第３ｌ卷第２期
２０１１年４月 东北电力大学学报
Ｊｏｕｒｎａｌ Ｏｆ Ｎｏｒｔｈｅａｓｔ Ｄｉａｎｉｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ Ｖｏ１．３１．Ｎｏ．２
Ａｐｒ．，２０１１
文章编号：１００５—２９９２（２０１１）０２—００７２—０６
海洋温差发电的研究现状与展望
封 光 ，钟 爽２
（１．华能沁北电厂运行部，河南济源４５４６６２；２．河南柴油机重工有限责任公司，河南洛阳４７１００３）
摘 要：海洋是一个巨大的能源库，世界各国都致力于海洋能的开发与利用，其中海洋能的热电转 换备受关注。在阐述海洋温差发电（ＯＴＥＣ）的优势及国内外发展现状的基础上，重点对动力循环方式、 工质特性对循环的影响进行分析。由于低品位能的热电转换效率较低，提高循环净效率迫在眉睫，因此 论述了提高海洋温差发电动力循环净效率的措施，并对海洋温差发电技术的发展前景进行了展望。 关键词：海洋温差发电；发展现状；工质特性；循环净效率 中图分类号：ＴＫ ０１ 文献标识码：Ａ
能源是人类生存及经济发展所不可缺少的，自从能源危机发生以来，举世瞩目于能源问题。地球表 面积的７０％是海洋，而海洋是巨大的能源库。太阳注入地球表面的能量换算为电功率约为１ ０１３ ｋＷ， 其中约２／３用于加热海面表层海水，其与深水的温差超过２０℃以上¨’２ Ｊ。理论上，热水温差在１６．６℃
即可用于发电，实际应用中一般都在２０℃以上，南北纬度在２０度以内的热带海洋都适合温差发电。据
计算，南纬２０度到北纬２Ｏ度之间的海洋洋面，要将其中一半用来发电，水水温仅平均下降１ ｏＣ，能获得 ６００亿ｋＷ的电能，相当于目前全世界所产生的全部电能。
１ 海洋温差能发展优势
海洋温差能储量最大，是国际社会公认的最具开发潜力的能源之一。根据美国Ｓｃｒｉｐｐｓ海洋研究所
艾萨克博士（Ｊ．Ｄ．Ｉｓａａｃｓ）的估计，世界上可供开发的海洋温差能为４，０００ ｘ１０ 万千瓦，且海洋温差能的 能源密度最高，是海流能的３５００倍，即使利用海流与波浪发电的效率高于温差２Ｏ倍，温差发电仍然占 极大的优势。海洋是世界上最大的太阳能采集器，它吸收的太阳能达到３７万亿千瓦，是目前人类电力 消耗总功率的大约４０００倍 Ｊ，仅可开发利用部分也已远远超出全球总能耗。全世界海洋温差能的理论 估计储量为１００亿千瓦 ’５】，所以海洋温差能转换被国际社会普遍认为是最具开发利用价值和潜力的
海洋能资源。海洋温差能是清洁的可持续能源，除发电外还可同时进行空调制冷、水产品及作物养殖、 海洋化工、海水淡化、海洋采矿等附属开发＿６ Ｊ，这将大大提高海洋能综合利用的经济效益。利用海洋温
差能不消耗燃料，不排放污染物，而且储藏丰富，取之不竭，同时还可得到许多副产品，如淡水等。因此，
海洋温差能的开发利用将对缓解当前能源短缺、淡水资源日渐匾乏、生态环境恶化的现状起着十分积极
的作用 。
２海洋温差发电发展历程
温差发电的构想早在１８８０年法国人达松发（１８５１～１９４０）就已提出 ，到了１９２９年他的学生克劳
收稿日期：２０１１—０２—０６ 作者简介：封光（１９８２一），男，河南省济源市华能沁北电厂运行部助理电力工程师，主要研究方向：新能源技术．
第２期 封光等：海洋温差发电的研究现状与展望 ７３
德（Ｇ．Ｃｌａｕｄｅ）在古巴海岸建了一座２２千瓦的海水温差发电试验工厂 】。克劳德试验工厂的动力系统
用开放式循环（ｏｐｅｎ ｃｙｃｌｅ）（值得一提的是，该循环的一个主要优点是可以从中得到淡水）。克劳德的
海洋温差发电厂最终以失败告终，但却从实验上证明了海洋温差发电的可行性。为了避免出现克劳德 建造的海洋温差发电站遇到的问题，１９６５年美国安德逊父子提出一种以丙烷为工质的发电方法 Ｊ。
１９７９年美国最早开发了海洋温差发电（Ｏｃｅａｎ ｔｈｅｒｍａｌ ｅｎｅｒｇｙ ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ简称ＯＴＥＣ）系统，当时容量
只有５０ｋＷ。１９８１年计划开发４０ＭＷ的大型设备，并将其１ＭＷ中间机组投入试验。美国５０ｋＷ ＭＩＮＩ—
ＯＴＥＣ号海水温差发电船，由驳船改装，该发电机发出５０ｋＷ的电力，大部分用于水泵抽水，净出力为ｌ２
—１５ ｋＷ Ｄｏ］。这是海洋热能利用历史性的发展¨¨。由于ＯＴＥＣ系统温差较小，朗肯循环净效率仅３％
一５％［ 。 日本通产省工业技术院“阳光计划”中，由低温差发电委员会对发电功率ｌ０万千瓦级的海上浮体
式发电站作了计划，该发电站朗肯循环效率为３．４４％，净效率为２．０４％ 。秘鲁海水温差发电站是日
本“阳光计划”的一部分，它采用的工质不是氨，而是氟利昂ＨＣＦＣ２２。２０世纪８０年代以来，日本开发了 ５０ ｋＷ、７５ ｋＷ、１００ ｋＷ等容量不同的发电设备，１９９６年还验证了采用ＮＨ ／水的混合工质循环试验设
备，以及设置在海洋水面上的发电设备。该电站建在岸上，最大发电量为１２０ ｋＷ，获得３１．５ ｋＷ的净 出力 引。
印度政府将海洋温差能作为未来的重要能源之一进行开发，１９９７年印度国家海洋技术研究所与日
本佐贺大学签订协议，共同进行印度洋海洋温差能的开发，合作开发１ ＭＷ的发电设备，进行仿真机验 证和评价后开发２５—５０ Ｍｗ的大型商业化设备 Ｊ，并准备在印度国内投资建立商业化ＯＴＥＣ系统。
１９９９年，在印度东南部海上，世界第一套１ ＭＷ海洋温差发电实验装置运转成功。
１９８９年，台湾向太平洋国际技术研究中心（ＰＩＣＨＴＲ）提出在台湾实施ＯＴＥＣ商业化战略计划，准备 在台湾岛东部沿海建一座５ ＭＷ的小规模ＯＴＥＣ试验性发电厂。台湾红柴海水温差发电厂计划利用马
鞍山核电站排出的３６—３８℃的废热水与３００ Ｉｌｌ深处的冷海水（约ｌ２ｏｃ）的温差发电。铺设的冷水管内 径为３ Ｉｌｌ、长约３ ２００ ｍ，延伸到台湾海峡约３００ ｍ深的海沟。预计电厂发电量为１４．２５ ＭＷ，扣除泵等动
力消耗后可得净发电量约８．７４ Ｍｗ。
３海洋温差发电技术
３．１动力系统循环方式 根据所用工质及流程的不同，海洋温差发电的主要方式有三种，即闭式循环系统、开式循环系统及
混合式循环，目前接近实用的是闭式循环方式。
汽轮机
图１开式海洋温差发电系统图 汽轮机
图２闭式海洋温差发电系统图
（１）开式循环发电系统
开式循环系统如图１所示。该系统的特点是以温海水为工作介质，
工作时由真空泵将系统抽到一 ７４ 东北电力大学学报 第３１卷
定真空度，低压下被抽人的温海水在蒸发器内迅速沸腾蒸发，转变为蒸汽，蒸汽由喷嘴喷出推动汽轮机
运转，带动发电机发电；从汽轮机排出的废汽进入冷凝器，被由冷水泵从深层海水中抽上来的冷海水所 冷却，重新凝结为水，并排人海中或作为淡水收集。
（２）闭式循环发电系统
闭式循环系统见图２，系统工作时，通过蒸发器内的换热器，把所抽人的表层温海水的热量传递给 低沸点的工质，工质从温海水吸收热量后开始沸腾并转变为工质气体，膨胀做功，推动汽轮机旋转，带动
发电机发电。工质气体通过汽轮机后进人冷凝器，被冷水泵抽上的深层冷海水冷却后重新变为液态，用 循环泵把液态工质重新压进蒸发器，以供循环使用。
温海
图３混合式海洋温差发电系统图 海水
图４洛伦兹循环的Ｔ—Ｓ图 Ｓ
（３）混合式循环发电系统
图３是混合式海洋温差发电系统图，该系统综合了开式和闭式循环系统的优点，它以闭式循环发 电，但用温海水闪蒸出来的低压蒸汽来加热低沸点工质。这样做的好处在于减小了蒸发器的体积，节省 材料，便于维护并可收集淡水¨引。
３．２循环工质特性
对于温度低的热源，以水作为工质效率较低 ，此时应该采用其他沸点相对较低的工质，如一些氟 利昂、氨等作为工质。对这些工质特性的研究对改善ＯＴＥＣ系统的综合性能有着重要的作用ｎ ６１Ｈ】。
氨（ＮＨ，）是一种传统工质，其优点是具有优良的热力 性能和高的传热系数，并且运行和管理经验非常成
熟，成本低廉，ＯＤＰ＝０、ＧＷＰ＝Ｏ、价格低廉、能效高、 传热性能好、易检漏、吸水性大、管径小。氨的刺激性
气味使人们极易感知其存在，具有警示作用，因此只
要正确使用，氨对人不会产生伤害。１００多年使用的 历史表明，ＮＨ 的安全性记录是好的，其在空气中可
燃浓度为１５％一２８％（体积），引燃温度为６５９℃，且 需要较高的能量，因此氨实际上并不易燃 引。
《蒙特利尔议定书》和《京都协定书》对这方面内 表１工质的ＯＤＰ和ＧＷＰ值
容进行了详细的规定。评价工质的环保性质主要有两个指标：分别是臭氧层衰减指数（ＯＤＰ）和温室效应 指数（ＧＷＰ）。一些工质的ＯＤＰ和ＧＷＰ值如表１ Ｌ１ 所示。从热力性能的角度，氨和Ｒ２２被证明是理想的
工质ｕ引。但从环保的角度，还需寻求新的可替代工质。
对于发展中国家（包括中国），《议定书》最新规定：ＣＦＣ物质２０１０年全部停止使用；ＨＣＦＣ物质 ２０１６年开始受限，２０４０年全部停止使用 引。低焓差的朗肯循环对工质特性有许多要求，完全满足这些
要求是不容易的，研制新工质也非轻而易举，目前都是从现有的工质中选择确定。 陈建新 等提出的Ｒ１２５／Ｒ６００Ａ（１：１）混合工质相对Ｒ２２具有以下特征：相当的压缩比；相当的 ＣＯＰ值；较低的排气温度；较大的单位质量制冷量；单位容积制冷量较低，但比Ｒ６０
０Ａ的单位容积制冷 第２期 封光等：海洋温差发电的研究现状与展望 ７５
量大很多。Ｒ１２５／Ｒ６００Ａ（１：１）的ＯＤＰ为０，无臭氧破坏作用，ＧＷＰ比Ｒ２２和Ｒ１２５都低；Ｒ１２５为不可 燃组元，Ｒ６００Ａ为可燃组元，Ｒ１２５／Ｒ６００Ａ（１：１）的燃烧极限为２．８％一１０％，其燃烧下限比Ｒ６００Ａ增加
５６％，大大抑制了Ｒ６００Ａ的可燃性。
吴君华 提出用液化石油气（ＬＰＧ）作为Ｒ２２替代制冷工质是可行的。ＬＰＧ在常温常压下是一种 无毒、无色的气体，主要成分是丙烷和丁烷，来源于油井气、石油加工的副产品。ＬＰＧ来源充足，价格比
合成制冷剂和纯的ＨＣ都要便宜很多；ＬＰＧ具有较小的ＧＷＰ值，且ＯＤＰ值为零；与大多数金属相容性 好，无腐蚀性；与制冷系统润滑油完全兼容。热力性能非常好，气化潜热大、动力粘滞系数小、导热系数 大 。 ３．３海洋温差发电关键技术的发展
迄今为止，海洋温差发电技术在热动力循环方式、高效紧凑型热交换器、工质选择以及海洋工程技
术等方面的研究均已取得长足的发展，很多技术已渐趋成熟。
１）热交换器是海洋温差发电系统的关键设备。钛的传热及防腐性能良好，但是价格过于昂贵。美 国阿贡国家实验室的研究人员发现，在腐蚀性暖海水环境下，改进后的钎焊铝换热器寿命可以达到３０ 年以上。板式热交换器体积小，传热效果好、造价低，适合在闭式循环中采用 ］。
２）最新的洛伦兹循环有机液体透平能在２Ｏ一２２℃温差下工作，适用于闭式循环装置中。洛伦兹循
环的Ｔ—ｓ图如图４所示。洛伦兹循环的特点是热效率高且接近实际循环，其透平采用两种以上氟利昂 混合物作为工质，并配以适合的换热器 】。
３）海洋温差发电有岸基型和海上型两类。岸基型把发电装置设在岸上，把抽水泵延伸到５００—
１０００ｍ或更深的深海处。海上型是把吸水泵从船上吊下去，发电机组安装在船上，电力通过海底电缆输 送 。１９７９年美国在夏威夷西部海岸建成了一座ｍｉｎｉ—ＯＴＣＥ发电装置，这是世界上首次从海洋温差
能获得有实用意义的电力 Ｊ。太平洋高技术国际研究中心（ＰＩＣＨＴＲ）还开发了利用冷海水进行空调、 制冷及海水养殖等附属产业，在热带岛屿显示出良好的市场前景 】。
４）中国的海洋温差能也比较丰富，但研究工作起步晚。１９８０年台湾电力公司曾计划将核电厂余热
和海洋温差发电并用。１９８５年中国科学院广州能源研究所开始对温差利用中的“雾滴提升循环”方法
进行研究。这种方法利用表层和深层海水之间的温降来提高海水的位能。 ３．４提高海洋温差发电效率的方法与技术
海洋温差能属低品位能源，与现有的生物化学能和核能相比，不能大规模商业化应用的主要原因是
循环热效率低。提高ＯＴＥＣ系统循环热效率最有效的途径是提高冷、温海水的温差，温海水与冷海水的 温度差至少要在２０℃以上才能实现海洋温差发电。按海水表面２５℃的平均温度计算，５℃左右的冷海
水一般取自千米左右的大洋深处，若要继续扩大温差，则深度会更深。这样一来，不仅投资更大，可利用
的海域面积也将大为减少。在海面建一座“浮标式”的太阳池，利用天然阳光“煮”上一池海水，再用水 泵将海面的温海水抽出，顺着管道流经被加热的池底。如此一来，池底的高温可将温海水加热至３２℃，
与洋底冷海水间的温差可提高到２７℃。这样经过太阳池的加热，海洋温差发电的效率即可提高１０％， 达到ｌ２％左右，性价比大幅提高。 目前，Ｎｏｂｏｒｕ Ｙａｍａｄａ 副等的研究结果表明，使用５ ０００ ｍ 太阳能集热器，可使温海水提高２０ Ｋ～
４０ Ｋ，利用太阳能集热器后的海洋温差发电系统（ＳＯＴＥＣ）朗肯循环净效率由２．３％提高到６．３％一９．
５％，年平均热效率比传统的ＯＴＥＣ循环系统净效率高出１．５倍。该项技术可用于提高温海水的温度，
即将温水泵抽出的温海水先送往太阳能集热器加热，温度升高后再进入蒸发器加热循环工质；也可用于
提高汽轮机人口处工质的温度，即将从蒸发器出来的工质送到太阳能集热器进行再热后，送入汽轮机做
功。无论用太阳能集热器加热温海水还是加热工质，都是通过提高汽轮机人口工质的温度而使朗肯循 环的效率提高。这样，在机组装机容量１００ ｋＷ不变的前提下，ＳＯＴＥＣ系统朗肯循环效率的提高，使得
冷海水的质量流率降低，导致冷海水泵的耗功比ＯＴＥＣ的降低了３０％左右，温海水泵和循环工质泵的 耗功也相应减小。因此，ＳＯＴＥＣ的净输出功高于ＯＴＥＣ系统。
