens W L.Review of Mini－OTEC performance［J］.IECEC，1980（4）：37～38.

［5］ Haruo Uehara.The Present Status and Future of Ocean Thermal Energy Conversion［J］.Solar Energy，1995（16）：217～231.

［6］ Ravindran M.The Indian 1MW floating OTEC plant an over－view，Key note address［M］.The International OTEC／DOWA Conference，1999.

［7］ Rick Dworsky.A warln bath of energy－ocean thermal energy conversion［J］.Solar Energy，2008（3）：23～25.

［8］ 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.

［9］ Cohen R.Energy from the Ocean.Phil［M］.London：Transactions Royal Society，1982：405～437.

［10］ Panchal C B.OTEC bio fouling control and corrosion protection study at the sea coast test facility［J］.Argonne National Lab，1999（11）：723～725.

［11］ Avery W H，Wu C.Renewable Energy from the Ocean，A Guide to OTEC［M］.New York：Oxford University Press，1994.

［12］ George J F，Richards D.Baseline Designs of Moored and Grazing 40MW OTEC Power Plants.Johns Hopkins University［M］.New York：Applied Physics Laboratory，1980.