最具潛力的海洋熱能轉換研究開發

倪娜，王海峰

(國家海洋技術中心 天津 300112)

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最具潛力的海洋熱能轉換研究開發

倪娜，王海峰

(國家海洋技術中心 天津 300112)

文章在綜述主要國家的海洋熱能技術開發現狀的基礎上，分析我國海洋熱能開發的前景及存在的問題，闡明了我國在海洋熱能方面的開發優勢，進一步強調了開發海洋熱能資源對于我國經濟的持續發展，維護我國領土主權和海洋權益，確保我國能源安全具有重要的戰略意義。

海洋能；海洋熱能轉換；研究開發

據計算，太陽每秒鐘發射的電磁能總量達3.8×1020MJ，世界大洋每年吸收的太陽熱能約136×1016MJ，但進入海水的太陽熱能約有60%被厚度僅1 m的上層海水所吸收。太陽的熱輻射使表層海水的溫度上升，而深層海水的溫度仍較低，特別是在熱帶海域表層水與深層水之間的溫度差更大，甚至可達20℃以上。利用海洋表層與深層海水之間的溫度差，將熱能轉換為機械能后，再轉換為電能，就是所謂的海水溫差發電，亦稱海洋熱能轉換(ocean thermal energy conversion,OTEC)，而俄羅斯學者則稱之OTES，即海洋熱電站(ocean thermal electric station)。

我國有著豐富的海洋熱能資源，可開發利用的資源量超過13億kW，開發利用海洋熱能資源對于我國的經濟發展，特別是對于維護我國南海海洋權益以及海洋方向的國家安全具有十分重大的戰略意義。目前，在海洋熱能轉換研究開發方面我國與美、日、法等國幾乎處于同一起跑線，只要加大研發力度，我們就一定能很快趕上并超過他們。

1 海洋熱能研究開發狀況

海洋熱能開發具有廣闊的前景，據報道，世界海洋溫差的理論蘊藏量達20億kW，但海洋熱能轉換的效率很低，通常只有2%，一般認為，表層海水與深層海水之間的溫度差達到或超過18℃時才有利用價值，而且建設海水溫差發電站還需要濱海區域的人口在2萬人以上，或濱海區電力需求量在1萬kW以上才有開發價值。符合這些要求的區域通常是10°N-10°S之間的熱帶海域。此外，建設海洋熱電站投資大、成本高、風險大，這在很大程度上制約了它的發展。

海洋熱能轉換的原理早在1881年就由法國物理學家阿松瓦爾提出來了，但直到1948年才在實踐中得到運用：法國在現今非洲的科特迪瓦首都阿比讓建成了世界上第一座海水溫差發電站。電站采用2臺功率為7 kW的渦輪發電機組，年發電量為5 000萬kW。

目前的海水溫差發電系統主要由蒸發器、冷凝器、汽輪發電機泵、取水管和定位設備等裝置組成，分為開路循環系統和閉路循環系統兩類。開路循環系統利用海洋表層較高溫度的海水在蒸發器中閃蒸得到蒸汽推動汽輪機發電，然后在冷凝器中用溫度較低的深層海水冷卻，再冷凝成水；而閉路循環又稱“蘭肯循環”，是以丙烷、氨、氟利昂等低沸點物質代替蒸汽，其熱效率比開路循環更高。目前，世界上普遍采用閉路循環系統進行海水溫差發電。

在海洋熱能研究開發方面比較先進的國家有美國、日本和法國，此外，俄羅斯、英國、荷蘭、瑞典、加拿大等國都開展了一些工作[1]。

在美國，早期有關海洋熱能轉換潛力的樂觀預測，使美國在20世紀70-90年代先后投資了2億多美元進行海洋熱能轉換的研究開發工作，并于1980年頒布了《海洋熱能轉換法》，美國國家海洋與大氣管理局還發布了執行該法的《海洋熱能轉換法案》，甚至還準備為管理海洋熱能開發工作而創建協調一致的體制和許可證制度。1979年8月美國在夏威夷凱路亞科納近海海面建設了一座小型的“蘭肯閉路循環”式海水溫差發電站，采用氨作工質，發電機額定功率為50 kW，除系統本身消耗的電能之外，凈輸出功率僅18.5 kW。1982年美國又在夏威夷群島的瓦胡島建造了一座4萬kW的岸式溫差發電站和一座4萬kW的海上溫差發電站。1994年9月，美國又耗資1 200萬美元在凱路亞科納建造了一座開式循環海水溫差發電站，電站總功率225 kW，凈輸出功率達104 kW，如果采用重量輕的復合材料，則可建成功率達1萬kW的海洋溫差發電站。美國還選用新材料制造海洋溫差發電站熱交換器，以降低成本。1996年1月曾在50 kW的閉路循環式溫差發電站上進行新型材料制成的熱交換器的試驗，然后在夏威夷進行海上試驗，并與印度簽訂建造一座船式海洋溫差發電站的協議，該電站錨定在印度古勒塞克勒伯德納姆近海海底的適當位置，通過電纜將所產生的電力輸送到岸上。美國公司還準備在印度東海岸和西海岸的近海建造新的海洋溫差發電站。通過上述活動，美國雖然獲得了大量有用的技術信息，但還沒有形成經濟可行的技術，難以獲得預期的經濟效益，而且海水溫差發電是一項資金和技術高度密集的產業，投資風險很大，美國國家海洋與大氣管理局于是在1996年撤銷了《海洋熱能轉換法案》，因此美國目前也沒有負責審批和發放海洋熱能轉換商業性作業許可證的行政管理機構。但這并不影響美國在海洋熱能研發工作的開展。美國的洛克希德·馬丁公司不僅是世界頂級的軍火“巨頭”，數十年來在海洋熱能轉換技術研發方面也始終處于領先地位。據報道，該公司于2013年4月13日與華彬集團在北京簽署協議，將在中國海南省建造一座10 MW的海洋熱電站，這將是迄今為止規模最大的海洋熱電站，它不僅可為數以千計的家庭提供電力，同時還為未來建造100 MW的海洋熱電站奠定基礎，并帶動興建更多10～100 MW價值數十億美元的海洋熱能電站，為一座小型城市提供所需電力。

日本于1981年先后在琉球的德之島設置了一座50 kW的海洋熱能發電站，在九州設置了一臺25 kW的試驗電站，還幫助瑙魯建造了一座100 kW的岸式海洋熱能發電站。1990年日本又在鹿兒島建造了一座1 000 kW的海水溫差發電站，日本還計劃建造大型的實用型海水溫差發電裝置，功率達10萬千瓦級，分別設置在大隅群島和富士灣。還安排了沖繩地區2012-2014年溫差能研發項目：應用水深612 m的深層水進行冷卻，每天水循環量達1.3萬t，建成后裝機容量將達到50～100 kW。

俄羅斯陸上能源資源雖然極其豐富，是煤炭、石油和天然氣出口大國，卻仍然高度重視海洋可再生能源的研究開發，由普京總統批準的《俄羅斯聯邦至2020年期間的海洋政策》將研究開發海洋可再生能源列為“國家海洋政策的基本目的”，并將“開發世界海洋能源”，掌握利用海水溫差發電的技術作為“國家海洋政策的職能方向”。俄羅斯在海洋可再生能源的研究開發方面也有著相當長的歷史，早在20世紀70年代就開展了利用潮汐能、波浪能、潮流能、海上風能、海水溫度差、鹽度差發電的可行性研究，涌現了一大批有關海洋能資源及其開發利用的論著，80年代又應塞舌爾共和國政府的要求，對塞舌爾群島附近海域的海洋可再生能源資源進行調查和評估[2]，研究了塞舌爾群島附近海域的溫度差、鹽度差、潮汐、海流、波浪、風力能轉換的特性，能量轉換的最大理論系數、能量轉換系統的技術數據，編制了塞舌爾區域海洋熱能流密度曲線圖，計算出該區域海洋熱電站的總功率，并在此基礎上提出了建設500 kW和10 000 kW海洋熱電站方案和一個綜合利用海水溫度差和鹽度差發電的方案。俄羅斯學者還研究了冬季在北極地區利用海水水溫(-1℃)與海面上空大氣氣溫(-28℃)之間的溫度差獲取電能的可能性，設計了北極海洋熱電站系統和作業流程，確定了影響北極海洋熱電站經濟技術特性的主要因素，為北極海洋熱電站設計的最佳化創造了重要條件。

2 研發的前景和存在的問題

在熱帶海域蘊藏著數量巨大的海水溫差能，理論蘊藏量達20億kW，且能流相當穩定，不像海上風能、潮汐能、波浪能那樣多變，因而被視為最具潛力的海洋能源。我國有著廣闊的熱帶海域，豐富的海洋熱能資源。我國西沙群島和南沙群島地周邊海域表層海水溫度達25～28℃，垂直溫差可達20℃，完全適于開發利用海水溫差能資源，估計在南海海域可開發利用的海水溫差能量約5億kW，可開發的海域面積約3 000 km2，具有相當可觀的發展前景。在南海海域還散布著數以百計的島礁，不乏諸如永興島、太平島這樣適于設立海洋熱能電站的島嶼及潟湖，這些島礁對于捍衛我國的領土主權，維護我國的海洋權益和海洋方向的國家安全，具有十分重要的戰略意義，但島上缺乏燃料和淡水，完全靠船舶運送，不僅成本高，而且海上運輸還會受到天氣的重大影響，一遇到臺風或惡劣天氣，船只無法運送，駐島軍民的工作和生活都會受到嚴重影響。尤其是在當前的國際形勢下，隨著美國亞太戰略的調整，美國在經濟上、軍事上重返亞太地區，威脅我國海洋方向的安全，能源和淡水海上運輸的安全也是一個不能忽視的問題。應用海洋熱能交換系統獲取電能和淡水，解決駐島軍民生產和生活之需，不僅有較大的經濟價值，而且具有重大的政治意義和軍事戰略意義，這既是調整我國能源結構，確保我國能源安全戰略的一個重要環節，又是把我國的南沙群島和西沙群島建設成捍衛我國領土主權，維護我國海洋權益的前沿基地和后勤補給基地的重要舉措。

目前，海洋熱能轉換技術雖然取得了較大的進展，并有部分技術已實現商業化，但仍存在一些亟待解決的問題，其中主要是投資巨、成本高、風險大，特別是在我國南沙群島偏遠的小島上建造海水溫差發電站不僅要考慮發電成本，還要考慮到經濟上的可行性，包括電站的高額投入和電站運行的巨額費用。然而如果綜合考慮到開發利用南海海域溫差能資源在政治、經濟、軍事、環境保護和國家安全方面的利益和重要性，開展海洋熱能資源的研究開發仍然是十分必要的。

此外，通過技術改進和綜合利用大幅度降低開發成本，如利用深層冷海水冷卻低壓鍋爐中蒸汽時生產淡水，作為飲用水源；利用所抽取的深層溫度較低的海水提供冷水空調，利用深層海水中富含的氮、磷、硅等營養物質進行海水養殖，利用海水溫差發電設施建設海上樂園、發展海島旅游等等。此外，還可將海上溫差和鹽度差發電結合起來，亦可在一定程度上降低海水溫差發電的成本。2013年海南省第一個太陽能光熱海水淡化商業示范工程項目在海南樂東縣建成，進入試生產階段。該項目是海南省重點推進的20萬噸級太陽能光熱海水淡化設備制造基地項目的重要一環，該示范工程的成功產水，不僅能降低海洋熱能利用及海水淡化的成本，而且為沿海地區及海島開發利用提供用水保障。再考慮到節能減排及環境保護效益，特別是由于石油價格的飆升，遠距離運送能源和淡水的高額費用以及由此產生的安全問題，海洋熱能轉換在我國南海區域具有巨大的發展前景，而且隨著科學技術的發展海洋熱能發電的成本也可能大幅降低，甚至降低至可接受的價位，再將這類海水溫差發電站的設置與前沿軍事基地和后方補給基地的建設以及漁業及航運補給基地建設結合起來，海洋熱能電站的建設也并非是不可行的。

另一個不能回避的問題是海水溫差發電對環境的可能影響。大量的深層低溫海水抽取到海洋表層，造成局部地區海表層溫度降低，海面蒸發率下降，對局部區域的氣候將產生重大影響，而且深層海水中的大量營養物質被帶到海面對海洋生態系統也可能造成影響，從而影響局部地區漁業的發展。

此外，防附著、耐腐蝕、高強度、輕型化的材料的研制，以及低沸點工質的選擇和改進及其替代物質的研制，對于海水溫差發電站的建設，降低這類電站建設和運營費用也具有重大的意義。

3 結論

雖然海洋熱能轉換為電力的效率很低，僅為2%，但海洋熱能蘊藏量巨大，且能流十分穩定，海洋熱電站又能夠全天候地運行，隨著科學技術的發展，發電成本問題妥善的解決，海洋熱能發電的前景相當可觀。

我國海洋熱能資源主要分布在南海，理論蘊藏量約為1.19×1019～1.33×1019kJ，技術上可開發利用的能量約為8.33×1017kJ，實際可利用的資源潛力達13.31億～14.76億kW，特別是在南海諸島區域，如按海水垂直溫差在18 ℃以上估算，可開發海域面積約3 000 km2，可利用的熱能資源約1.5億kW[3]。我國臺灣以東海域表層水溫全年在24～28℃，500～800 m以下深層水溫5℃以下，全年表層與深層水溫差在20～24℃，溫度差能流蘊藏量約為2.16×1014kJ，也可用于海洋熱能資源的開發[4-6]。

海洋熱能資源的開發利用對我國不僅有著重大的經濟價值，可以帶動海洋工程、原材料、機械制造、海水淡化、海洋旅游業、海洋養殖業、電力工業等一整條產業鏈的發展，而且對于節能減排、環境保護，維護我國能源安全，特別是維護我國海洋方向的國家安全和南海的海洋權益也具有深遠的政治意義和重大的軍事戰略意義。因此，在海洋熱能研究開發方面，不僅要算經濟賬，還要算政治賬、環境賬，特別是在維護國家領土主權和海洋權益，捍衛國家海洋方向的安全方面可能起到的作用，它在這些方面的重要性，絲毫不會小于其經濟意義[5]。隨著科學技術的發展，利用海水溫差發電的成本也會不斷降低，特別是通過綜合開發利用，結合鹽差能的開發利用，海水淡化，海洋熱能發電成本也完全有可能降低到我們可以承受的程度。

目前在海洋熱能發電研究開發方面，美、日、法等國雖然做了一些工作，但進展都很有限，我們與這些國家的差距并不大，幾乎處于同一起跑線，最多也只是一步之差，而且在海洋熱能研究開發方面，我國的地理條件要比日、法等國家更為優越；我們沒有理由在新一輪技術競爭中落后。只要加大開發研究力度，注意吸收各國研究的先進經驗和技術，不斷創新，就完全能夠趕上并超過他們。

[1] 劉全根.世界海洋能開發利用狀況及發展趨勢[J].能源工程，1999(2).

[2] A·K·伊利英，K·A·羅佳切夫.塞舌爾群島的海洋熱能資源[M].海參崴(俄)，1984.

[3] 黃小勇.世界能源藍皮書，世界能源發展報告(2013)[M] .北京:社會科學出版社，2013.

[4] 國外海洋工作信息.俄羅斯聯邦至2020年期間的海洋政策[Z].2003.

[5] Annual Report 2012，Implementing Agreement on Ocean Energy Systems，OES

[6] 崔民選.中國能源發展報告[M].北京:社會科學文獻出版社，2009，2013.

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1005-9857(2015)09-0018-04