海洋温差发电的研究现状与展望.pdf

第 3 l 卷第 2 期 2 0 1 1年 4月 东北电力大学学报 J o u r n a l Of N o r t h e a s t D i a nii U n i v e r s i t y Vo 1 3 1 No 2 Ap r ， 2 0 1 1 文章编号 ： 1 0 0 5 2 9 9 2 ( 2 0 1 1 ) 0 2 0 0 7 20 6 海洋温差发 电的研究现状与展望 封 光 ， 钟 爽2 ( 1 华能沁北电厂运行部， 河南 济源 4 5 4 6 6 2 ； 2 河南柴油机重工有限责任公司， 河南 洛阳4 7 1 0 0 3 ) 摘 要： 海洋是一个巨大的能源库， 世界各国都致力于海洋能的开发与利用， 其中海洋能的热电转 换备受关注。在阐述海洋温差发电( O T E C ) 的优势及 国内外发展现状的基础上， 重点对动力循环方式、 工质特性对循环的影响进行分析。由于低品位能的热电转换效率较低， 提高循环净效率迫在眉睫， 因此 论述了提高海洋温差发电动力循环净效率的措施 ， 并对海洋温差发电技术的发展前景进行了展望。 关键词： 海洋温差发电； 发展现状； 工质特性； 循环净效率 中图分类号： T K 0 1 文献标识码 ： A 能源是人类生存及经济发展所不可缺少的， 自从能源危机发生以来， 举世瞩目于能源问题。地球表 面积的7 0 是海洋， 而海洋是巨大的能源库。太阳注入地球表面的能量换算为电功率约为 1 0 1 3 k W， 其中约2 3用于加热海面表层海水， 其与深水的温差超过 2 0以上 2 J 。理论上， 热水温差在 1 6 6 即可用于发电， 实际应用中一般都在 2 0 以上， 南北纬度在 2 0度以内的热带海洋都适合温差发电。据 计算， 南纬 2 0 度到北纬2 O 度之间的海洋洋面， 要将其中一半用来发电， 水水温仅平均下降 1 o C， 能获得 6 0 0 亿 k W的电能， 相当于目前全世界所产生的全部电能。 1 海洋温差能发展优势 海洋温差能储量最大 ， 是国际社会公认的最具开发潜力的能源之一。根据美国S c r ip p s 海洋研究所 艾萨克博士( J D I s a a c s ) 的估计 ， 世界上可供开发的海洋温差能为4 ， 0 0 0 x 1 0 万千瓦， 且海洋温差能的 能源密度最高， 是海流能的 3 5 0 0 倍 ， 即使利用海流与波浪发电的效率高于温差 2 O 倍， 温差发电仍然占 极大的优势。海洋是世界上最大的太阳能采集器， 它吸收的太阳能达到 3 7万亿千瓦， 是目前人类电力 消耗总功率的大约4 0 0 0倍 J ， 仅可开发利用部分也已远远超出全球总能耗。全世界海洋温差能的理论 估计储量为 1 0 0 亿千瓦 5 】 ， 所以海洋温差能转换被国际社会普遍认为是最具开发利用价值和潜力的 海洋能资源。海洋温差能是清洁的可持续能源， 除发电外还可同时进行空调制冷、 水产品及作物养殖、 海洋化工、 海水淡化、 海洋采矿等附属开发_6 J ， 这将大大提高海洋能综合利用的经济效益。利用海洋温 差能不消耗燃料， 不排放污染物， 而且储藏丰富， 取之不竭， 同时还可得到许多副产品， 如淡水等。因此， 海洋温差能的开发利用将对缓解当前能源短缺、 淡水资源日渐匾乏、 生态环境恶化的现状起着十分积极 的作用 。 2 海洋温差发电发展历程 温差发电的构想早在 1 8 8 0年法国人达松发( 1 8 5 1 1 9 4 0 ) 就已提出 ， 到了 1 9 2 9年他的学生克劳 收稿 日期 ： 20 1 10 20 6 作者简介： 封光( 1 9 8 2 一) ， 男， 河南省济源市华能沁北电厂运行部助理电力工程师， 主要研究方向： 新能源技术 第2期 封光等： 海洋温差发电的研究现状与展望 7 3 德( G C l a u d e ) 在古巴海岸建了一座 2 2 千瓦的海水温差发电试验工厂 】 。克劳德试验工厂的动力系统 用开放式循环( o p e n c y c l e ) ( 值得一提的是， 该循环的一个主要优点是可以从中得到淡水) 。克劳德的 海洋温差发电厂最终以失败告终， 但却从实验上证明了海洋温差发电的可行性。为了避免出现克劳德 建造的海洋温差发电站遇到的问题， 1 9 6 5年美国安德逊父子提出一种以丙烷为工质的发电方法 J 。 1 9 7 9年美国最早开发了海洋温差发电( O c e a n t h e r m a l e n e r g y c o n v e r s i o n 简称 O T E C ) 系统， 当时容量 只有5 0 k W。1 9 8 1 年计划开发4 0 M W 的大型设备， 并将其 1 M W 中间机组投入试验。美国5 0 k W M I N I O T E C号海水温差发电船， 由驳船改装 ， 该发电机发出5 0 k W 的电力， 大部分用于水泵抽水， 净出力为 l 2 1 5 k W D o 。这是海洋热能利用历史性的发展 。由于 O T E C系统温差较小， 朗肯循环净效率仅 3 一5 。 日本通产省工业技术院“ 阳光计划” 中， 由低温差发电委员会对发电功率 l 0万千瓦级的海上浮体 式发电站作了计划， 该发电站朗肯循环效率为3 4 4 ， 净效率为2 0 4 。秘鲁海水温差发电站是 日 本“ 阳光计划” 的一部分 ， 它采用的工质不是氨， 而是氟利昂H C F C 2 2 。2 0 世纪8 0 年代以来， 日 本开发了 5 0 k W、 7 5 k W、 1 0 0 k W 等容量不同的发电设备， 1 9 9 6年还验证了采用 N H 水的混合工质循环试验设 备， 以及设置在海洋水面上的发电设备。该电站建在岸上， 最大发电量为 1 2 0 k W， 获得 3 1 5 k W 的净 出力 引。 印度政府将海洋温差能作为未来的重要能源之一进行开发， 1 9 9 7年印度国家海洋技术研究所与日 本佐贺大学签订协议 ， 共同进行印度洋海洋温差能的开发 ， 合作开发 1 M W 的发电设备， 进行仿真机验 证和评价后开发 2 5 5 0 M w 的大型商业化设备 J ， 并准备在印度国内投资建立商业化 O T E C系统。 1 9 9 9 年， 在印度东南部海上， 世界第一套 1 M W海洋温差发电实验装置运转成功。 1 9 8 9 年， 台湾向太平洋国际技术研究中心( P I C H T R ) 提出在台湾实施 O T E C商业化战略计划， 准备 在台湾岛东部沿海建一座5 M W的小规模 O T E C试验性发电厂。台湾红柴海水温差发电厂计划利用马 鞍山核电站排出的3 6 3 8的废热水与 3 0 0 I ll 深处的冷海水( 约 l2 o c ) 的温差发电。铺设的冷水管内 径为3 Ill 、 长约3 2 0 0 m， 延伸到台湾海峡约3 0 0 m深的海沟。预计电厂发电量为 1 4 2 5 M W， 扣除泵等动 力消耗后可得净发电量约8 7 4 M w。 3 海洋温差发电技术 3 1 动力系统循环方式 根据所用工质及流程的不同， 海洋温差发电的主要方式有三种， 即闭式循环系统、 开式循环系统及 混合式循环， 目前接近实用的是闭式循环方式。 汽轮机 图1 开式海洋温差发电系统图 汽轮机 图2 闭式海洋温差发电系统图 ( 1 ) 开式循环发电系统 开式循环系统如图 1 所示。该系统的特点是以温海水为工作介质， 工作时由真空泵将系统抽到一 7 4 东北 电力大学学报 第 3 1卷 定真空度， 低压下被抽人的温海水在蒸发器内迅速沸腾蒸发， 转变为蒸汽， 蒸汽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来的冷海水所 冷却， 重新凝结为水， 并排人海中或作为淡水收集。 ( 2 ) 闭式循环发电系统 闭式循环系统见图2 ， 系统工作时， 通过蒸发器内的换热器， 把所抽人的表层温海水的热量传递给 低沸点的工质， 工质从温海水吸收热量后开始沸腾并转变为工质气体， 膨胀做功， 推动汽轮机旋转， 带动 发电机发电。工质气体通过汽轮机后进人冷凝器， 被冷水泵抽上的深层冷海水冷却后重新变为液态， 用 循环泵把液态工质重新压进蒸发器 ， 以供循环使用。 温海 图3 混合式海洋温差发电系统图 海水 图 4 洛伦兹循环的 TS图 S ( 3 ) 混合式循环发电系统 图3是混合式海洋温差发电系统图， 该系统综合了开式和闭式循环系统的优点， 它以闭式循环发 电， 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小了蒸发器的体积， 节省 材料， 便于维护并可收集淡水 引。 3 2 循环工质特性 对于温度低的热源， 以水作为工质效率较低 ， 此时应该采用其他沸点相对较低的工质， 如一些氟 利昂、 氨等作为工质。对这些工质特性的研究对改善 O T E C系统的综合性能有着重要的作用n 6 1H 】 。 氨( N H ， ) 是一种传统工质， 其优点是具有优良的热力 性能和高的传热系数， 并且运行和管理经验非常成 熟， 成本低廉， O D P= 0 、 G WP= O 、 价格低廉、 能效高、 传热性能好、 易检漏、 吸水性大、 管径小。氨的刺激性 气味使人们极易感知其存在， 具有警示作用， 因此只 要正确使用， 氨对人不会产生伤害。1 0 0多年使用的 历史表明， N H 的安全性记录是好的， 其在空气中可 燃浓度为 1 5 一 2 8 ( 体积) ， 引燃温度为6 5 9， 且 需要较高的能量， 因此氨实际上并不易燃 引 。 蒙特利尔议定书 和 京都协定书 对这方面内 表 1 工质 的 ODP和 GWP值 容进行了详细的规定。评价工质的环保性质主要有两个指标： 分别是臭氧层衰减指数( O D P ) 和温室效应 指数( G WP ) 。一些工质的O D P和G W P值如表 1 L 1 所示。从热力性能的角度， 氨和R 2 2 被证明是理想的 工质u 引 。但从环保的角度， 还需寻求新的可替代工质。 对于发展中国家( 包括中国) ， 议定书 最新规定： C F C物质 2 0 1 0年全部停止使用； H C F C物质 2 0 1 6年开始受限， 2 0 4 0年全部停止使用 引。低焓差的朗肯循环对工质特性有许多要求， 完全满足这些 要求是不容易的， 研制新工质也非轻而易举， 目前都是从现有的工质中选择确定。 陈建新 等提出的 R 1 2 5 R 6 0 0 A( 1 ： 1 ) 混合工质相对 R 2 2具有以下特征： 相当的压缩比； 相当的 C O P值； 较低的排气温度； 较大的单位质量制冷量； 单位容积制冷量较低， 但比R 6 0 0 A的单位容积制冷 第2期 封光等： 海洋温差发电的研究现状与展望 7 5 量大很多。R 1 2 5 R 6 0 0 A ( 1 ： 1 ) 的 O D P为0 ， 无臭氧破坏作用， G WP比R 2 2和 R 1 2 5都低； R 1 2 5为不可 燃组元 ， R 6 0 0 A为可燃组元 ， R 1 2 5 R 6 0 0 A( 1 ： 1 ) 的燃烧极限为 2 8 一1 0 ， 其燃烧下 限比 R 6 0 0 A增加 5 6 ， 大大抑制 了 R 6 0 0 A的可燃性 。 吴君华 提出用液化石油气( L P G ) 作为 R 2 2 替代制冷工质是可行的。L P G在常温常压下是一种 无毒、 无色的气体 ， 主要成分是丙烷和丁烷， 来源于油井气、 石油加工的副产品。L P G来源充足， 价格比 合成制冷剂和纯的 H C都要便宜很多； L P G具有较小的 G WP值， 且 O D P 值为零； 与大多数金属相容性 好 ， 无腐蚀性； 与制冷系统润滑油完全兼容。热力性能非常好 ， 气化潜热大、 动力粘滞系数小、 导热系数 大 。 3 3海洋温差发电关键技术的发展 迄今为止， 海洋温差发电技术在热动力循环方式、 高效紧凑型热交换器、 工质选择以及海洋