海洋热能的利用

构还是不断投入人力物力, 积极探索和研究[ 25, 26 ]。
3 海水冷却技术
海水冷却是指用海水取代淡水做工业上的冷却 水, 它是海水直接利用的主要方式之一, 其用水量 约占海水取用总量的 90% 以上。 海水利用过程中, 海水实际上是替代淡水作为一种迁移热量的介质, 但人们往往只是比较注重其作为水源的这一层面, 而对其作为热源 ( 冷却介质) 的一面重视不足。
GD P 能入或接近实用。 我国有丰富的海洋能, 开发利 用海洋能对我国实现经济和社会的可持续发展具有 重要意义[ 9～ 12 ]。 海洋热能是一种重要的海洋能, 一般的海洋热 能主要是指海洋温差能, 本文所讨论的海洋热能是 指海水由于与环境在热力学参数上 ( 主要是温度) 的 差异而产生的可资利用的热能。 目前对其利用的主 要方式是海洋温差发电、 海水冷却和作为空调冷热 源等。 其中技术最为成熟、 应用相对广泛的是海水 冷却。 海洋温差发电目前尚处于实验阶段, 但受到 相关各国的普遍重视, 发展很快, 应用前景非常广 阔。 海水热能用做空调冷热源的研究近些年来逐渐 兴起, 已经有一定规模的应用, 随着更高效更合理 的换热技术的运用, 海水源空调必将得到更广泛的 应用。 火用分析是分析能量利用过程效率的有效工具, 通 过对过程进行分析, 可以帮助我们确定能量利用过 程中的能量损失, 从而制定相应对策。 由物系所处 的状态达到基准态 ( 与周围环境成平衡的状态) 所 提供的有效功称之为火用。 通俗的讲, 火用就是某种状态 [ 13 ] 下物系的最大做功能力 。 从火用分析角度, 能量品位有高低之分。 能量品位 的高低, 即火用值的大小, 依所选取的环境而不同。 同 时, 对能源进行利用时, 必须要满足以下条件: 首 先, 毫无疑问必需要有火用源, 即可利用的能量源。 其

2 海洋温差发电技术
一般所说的海水热能或海洋热能一般是指海洋 温 差 能, 它 被 广 泛 认 为 是 最 具 潜 力 的 一 种 海 洋 能[ 14 ]。 海洋热能实质上是太阳能的一种存在形式, 地球表面平均每平方米的太阳辐射能量为 1 kW 左 右, 而海洋面积占地球表面积的 71% , 所以海洋被 认为是地球上最大的太阳能集热器。 目前对海洋热 能利用的方式主要是海洋温差发电。 从理论上讲, 冷 热水温差达到 1616 ℃即可用来发电, 但在实际应用 中一般为 20℃[ 15 ]。由于海洋表面吸收了太阳能, 温 度一般可达 25 ～ 30 ℃, 而水下 400 ～ 700 m 深层冷 水温度则为 5 ～ 10 ℃, 两者温差为 20 ～ 24 ℃, 可以 [ 15, 14, 16 ] 用来发电 。 研究表明 98 个国家和地区可从 海洋温差发电技术中受益[ 17, 18 ]。 利用海洋温差发电的概念, 最早于 1881 年由法 国物理学家雅克・德・阿松瓦尔在 “太阳海洋能” 一 文中提出, 由于技术条件的限制, 1926 年才由另一 位法国人克劳德进行了小型实验, 1930 年又采用开 式循环在古巴海边建成 22 kW 的实验装置; 1977 年, 美国修建了世界上第一个闭式循环的小型海洋 热能转换机组, 简称 O T EC (ocean therm a l energy conversion sy stem ) , 该装置是当今开发利用海水温 差发电技术的典型代表, 因此, 海洋温差发电装置 一般被称为 O T EC 装置。作为与这一系统相配套的 或独立的深海取水系统 DOW A ( deep ocean w a ter [ 19, 20 ] 日本和美国 app lica t ion ) 也相应的受到了重视。 是在海洋温差发电技术领域领先的两个国家, 已经 建设了和正在建设多座 O T EC 电站。 此外, 在荷兰、 瑞典、 英国、 法国、 加拿大和我国台湾地区等都建 造了和计划建造 O T EC 电站。 我国南海海域辽阔, 位于北回归线以南, 太阳辐射强烈, 是典型的热带 海洋。表层水温全年 25 ° ～ 800 m 以深 C 以上, 500
第 23 卷 第 2 期 海 洋 技 术 V o l123, N o 12 2004 年 6 月 O CEAN T ECHNOLO GY J une, 2004
海洋热能的利用
胡保亭, 胡仰栋3 , 伍联营
( 中国海洋大学化学化工学院, 山东 青岛 266003)
收稿日期: 2003212206 基金项目: 国家重点基础研究发展规划项目资助 (G2000026308) 作者简介: 胡保亭 (19782) , 男, 山东青岛人, 中国海洋大学硕士研 究生, 主要从事传递过程的研究工作。 3 通讯联系人
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70 年代后期加强了海洋能的利用研究, 很多技术[ 1 ]
1 引言
能源是国民经济的重要战略资源, 随着世界经 济和社会的发展, 能源的消耗量也在快速增长。 据 联合国统计, 1995 ～ 2020 年世界一次能源增长率将 达 2% 。同时, 由于矿物燃料的燃烧, 世界的环境日 益恶化, 使人类面临着前所未有的环境问题。 中国 是世界上仅次于美国的第二能源消费大国, 也是能 源需求增长最快的国家之一, 能源已成为制约经济 社会快速发展的瓶颈。 而且中国人均能源消耗远低 于发达国家, 能源结构不合理、 利用效率低、 单位

将面临越来越严峻的能源短缺问题。 在当前日益严 峻的能源和环境生态危机形式下, 开发新能源特别 是新的可再生能源和提高能源效率成为世界各国致 力解决能源危机和实 现 可 持 续 发 展 的 主 要 途 [1 ～ 8] 径 。海洋是巨大的能源宝库, 蕴藏着波浪能、 潮汐能、 海流能、 海洋热能、 海洋盐差能等多种可 再生能源。 为保证社会所需能源得到稳定持久的发 展而不危害生态和子孙后代的生存, 各国从上世纪
摘 要: 海洋热能是一种重要的可再生能源, 对其进行开发利用是解决当前人类所面临的能源短缺和由于矿物燃 料燃烧和大量使用空调所造成的环境效应的有效途径。文章综述了海洋热能利用的 3 个领域: 海洋温差发电、海 水冷却和海水源空调, 介绍了几种利用方式的现状、优缺点及其应用前景。重点对海水作为空调热源的可行性进 行分析和讨论, 在对空调系统进行火 用分析的基础上, 针对间接换热和热泵方式的缺点, 提出了两种高效的节能环 保海水空调的应用方案, 即海水直接换热供冷供热和热泵+ 直接换热方案。 关键词: 海洋热能; 可再生能源; 海洋温差发电; 海水冷却 中图分类号: P74314 文献标识码: B 文章编号: 100322029 ( 2004) 0220096208
水温 5 ° ～ 24 ° C 以下, 表深层水温差 20 C , 蕴藏着丰 富的温差能资源。 据国内专家估算, 理论蕴藏量约 1119 ～ 1133 × 1019 kJ , 技术上可利用的能量约为 8133 ～ 9131 ×1017 kJ , 实际可供利用的资源潜力装 机容量可达 1132 ～ 1148 ×106 MW 。 台湾省以东海 域也蕴藏着丰富的温差能资源, 据台湾电力专家估 算, 约为 2116×104 kJ , 据初步估算可开发装机容量 超过 5 000 MW 。 温差能资源开发条件较好的是西 沙群岛海区和台湾以东海区[ 15, 21, 22 ]。 海洋温差发电装置根据所用工质及流程的不 同, 一般可分为开式循环、 闭式循环和混合式循环 ( 如图 1 所示) , 目前接近实用化的是闭式循环方 式[ 15, 16 ]。 211 开式循环 (op en- cycle sy stem ) 真空泵将系统内抽到一定真空, 起动温水泵把 表层的温海水抽入蒸发器, 温海水在蒸发器内沸腾 蒸发, 变为蒸汽。 蒸汽经管道由喷嘴喷出推动汽轮 机运转, 带动发电机发电, 蒸汽通过汽轮机后, 又 被冷水泵抽上来的深海冷水所冷却而凝结成淡化 水。 由于只有不到 015% 的温海水变为蒸汽, 因此必 须泵送大量的温海水, 以便产生出足够的蒸汽来推 动巨大的低压汽轮机, 这就使得开式循环系统的净 发电能力受到了限制[ 18 ]。但开式循环所产生的副产 品——口味极佳的脱盐海水, 具有很高的实用价值, 特别是对于大洋中严重缺乏淡水的小岛。 212 闭式循环 ( clo sed- cycle sy stem ) 闭式循环系统以一些低沸点的物质 ( 如丙烷、 异 丁烷、 氟利昂、 氨等) 作为工作介质, 目前认为氨 水是最好的工作介质。 系统工作时, 表层温海水通 过热交换器把热量传递给低沸点的工作介质 ( 以氨 水为例) , 氨水从温海水吸收足够的热量后开始沸 腾, 变为氨气, 氨气经过管道推动气轮发电机, 深 层冷海水在冷凝器中使氨气冷凝、 液化, 用氨泵把 液态氨重新压进蒸发器, 以供循环使用。 闭式循环 系统能使发电量达到工业规模, 但其缺点是蒸发器 和冷凝器采用表面式换热器, 导致这一部分不仅体 积庞大, 而且耗资昂贵。 此外, 闭式循环系统不能 产生淡水。 213 混合循环系统 ( hyb rid- cycle sy stem ) 该系统基本与闭式循环相同, 但用温海水闪蒸 出来的低压蒸汽来加热低沸点工质。 这样做的好处 在于既能产生新鲜的淡水, 又可减少蒸发器的体积,
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节省材料, 便于维护。 此外, 日本还采用了热发电方式。 此法与上述 几种方式迥然不同, 它是一种不使用汽轮机与发电 机的直接发电方式。 其发电原理是, 利用二种导体 的接点之间存在温差情况下会产生电动势的塞贝克 效应。 这种热电发电方法应用于温水温差发电, 将 会有以下几个优点: ①由于不存在活动的设备部件, 容易维修保养, 运转可靠性高; ②不需使用氨、 氟 里昂之类的工作介质, 因此安全、 可靠。 不过, 目 前存在着转换效率低、 成本过高等不足[ 23 ]。