2.4　海水溫差能

2.4.1　海水溫差能的概念

海水溫差能是指涵養(yǎng)表層海水和深層海水之間水溫差的熱能，是海洋能的一種重要形式。海洋的表面把太陽(yáng)的輻射能大部分轉(zhuǎn)化為熱水并儲(chǔ)存在海洋的上層。另一方面，接近冰點(diǎn)的海水大面積地在不到1000m的深度從極地緩慢地流向赤道。這樣，就在許多熱帶或亞熱帶海域終年形成20℃以上的垂直海水溫差。利用這一溫差可以實(shí)現(xiàn)熱力循環(huán)并發(fā)電。

2.4.2　海水溫差能的兩種系統(tǒng)

溫差發(fā)電的基本原理就是借助一種工作介質(zhì)，使表層海水中的熱能向深層冷水中轉(zhuǎn)移，從而做功發(fā)電。海洋溫差能發(fā)電主要采用開(kāi)式和閉式兩種循環(huán)系統(tǒng)。

（1）開(kāi)式循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)。開(kāi)式循環(huán)系統(tǒng)主要包括真空泵、溫水泵、冷水泵、閃蒸器、冷凝器、透平發(fā)電機(jī)等組成部分。真空泵先將系統(tǒng)內(nèi)抽到一定程度的真空，接著啟動(dòng)溫水泵把表層的溫水抽入閃蒸器，由于系統(tǒng)內(nèi)已保持有一定的真空度，所以溫海水就在閃蒸器內(nèi)沸騰蒸發(fā)，變?yōu)檎羝?。蒸汽?jīng)管道由噴嘴噴出推動(dòng)透平運(yùn)轉(zhuǎn)，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。從透平排除的低壓蒸汽進(jìn)入冷凝器，被由冷水泵從深層海水中抽上來(lái)的冷海水所冷卻，重新凝結(jié)為水，并排入海中。在此系統(tǒng)中，作為工作介質(zhì)的海水，由泵吸入閃蒸器蒸發(fā)，推動(dòng)透平做功，然后經(jīng)冷凝器冷凝后直接排入海中，故稱此工作方式的系統(tǒng)為開(kāi)式循環(huán)系統(tǒng)。

圖7－15　海流示意

圖7－16　海水溫差能

（2）閉式循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)。來(lái)自表層的溫海水現(xiàn)在熱交換器內(nèi)將熱量傳遞給低沸點(diǎn)工作介質(zhì)——丙烷、氨等，使之蒸發(fā)，產(chǎn)生的蒸汽再推動(dòng)汽輪機(jī)做功。深層冷海水仍作為冷凝器的冷卻介質(zhì)。這種系統(tǒng)因不需要真空泵是目前海水溫差發(fā)電中常采用的循環(huán)。

2.4.3　海水溫差能的來(lái)歷和發(fā)現(xiàn)

首次提出利用海水溫差發(fā)電設(shè)想的是法國(guó)物理學(xué)家阿松瓦爾。1926年，阿松瓦爾的學(xué)生克勞德試驗(yàn)成功海水溫差發(fā)電。1930年，克勞德在古巴海濱建造了世界上第一座海水溫差發(fā)電站，獲得了10kW的功率。1979年，美國(guó)在夏威夷的一艘海軍駁船上安裝了一座海水溫差發(fā)電試驗(yàn)臺(tái)，發(fā)電功率53.6kW。1981年，日本在南太平洋的瑙魯島建成了一座100kW的海水溫差發(fā)電裝置，1990年又在鹿兒島建起了一座兆瓦級(jí)的同類電站。

溫差能利用的最大困難是溫差大小，能量密度低，其效率僅有3%左右，而且換熱面積大，建設(shè)費(fèi)用高，目前各國(guó)仍在積極探索中。由于海洋熱能資源豐富的海區(qū)都很遙遠(yuǎn)，而且根據(jù)熱動(dòng)力學(xué)定律，海洋熱能提取技術(shù)的效率很低，因此可資利用的能源量是非常小的。但是即使這樣，海洋熱能的潛力仍相當(dāng)可觀。在自然界中的溫差變化是一種豐富的綠色能源，隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，這種新型能源正在被人們認(rèn)識(shí)和利用。

2.4.4　海水溫差實(shí)驗(yàn)

人類對(duì)自然溫差能源的探索歷程是長(zhǎng)期而不斷努力的過(guò)程。1933年，在法國(guó)的一個(gè)實(shí)驗(yàn)室里，科學(xué)家在室溫下利用30℃溫差推動(dòng)小型發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)電，點(diǎn)亮了幾個(gè)小燈泡，首次證實(shí)自然溫差作為能源的可能性。20世紀(jì)60年代，美國(guó)阿拉斯加輸油管路利用寒冷的氣候條件加強(qiáng)散熱，防止基土融化下沉，從而保證了管路系統(tǒng)的安全運(yùn)行。受此啟發(fā)，研究人員開(kāi)始對(duì)自然溫差能源進(jìn)行實(shí)用化研究。1986年，經(jīng)過(guò)約10年的試驗(yàn)研究，日本建成了世界上第一座以自然冷能制冷的冷藏庫(kù)。

2.4.5　海水溫差能實(shí)際應(yīng)用

在實(shí)際應(yīng)用中，高效、廉價(jià)的蓄能是利用自然溫差能源的關(guān)鍵。目前，人類已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了多種多樣的有效蓄能體。其主要可分為兩大類：一類是丙酸醇等有機(jī)材料；另一類是無(wú)機(jī)材料，如復(fù)合鹽水、硫酸鈣等物質(zhì)。這些物質(zhì)可以把吸收來(lái)的自然溫差能儲(chǔ)存起來(lái)，在需要的時(shí)候釋放。美國(guó)和德國(guó)利用這些蓄能材料，已經(jīng)建成了節(jié)能型建筑并投入使用。

海水表面和深層溫度可以相差20℃以上，這種差異同樣蘊(yùn)藏著巨大的能量。據(jù)估算，總蘊(yùn)量可以達(dá)到20億kW。目前，科學(xué)家正在積極著手進(jìn)行溫差能的開(kāi)發(fā)利用，海洋溫差發(fā)電已經(jīng)進(jìn)入實(shí)驗(yàn)階段。美國(guó)和法國(guó)相繼建造了小型實(shí)驗(yàn)電站。1990年，日本在鹿兒島建造的溫差發(fā)電站現(xiàn)已進(jìn)行正常供電。此外，用海水溫差發(fā)電還具有使海水淡化的功能。一座10萬(wàn)kW的溫差發(fā)電站，每天可產(chǎn)淡水378m³。通過(guò)海洋溫差發(fā)電還可以抽取深層海水中豐富的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，增進(jìn)近海捕魚(yú)量。把溫度的差異作為海洋能源的想法倒是很奇妙。這就是海洋溫差能，又叫海洋熱能。由于海水是一種熱容量很大的物質(zhì)，海洋的體積又如此之大，所以海水容納的熱量是巨大的。這些熱能主要來(lái)自太陽(yáng)輻射，另外還有地球內(nèi)部向海水放出的熱量；海水中放射性物質(zhì)的放熱；海流摩擦產(chǎn)生的熱，以及其他天體的輻射能，但99.99%來(lái)自太陽(yáng)輻射。因此，海水熱能隨著海域位置的不同而差別較大。海洋熱能是電能的來(lái)源之一，可轉(zhuǎn)換為電能的為20億kW。但1881年法國(guó)科學(xué)家德?tīng)査墒状未竽懱岢龊Ｋl(fā)電的設(shè)想竟被埋沒(méi)了近半個(gè)世紀(jì)，直到1926年，他的學(xué)生克勞德才實(shí)現(xiàn)了老師的夙愿。