海洋温差发电技术

海洋温差发电技术 杨鹏程 ,章学来 ,王文国 ,施敏敏 (上海海事大学 蓄冷技术研究所 ,上海 　200135) 摘　要 :海洋是世界上最大的太阳能采集器 ,海洋温差能转换被国际社会公认为最具开发利用价值和潜力的 海洋能源。文章介绍了一种新型的混合式海洋温差发电系统 ,可充分利用我国的海洋资源 ,具有效率高、寿命 长、无污染、清洁高效等特点 ,应用前景广阔。 关键词 :海洋能 ;混合式 ;海洋温差发电系统 中图分类号 : P743 　　文献标识码 :B 进设计理念、优化细节设计、扩大规模经济 , 总结 初级经济法重点总结下载党员个人总结TXt高中句型全总结.doc高中句型全总结.doc理论力学知识点总结pdf 过去在建设安装运行以及维护方面的经验和教训 等等。 此外 ,海洋再生能源的开发也受到其他诸多 因素的影响 ,其中包括国家战略安全考虑、对海洋 能技术的投资力度、技术风险、环境保护及监管问 题等。 摘译《Power》A new wave : ocean power. Vol. 152. No. 5. May 2008. 徐慧超 　译 ,杜建军 　校 收稿日期 :2009202206 译者简介 :徐慧超 (19872) ,女 ,上海人 ,上海外国语大学在 读。 (责任编辑 :杜建军) 1 　引言 海洋是世界上最大的太阳能采集器 ,它吸收 的太阳能达到 37 万亿 kW ,大约是目前人类电力 消耗总功率的 4 000 倍[1 ] ,仅可开发利用部分也 已远远超出全球总能耗。潮汐能、波浪能和海洋 温差发电是目前海洋能开发利用的主要形式 ,其 中温差能储量最大。如何抽取及转换其中的部分 能源成为电力 ,海洋温差发电是人类梦寐以求的 选择 ,全世界海洋温差能的理论估计储量为 100 亿 kW。据计算 ,从南纬 20 ℃到北纬 20 ℃之间 的海洋洋面 ,只要将其中一半用来发电 ,海水水温 平均下降 1 ℃,就能获得 600 亿 kW 的电能 ,相当 于目前全世界所产生的全部电能[2 ] 。因此 ,海洋 温差能转换被国际社会公认为最具开发利用价值 和潜力的海洋能源。 利用海洋温差发电的概念于 1881 年提出 ,直 到 1979 年在美国夏威夷建成世界上第一座海洋 温差发电站后 ,各国才开始重视这一新方法。我 国拥有辽阔的海域 ,温差能按海水垂直温差大于 18 ℃的区域估计 ,可开发的面积约 3 000 km2 ,可 利用的热能资源量达 1. 5 亿 kW ,主要分布在南 海中部海域。我国的海洋温差发电事业具有巨大 的潜力和广阔的应用前景。 2 　海洋温差发电技术 海洋温差发电系利用海水的浅层与深层的温 差及其温、冷不同热源 ,经过热交换器及涡轮机来 发电。现有海洋温差发电系统中 ,热能的来源即 是海洋 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 面的温海水 ,发电的方法基本上有两种 : 一种是利用温海水 ,将封闭的循环系统中的低沸 点工作流体蒸发 ;另一种则是温海水本身在真空 室内沸腾。两种方法均产生蒸气 ,由蒸气再去推 动涡轮机 ,即可发电。发电后的蒸气 ,可用温度很 低的冷海水冷却 ,将之变回流体 ,构成一个循环。 冷海水一般要从海平面以下 600～1 000 m 的深 部抽取。一般温海水与冷海水的温差在 20 ℃以 上 ,即可产生净电力[3 ] 。 从深海抽取的冷海水 ,不但温度低 (一般为 4、5 ℃) ,无菌且富有养分 ,有多种用途 ,如产制淡 水、冷冻、空调、养殖、制药等 ,可提高海洋温差发 电以外的经济价值 ,这方面的应用称为深海水利 用 (DOWA) 。 3 　海洋温差发电系统分[ 2] 3. 1 　封闭式系统 —83— 可再生能源发电 上海电力 2009 年第 1 期 封闭式循环系统系利用低沸点的工作流体作 为工质。其主要组件包括蒸发器、冷凝器、涡轮 机、工作流体泵以及温海水泵与冷海水泵 (见图 1) 。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。工作流体可 以反覆循环使用 ,其种类有氨、丁烷、氟氯烷等密 度大、蒸气压力高的气体冷冻剂。目前以氨及氟 氯烷 22 为最有可能的工作流体。封闭式循环系 统之能源转换效率在 3. 3 %～3. 5 %。若扣除泵 的能源消耗 ,则净效率在 2. 1 %～2. 3 %。 图 1 　封闭式海洋温差发电系统 3 . 2 　开放式系统 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 (见图 2) 。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 3 kPa (25 ℃) ,相当于 0. 03 大气压力而 已。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。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。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。 3 . 3 　混合式系统 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 海水系先经过一个闪蒸蒸发器 (flash evaporator , 一种使流体急速压缩 ,然后急速解压而产生沸腾 图 2 　开放式海洋温差发电系统 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 (一种蒸发器与 冷凝器的组合设备) (见图 3) 。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。该系统在第二个蒸 发器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。 图 3 　混合式海洋温差发电系统 目前 ,世界上发展海洋温差技术的国家不多 , 日本、法国、比利时等国已经建成了一些海洋温差 能发电站 ,功率从 100 kW 至 5 MW 不等。日本 在海洋温差能研究开发方面投资力度很大 ,并在 海洋热能发电系统和换热器技术方面领先于美 国 ,迄今共建造了 3 座海洋温差试验电站 ,均为岸 基式。预计到 2010 年全球将有 1 030 座海洋温 差能发电站问世[2 ,4 ] 。 4 　混合式海洋温差发电系统 混合式海洋温差发电系统主要由动力系统、 海水管路系统与厂房基础结构系统构成。动力系 统分为蒸发器、太阳能集热器、冷凝器、工作流体、 涡轮发电机与泵 6 个部分 ;海水管路系统由取水 用的温水管、冷水管以及排水用的排水管 3 个组 件组成 ;厂房基地分为 :陆上型、海上型。该系统 如图 4 所示。 4 . 1 　动力系统构造 —93— 2009 年第 1 期 上海电力 可再生能源发电 动力系统是 O TEC 发电系统的核心 ,其结构 如图 5 所示。系统内采用低沸点的工作流体进行 循环 ,从性能角度 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 ,氨和 R22 较为理想 ,但从 环保角度考虑 ,新的工质仍在寻找中。热交换器 是海洋温差发电系统的关键设备 ,其性能的关键 是它的型式和材料 ,它对装置的效率、结构和经济 性有直接的重要影响。钛的传热及防腐性能良 好 ,但是价格过于昂贵 ,美国阿贡国家实验室的研 究人员发现 ,在腐蚀性暖海水环境下 ,改进后的钎 焊铝换热器寿命可达 30 年以上。 另外 ,热交换器表面容易附着生物使表面换 热系数降低 ,对整个系统的经济性影响极大 ,需要 控制生物体的附着 ,可通过间断加氯的方法实现。 图 4 　混合式海洋温差发电系统 图 5 　动力系统结构图 4 . 2 　海水管路系统 海水管路系统是海洋温差发电站很重要的部 分 ,其中尤以冷水管最为重要 ,可以说是海洋温差 的技术关键所在。海水管路系统由 3 个组件组 成 ,分别为取水用的温水管、冷水管以及排水用的 排水管。选择海水管路时需考虑海水管的材质、 大小、敷设与监测等。冷水管材质要求高强度、防 腐蚀、低生物附着及极佳的绝热能力。可选的材 料有钢管、玻璃纤维管、塑胶管、高密度聚乙烯管 及水泥管等。 冷水管的监测主要是确定它的水下位置及管 壁的应力等 ,同时在其进水口的位置亦可量测海 水的温度与压力 ,以求热能的损耗。 温水管提取表层海水 ,长度较短 ,敷设问题较 少。排水管的敷设则需考虑不能与表层的温海水 混合 (因为排水温度低于海面水温) ,而且不能危 害到海中的生态。一般它都敷设于数百米深的地 方。 冷水管的敷设是最棘手的工作。因为它管径 大 (5 MW 的电厂约需直径 2. 5 m 的水管) 、长度 长 (海上型约需 1 000 km , 陆上型需数千米) ,在 制造、强度、敷设及维护上都需要仔细设计。技术 与经验是冷水管系统能够成功的两个要件。冷水 管基本上可以分成 3 段 :近岸段 (水深至 15 m) 将 管子埋在明沟之内 ,以防波浪与海流的作用 :中段 (水深至 100 m) 用岩栓将管子系在海床上 ,系留 间隔 3～6 m ;前段则只在该段的两个端点系栓在 海床上而已 ,其余让它悬浮 ,呈倒链状。此种敷设 法的最大优点是节省敷设时间 ,并可避开不规则 的海床地形。 4 . 3 　厂房基础结构系统 陆上型厂房所需的取水管长度较长 ,管子敷 设的困难度较大 ,而且受海底地形的影响也较大。 海上型厂房则受上述的限制较小 ,但甲板或浮台 的稳定就很重要。 4 . 4 　太阳池 太阳池是一种人造的盐水池 ,它是利用具有 一定盐浓度梯度的池水作为集热器和蓄热器的一 种太阳能热利用系统。池底涂黑 ,池中充满一定 浓度梯度的氯化钠和氯化镁溶液。池子表面为清 水 ,底层是较浓或饱和的盐水溶液。由于浓度梯 度而阻止了流体的自然对流使池水稳定。池底热 能只能以传导的方式向外传递。当太阳辐射到池 —04— 可再生能源发电 上海电力 2009 年第 1 期 中后 ,池底温度升高 ,池面温度较低可以看作保温 层。太阳池结构如图 6 所示 ,太阳池飘浮在海面 上 ,温海水由泵引入池中 ,由底部的贮热层加热后 送入到太阳能集热器中再次加热。 图 6 　太阳池结构图 4 . 5 　深海水的多用途利用 海水的温差除可利用热能转换的原理发出电 力外 ,冷海水还有其他很多用途。因为冷海水的 营养分比表层海水丰富 ,而且无菌 ,例如台湾东海 岸深层海水的溶解盐类大约是表层的 15 倍以上。 此种高浓度的营养盐类有助于海水养殖、制药或 生物科技的发展。发电过程中所产出的淡水也是 一种很重要的副产品。冷海水的冷度可用于空 调、冷藏或农业生产上。还有人提议将发出来的 电 ,就在当场生产氨、氢、甲醇等 ,或用于提炼海水 中的铀、锰核或铝等。海洋温差电站甚至还有教 育、观光及游憩方面的价值。 因此 ,海水养殖、淡水生产及冷冻空调方面的 经济效益 ,将会降低海洋温差发电的成本 ,故在做 经济分析时不宜忽略深海水的多用途利用价值。 5 　理论分析 设计的混合式海洋温差发电系统与常规混合 式系统的不同在于 ,传统混合式系统中温海水经 温水泵后直接进入脱气器、闪蒸器 ,而混合式海洋 温差发电系统进入脱气器、闪蒸器前经过太阳池 加热 ,使得温海水的温度先升高 ,从而使闪蒸后得 到的潜能提高。 另外 ,该系统的动力系统与常规动力系统相 比 ,增加了一个太阳能集热器 ,以便进一步加热流 体工质 ,提高其蒸汽压力 ,使得在涡轮处做功增 加 ,系统效率增大。海洋温差发电系统循环 T —s 图见图 7。 图 7 中 1、2 为传统系统的工作状态点 ,1’、2’ 为新型系统的工作状态点。由图 7 可知 ,1 点的 温度与 1’点相比要低 ,2 点温度 (即冷海水温度) 大概为 5 ℃,温海水经太阳池和太阳能集热器加 图 7 　海洋温差发电 系统循环 T - s 图 热后 , 1’点温度大概为 75 ℃。由此可知 :系统效率 = 1 —( 273 + 5 ) / ( 273 + 75) = 20 %去除损耗 ,实际 效率可达 12 %左右 ,与传 统系统效率的 3 %相比 ,新 型系统的效率得到了很大 提高。由此可见 ,新型系统与传统系统在相同条 件下具有更大效益。 6 　结语 海洋资源是一种取之不竭的自然资源 ,我国海 洋能资源丰富 ,尤其在南海海域拥有大面积的可利 用海域 ,如果能利用其中的海洋温差能发电将有效 缓解我国的能源压力 ,降低对传统能源的消耗 ,特 别是对石油的依赖。传统的海洋温差发电由于冷 热温度相差不大 ,其效率仅为 3 %左右 ,若能提高 其效率 ,我国的能源问题将得到很大缓解。 由于 O TEC 电站离陆地较近 ,除了可考虑直 接向陆地上的变电站输送电能外 ,还可利用这些 电能从水中分解出高效的氢燃料 ,或从浓缩海水 中提取铀、重水和一些稀有金属 ,送往陆地供核电 站使用 ,同时它不会产生污染物和温室气体。同 时 ,冷海水的营养丰富 ,而且无菌 ,此种高浓度的 营养盐类有助于海水养殖、制药或生物科技的发 展。而且发电过程中所产出的淡水也是一种很重 要的副产品 ,冷海水的冷度还可用于空调、冷藏或 农业生产上 ,海洋温差电站甚至还有教育、观光及 游憩方面的价值。因此 ,海洋温差发电有百利而 无害 ,可谓应用前景广阔。 参考文献 : [ 1 ] 　李伟 ,赵镇南 ,王迅 ,刘奕晴. 海洋温差能发电技术的现状 与前景[J ] . 海洋工程 , 2004 , (2) . [ 2 ] 　王春华. 海洋温差发电技术[J ] . 能源工程 , 2005 , (3) . [ 3 ] 　王　祺 ,汪 　东 ,陈建秋. 海洋温差能发电的一种新设想 [J ] . 节能与环保 , 2003 , (5) . [ 4 ] 　唐黎标. 日本海洋能发电[J ] . 太阳能 , 2005 , (3) . [ 5 ] 　唐黎标. 日本利用海洋温差发电[J ] . 节能 , 2005 ,24 (1) . [ 6 ] 　王　迅 ,谷 　琳 ,李 　赫. 海水温差能发电系统两种循环方 式的比较研究[J ] . 海洋技术 ,2006 , (2) 收稿日期 :2008212216 作者简介 :杨鹏程 (19842) ,男 ,广西桂林人 ,硕士研究生 , 从事制冷及低温研究工作。 (责任编辑 :杜建军) —14— 2009 年第 1 期 上海电力 可再生能源发电