海洋可再生能源——温差能发电系统研究现状综述

海洋可再生能源——温差能发电系统研究现状综述

陈逸飞, ,刘佳文, ,牛丙坤

明阳智慧能源集团股份公司   广东中山  528437

摘要：当前我国能源结构主要为含碳化石能源，此类能源的使用过程中会向空气中排放大量温室气体。，中国政府于第七十五届联合国大会上发表重要讲话:“中国将提高国家自主贡献力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和。充分体现了大国担当。推动我国清洁能源结构转型，改变主要能源组成结构，对控制碳排放量至关重要！21世纪，是人类从陆地迈向蔚蓝海洋的全新纪元，以海洋为中心的方向重构世界能源格局。优化区域能源结构的重点就在于探索并利用清洁能源、促进海洋经济又好又快发展、促进区域经济协同绿色发展、推动海洋经济由量变到质变的发展等一系列举措，是传统能源理念转变至清洁可再生能源的重要路径，对帮助我国拜托能源依赖的重要手段，其战略意义十分重大[1]。

关键词：海洋温差能；清洁能源；热点转换；协同发展

1.我国发展海洋可再生能源技术的必要性

潮汐能、波浪能和温差能等均为新时代下的海洋可再生能源获取方式。海洋温差能因其发电稳定性强、全时间段运行、对储能系统依赖小和清洁可再生等的特点，其发电模式与我国现阶段大范围使用化石能源相似，日前，海洋温差能发电系统已成为国内外清洁能源领域重要的研究方向。

热力循环技术,是利用海洋温差能进行热电转换(OTEC ,Ocean Thermal Energy Conversion)的概念和理论模型,其基本原理是利用海洋表层的高温海水和低沸点工质实现热能传递，使低沸点的工质在汽化过程中,带动其透平进行发电。温差能的发电技术按照使用工料和工艺上的差异,可有开式、闭式和混合型朗肯循环等三种形式。迄今为止以美国、日本、法国等为代表的发达国家，因其前期基础工业体系完善，起步早的特点，对海洋温差能理论研究、试验平台落地均取得了显著的研究成果。从温差能利用效率的角度考虑，自2010年之后国际上建成的温差能发电系统均采用闭式朗肯循环[2]。

2.国内外研究发展现状

2.1美国

1977年 ~ 1988年，美国西屋公司拟设计100 MW开式循环电站，经过调研和计算：小型温差能发电站若想从实验室走向商业化运营，必须结合海水淡化及海产品养殖产业[3]。1988年，Uehara等人研制了附带闪蒸系统的闭式循环海水淡化系统模型，模型中闪蒸室在蒸发器之前，闪蒸气体被蒸发器内的工质冷凝为淡水[4]。1996年，Uehara等人对上述的发电系统进行优化，该系统中闪蒸室在蒸发器之后，通过温海水对工质进行加热，冷海水对工质进行冷却后，再进行闪蒸和冷凝。实验中设定海水温度为28℃，冷海水温度为5℃，后者淡水生成速率高出前者35%。在宏观性能方面，后者淡水产出速率相较于前者高出33 ~ 85%。

2.2日本

2006年，Soga的Yasuyu等人建设了试验级别的温差能海水淡化系统，对比24℃, 30℃和40℃水温下，在不同闪蒸喷嘴方向，闪蒸温度和闪蒸距离分布情况。2008年，Sami等人对Yasuyu系统进行了改进和优化，增加了35℃的水温条件，在不同质量、流量的工况下进行分析，得到了闪蒸扣随径向距离的温度分布。在所选择的实验温度内，蒸发量随温水温度升高而线性增加。

2.3印度

2005年，Muthunayagam等人对温差能海水淡化系统落地可行性进行实验研究。该系统的最高海水温度29±3℃[5]，闪蒸压力为1.8±0.5kPa，最大给水流量1000L每小时。在不同峰值海水温度、闪蒸压力和喷嘴高度，进行了两百余次等比例试验，峰值淡水产出率为4%，此项目于同年落地印度Kavaratti岛，满足了岛内基本淡水需求。2009年，Mani等人小规模搭建基于海洋温差能的淡化试验台，并得出该系统淡水产量与蒸发器压力和冷凝温度成反比趋势，与蒸发温度成正比趋势。

2.4中国

中国海洋资源丰富，海岸线总长度3.2万公里，绝大部分海平面日照条件充足，温差能资源储量非常充足。但我国技术研发起步较晚，20世纪80年代初，中科院广州能源所、中国海洋大学、国家海洋技术中心等单位率先开展了我国自主海洋温差能技术研究工作[5]。

2004 ~ 2005年，天津大学就200W氨饱和蒸汽透平进行了研究开发，并完成相应课题。2006年以来，国家海洋局第一海洋研究所重点开展了闭式海洋温差能发电循环系统的研究，其在“十一五”期间重点开展了闭式循环系统的研究，设计了250W小型温差能发电利用装置的方案设计，创新性的提出的“国海循环”方案，理论峰值效率为5.1%。

2011年，为满足某小型海洋观测平台供电问题，国家海洋技术中心开展了200W温差能发电技术研究。

2012年，中国海洋大学完成我国首个吸收式海洋温差能发电试验系统。同年，自然资源部第一海洋研究所基于某电厂排放温热废水，研制了15 kW温差能发电试验系统装置，这也是我国第一套自主研发并落地使用的温差能发电装置，后续并开展了高效氨透平、热交换器等关键技术研发。

2016年，中国海油开始开展海洋能温差能开发利用技术研究，探索引进国际先进技术，开发我国海洋温差能开发利用技术的可行性，为建设大型温差能发电平台提供技术决策支持。

3.未来攻关方向

综上所述，近年来大部分具备良好海洋条件的国家、国际知名研究机构、国内外知名高等学府均对海洋温差能进行研究，海洋温差能发电及配套产业呈现快速发展的态势并取得了实质性进展。温差能发电技术及系统不断突破，但其前期投资成本高，回报周期长仍是制约其发展的重要原因。目前热交换器在海洋条件下效率较低、稳定性不足等是制约海洋温差发电高效换热器发展的主要技术难题，除此以外，海洋温差能发展中还存在如下一些技术难点亟待突破[6]：

3.1发电装置的安全稳定

温差能发电装置主要分为岸基式和平台式两种。需保证海洋平台式发电装置安全稳定并形成面对恶劣天气的自我保护系统。

3.2深层冷海水的综合利用

海洋温差能发电过程中，深层冷海水泵出为自耗电的重要支出，如何降低自耗电，以及管控盐度及矿物质浓度等方面均相差巨大的深海水，同时提取海洋中矿物质。

3.3转换效率与多能互补

随着循环形式、透平设计等不断改进，温差能发电装置效率得到了一定提升，但是目前其系统转换效率仅为5% ~ 10%。但是，海洋温差能在深远海工程中有着较大的发展潜力。在深远海工程中“就地取能、海能海用”是未来海洋温差能发展的主要方向[7]。

3.4温差能利用的环境效应

虽然海洋温差能资源是一种无污染、无碳排放的绿色清洁能源，但发电过程中将低温富营养的深层冷海水引入日照丰富的温暖表层，如果没有合理的利用，会直接改变浅层水体溶解的气体和矿物质浓度，造成海洋浮游生物的大量生长，从而破坏浅层生态平衡。

4结论

温差能作为新世纪海洋清洁能源中稳定性最接近传统化石能源的一种发电形式，但其前期投入成本大，回报周期长的特性也导致了目前落地项目较少，海水制氢、淡化以及海洋养殖等作为温差能发电系统的重要衍生品补充，具有非常高的现实研究价值。如何在不破坏生态平衡的基础上，高效协同发电系统与衍生品的关系的研究具备广阔的研究前景，也是我国稳步走向能源结构改革道路上不可忽视的一股创新力量。

参考文献

[1]李大树, 刘强, 董芬, 等. 海洋温差能开发利用技术进展及预见研究[J]. 工业加热, 2021,50(11):1-3.

[2]付强, 王国荣, 周守为, 等. 温差能与低温海水资源综合利用研究[J]. 中国工程科学, 2021,23(06):52-60.

[3]徐莹, 何宏舟. 海洋温差能发电研究现状及展望[J]. 能源与环境, 2016(02):17-18.

[4]张继生, 唐子豪, 钱方舒. 海洋温差能发展现状与关键科技问题研究综述[J]. 河海大学学报(自然科学版), 2019,47(01):55-64.

[5]薛碧颖, 陈斌, 邹亮. 我国海洋无碳能源调查与开发利用主要进展[J]. 中国地质调查, 2021,8(04):53-65.

[6]岳娟, 于汀, 李大树, 等. 国内外海洋温差能发电技术最新进展及发展建议[J]. 海洋技术学报, 2017,36(04):82-87.

[7]王项南, 麻常雷. “双碳”目标下海洋可再生能源资源开发利用[J]. 华电技术, 2021,43(11):91-96.