海洋温差能的研究成果

在海水中，以表、深层的温、冷海水的温度差形式所储存的热能称作温差能，它是海洋热能中最大的部分。使海水温度增高的原因很多，包括地球内部的地热、海水中放射物质的发热、太阳以外的天体的辐射热以及太阳辐射热等。这些热辐射只需1分钟左右就把1cm厚的海水升温1℃。因此，太阳辐射热是海水温度增高的主要原因，据估算，每秒钟到达海面的太阳辐射热能量为5.51×1013kW，这等于2×107t优质煤燃烧时放出的全部热量，也相当于21世纪初时世界能量消耗总量的1 000倍。如果人们利用横跨赤道南北纬20°以内海域的海洋表层海水的温度降低1℃的温差能，就能得到6×1010kW的电力。

应用热力学原理，以表、深层的温、冷海水为热源、冷源，将温差能转换成电能的方式称为温差发电。海水温差发电又称海洋热能转换技术。在热带海域设置电站，利用海水温差发电较为方便。

1.克劳德实验装置

法国科学家克劳德于1926年11月15日和鲍切特合作，在实验室内做了一个海水温差发电的模拟实验，并获得成功。

克劳德试验的装置如图2-25所示：左、右各一只容积各为25L的烧杯，左边的一只装着小冰块，右边的一只装着28℃的海水，用管道将两只烧杯连成一个密闭的系统，外接一台真空泵。系统内装有喷嘴、汽轮机、发电机。发电机的引出线上接了3只小灯泡。试验开始首先启动真空泵，给系统抽真空，使系统内的压力逐步降低。当系统内的压力降到只有0.38Pa时，右面烧杯内的温水开始沸腾，大量蒸汽产生。蒸汽从喷嘴高速喷出，冲动汽轮机旋转，汽轮机带动发电机旋转发电，小灯泡亮。汽轮机排出的废气，进入左面的烧杯，遇冷凝结，重新变为水，这样就使汽轮机的两侧始终保持一定的压差，蒸汽就能不断地从喷嘴喷出冲动汽轮机旋转，发电得以连续进行。从这里可以看出，热功转换时，必须同时具有“热源”，和“冷源”才行。克劳德的这个试验装置持续运转了8min，直到右边烧杯内的水温降到18℃时停止。发电机的转速是5 000r/min。

图2-25　克劳德实验装置示意图

2.开式循环系统

克劳德在完成了实验室的实验以后，即着手实施开式循环海水温差电站的建设。开式循环海水温差电站的工作原理和前述的实验装置相同。冷海水是作强迫循环用的。其原理如图2-26所示。此工作方式为开式循环发电，也称为克劳德循环发电。

图2-26　开式循环海水温差发电原理

3.闭式循环系统(www.xing528.com)

该系统是美国安德森父子于1964年提出的。其建议主要有两点：一点把整个发电装置安装在一个大型浮体中，以缩短取冷海水的水管长度；另一点是不再直接以海水为工作介质，而采用某些低沸点物质为工作介质，从而大大提高蒸气的工作压力。在标准大气压力下，水的沸点是100℃，氨(NH3)的沸点是-33.5℃，丙烷(C3H8)的沸点是-42.09℃，氟利昂-22(CCl F2)的沸点是-40.8℃。如果设想以表层温海水来给这些低沸点物质加温，它们不仅会剧烈地沸腾，而且产生的蒸气具有很高的压力。例如，以28℃的温海水给氨加热，可以得到压力为93.16Pa的氨蒸气；给氟利昂-22加热，可以得到107.87Pa压力的氟利昂-22蒸气。在同样的海水温度条件下，可获得比以水直接作为工作介质时压力高出200多倍的蒸气。

在上述这样的海水温差发电系统中，假设工作介质为氨，氨从温海水接受热量，化为蒸气，推动汽轮机旋转，把从海水接受的热转换为功。在这里工作介质氨只是起到传递能量的作用因此又被称为“中间介质”，而这种采用了中间介质的方法则被称为“中间介质法”。采用中间介质以后，工作介质(如氨)是循环使用的。工作介质在通过蒸发器、汽轮机、冷凝器和工质泵时是完全与外界隔绝的，组成一个完全封闭的循环系统。因此，这种发电方式也被称为闭式循环发电。图2-27为典型的闭式循环海水温差发电原理图。

图2-27　闭式海水温差发电工作循环原理

其工作过程如下：

①加热(4—0)：表层温海水在水泵作用下不断地流过蒸发器，通过蒸发器内的传热管将一部分热量传递给氨水，海水温度降低，氨的温度升高。海水温度从28℃降低到2.6℃。

②蒸发(0—1)：氨气的压力约为93.16Pa。

③膨胀、做功(1—2)：氨气的温度和压力降低。

④冷却(2—3)：汽轮机排出的氨气进入冷凝器，它所剩余的一部分热量传给冷海水，为冷海水所冷却，氨重新变为液态氨。冷海水的温度由7℃升高到10.5℃。

⑤升压(3—4)：利用氨泵将冷凝器中的液氨重新压进蒸发器，以达到工作介质循环使用的目的。

在一个闭式循环海水温差发电装置中，为实现热能向机械能和电能的转换，必须具有一些主要设备：温海水与冷海水的循环系统(温水取水泵、取水管，冷水取水泵、取水管等)、热交换器(蒸发器与冷凝器)、汽轮发电机组和工质循环系统(工质泵、管道等)。除了这些主要设备，还需要大量辅助与控制设备，如各种泵、阀门、管道、过滤器、冷却器、起重设备、维修保养设备、贮存设备以及电气控制、电气保护系统和输配电系统。对于离岸式的海水温差发电装置，还需有一个大型浮体，包括浮体的锚泊系统、定位系统、浮力控制系统、防波设施等。如采用船体，则可分普通船型、半潜式和潜水式三种。该系统由于工作介质的压力比开式循环水的压力高得多，故汽轮机与管道等的尺寸可相应地缩小，在系统中也需保持真空，这就避免了开式循环发电存在的主要弱点。