海洋能的开发利用

CHANGSHA UNIVERSITY OF SCIENCE & TECHNOLOGY

绿色能源材料化学

题目： 海水温差能的研究与利用

学生姓名： * * 学 号： *********** 专 业： 2014应用化学

完成日期： 2015年5月14日海水温差能的研究与利用

海水温差能（OTEC）是指蕴藏在表层温海水和底层冷海水之间的热能[1]，是蕴藏量最大的海洋可再生能源，被寄予最大的期望，研究投资最多。相对于潮汐能、 海流能等机械能来说，温差能属于热能在发电能量转换效率和设备成本上都不具有优势。但是，温差能利用在发电的同时还可以产生淡水等副产品，这一点是值得注意的[2]。目前，世界上仅有美国和日本等几个国家建造了温差试验电站或装置，技术已接近成熟，但尚未达到商业化水平。美国自20世纪60年代中期开始温差能利用研究，1979年在夏威夷建成世界上第一座闭路循环式海洋温差发电站， 该装置发电机额定功率50KW[3]。全世界海洋温差能的理论估计储量为600亿千瓦，居海洋各种能源之首。所以海洋温差能转换被国际社会普遍认为是最具开发利用价值和 潜力的海洋能资。海洋温差能是清洁的可持续能源，它的资源稳定，不存在间歇，较少受昼夜和季节的影响，也不占用 土地资源。除发电外还可同时进行空调制冷、水产品及作物养殖、海洋化工、海水淡化、海洋采矿等附属开发。

国外发展概况

美国在夏威夷试验一座浮动式MINI-OTEC电厂，总发电量为50kW，净电

量为15kW。日本在南太平洋的瑙鲁岛建立一座陆上型封闭式电厂，总发电量为120kW，净电量31Kw，邻国印度和日本合作，利用日本的技术在印度洋上安装了1000kW的机组。与美日两国相比，刘伟民团队设计的热力循环方式发电效率更高。例如美国卡利纳循环的“利用率”为4%，日本上原循环是5%，我国设计的循环理论上能达到6.7%。不要小看相差1%的“利用率”，就拿MINI-OTEC电厂发电来说，“利用率”提升1%，就能多发出30千瓦的电。据介绍，海洋温差能系统能自运行排掉的冷海水仅为7℃左右，可以给海岛建筑提供空调制冷设备。以15千瓦的海洋温差能系统来说，冷海水的流量为250m 3/h，而制取此流

量的海水源热泵系统大约需要功率为250kW ，此流量可供空调面积约1万平方米。考虑常年运行 ，则全年节省能量为219万度电。 “海洋温差能源不仅可以用来发电，还可以用来进行海水淡化，深层冷海水还可作为空调系统的冷源。

国内发展概况

我国海域辽阔，大陆海岸线长达18 000 km多，海洋面积为470万km2多，海洋能资源十分丰富，海水温差能蕴含量约1．2亿kW[4]。而我国发达的沿海地区恰好是主要耗能区，随着工业技术的不断发展，国内能源的需求量将不断增加。开发海水温差能不仅可以调整我国不合理的能源结构，而且可以适当缓解当地的能源供应压力。因此有必要对我国的海水温差能的利用进行积极的研究。

在我国青岛拥有730.6公里曲折绵长的海岸线、69个大小岛屿，这为海洋能源的开发、利用提供了丰富的基础条件，成为青岛领先国内城市的重要因素。此外，青岛作为我国的海洋科研和教育中心，素有“海洋科技城”之称，拥有各级海洋科研与教育机构28家、部委级重点实验室20个；集聚着高级海洋专业人才1700多人，占全国的30%，涉海领域两院院士占全国的70%左右；承担着大量国家重点海洋科研项目，在国家973计划海洋领域启动的17个项目中，有14个项目的首席科学家和主持单位都在青岛。根据我国60年代和80年代的两次海洋能储量调查，海洋温差能占到我国海洋总能源的90%以上，所以海洋温差能被国际社会普遍认为是最具开发利用价值和潜力的海洋清洁能源。我国2008年4月，启动了15千瓦温差能发电装置研究及试验项目。该项目由国家海洋局科技司组织实施，国家海洋技术中心负责牵头管理，国家海洋局第一海洋研究所为主要承担单位。海洋温差能发电系统发电输出稳定，该技术不仅可用于建设南海岛屿的独立发电，还可应用于海上石油平台和地热发电中。除发电外，深层冷海水还可同时进行空调制冷、水产品及作物养殖、海水淡化等附属开发，这样对输出电力的单位成本能起到很大的调节作用。拿空调制冷来说，如果将15千瓦的温差能系统自运行排掉的冷海水提供给南海岛屿建筑的空调制冷设备，空调使用建筑面积可达1万多平方米。按全年运行计算，总共可节省22万度电力。刘伟民说，在我国低纬度沿海地区，还有部分海岛居民面临着缺淡水、缺电力、缺蔬菜

的困难，而海洋温差能发电可以在一定程度上帮助解决这一问题。

刘伟民告诉记者，在海洋温差能发电中，海水在高温下生成水蒸气，水蒸气经过冷凝后就成为淡水。现在研究所里有一台海洋温差海水淡化的小设备，每天能排出400公斤的淡水。据测算，印度1000千瓦的海洋温差发电设备一天可生产1.6万瓶淡水。

发电的基本原理

热带区域的海洋表层与几百至上千米深处存在着基本恒定的 20 ~ 25℃的温差，这就为发电提供了一个总量巨大且比较稳定的能源。海洋温差发电的 基本原理是利用海洋表面的温海水（26 ~ 28℃ ）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（4 ~ 6℃）将做功后的乏气冷凝，使之重新变为液体。

根据工质和流程的不同，一般把OTEC系统分为开式循环(图1)、闭式循环(图2)和混合式循环(图3)。

一、开放式循环系统并不利用工作流体作为工质，而直接使用温海水。首先将温海水导入真空状态的蒸发器，使其部分蒸发。水蒸汽在低压涡轮机内进行绝热膨胀，做完功之后进入冷凝器，由冷海水冷却成液体。冷凝的方法有两种，一种是水蒸汽直接混入冷海水中，称为直接接触冷凝；另外一种是使用表面冷凝器，水蒸汽不直接与冷海水接触。后者即是附带制备淡水的方法。

二、添加对设备无腐蚀、低沸点工作流体代替海水，用表层海水将其加热，常压下蒸腾，迅速蒸发，由于其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，其实质也是朗肯循环。它的特点是发电效率显著高于开式系统，不需要真空泵，故减少了电力消耗。

三、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，见图三。水蒸汽在此被冷却，并释放潜能；此潜能再将低沸点的工作流体蒸发。工作流体于此循环而构成一个封闭式系统。设计混合式发电系统的目的在于避免温海水对热交换器所产生的生物附着。该系统在第二个蒸发其中还可以有淡水副产品的产出。同时开放式发电系统的低容量缺点亦可获得改善。

利用海水温差发电的可行性分析

一、经济效益

发电效益应综合考虑建设成本、燃料成本和运转维护成本。海水温差能发电与太阳能、地热发电系统一样，都是不消耗燃料的发电方式，运行费用很低，但是建设费用较高。建设费用和运行费用在整个费用中所占的比例及与其他发电方式的比较见图4。

图 4

表1对比了美国燃煤发电、核能发电以及开式海水温差能发电效益比较，从表中可以看出投资费用燃煤发电最低，核能发电次之，海水温差发电最高，但是海水温差能发电不需要燃料费，且供应不断不受燃料供应短缺或价格波动的影响运行一定的时间便可收回成本并超过燃煤发电。

海水温差发电优势更体现在其综合利用方面如：海水淡化制淡水、海水养殖、建筑物空调、热带农业、氢、氨等制备、重水采集等[5]。

环保效益

目前我国消耗的能源主要来自煤炭、石油、天然气等化石燃料（见图5）。

图5 2000年中国能源结构

可以看出原煤发电仍然是我国火力发电的巨头，然而火力发电存在严重的污染，以一座年发电量30亿kW·h的燃煤发电站为例[6]，每年要烧掉约140万吨煤，同时向大气层倾吐出2万吨二氧化硫、200万吨二氧化碳以及氮氧化物、烟灰等有害物质，造成空气严重污染毒化。据统计，每年仅因火力发电排放的SO2。和烟尘两项就造成近千亿元的经济损失（见表2），对排放物的处理将发费巨额资金。此外，我国还是仅次于美国的CO2：第二排放大国，每年CO2：排放量已占全球总排放量的13％以上，有关专家预测，到2010年，我国CO2：排放量将达到13亿t。从表3中可以看出，1960～2002年全球平均气温随着CO2。浓度的增加逐年升高，若不减缓化石燃料的大量消耗，全球变暖的趋势将愈加严重。

表3全球平均温度和化石燃料燃烧的碳排放及大气CO2的浓度

与常规能源的发电方式相比，海水温差能发电的环保优点是显而易见的。首先，海水温差能是清洁的可再生能源，其利用不消耗燃料，不会受到能源枯竭的威胁，还可以减少CO2的排放[7]，不会加重日益恶化的环境负担。其次，在各类海洋能源中，温差能储量又是居于首位，能量资源大，来源稳定，不受时间和气候的限制，不存在间歇性等问题。更值得一提的是，海水温差能发电站与珊瑚岛礁生态系统相结合，还具有固定温室效应气体CO2的作用E103，这在大规模消费矿物能源所造成的全球气候日益变暖的今天，已成为国际社会关注的焦点；而且，温差发电车间还可辅助电解海水而获得氢气，为世界耗能从石化燃料转向为氢燃料提供了潜力。

虽然海洋温差能发电研究取得了一系列成果，但仍面临一些困难和挑战。刘伟民表示，岸置式海洋温差能发电系统由于其主要设备都安置在海岸上，因此冷海水管要铺设到海洋深处，对于海洋施工来说具有一定难度。此外，由于海水温差较低，要提取足够的能量，就要保证较大的流量，因此需要的管道直径大。100兆瓦温差能发电系统需要的管道直径为10米，10兆瓦的发电系统需要的管道直径为4米，管道的建造存在困难。

“海洋温差能发电任重道远。”刘伟民表示，目前，潮汐能、波浪能、海流能和海洋温差能发电是海洋能开发利用的主要形式，其中温差能储量最大，所以海洋温差能被国际社会普遍认为是最具开发利用价值和潜力的海洋清洁能源。他说，目前有很多企业对海洋温差能发电很感兴趣，例如，华彬国际集团已经进入

到了温差能项目实施的前期阶段，但是海洋温差能在具体实施中还有许多技术问题，因此，希望国家能在海洋温差能的研究利用方面加大扶持力度，推动该项技术的快速发展。

结束语

海水温差能作为一种清洁、可再生的能源，具有很好的发展前景。其开发、利用对我国经济的可持续发展和人民生活水平的提高具有重要的现实意义。迄今为止，海洋温差发电技术的研究在热动力循环方式、高效紧凑型热交换器、微型透平、工质选择以及海洋工程技术等方面均已取得长足的发展，很多技术已渐趋成熟。对海洋温差发电及其相关技术展开研究，是一项考虑长远可持续能源需求的高技术投资项目。虽然不能指望它很快见到实效，但是它在未来能源资源的多样化、可持续化中的作用，以及它的环境效益和长远经济效益都将难以估量。 参考文献

[1]戴庆忠． 潮流能发电及潮流能发电装置[J]．东方电机，2010（2）：51.

[2]游亚戈，李伟，刘伟民，等．海洋能发电技术的发展现状与前景[J]．电力系统自动化，2010，34（14）：1-12．

[3]马龙，陈刚，兰丽茜．浅析我国海洋能合理化开发利用的若干关键问题及发展策略[J]．海洋开发与管理，2013，30（20）：46-50.

[4]崔金泰．各显神通的新能源[M]．北京：北京工业大学出版社，1993．104-105． [5]Dylan T．Ocean thermal energy conversion：current overview and future outlook[J]．Renewable Energy，1995，6(3)：367-373．

[6]周浩，魏学好．天然气发电的环境价值[J]．热力发电，2003.5：2—5．

[7]Tahala K，Houliuchi K，Kojima T．Ocean thermal energy conversion(OTEC) systems as countermeasure for C02 problem-energy balance and C02 reduction potential [J]．Energy conversion management，1995，36(6—9)：857—860．