海洋溫差能的魔法世界

劉聰

我國(guó)是海洋大國(guó)，大陸海岸線18000 千米，島嶼眾多。據(jù)《全國(guó)海島資源綜合調(diào)查報(bào)告》，全國(guó)有淡水資源的海島約490 個(gè)。目前，大多數(shù)的海島能源供應(yīng)依靠從大陸運(yùn)送。對(duì)海洋能的開(kāi)發(fā)利用，可以促進(jìn)海洋經(jīng)濟(jì)和海防建設(shè)，解決沿海和海島缺水少電的問(wèn)題。而在幾種海洋能中，海洋溫差能優(yōu)勢(shì)明顯，在推動(dòng)能源轉(zhuǎn)型、可持續(xù)發(fā)展、實(shí)現(xiàn)碳中和方面具有積極作用，是可持續(xù)能源中的隱藏寶石。

什么是海洋溫差能？

海洋溫差能屬于熱能的一種，它利用不同深度海水之間存在的溫度差來(lái)獲取能源。有研究表明，深層海水的溫度通常在5 ～ 7 攝氏度，而表層海水的溫度則會(huì)達(dá)到25 ～ 28 攝氏度。這樣的溫度差異為溫差能發(fā)電等應(yīng)用提供了基礎(chǔ)。

為什么不同深度的海水之間會(huì)有溫度差？

這是因?yàn)樘?yáng)光在海水中傳播時(shí)會(huì)不斷衰減。當(dāng)一束太陽(yáng)光照射到大海上，優(yōu)先接觸到太陽(yáng)光輻射的表層海水會(huì)吸收更多的熱量。這些熱量也會(huì)向周?chē)鷤鬟f，但逐漸遞減，較深的海水只能吸收到比較少的熱量。于是，在不同深度的海水之間就形成了溫度梯度。

近日，我國(guó)首套海洋漂浮式溫差能發(fā)電裝置成功完成海試，標(biāo)志著我國(guó)海洋溫差能開(kāi)發(fā)利用從陸地試驗(yàn)向海上工程化應(yīng)用邁出了關(guān)鍵一步。那么，什么是海洋溫差能？怎樣用它來(lái)發(fā)電？會(huì)影響海洋環(huán)境嗎……讓我們走進(jìn)海洋溫差能的魔法世界，了解利用海洋溫差能發(fā)電的奧秘。

怎樣利用溫差能發(fā)電

在回答這個(gè)問(wèn)題之前，我們先來(lái)了解一下發(fā)電的原理：當(dāng)一根導(dǎo)線或?qū)w在磁場(chǎng)中做切割磁感線運(yùn)動(dòng)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，導(dǎo)體的機(jī)械能也就變成了電能，完成了發(fā)電過(guò)程。溫差能的作用，就是為以上過(guò)程中的機(jī)械運(yùn)動(dòng)提供能量來(lái)源。我們熟知的風(fēng)力、水力等發(fā)電過(guò)程，均是通過(guò)利用風(fēng)、水流等流體驅(qū)動(dòng)渦輪機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，促使磁感線的切割來(lái)發(fā)電。

海洋溫差能發(fā)電需要工作流體，我們喜歡稱它為工質(zhì)。工質(zhì)就像魔法師，可以將能量轉(zhuǎn)化為電力。目前，根據(jù)工質(zhì)的不同，海洋溫差能發(fā)電有三種類(lèi)型的循環(huán)系統(tǒng)，分別是封閉式、開(kāi)放式和混合式?，F(xiàn)在，讓我們走進(jìn)這個(gè)魔法世界，看看這些工作流體是如何施展魔法的。

在封閉式循環(huán)系統(tǒng)中，表層溫暖的海水和工質(zhì)（如氨、丁烷、氟利昂等）一起被送入熱交換器。在這里，海水給工質(zhì)傳遞熱量，使它從液體變成氣體。這個(gè)過(guò)程就像是把魔法粉撒向空中，等待奇跡的發(fā)生。接下來(lái)，讓我們見(jiàn)證奇跡的時(shí)刻！這些工質(zhì)氣體推動(dòng)渦輪發(fā)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，從而產(chǎn)生了電力。是不是很像魔法師揮舞魔法棒，無(wú)形的能量就轉(zhuǎn)化成了電？

完成工作的工質(zhì)乏氣該如何處理呢？它們會(huì)被導(dǎo)入冷凝裝置，與深層寒冷的海水進(jìn)行熱交換。經(jīng)過(guò)這一過(guò)程，工質(zhì)又變回了液體。在整個(gè)循環(huán)中，工質(zhì)始終被封閉在系統(tǒng)中，沒(méi)有與外界發(fā)生物質(zhì)交換。這就好像是一個(gè)密封的瓶子，魔法粉始終在瓶子里，不會(huì)與外界任何物質(zhì)混合。

開(kāi)放式循環(huán)是直接將表層溫海水作為工質(zhì)。首先，我們將表層海水導(dǎo)入一個(gè)真空狀態(tài)的蒸發(fā)器。就像是把溫暖的海水倒入一個(gè)魔法瓶中，期待發(fā)生奇跡。在真空狀態(tài)下，部分海水立即蒸發(fā)成水蒸氣。這個(gè)過(guò)程也被稱為“閃蒸”，就像是魔法瓶中的魔法粉瞬間釋放出來(lái)。接下來(lái)，這些水蒸氣被用來(lái)推動(dòng)渦輪發(fā)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，從而產(chǎn)生電力。

完成工作的水蒸氣會(huì)被導(dǎo)入冷凝器，與深層寒冷的海水進(jìn)行熱交換。在這個(gè)過(guò)程中，水蒸氣冷凝成水，排出或作為淡水收集。在整個(gè)循環(huán)過(guò)程中，每次做功后的水蒸氣不再參與到循環(huán)中，新的表層溫海水會(huì)源源不斷地流入系統(tǒng)，所以稱之為開(kāi)放式循環(huán)。

混合式循環(huán)

綜合以上兩種循環(huán)方式，混合式循環(huán)應(yīng)運(yùn)而生。它包括工質(zhì)為溫海水的開(kāi)放式循環(huán)和工質(zhì)為低沸點(diǎn)液體的封閉式循環(huán)。具體循環(huán)過(guò)程是這樣的：

如何從深海將冷水取出來(lái)

利用海洋溫差能發(fā)電的難點(diǎn)在于如何從深海將冷水取出來(lái)?；谝陨蠋追N循環(huán)方式，海洋溫差能發(fā)電站目前主要采用兩種形式。

安裝在沿海地帶的岸基式發(fā)電站

通過(guò)鋪設(shè)較長(zhǎng)的取水管獲取深層的冷海水，達(dá)到利用溫差能的目的。這種長(zhǎng)距離深海管的設(shè)計(jì)、制造、鋪設(shè)和管理一直都是整個(gè)系統(tǒng)的技術(shù)難點(diǎn)。

浮動(dòng)式發(fā)電站

有可移動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)，再加上其冷水管垂直懸掛即可，不需要沿著海床將管道延伸到更深海中，可以有效減少所使用管道的長(zhǎng)度，也能減少沿程的熱量損失。同時(shí)，它還可以為海上牧場(chǎng)、海上采油基地以及船只供電，減少海底電纜鋪設(shè)的費(fèi)用。我國(guó)這次進(jìn)行的海洋漂浮式溫差能發(fā)電海試中，對(duì)于冷水管道的布設(shè)，技術(shù)人員首次采用了抱箍式的方式連接多節(jié)管道，成功達(dá)到了低沸點(diǎn)的預(yù)期目標(biāo)。

Q：利用海洋溫差能發(fā)電對(duì)環(huán)境友好嗎？

A：海洋溫差能的開(kāi)發(fā)利用過(guò)程對(duì)環(huán)境的影響，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于化石燃料等其他傳統(tǒng)能源，但是也會(huì)對(duì)海洋生態(tài)造成一定程度的破壞。例如利用冷水管從深海抽取上來(lái)的冷海水，如果未經(jīng)妥善處理就直接排入表層溫海水中，會(huì)致使深層海水中的營(yíng)養(yǎng)鹽等物質(zhì)流入上層海水，改變那里的生態(tài)環(huán)境，甚至?xí)鸷Ｋ粻I(yíng)養(yǎng)化。但如果能妥善處理用過(guò)的深層海水，不僅可以降低對(duì)環(huán)境的影響，還能產(chǎn)生其他經(jīng)濟(jì)效益。例如日本將深層海水用于制作海洋礦泉水、給建筑物降溫等，還從中提取貴重金屬鋰。這能給日本帶來(lái)每年大約25 億日元的收益呢！

海洋溫差能的吸睛亮點(diǎn)

傳統(tǒng)能源的使用導(dǎo)致的環(huán)境問(wèn)題日益增多，我們對(duì)于能源的需求一直處于不斷上升的狀態(tài)。為了應(yīng)對(duì)和預(yù)防更大環(huán)境問(wèn)題的產(chǎn)生，我們只能極力提高能源的利用率，或者開(kāi)發(fā)新型的清潔能源。而海洋溫差能因其具有相對(duì)較大的儲(chǔ)量，且清潔、可再生、受晝夜或者季節(jié)影響較小以及不占用土地資源等優(yōu)勢(shì)，逐漸走進(jìn)公眾的視野，成為國(guó)際社會(huì)普遍認(rèn)可的具有開(kāi)發(fā)價(jià)值和開(kāi)發(fā)潛力的海洋資源。

你知道嗎？海洋溫差能其實(shí)并不是剛發(fā)現(xiàn)的。1930 年，古巴馬坦薩斯灣就已經(jīng)有海洋溫差能發(fā)電裝置的記載了。其利用表層27 攝氏度的溫海水與取水管提供的13 攝氏度的冷海水，成功實(shí)現(xiàn)了22 千瓦的發(fā)電功率?？上н@座發(fā)電站不久后被風(fēng)暴摧毀了。再加上當(dāng)時(shí)還有很多技術(shù)難題有待破解，人們對(duì)海洋溫差能的研究也就不了了之。

現(xiàn)在，全球多個(gè)國(guó)家和地區(qū)競(jìng)相開(kāi)展對(duì)海洋溫差能轉(zhuǎn)換技術(shù)的開(kāi)發(fā)，進(jìn)行了大量的研究和試驗(yàn)。例如，美國(guó)、日本、印度等國(guó)家已經(jīng)有一些示范項(xiàng)目正在運(yùn)行或規(guī)劃中。同時(shí)，一些國(guó)際組織和企業(yè)也在積極推動(dòng)海洋溫差能的開(kāi)發(fā)利用。我國(guó)也在大力推進(jìn)海洋溫差能發(fā)電裝置的研究。雖然目前對(duì)于海洋溫差能開(kāi)發(fā)尚在初始階段，但隨著技術(shù)的進(jìn)步、成本的降低以及政策的支持，海洋溫差能發(fā)電的規(guī)模化與商業(yè)化將會(huì)迎來(lái)更加寬廣的發(fā)展前景。