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海水温差发电
引子——两则新闻
据英国路透社今年4月17日报道,美国军工制造巨头洛克希德·马丁公司16宣布,该公司计划在中国南部滨海建造世界最大的利用海水温差发电的电厂。此举将令这一有130年历史的构想转化为商业运营。
报道称,洛马与中国华彬集团13日在北京签署协议,双方同意在中国南部建造一座发电能力为10兆瓦的离岸发电厂,为海南岛一处高档风景区提供电力。而这也将为未来建造百兆瓦级、可为小型城市供电的OTEC电厂做准备。
据日本NHK网站今年9月11日报道,日本开发出世界首个利用海洋浅层及深层温度差进行发电、即“海洋温差发电”的系统。
前景广阔
资料显示,海洋是世界上最大的太阳能接收器,6000 万平方公里的热带海洋平均每天吸收的太阳能相当于 2500 亿桶石油所含的热量。据统计,只要把南北纬 20 度以内的热带海洋充分利用起来发电,水温降低 1 度放出的热量就有 600 亿千瓦发电容量。
据了解,潮汐能、波浪能和海洋温差能是海洋清洁能源开发利用的主要形式,其中海洋温差能约占海洋能源储量的 90%。据测算,仅我国南海蕴藏的温差能,每年就能发电 5 亿千瓦时。利用海洋温差发电课题的实验成功,不仅能够为沿海尤其是岛屿、海上石油平台的能源供应问题提供新的解决方案,还可用于反季蔬菜大棚、水产品养殖等附属开发。
温差能的优势就在于它可以提供稳定的电力,如果不考虑维修,这种电站可无限期地工作。同时,海洋温差能在发电富余的情况下,还可以制氢并送回陆地。
日前,由国家海洋局第一海洋研究所承担的“十一五”国家科技支撑计划15千瓦温差能发电装置研究及试验项目通过验收,这使得我国成为继美国、日本之后,第三个独立掌握海洋温差能发电技术的国家。但与发达国家相比,我国在海洋温差发电的开发上还停留在实验室原理性验证阶段,还未建立试验电站。
技术分布
工作原理
热带或亚热带海域的表层海水(0~50 m)由于受到太阳辐射,温度常年介于24~29℃,而由于海水的热传导率低,表层的热量难以传到深层,500~1 000 m深处的水温仅为4~7℃,表层海水和深层海水终年形成20℃以上的垂直温差。
装在封闭循环管道中的氨在通过装有海洋表层海水的热转换器时会吸收其中的热量并产生蒸汽推动涡轮机转动产生电能,随后蒸汽会被送到一个装有深层低温海水的热交换器,这时氨蒸汽会释放热量并重新回到液体状态。由于海水的温度补偿能力非常强,因此使用此方法可以周而复始的循环,维持发电机的持续工作。
封闭式系统
因为工作流体系在封闭系统中循环,故称为封闭式循环系统。当温海水泵将温海水抽起,并将其热源传导给蒸发器内的工作流体,而使其蒸发。蒸发后的工作流体在涡轮机内绝热膨胀,并推动涡轮机的叶片而达到发电的目的。发电后的工作流体被导入冷凝器,并将其热量传给抽自深层的冷海水,因而冷却并且再恢复成液体,然后经循环泵打至蒸发器,形成一个循环。
开放式系统
开放式循环系统并不使用工作流体作为介质,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,其蒸气压力约为3Pa(25℃),。水蒸气在低压涡轮机内进行绝热膨胀,做完功之后引入冷凝器,由冷海水冷却成液体。虽然开放式系统的能源转换效率高于封闭式系统,但因低压涡轮机的效率不确定,以及水蒸气之密度与压力均较低,故发电装置容量较小,不太适合大容量发电。
混合式系统
混合式循环系统与封闭式循环系统类似,不同的是蒸发器部分。混合式系统的温海水系先经过一个闪蒸蒸发器(一种使流体急速压缩,然后急速解压而产生沸腾蒸发的设备),使其中一部分温海水转变为水蒸气;随即将蒸气导入第二个蒸发器。水蒸气在此被冷却,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。
面临的难题
首先是管道材料。在实际操作中,要产生相当规模的电能,就必须让表层海水和深层海水流动循环起来,管道要在深海承受巨大的大气压力、不断摇摆的洋流压力以及频繁变化的水温。据海洋专家推测,一个 10 兆瓦的此类电站,预计需要一根直径 13 英尺的大管道。而要用于100 兆瓦或更高容量的电站,预计其直径要达到 33 英尺宽,在水下延伸 1000 米,这几乎相当于纽约地铁隧道宽,两个半帝国大厦高。