探析海洋溫差發(fā)電的可行性

陳超 趙景飛 劉劍鴻 陳彬

摘?要：現(xiàn)如今在世界上積極發(fā)展OTEC技術(shù)的國(guó)家并不是很多，其中主要是有美國(guó)和日本以及我國(guó)等，其原因則是由于具有OTEC資源的地理地區(qū)主要是集中到了熱帶和臨近的地區(qū)中。我國(guó)只有廣東、廣西、海南、臺(tái)灣等具有這種地理?xiàng)l件，在美國(guó)則是限制在了夏威夷地區(qū)，而其他的國(guó)家則是在南太平洋諸島嶼中尋找試驗(yàn)地。我國(guó)得天獨(dú)厚，具有發(fā)展OTEC資源的潛力，如果政府能積極資助研發(fā)，極有可能領(lǐng)先世界。

關(guān)鍵詞：海洋溫差;發(fā)電;可行性;分析

對(duì)于海洋溫差發(fā)電而言，現(xiàn)如今已經(jīng)具有幾百年以上的發(fā)展歷史了，但是一些關(guān)鍵性的技術(shù)尚待突破，比如熱交換的材料和大口徑冷水管制造等，但是隨著科學(xué)技術(shù)持續(xù)的發(fā)展，人們必然會(huì)加深對(duì)這項(xiàng)技術(shù)的研究和應(yīng)用，海洋溫差發(fā)電的商業(yè)化將可實(shí)現(xiàn)。

1?海洋溫差發(fā)電原理

對(duì)于海洋而言，所吸收的太陽(yáng)能大約有一半左右會(huì)在蒸發(fā)的過(guò)程中逐漸失去，剩余的將會(huì)存儲(chǔ)在海水之中，所吸收的能力將會(huì)根據(jù)熱能的方式慢慢地存儲(chǔ)在海水之中，因?yàn)楸卑肭虻暮Ｑ鬅崮苁罩?，大約在赤道至北緯30°之間的洋面，熱能收支才是正值。此為海洋溫差發(fā)電多集中于此帶的緣故。就海水溫度梯度而言，大約可明顯地分成三層，由上而下分別稱為表層、固定溫降層及深層。表層的厚度一般不超過(guò)200米，此為儲(chǔ)藏日照熱能的地方。固定溫降層位于表層之下，其溫降曲線的形狀固定不變，而且海水溫度隨著深度而加速下降，直至深層，溫度的下降方趨于緩和。以我國(guó)南海海域?yàn)槔谖魃橙簫u附近，表層溫度大約在25～28℃之間，至1，000米深溫度即降到4℃左右。

2?分析海洋溫差的發(fā)電系統(tǒng)

對(duì)于海洋溫差的發(fā)電系統(tǒng)而言，主要是存在以下幾個(gè)子系統(tǒng)，一是動(dòng)力系統(tǒng);二是海水管理系統(tǒng);三是房室基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)?，F(xiàn)在分別敘述如下：

2.1?動(dòng)力系統(tǒng)

對(duì)于動(dòng)力系統(tǒng)而言，包括了蒸發(fā)器、冷凝器以及工作流體、泵和渦輪發(fā)電機(jī)等。其類型、材料及性能，均需經(jīng)深入考慮與設(shè)計(jì)。因?yàn)楹Ｋ谴嬖谝欢ǖ母g性，因此封閉式的系統(tǒng)蒸發(fā)器以及冷凝器均應(yīng)采用鈦合金材料，又重又貴?，F(xiàn)在已研究使用鋁合金，壽命可達(dá)15～20年，優(yōu)點(diǎn)是質(zhì)輕而且價(jià)錢可以省三分之二。

2.2?海水管路系統(tǒng)

海水管路系統(tǒng)是OTEC發(fā)電室很重要的一部分，通常情況下包括以下內(nèi)容，首先為取水用的三管（溫水管、冷水管以及排水管）等。其中尤以冷水管（Cool?Water?Pipe）最為重要，可以說(shuō)是OTEC的技術(shù)關(guān)鍵所在。對(duì)于冷水管的監(jiān)測(cè)工作而言，主要是可以確定出它的水下的位置和管壁應(yīng)力，并且通過(guò)在出水口位置進(jìn)行設(shè)置檢測(cè)設(shè)備，能夠?qū)Ｋ疁囟群蛪毫M(jìn)行測(cè)量，求出相應(yīng)的熱能損耗。但是在對(duì)冷水管進(jìn)行布設(shè)的時(shí)候，是較為棘手的，因?yàn)槠涑叽绫容^大和長(zhǎng)度長(zhǎng)，在進(jìn)行制造和布放以及維護(hù)的過(guò)程中要做到仔細(xì)的設(shè)計(jì)，冷水管系統(tǒng)是否可以成功布設(shè)關(guān)鍵在于技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)，通?？梢苑譃橐韵码A段：首先是進(jìn)岸段，將其管子可以埋設(shè)在明溝內(nèi)，避免波浪以及海流所帶來(lái)的沖刷作用。其次是中段，采用巖栓將管子栓系在海床上，并且需要保留大約三到六尺的距離。最后是前段，僅僅只是在兩個(gè)端點(diǎn)系到海床上，其余的則是進(jìn)行懸浮，呈現(xiàn)為一種倒鏈狀。對(duì)于這種布設(shè)的方法優(yōu)點(diǎn)是可以節(jié)省布設(shè)時(shí)間，同時(shí)對(duì)一些不規(guī)則的海床地形進(jìn)行避開(kāi)。

2.3?室房基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)

針對(duì)于OTEC的室房基地而言，是可以分為兩種，一是設(shè)置在陸地上，稱之為陸上型;二是設(shè)置在海上稱之為海上型。對(duì)于陸地上的室房而言，所需要的取水管長(zhǎng)度相對(duì)較長(zhǎng)，管子布設(shè)中難度較大，同時(shí)會(huì)受到海底地形所帶來(lái)的影響。然而海上型的室房所受到的上述限制比較小，但是甲板或者是浮臺(tái)穩(wěn)定性是十分重要的。

3?海洋溫差發(fā)電在南海的可行性

通常南海遠(yuǎn)海島嶼是需要海洋溫差能源系具有以下訴求：西沙、南沙群島缺少著自產(chǎn)的能源，然而海南島以南的南海海域中蘊(yùn)含著大于3.8*108MW的海洋溫差能源有待于開(kāi)發(fā)。在進(jìn)行開(kāi)發(fā)的過(guò)程中雖不會(huì)產(chǎn)生二氧化碳，但在核能安全與核廢料處置上世界各國(guó)意見(jiàn)不一，要上馬核電也不是易事。海洋溫差發(fā)電不會(huì)產(chǎn)生二氧化碳，而且無(wú)廢料難題，所以在環(huán)保與經(jīng)濟(jì)能夠滿足需要的基礎(chǔ)上，也可以滿足能源需求。

海洋溫差的發(fā)電主要是作為一種清潔能源，無(wú)須燃料費(fèi)、無(wú)廢料問(wèn)題、不排放二氧化碳、全年以及全日進(jìn)行穩(wěn)定發(fā)電，同時(shí)其可用量超過(guò)了海南島的電力發(fā)電總裝置的容量，因此未來(lái)它在南海遠(yuǎn)海島嶼的能源供應(yīng)上將占有重要的地位。遠(yuǎn)海島嶼海域的海底地形陡峻，離岸不遠(yuǎn)處水深即達(dá)1，000米。在這之中，南沙群島島嶼最近，大約僅僅有2公里外，離岸不遠(yuǎn)處水深即達(dá)1，000米以上，其中海洋的溫差常年是維持在20℃以上，并且國(guó)際上公認(rèn)南海海域?yàn)樽罹哂虚_(kāi)發(fā)OTEC潛力的地區(qū)之一。

若以海上型OTEC而言，根據(jù)南海海域的環(huán)境條件，估計(jì)每平方公里約可獲取0.5MW的能源;若建立一座400MW容量的商業(yè)化的OTEC電室，那么則是需要800平方公里的海域面積，因此南海海域設(shè)置較多座OTEC，總裝置容量可以達(dá)到2.3*108MW。但是海洋溫差發(fā)電在技術(shù)上仍存在一些不確定性，如大尺寸冷水管的技術(shù)，巨大型組件的制造、搬運(yùn)與安裝等，都還沒(méi)有可分享的經(jīng)驗(yàn)。同時(shí)，在經(jīng)濟(jì)上，海洋溫差能源的價(jià)格目前尚難與傳統(tǒng)能源相競(jìng)爭(zhēng)。但以前瞻性眼光來(lái)看，如一旦國(guó)際上的經(jīng)濟(jì)或政治發(fā)生變化或者能源短缺、戰(zhàn)爭(zhēng)禁運(yùn)等情況發(fā)生，我們就不得不用南海海域的豐富資源。

4?科技的需求

對(duì)于海洋溫差發(fā)電而言，依然是存在一些關(guān)鍵性的技術(shù)需要進(jìn)行研究，這些技術(shù)主要是包括了以下數(shù)據(jù)：一是電力系統(tǒng)，提高高性能熱交換的特性研究，對(duì)于熱交換的效率提高和裝置小型化而言，通過(guò)降低其腐蝕和生物附著的研究，合理的選擇最佳的、低成本的鋁基、鎂基、鈦基等合成材料。OTEC系統(tǒng)的熱質(zhì)交換研究;封閉式循環(huán)的基礎(chǔ)試驗(yàn)：封閉式循環(huán)的全系統(tǒng)整合;開(kāi)放式循環(huán)的基礎(chǔ)試驗(yàn)。二是海水系統(tǒng)，對(duì)取排水全系統(tǒng)進(jìn)行研究。冷水管的材質(zhì)與應(yīng)力分析;冷水管模型試驗(yàn)與尺寸效應(yīng);取水口的流力研究;冷排水的擴(kuò)散機(jī)制;OTEC的二氧化碳釋放研究。三是結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，對(duì)海洋的結(jié)構(gòu)力學(xué)進(jìn)行研究。海洋結(jié)構(gòu)體（如大型浮臺(tái)）的設(shè)計(jì);同時(shí)研究海水結(jié)構(gòu)體的系留和潛水式的海洋結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，水下作業(yè)研究;巨大結(jié)構(gòu)體之制造、運(yùn)送與安裝技術(shù)。四是環(huán)境，對(duì)OTEC裝置之環(huán)境影響評(píng)估綱領(lǐng)進(jìn)行研究;OTEC裝置之監(jiān)控系統(tǒng);南海中南部海域基本資料搜集。

在此之外美國(guó)在OTEC的研究方面花了大量資金，日本每年的研究經(jīng)費(fèi)大約為350萬(wàn)元，我國(guó)則是在21世紀(jì)20年代大約投入2000萬(wàn)元的經(jīng)費(fèi)和廠址調(diào)查費(fèi)用，這數(shù)目若與太空計(jì)劃或國(guó)家其他大型計(jì)劃的預(yù)算相比，簡(jiǎn)直算是小巫見(jiàn)大巫。一個(gè)新興科技的興起，國(guó)家的大力支持是使它成熟的重要關(guān)鍵。美國(guó)則是在19世紀(jì)60年代受到了蘇聯(lián)載人宇宙飛船發(fā)射的刺激，已經(jīng)是投入了大量的人力以及財(cái)力，急起直追，不出幾年即迎頭趕上，便是個(gè)很好的明證。

5?結(jié)語(yǔ)

海洋溫差發(fā)電具有許多優(yōu)點(diǎn)，它是一種清潔能源、不會(huì)釋放或僅釋放極少量的二氧化碳，無(wú)須燃料且來(lái)源幾無(wú)窮盡，沒(méi)有燃料的運(yùn)輸、儲(chǔ)存、燃燒、污染、廢料處理等問(wèn)題;它還可出現(xiàn)較多具有價(jià)值的副產(chǎn)品，比如淡水和冷藏以及藥品等等，因此，它又是一種極有價(jià)值的資源。海洋溫差發(fā)電尚有正面的廣泛效益，包括環(huán)保、觀光與休閑旅游、地域性之特色開(kāi)發(fā)、技術(shù)提升與擴(kuò)散并增加就業(yè)機(jī)會(huì)等。

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