海洋溫差發(fā)電技術現狀及其商業(yè)化可行性探析

1、海洋溫差發(fā)電技術現狀及其商業(yè)化可行性探析摘要：對海洋溫差能發(fā)電技術的基本原理、類型、系統(tǒng)與 裝置，以及發(fā)展歷史和現狀作了全面的綜述。探討了海洋溫 差發(fā)電商業(yè)化的技術可行性及其帶來的環(huán)境影響和成本預 測。關鍵詞：海洋溫差發(fā)電；商業(yè)化技術可行性；環(huán)境影響; 成本預測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 kwo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換是最具開發(fā)利用價值和潛 力的海洋

2、資源。海洋溫差發(fā)電的基本原理是利用海洋熱能轉化技術，海 洋表層高溫海水使冷水或沸點較低的工質氣化，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)，便可實現海洋溫差能的發(fā)電。 海洋溫差發(fā)電裝置根據所用工質及流程的不同，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）。在開式循環(huán)系統(tǒng)中海水被直接用作循環(huán)工質，發(fā)電的同 時可以產出淡水；但由于溫差小焙降小，要求透平內徑尺寸 很大。閉式循環(huán)系統(tǒng)由于使用了低沸點工質，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

3、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。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4050kw的凈輸 出功

4、率，同時該系統(tǒng)還生產出了淡水，是綜合利用海洋溫差 能研究和探索的開端.5o 1999年，在印度東南部海上運轉 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。20042005年， 天津大學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。20072008年

5、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技術可行性分析自從克勞德在1930年首次在古巴嘗試otec技術的可行 性，80多年的經驗積累和大量的資金投入，以工程數據的形 式提供了設備的研發(fā)，環(huán)境研究，及初步設計的技術資料， 為建立一個商業(yè)性的海洋熱能轉換工廠提供基礎。在0tec過程所需要的熱交換器這一領域已做了廣泛的 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 器的設計方法提供了基礎。由于商業(yè)規(guī)模的o

6、tec工廠需要 大型的熱交換器（熱能轉化過程需要大量的水），設計和選 擇應基于兩個因素：髙傳熱效率和低成本（緊湊的尺寸）， 材料的選擇耐久性、與工作液的相容性。依據這些標準，最 佳選擇是不銹鋼板和鋁釬焊式熱交換器。換熱器設計和制造 的最新進展，鋁釬焊式(a1-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70年代，海洋生物附著0tec熱交換 器被認為是實現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換過程中的效率。美國阿貢 國家實驗發(fā)現在工廠持續(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.1

7、0 o 0tec商業(yè)工廠選擇 一個浮動平臺引起了一些關于它的建設和運營方面的問題， 幸好已有令人滿意的答復.：9, 11 o(1) 平臺本身的設計需要解決相關的海上設施的建設、 運行和維護的問題。在船舶和海洋工程鋼筋后張預應力混凝 土或鋼制成的駁船技術被用于構建和部署石油行業(yè)?，F有的 技術和施工工藝可以構建一座至少100mw容量的otec浮動 平臺。1979年的mini-otec和后來的0tec-1表明otec工廠 可以從一個移動的浮動平臺來經營，并且平臺設計有30年 的運行壽命和承受嚴重風暴的能力。(2) 一個平臺需要合適的管道技術給otec循環(huán)過程提 供必需的深層冷海水o mini-0te

8、c和0tec-1驗證了懸吊冷水 管在otec浮動平臺中應用的可行性。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工廠電能傳輸到岸上的海底電力電纜的技術, 是目前世界各地的多數網站使用的。交聯聚乙烯電纜用于額 定400kv的交流電力輸送，已被證明在技術上和經濟上是可 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，只要具有標準的電力模塊設計，緊湊型不銹鋼或 鋁釬熱交換器，和其他關鍵部件像冷水管和海

9、底電纜，一個 50100mw的otec商業(yè)工廠便能以一個符合成本效益的方式 進行設計、建造、部署和運作。4環(huán)境影響分析在一般情況下，海洋熱能轉化是從環(huán)保角度出發(fā)，良性 的技術。但海洋熱能轉換對環(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)、產卵區(qū) 等。在施工過程中，設備及海水管道的敷設，電網互聯設施 和海底電力電纜的敷設會對這些環(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)境產生影響。大量 深層冷海水涌到海洋表面導致海洋表層和底層的熱度不均， 會對海洋生態(tài)環(huán)

10、境造成影響。海洋深層冷水具有豐富的營養(yǎng) 物質和病原體低的特點，這可能導致浮游生物的迅猛生長， 將會對沿海洋食物鏈產生副作用。現代化工廠設計必須考慮 必要的措施，以減少這些影響。5成本預測otec商業(yè)化工廠的設計策略應著重于優(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)模實現每 千瓦電力的最低成本。建一個75mwe電廠，應著眼于換熱器 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%。約翰霍普金斯大學完成了一個40mweotec工廠的投資需 求和相關的運營成本，作為他們在波多黎各建立停泊漂浮型 otec工廠的設計基礎。這個數據，以及其

11、他有價值的數據研 究和概念設計，已經被用來作為估計擬議otec商業(yè)工廠成 本的一個起點。據估計，最初設計在波多黎各的75mwe的漂 浮型的商業(yè)工廠將耗資600萬億美元，能每年生產600百萬 kw - h的電力，大約0.15美元/kw - ho6結語海洋熱能轉化是一個良性的技術和對環(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 的規(guī)劃和設計，所有現階段的環(huán)境問題都可以得到緩解?？?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 數據的結合，使得海洋溫差能商業(yè)上可行

12、和經濟吸引力。參考文獻：1 戴春山，龔建明海洋能源的種類j遼寧科技參 考,2002, 7 (4)： 2022.2 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 ieeej. may, 1993 (81)： 409 418.4 trimble lc, owens w l. r

13、eview of mini-otec performancej. iecec, 1980 (4)： 3738.5 haruo uehara the present status and future of ocean thermal energy conversionj solar energy, 1995(16)： 217231.6 ravindr an m. the indian 1 mw f loa ting otec pla nt an overview , key note addressmthe international otec/dowa conference, 1999.7 rick dworsky. a warin bath of energy-ocean thermal energy conversionjsolar 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，2004.9 cohen r.energy from the ocean. philmlondon： transactions royal society, 1982： 40543710 panchai c b. 0tec bio fouling contr