海洋热能发电技术：利用海洋温差的能源发电方式

海洋热能发电（Ocean Thermal Energy Conversion，OTEC，又称海洋热能转换）系统是一种利用海洋浅层温水和深层冷水之间温差的能源发电技术。OTEC利用海洋表层温水储存的热量推动蒸汽驱动的涡轮机旋转。与此同时，较冷的深水被抽到海面，然后再用来冷凝驱动涡轮机的蒸汽^[1]。因此，能量来自海水层中的天然温度梯度。这种梯度是一种可自我补给的（Self-replenishable）能量来源^[2]。

水的密度是温度和含盐度的函数。纯净水的密度在39.2℉（4℃）时达到最大值。超过这个温度，水温越高，水的质量越轻。由于太阳能被采集并储存在海洋表层，因此海洋深层冷水和表层温水温差可以达到20℃。

海洋深层冷水和表层温水的温差至少要超过20℃（68℉），才能有效地维持OTEC系统的运行，产生较多的电能。很显然，要获取更高的功率，就需要较高的温度差。OTEC对周围环境影响不大。OTEC能源系统的另一个吸引人的特点是，其最终产品和包括淡化水在内的若干其他副产品都含有电力形式的能量。

OTEC系统类似于一个热力机，它在海洋的冷热水位之间运行。OTEC系统使用在一个回路中循环的流体，并在换热器的辅助下，热水的热量被工质（工作流体）所吸收。流体在吸热后膨胀，并驱动与发电机机械耦合的涡轮机。涡轮旋转后，工质需要被冷凝以继续循环。

图5.1为一个闭式循环OTEC系统原理图^[2]，其中包括OTEC使用的蒸发器、冷凝器、涡轮机、发电机以及其他部件。

图5.1　OTEC系统示意图

OTEC系统的缺点是机器的热端和冷端之间的温度差较低，这样一来，海水的使用量就非常大^[3]。因此，换热器、蒸发器和冷凝器的尺寸就会变大，成本也随之增加了。某些OTEC发电站的每千瓦装机成本确实很高。风力机的成本大约是OTEC系统的1/20^[2]。不过，随着技术的发展，预计OTEC系统的成本将会有所降低。

OTEC系统的另一个缺点是效率低，例如，抽取工质和海水的辅助设备所需的功率接近于OTEC系统产生的功率^[4]。只有超过“盈亏平衡点”，才可以获得净产出。净功率等于系统产生的功率减去系统运行所需的功率。从深海抽取冷水所需的辅助功率降低了OTEC系统的净功率输出。(www.xing528.com)

其他寄生功率需求还有温水、工质抽取、励磁系统以及OTEC控制系统所需的功率。由于OTEC系统要使用既长又大的海水管道、泵、海上应用的浮动平台、特殊设计的冷凝器和蒸发器，所以它的成本也很高。此外，海洋发电站还面临着生物淤泥、腐蚀和暴风雨等其他难题^[5]。不过，来自海洋的能源既不需要使用燃料，也没有废气排放，而且对环境的影响也较小。

海洋覆盖了70%的地球表面，因此它成为了世界上最大的太阳能采集器。海洋每天都吸收了巨大的太阳能，因此OTEC是一种巨大的可再生资源，具有产生数十亿瓦电力的潜能。不过，这种能源的提取是非常昂贵的，而且它的实际效率只有2%左右^[6]。OTEC的理论最大效率约为7%^[6]。

典型的海上和近岸OTEC应用系统实例如图5.2和图5.3所示。

图5.2 海上OTEC应用系统

图5.3 近岸OTEC应用系统

通常情况下，海上应用系统中的冷水入水口大约是在海洋的600～1000m深处。放置在海面上浮仓的温水入水口大约在30m深处。浮仓应在海底固定，它需要使用海底电缆从海上向陆地输电。该系统也可以供灯塔或浮标使用。对于近岸应用系统来说，冷水入口需要一个真空容器。与海上应用系统相比，近岸系统从海面到冷水入口距离较远，因此冷水进水管相对较长，这是因为近岸海底要高得多。不过，近岸系统更容易利用淡化海水，淡化海水是近岸OTEC系统的副产品。