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  • 海洋温差能

    海洋温差能(oceanthermalenergy):又称海洋热能。利用海洋中受太阳能加热的暖和的表层水与较冷的深层水之间的温差进行发电而获得的能量。在南北纬30度这间的大部分海面,表层和深层海水之间的混养在20度左右;如果在南、北纬20度海面上,每隔15公里建造一个海洋温差发电装置,理论上最大发电能力估计为500亿KW。赤道附近太阳直射多,其海域的表层温度可达25~28℃,波斯湾和红海由于被炎热的陆地包围,其海面水温可达35℃。而在海洋深处50O~1000m处海水温度却只有3~6℃。这个垂直的温差就是一个可供利用的巨大能源。在大部分热带和亚热带海区,表层水温和1000m深处的水温相差20℃以上,这是热能转换所需的最小温差。据估计,如果利用这一温差发电,其功率可达2TW。

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    海洋温差能(oceanthermalenergy):又称海洋热能。利用海洋中受太

    海洋温差能海洋垂直方向上有着温度差
    阳能加热的暖和的表层水与较冷的深层水之间的温差进行发电而获得的能量。在南北纬30度这间的大部分海面,表层和深层海水之间的混养在20度左右;如果在南、北纬20度海面上,每隔15公里建造一个海洋温差发电装置,理论上最大发电能力估计为500亿KW。赤道附近太阳直射多,其海域的表层温度可达25~28℃,波斯湾和红海由于被炎热的陆地包围,其海面水温可达35℃。而在海洋深处50O~1000m处海水温度却只有3~6℃。这个垂直的温差就是一个可供利用的巨大能源。在大部分热带和亚热带海区,表层水温和1000m深处的水温相差20℃以上,这是热能转换所需的最小温差。据估计,如果利用这一温差发电,其功率可达2TW。

    利用现状/海洋温差能 编辑

    海洋热能主要来自于太阳能。世界大洋的面积浩瀚无边,热带洋面也相当宽

    海洋温差能mini—OTEC
    广。海洋热能用过后即可得到补充,很值得开发利用。据计算,从南纬20度到北纬20度的区间海洋洋面,只要把其中一半用来发电,海水水温仅平均下降l℃,就能获得600亿千瓦的电能,相当于目前全世界所产生的全部电能。专家们估计,单在美国的东部海岸由墨西哥湾流出的暖流中,就可获得美国在1980年需用电量的75倍。
    如何有效地利用海水温度差能量来为人类服务呢?法国的Arsened Arsonval于1881年首次提出海洋温度差发电的构想。即发明利用海水表层(热源)和深层(冷源)之间的温度差发电的电站。于是1930年Claude在古巴的近海,首次利用海洋温度差能量发电成功,但是,由于发电系统的水泵等所耗电力比其所发出的电力更大,结果纯发电量为负值。然而人们并没有泄气。1979年,夏威夷的MINI-OTEC发电系统第一次发出了15kW的净发电容量[1]。

    发电原理/海洋温差能 编辑

    海水温差发电技术,是以海洋受太阳能加热的表层海水(25℃~28℃)作
    海洋温差能温差能发电原理图
    高温热源,而以500米~l000米深处的海水(4℃~7℃)作低温热源,用热机组成的热力循环系统进行发电的技术。从高温热源到低温热源,可能获得总温差15℃~20℃左右的有效能量。最终可能获得具有工程意义的11℃温差的能量。
    早在1881年9月,巴黎生物物理学家德•阿松瓦尔就提出利用海洋温差发电的设想。1926年11月,法国科学院建立了一个实验温差发电站,证实了阿松瓦尔的设想。1930年,阿松瓦尔的学生克洛德在古巴附近的海中建造了一座海水温差发电站
    1961年法国在西非海岸建成两座3500千瓦的海水温差发电站。美国和瑞典于1979年在夏威夷群岛上共同建成装机容量为1000千瓦的海水温差发电站,美国还计划在跨入21世纪时建成一座100万千瓦的海水温差发电装置,以及利用墨西哥湾暖流的热能在东部沿海建立500座海洋热能发电站,发电能力达2亿千瓦[3]。

    转换/海洋温差能 编辑

    根据所用工质及流程的不同,一般可分为开式循环、闭式循环和混合式循环,目前接近实用化的是闭式循环方式。
    1、开式循环发电系统

    海洋温差能开式循环系统示意图

    该系统主要由真空泵冷水泵温水泵冷凝器蒸发器汽轮机发电机组等组成。
    真空泵将系统内抽到一定真空,起动温水泵把表层的温海水抽入蒸发器,由于系统内已保持有一定的真空度,所以温海水就在蒸发器内沸腾蒸发,变为蒸汽。蒸汽经管道由喷嘴喷出推动汽轮机运转,带动发电机发电。从汽轮机排出的废汽进入冷凝器,被由冷水泵从深层海水中抽上的冷海水所冷却,重新凝结为水,并排入海中。在该系统中作为工质的海水,由泵吸入蒸发器蒸发到最后排回大海,并未循环利用,故该工作系统称为开式循环系统。
    在开式循环系统中,其冷凝水基本上是去盐水,可以做为淡水供应需要,但因以海水作工作流体和介质,蒸发器与冷凝器之间的压力非常小,因此必须充分注意管道等的压力损耗,同时为了获得预期的输出功率,必须使用极大的透平(可以和风力涡轮机相比)。
    2、闭式循环发电系统
    海洋温差能闭式循环系统示意图

    该系统不以海水而采用一些低沸点的物质(如丙烷、异丁烷、氟利昂、氨等)作为工作流体,在闭合回路中反复进行蒸发、膨胀、冷凝。因为系统使用低沸点工作流体,蒸汽的压力得到提高。
    系统工作时,温水泵把表层温海水抽上送往蒸发器,通过蒸发器内的盘管把一部分热量传递给低沸点的工作流体,例如氨水,氨水从温海水吸收足够的热量后,开始沸腾并变为氨气(氨气压力约为9.5×10^4Pa)。氨气经过汽轮机的叶片通道,膨胀作功,推动汽轮机旋转。汽轮机排出的氨气进入冷凝器,被冷水泵抽上的深层冷海水冷却后重新变为液态氨,用氨泵把冷凝器中的液态氨重新压进蒸发器,以供循环使用。
    闭式循系环统的工作流体要根据发电条件(涡轮机条件、热交换器条件)以及环境条件等来决定。现在已用氨、氟利昂、丙烷等工作流体,其中氨在经济性和热传导性等方面有突出优点,很有竞争力,但在管路安装方面还存在一些问题。
    闭式循环系统的优点是:(1)、可采用小型涡轮机,整套装置可以实现小型化;(2)、海水不用脱气,免除了这一部分动力需求。其缺点是:因为蒸发器和凝汽器采用表面式换热器,导致这一部分体积巨大,金属消耗量大,维护困难。
    3、混合循环发电系统
    海洋温差能混合循环系统示意图

    该系统基本与闭式循环相同,但用温海水闪蒸出来的低压蒸汽来加热低沸点工质。这样做的好处在于减少了蒸发器的体积,可节省材料,便于维护。
    从海洋温差发电设备的设置形式来看,大致分成陆上设备型和海上设备型两类。陆上型是把发电机设置在海岸,而把取水泵延伸到500~1000米或更深的深海处。例如1981年11月,日本在太平洋赤道地区的瑙鲁共和国修建的世界上第一座功率为100千瓦的岸式热能转换站,即采用一条外径为0.75米、长1250米的聚乙烯管深入580米的海底设置取水口。这种设置形式很有发展前途。海上型是把吸水泵从船上吊挂下去,发电机组安装在船上,电力通过海底电缆输送。海上设备型又可分成三类,即浮体式(包括表面浮体式、半潜式、潜水式)、着底式和海上移动式。例如,1979年在美国夏威夷建成的“mini OTEC”发电装置,即安装在一艘268吨的海军驳船上,利用一根直径0.6米、长670米的聚乙烯冷水管垂直伸向海底吸取冷水。

    发电过程/海洋温差能 编辑

    1.将海洋表层的温水抽到常温蒸发器,在蒸发器中加热氨水氟利昂等流动媒体,使之蒸发成高压气体媒体。
    2.将高压气体媒体送到透平机,使透平机转动并带动发电机发电,同时高压气体媒体变为低压气体媒体。
    3.将深水区的冷水抽到冷凝器中,使由透平机出来的低压气体媒体冷凝成液体媒体。
    4.将液体媒体送到压缩器加压后,再将其送到蒸发器中去,进行新的循环。

    优点/海洋温差能 编辑

    海洋占地球表面的70%。由于这个能量来自太阳,可以说取之不尽,用之

    海洋温差能设想中的温差发电装置
    不绝。②海水温度差只有20℃且属于低品位能量,最大转换效率只有4%左右。③属于自然能源,不会造成环境污染,与其他自然能源相比,可以不分昼夜,不受时间季节气候等条件的限制,能量供应稳定。④由于海水具有腐蚀性、生物污损性。因此设备应考虑使用耐腐蚀、少污染材料,同时要考虑耐生物污损的对策,由于深海抽上来的海水含有较多的营养成分,有利于提高海洋渔业产量。
    利用热带洋面海水和760米深处的冷海水之间温度差发电。海洋热能转换装置最大优点是可以不受潮汐变化和海浪影响而连续工作。另外,它不但不产生空气污染物或放射性废料,而且它的副产品是优质的淡化海水。热带海面的水温通常约在27℃,深海水温则保持在冰点以上几度。这样的温度梯度使得海洋热能转换装置的能量转换只达3%~4%。因此,海洋热能转换装置必须动用大量的水,方可弥补自身效率低的缺点。实际上20%~40%的电力用来把水通过进水管道抽入装置内部和热能转换装置四周。尽管OTEC装置仍存在不少工程技术和成本方面的问题,但它毕竟有很大潜力。未来学家认为,它是全世界从石油向未来无污染的氢燃料过渡的重要组成部分。有的科学家认为,OTEC对环境无害,并可能提供人类所需的全部能量。
    鉴于上述特点,美国、日本等海洋资源丰富的国家,目前正在积极研究及应用海洋温差发电系统。使之在资源短缺的今天,成为人类的有力选择[3]。

    分布/海洋温差能 编辑

    中国的南海海域辽阔,水深大于800米的海域约140~150万平方公里,位于北回归线以南,太阳辐射强烈,是典型的热带海洋,表层水温均在25°C以上。5000~800米以下的深层水温在5°C以下,表深层水温差在20~24°C,蕴藏着丰富的温差能资源。据初步计算,南海温差能资源理论蕴藏量约为1.19~1.33×10^19千焦耳,技术上可开发利用的能量(热效率取7%)约为(8.33~9.31)×10^17千焦耳,实际可供利用的资源潜力(工作时间取50%,利用资源10%)装机容量达13.21~14.76亿千瓦。我国台湾岛以东海域表层水温全年在24~28°C,500~800米以下的深层水温在5°C以下,全年水温差2O~24°C。据台湾电力专家估计,该区域温差能资源蕴藏量约
    2.16×10^14千焦耳。中国温差能资源蕴藏量大,在各类海洋能资源中占居首位,这些资源主要分布在南海和台湾以东海域,尤其是南海中部的西沙群岛海域和台湾以东海区,具有日照强烈,温差大且稳定,全年可开发利用,冷水层离岸距离小,近岸海底地形陡峻等优点,开发利用条件良好,可作为国家温差能资源的先期开发区[2]。

    参考文献/海洋温差能 编辑

    [1]、中国温差能源网
    [2]、中国太阳能网
    [3]、《前行的动力来自于哪里——能源的开发与利用》 作者:周万程 出版时间:2007年6月 光明日报出版社

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