最具潛力的海洋熱能轉(zhuǎn)換研究開(kāi)發(fā)

倪娜，王海峰

(國(guó)家海洋技術(shù)中心 天津 300112)

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最具潛力的海洋熱能轉(zhuǎn)換研究開(kāi)發(fā)

倪娜，王海峰

(國(guó)家海洋技術(shù)中心 天津 300112)

文章在綜述主要國(guó)家的海洋熱能技術(shù)開(kāi)發(fā)現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，分析我國(guó)海洋熱能開(kāi)發(fā)的前景及存在的問(wèn)題，闡明了我國(guó)在海洋熱能方面的開(kāi)發(fā)優(yōu)勢(shì)，進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)了開(kāi)發(fā)海洋熱能資源對(duì)于我國(guó)經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展，維護(hù)我國(guó)領(lǐng)土主權(quán)和海洋權(quán)益，確保我國(guó)能源安全具有重要的戰(zhàn)略意義。

海洋能；海洋熱能轉(zhuǎn)換；研究開(kāi)發(fā)

據(jù)計(jì)算，太陽(yáng)每秒鐘發(fā)射的電磁能總量達(dá)3.8×1020MJ，世界大洋每年吸收的太陽(yáng)熱能約136×1016MJ，但進(jìn)入海水的太陽(yáng)熱能約有60%被厚度僅1 m的上層海水所吸收。太陽(yáng)的熱輻射使表層海水的溫度上升，而深層海水的溫度仍較低，特別是在熱帶海域表層水與深層水之間的溫度差更大，甚至可達(dá)20℃以上。利用海洋表層與深層海水之間的溫度差，將熱能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能后，再轉(zhuǎn)換為電能，就是所謂的海水溫差發(fā)電，亦稱(chēng)海洋熱能轉(zhuǎn)換(ocean thermal energy conversion,OTEC)，而俄羅斯學(xué)者則稱(chēng)之OTES，即海洋熱電站(ocean thermal electric station)。

我國(guó)有著豐富的海洋熱能資源，可開(kāi)發(fā)利用的資源量超過(guò)13億kW，開(kāi)發(fā)利用海洋熱能資源對(duì)于我國(guó)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展，特別是對(duì)于維護(hù)我國(guó)南海海洋權(quán)益以及海洋方向的國(guó)家安全具有十分重大的戰(zhàn)略意義。目前，在海洋熱能轉(zhuǎn)換研究開(kāi)發(fā)方面我國(guó)與美、日、法等國(guó)幾乎處于同一起跑線(xiàn)，只要加大研發(fā)力度，我們就一定能很快趕上并超過(guò)他們。

1 海洋熱能研究開(kāi)發(fā)狀況

海洋熱能開(kāi)發(fā)具有廣闊的前景，據(jù)報(bào)道，世界海洋溫差的理論蘊(yùn)藏量達(dá)20億kW，但海洋熱能轉(zhuǎn)換的效率很低，通常只有2%，一般認(rèn)為，表層海水與深層海水之間的溫度差達(dá)到或超過(guò)18℃時(shí)才有利用價(jià)值，而且建設(shè)海水溫差發(fā)電站還需要濱海區(qū)域的人口在2萬(wàn)人以上，或?yàn)I海區(qū)電力需求量在1萬(wàn)kW以上才有開(kāi)發(fā)價(jià)值。符合這些要求的區(qū)域通常是10°N-10°S之間的熱帶海域。此外，建設(shè)海洋熱電站投資大、成本高、風(fēng)險(xiǎn)大，這在很大程度上制約了它的發(fā)展。

海洋熱能轉(zhuǎn)換的原理早在1881年就由法國(guó)物理學(xué)家阿松瓦爾提出來(lái)了，但直到1948年才在實(shí)踐中得到運(yùn)用：法國(guó)在現(xiàn)今非洲的科特迪瓦首都阿比讓建成了世界上第一座海水溫差發(fā)電站。電站采用2臺(tái)功率為7 kW的渦輪發(fā)電機(jī)組，年發(fā)電量為5 000萬(wàn)kW。

目前的海水溫差發(fā)電系統(tǒng)主要由蒸發(fā)器、冷凝器、汽輪發(fā)電機(jī)泵、取水管和定位設(shè)備等裝置組成，分為開(kāi)路循環(huán)系統(tǒng)和閉路循環(huán)系統(tǒng)兩類(lèi)。開(kāi)路循環(huán)系統(tǒng)利用海洋表層較高溫度的海水在蒸發(fā)器中閃蒸得到蒸汽推動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電，然后在冷凝器中用溫度較低的深層海水冷卻，再冷凝成水；而閉路循環(huán)又稱(chēng)“蘭肯循環(huán)”，是以丙烷、氨、氟利昂等低沸點(diǎn)物質(zhì)代替蒸汽，其熱效率比開(kāi)路循環(huán)更高。目前，世界上普遍采用閉路循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行海水溫差發(fā)電。

在海洋熱能研究開(kāi)發(fā)方面比較先進(jìn)的國(guó)家有美國(guó)、日本和法國(guó)，此外，俄羅斯、英國(guó)、荷蘭、瑞典、加拿大等國(guó)都開(kāi)展了一些工作[1]。

在美國(guó)，早期有關(guān)海洋熱能轉(zhuǎn)換潛力的樂(lè)觀預(yù)測(cè)，使美國(guó)在20世紀(jì)70-90年代先后投資了2億多美元進(jìn)行海洋熱能轉(zhuǎn)換的研究開(kāi)發(fā)工作，并于1980年頒布了《海洋熱能轉(zhuǎn)換法》，美國(guó)國(guó)家海洋與大氣管理局還發(fā)布了執(zhí)行該法的《海洋熱能轉(zhuǎn)換法案》，甚至還準(zhǔn)備為管理海洋熱能開(kāi)發(fā)工作而創(chuàng)建協(xié)調(diào)一致的體制和許可證制度。1979年8月美國(guó)在夏威夷凱路亞科納近海海面建設(shè)了一座小型的“蘭肯閉路循環(huán)”式海水溫差發(fā)電站，采用氨作工質(zhì)，發(fā)電機(jī)額定功率為50 kW，除系統(tǒng)本身消耗的電能之外，凈輸出功率僅18.5 kW。1982年美國(guó)又在夏威夷群島的瓦胡島建造了一座4萬(wàn)kW的岸式溫差發(fā)電站和一座4萬(wàn)kW的海上溫差發(fā)電站。1994年9月，美國(guó)又耗資1 200萬(wàn)美元在凱路亞科納建造了一座開(kāi)式循環(huán)海水溫差發(fā)電站，電站總功率225 kW，凈輸出功率達(dá)104 kW，如果采用重量輕的復(fù)合材料，則可建成功率達(dá)1萬(wàn)kW的海洋溫差發(fā)電站。美國(guó)還選用新材料制造海洋溫差發(fā)電站熱交換器，以降低成本。1996年1月曾在50 kW的閉路循環(huán)式溫差發(fā)電站上進(jìn)行新型材料制成的熱交換器的試驗(yàn)，然后在夏威夷進(jìn)行海上試驗(yàn)，并與印度簽訂建造一座船式海洋溫差發(fā)電站的協(xié)議，該電站錨定在印度古勒塞克勒伯德納姆近海海底的適當(dāng)位置，通過(guò)電纜將所產(chǎn)生的電力輸送到岸上。美國(guó)公司還準(zhǔn)備在印度東海岸和西海岸的近海建造新的海洋溫差發(fā)電站。通過(guò)上述活動(dòng)，美國(guó)雖然獲得了大量有用的技術(shù)信息，但還沒(méi)有形成經(jīng)濟(jì)可行的技術(shù)，難以獲得預(yù)期的經(jīng)濟(jì)效益，而且海水溫差發(fā)電是一項(xiàng)資金和技術(shù)高度密集的產(chǎn)業(yè)，投資風(fēng)險(xiǎn)很大，美國(guó)國(guó)家海洋與大氣管理局于是在1996年撤銷(xiāo)了《海洋熱能轉(zhuǎn)換法案》，因此美國(guó)目前也沒(méi)有負(fù)責(zé)審批和發(fā)放海洋熱能轉(zhuǎn)換商業(yè)性作業(yè)許可證的行政管理機(jī)構(gòu)。但這并不影響美國(guó)在海洋熱能研發(fā)工作的開(kāi)展。美國(guó)的洛克希德·馬丁公司不僅是世界頂級(jí)的軍火“巨頭”，數(shù)十年來(lái)在海洋熱能轉(zhuǎn)換技術(shù)研發(fā)方面也始終處于領(lǐng)先地位。據(jù)報(bào)道，該公司于2013年4月13日與華彬集團(tuán)在北京簽署協(xié)議，將在中國(guó)海南省建造一座10 MW的海洋熱電站，這將是迄今為止規(guī)模最大的海洋熱電站，它不僅可為數(shù)以千計(jì)的家庭提供電力，同時(shí)還為未來(lái)建造100 MW的海洋熱電站奠定基礎(chǔ)，并帶動(dòng)興建更多10～100 MW價(jià)值數(shù)十億美元的海洋熱能電站，為一座小型城市提供所需電力。

日本于1981年先后在琉球的德之島設(shè)置了一座50 kW的海洋熱能發(fā)電站，在九州設(shè)置了一臺(tái)25 kW的試驗(yàn)電站，還幫助瑙魯建造了一座100 kW的岸式海洋熱能發(fā)電站。1990年日本又在鹿兒島建造了一座1 000 kW的海水溫差發(fā)電站，日本還計(jì)劃建造大型的實(shí)用型海水溫差發(fā)電裝置，功率達(dá)10萬(wàn)千瓦級(jí)，分別設(shè)置在大隅群島和富士灣。還安排了沖繩地區(qū)2012-2014年溫差能研發(fā)項(xiàng)目：應(yīng)用水深612 m的深層水進(jìn)行冷卻，每天水循環(huán)量達(dá)1.3萬(wàn)t，建成后裝機(jī)容量將達(dá)到50～100 kW。

俄羅斯陸上能源資源雖然極其豐富，是煤炭、石油和天然氣出口大國(guó)，卻仍然高度重視海洋可再生能源的研究開(kāi)發(fā)，由普京總統(tǒng)批準(zhǔn)的《俄羅斯聯(lián)邦至2020年期間的海洋政策》將研究開(kāi)發(fā)海洋可再生能源列為“國(guó)家海洋政策的基本目的”，并將“開(kāi)發(fā)世界海洋能源”，掌握利用海水溫差發(fā)電的技術(shù)作為“國(guó)家海洋政策的職能方向”。俄羅斯在海洋可再生能源的研究開(kāi)發(fā)方面也有著相當(dāng)長(zhǎng)的歷史，早在20世紀(jì)70年代就開(kāi)展了利用潮汐能、波浪能、潮流能、海上風(fēng)能、海水溫度差、鹽度差發(fā)電的可行性研究，涌現(xiàn)了一大批有關(guān)海洋能資源及其開(kāi)發(fā)利用的論著，80年代又應(yīng)塞舌爾共和國(guó)政府的要求，對(duì)塞舌爾群島附近海域的海洋可再生能源資源進(jìn)行調(diào)查和評(píng)估[2]，研究了塞舌爾群島附近海域的溫度差、鹽度差、潮汐、海流、波浪、風(fēng)力能轉(zhuǎn)換的特性，能量轉(zhuǎn)換的最大理論系數(shù)、能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的技術(shù)數(shù)據(jù)，編制了塞舌爾區(qū)域海洋熱能流密度曲線(xiàn)圖，計(jì)算出該區(qū)域海洋熱電站的總功率，并在此基礎(chǔ)上提出了建設(shè)500 kW和10 000 kW海洋熱電站方案和一個(gè)綜合利用海水溫度差和鹽度差發(fā)電的方案。俄羅斯學(xué)者還研究了冬季在北極地區(qū)利用海水水溫(-1℃)與海面上空大氣氣溫(-28℃)之間的溫度差獲取電能的可能性，設(shè)計(jì)了北極海洋熱電站系統(tǒng)和作業(yè)流程，確定了影響北極海洋熱電站經(jīng)濟(jì)技術(shù)特性的主要因素，為北極海洋熱電站設(shè)計(jì)的最佳化創(chuàng)造了重要條件。

2 研發(fā)的前景和存在的問(wèn)題

在熱帶海域蘊(yùn)藏著數(shù)量巨大的海水溫差能，理論蘊(yùn)藏量達(dá)20億kW，且能流相當(dāng)穩(wěn)定，不像海上風(fēng)能、潮汐能、波浪能那樣多變，因而被視為最具潛力的海洋能源。我國(guó)有著廣闊的熱帶海域，豐富的海洋熱能資源。我國(guó)西沙群島和南沙群島地周邊海域表層海水溫度達(dá)25～28℃，垂直溫差可達(dá)20℃，完全適于開(kāi)發(fā)利用海水溫差能資源，估計(jì)在南海海域可開(kāi)發(fā)利用的海水溫差能量約5億kW，可開(kāi)發(fā)的海域面積約3 000 km2，具有相當(dāng)可觀的發(fā)展前景。在南海海域還散布著數(shù)以百計(jì)的島礁，不乏諸如永興島、太平島這樣適于設(shè)立海洋熱能電站的島嶼及潟湖，這些島礁對(duì)于捍衛(wèi)我國(guó)的領(lǐng)土主權(quán)，維護(hù)我國(guó)的海洋權(quán)益和海洋方向的國(guó)家安全，具有十分重要的戰(zhàn)略意義，但島上缺乏燃料和淡水，完全靠船舶運(yùn)送，不僅成本高，而且海上運(yùn)輸還會(huì)受到天氣的重大影響，一遇到臺(tái)風(fēng)或惡劣天氣，船只無(wú)法運(yùn)送，駐島軍民的工作和生活都會(huì)受到嚴(yán)重影響。尤其是在當(dāng)前的國(guó)際形勢(shì)下，隨著美國(guó)亞太戰(zhàn)略的調(diào)整，美國(guó)在經(jīng)濟(jì)上、軍事上重返亞太地區(qū)，威脅我國(guó)海洋方向的安全，能源和淡水海上運(yùn)輸?shù)陌踩彩且粋€(gè)不能忽視的問(wèn)題。應(yīng)用海洋熱能交換系統(tǒng)獲取電能和淡水，解決駐島軍民生產(chǎn)和生活之需，不僅有較大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，而且具有重大的政治意義和軍事戰(zhàn)略意義，這既是調(diào)整我國(guó)能源結(jié)構(gòu)，確保我國(guó)能源安全戰(zhàn)略的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，又是把我國(guó)的南沙群島和西沙群島建設(shè)成捍衛(wèi)我國(guó)領(lǐng)土主權(quán)，維護(hù)我國(guó)海洋權(quán)益的前沿基地和后勤補(bǔ)給基地的重要舉措。

目前，海洋熱能轉(zhuǎn)換技術(shù)雖然取得了較大的進(jìn)展，并有部分技術(shù)已實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，但仍存在一些亟待解決的問(wèn)題，其中主要是投資巨、成本高、風(fēng)險(xiǎn)大，特別是在我國(guó)南沙群島偏遠(yuǎn)的小島上建造海水溫差發(fā)電站不僅要考慮發(fā)電成本，還要考慮到經(jīng)濟(jì)上的可行性，包括電站的高額投入和電站運(yùn)行的巨額費(fèi)用。然而如果綜合考慮到開(kāi)發(fā)利用南海海域溫差能資源在政治、經(jīng)濟(jì)、軍事、環(huán)境保護(hù)和國(guó)家安全方面的利益和重要性，開(kāi)展海洋熱能資源的研究開(kāi)發(fā)仍然是十分必要的。

此外，通過(guò)技術(shù)改進(jìn)和綜合利用大幅度降低開(kāi)發(fā)成本，如利用深層冷海水冷卻低壓鍋爐中蒸汽時(shí)生產(chǎn)淡水，作為飲用水源；利用所抽取的深層溫度較低的海水提供冷水空調(diào)，利用深層海水中富含的氮、磷、硅等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)行海水養(yǎng)殖，利用海水溫差發(fā)電設(shè)施建設(shè)海上樂(lè)園、發(fā)展海島旅游等等。此外，還可將海上溫差和鹽度差發(fā)電結(jié)合起來(lái)，亦可在一定程度上降低海水溫差發(fā)電的成本。2013年海南省第一個(gè)太陽(yáng)能光熱海水淡化商業(yè)示范工程項(xiàng)目在海南樂(lè)東縣建成，進(jìn)入試生產(chǎn)階段。該項(xiàng)目是海南省重點(diǎn)推進(jìn)的20萬(wàn)噸級(jí)太陽(yáng)能光熱海水淡化設(shè)備制造基地項(xiàng)目的重要一環(huán)，該示范工程的成功產(chǎn)水，不僅能降低海洋熱能利用及海水淡化的成本，而且為沿海地區(qū)及海島開(kāi)發(fā)利用提供用水保障。再考慮到節(jié)能減排及環(huán)境保護(hù)效益，特別是由于石油價(jià)格的飆升，遠(yuǎn)距離運(yùn)送能源和淡水的高額費(fèi)用以及由此產(chǎn)生的安全問(wèn)題，海洋熱能轉(zhuǎn)換在我國(guó)南海區(qū)域具有巨大的發(fā)展前景，而且隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展海洋熱能發(fā)電的成本也可能大幅降低，甚至降低至可接受的價(jià)位，再將這類(lèi)海水溫差發(fā)電站的設(shè)置與前沿軍事基地和后方補(bǔ)給基地的建設(shè)以及漁業(yè)及航運(yùn)補(bǔ)給基地建設(shè)結(jié)合起來(lái)，海洋熱能電站的建設(shè)也并非是不可行的。

另一個(gè)不能回避的問(wèn)題是海水溫差發(fā)電對(duì)環(huán)境的可能影響。大量的深層低溫海水抽取到海洋表層，造成局部地區(qū)海表層溫度降低，海面蒸發(fā)率下降，對(duì)局部區(qū)域的氣候?qū)a(chǎn)生重大影響，而且深層海水中的大量營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)被帶到海面對(duì)海洋生態(tài)系統(tǒng)也可能造成影響，從而影響局部地區(qū)漁業(yè)的發(fā)展。

此外，防附著、耐腐蝕、高強(qiáng)度、輕型化的材料的研制，以及低沸點(diǎn)工質(zhì)的選擇和改進(jìn)及其替代物質(zhì)的研制，對(duì)于海水溫差發(fā)電站的建設(shè)，降低這類(lèi)電站建設(shè)和運(yùn)營(yíng)費(fèi)用也具有重大的意義。

3 結(jié)論

雖然海洋熱能轉(zhuǎn)換為電力的效率很低，僅為2%，但海洋熱能蘊(yùn)藏量巨大，且能流十分穩(wěn)定，海洋熱電站又能夠全天候地運(yùn)行，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，發(fā)電成本問(wèn)題妥善的解決，海洋熱能發(fā)電的前景相當(dāng)可觀。

我國(guó)海洋熱能資源主要分布在南海，理論蘊(yùn)藏量約為1.19×1019～1.33×1019kJ，技術(shù)上可開(kāi)發(fā)利用的能量約為8.33×1017kJ，實(shí)際可利用的資源潛力達(dá)13.31億～14.76億kW，特別是在南海諸島區(qū)域，如按海水垂直溫差在18 ℃以上估算，可開(kāi)發(fā)海域面積約3 000 km2，可利用的熱能資源約1.5億kW[3]。我國(guó)臺(tái)灣以東海域表層水溫全年在24～28℃，500～800 m以下深層水溫5℃以下，全年表層與深層水溫差在20～24℃，溫度差能流蘊(yùn)藏量約為2.16×1014kJ，也可用于海洋熱能資源的開(kāi)發(fā)[4-6]。

海洋熱能資源的開(kāi)發(fā)利用對(duì)我國(guó)不僅有著重大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，可以帶動(dòng)海洋工程、原材料、機(jī)械制造、海水淡化、海洋旅游業(yè)、海洋養(yǎng)殖業(yè)、電力工業(yè)等一整條產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展，而且對(duì)于節(jié)能減排、環(huán)境保護(hù)，維護(hù)我國(guó)能源安全，特別是維護(hù)我國(guó)海洋方向的國(guó)家安全和南海的海洋權(quán)益也具有深遠(yuǎn)的政治意義和重大的軍事戰(zhàn)略意義。因此，在海洋熱能研究開(kāi)發(fā)方面，不僅要算經(jīng)濟(jì)賬，還要算政治賬、環(huán)境賬，特別是在維護(hù)國(guó)家領(lǐng)土主權(quán)和海洋權(quán)益，捍衛(wèi)國(guó)家海洋方向的安全方面可能起到的作用，它在這些方面的重要性，絲毫不會(huì)小于其經(jīng)濟(jì)意義[5]。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，利用海水溫差發(fā)電的成本也會(huì)不斷降低，特別是通過(guò)綜合開(kāi)發(fā)利用，結(jié)合鹽差能的開(kāi)發(fā)利用，海水淡化，海洋熱能發(fā)電成本也完全有可能降低到我們可以承受的程度。

目前在海洋熱能發(fā)電研究開(kāi)發(fā)方面，美、日、法等國(guó)雖然做了一些工作，但進(jìn)展都很有限，我們與這些國(guó)家的差距并不大，幾乎處于同一起跑線(xiàn)，最多也只是一步之差，而且在海洋熱能研究開(kāi)發(fā)方面，我國(guó)的地理?xiàng)l件要比日、法等國(guó)家更為優(yōu)越；我們沒(méi)有理由在新一輪技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)中落后。只要加大開(kāi)發(fā)研究力度，注意吸收各國(guó)研究的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)，不斷創(chuàng)新，就完全能夠趕上并超過(guò)他們。

[1] 劉全根.世界海洋能開(kāi)發(fā)利用狀況及發(fā)展趨勢(shì)[J].能源工程，1999(2).

[2] A·K·伊利英，K·A·羅佳切夫.塞舌爾群島的海洋熱能資源[M].海參崴(俄)，1984.

[3] 黃小勇.世界能源藍(lán)皮書(shū)，世界能源發(fā)展報(bào)告(2013)[M] .北京:社會(huì)科學(xué)出版社，2013.

[4] 國(guó)外海洋工作信息.俄羅斯聯(lián)邦至2020年期間的海洋政策[Z].2003.

[5] Annual Report 2012，Implementing Agreement on Ocean Energy Systems，OES

[6] 崔民選.中國(guó)能源發(fā)展報(bào)告[M].北京:社會(huì)科學(xué)文獻(xiàn)出版社，2009，2013.

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