热能资源的利用现状

热能资源的充分利用，体现着社会的进步、科技的创新和人类对未来能源可持续发展认识的升华。

2.1.2.1　工业余热利用

1）余热的特征

一般工业余热特点：中低温、资源分散、间歇波动、工作介质常常有腐蚀性和尘粒等共性问题［5］。无论哪种工业余热的利用都存在热能存储、传递、强化及热功转化等过程，同时要考虑不同于高品位能量利用以及干净工质的热能利用方面的新问题。

2）工业余热利用的三类方式

一是余热的直接热交换利用，即实现供热（利用余热加热）和供冷（利用余热制冷）。

二是余热的热功转换，即利用余热作为热力循环的高温热源来加热热力循环工质变为具有一定温度和压力的气体，进而工质进入膨胀动力装置对外做功，实现动力输出；或者余热工质直接进入膨胀机做功，实现动力输出。

三是余热的提质利用或综合利用，即通过热泵系统将余热提升至要求的温度后再进行供热和冷却，或与其他利用装置相结合实现综合利用。

2.1.2.2　地热发电

1904年意大利成功试验地热发电，将地热发电引入商业化领域。目前全世界地热发电站约有300座，总装机容量接近10GW，分布在20多个国家，其中美国占40%。如美国的盖塞斯地热发电站，装机容量达2.08GW［6］。

作为利用地热发电的全球领先企业以色列Ormat公司已建造和提供的地热电力设备装机容量超过0.8GW，该公司自身还经营着总计约0.37GW的地热发电设施［7］。太阳能、地热能、海洋能、热发电工质研究及应用举例如表2-2所示［89］。

表2-2　太阳能、地热能、海洋能热发电工质研究及应用举例

西藏羊八井地热电站是我国地热发电的标杆。它于1975年9月23日发电成功。热水平均温度为155℃左右，井口压力平均为3～4.4bar（绝对）（1bar=105Pa）。单井热水产量一般为100t/h，电站的热效率达到6%。

根据西藏地热资源分布，作为“十三五”地热发电目标区域的高温地热田，其11处高温地热田发电潜力合计830MW，“十三五”期间有序启动总计400MW装机容量规划或建设工作［10］。

2.1.2.3　干热岩地热发电

干热岩地热的提取流程是将低温水注入井内由热岩体加热，从生产井回收高温水和蒸汽，供发电系统。做功后的冷却水再注入井中，循环利用。利用干热岩热发电潜力极大。

1972年美国在新墨西哥州北部2口井、深约4km处开展干热岩实验。1974年洛斯·阿尔莫斯国家实验室在芬顿山的3600m深井开展干热岩的研究，发电量从最初的3MW拓展到10MW，揭示了干热岩的应用前景。

近年来，干热岩地热发电的理论和技术有了很大进展。自美国能源部宣布资助商业化干热岩地热发电的开发研究以来，已进行多次流水循环试验研究。20世纪90年代的大规模流水循环试验的注水回收率在75%～80%之间。2007年德国建成欧洲第一座干热岩地热电厂，发电量为2200kW·h。干热岩发电厂外貌如图2-1所示。

图2-1　干热岩发电厂外貌

我国也积极开展干热岩发电试验，在藏南、川西、滇西、福建、华北平原、长白山等干热岩资源丰富地区选点，将通过建立2～3个干热岩勘查开发示范基地为推广干热岩发电积累经验。

2.1.2.4　海洋温差利用

海洋能是国际公认的最具开发潜力的能源之一。它被看作是从石化能源市场过渡到氢能的重要资源，包括海洋热能、潮汐洋流水力动能等。

1）国内外海洋热能利用

海洋温差能发电的储能巨大，可供海洋能温差转换（ocean thermal energy conversion，OTEC）的发电储量为10TW。

美国、日本等海洋资源丰富的国家目前正在加紧研究应用海洋温差能发电系统。据估计，截至2010年，全球建成的海洋温差能发电站有1030座［11］。部分海洋温差能发电站的简况如表2-3所示。(www.xing528.com)

表2-3　海洋温差能发电的示范性电站简况［12］

（续表）

2）海洋能发电

海洋温差能发电收益大，投资也大。作为一项高科技项目，受制于经济实力和海洋条件。目前只有少数国家具备领先的海洋温差能发电技术。

迄今为止，我国在海洋温差能发电的热动力循环方式、高效紧凑型热交换器、微型汽轮机、工质选择以及海洋能工程技术等方面已有较大发展。

1980年代我国台湾红柴海水温差电站利用核电站排放废热水（36～38℃）与300m深海冷水（约12℃）进行温差发电。

1985年广州能源所开展温差能发电的研究，建立容量为10W和60W的开式循环实验台。2004—2005年天津大学开展混合式海洋温差能利用研究，采用200W氨饱和蒸汽轮机（见图2-2）；海洋研究所重点研究闭式循环，完成理论研究并设计250W小型温差发电装置方案。

2008年4月，我国启动了“十一五”国家科技支撑计划“海洋能开发利用关键技术研究及示范”项目。国家海洋局第一海洋研究所承担“15kW温差能发电装置研究及试验”的重要课题，使我国成为独立掌握该项技术的国家之一。在6个项目中取得的研究示范成果如下：100kW漂浮式、100kW摆动式波浪能发电，20kW海流能、150kW潮流式发电，15kW温差能发电及综合测试技术［13］。

2016年8月18日，国务院在《“十三五”国家科技创新规划》中明确了要大力发展海洋资源高效开发、利用和保护技术。

3）温差能发电站布置

海水温差能发电布置形式分为岸边固定型（或岸基型）和海上型。

图2-2　海水温差能发电原理图

发电装置设在岸上的称为岸基型，它将抽水泵延伸到500～1000m或更深的深海处；海上型又分成浮体式（包括表面浮体式、半潜式、潜水式）、着底式和海上移动式三类。

岸基型的冷水管线一般可分为3段：近岸段（水深至15m）可设置明沟内，防波浪和海流冲击；中段（水深至100m）用岩栓将管系固定在海床上，其间隔为3～6m；更远段为适应海床，宜将前段的两个端点系栓海床，其余悬浮呈倒链状，以适合海床地形。

4）技术应用

目前温差能发电的应用现状以闭式循环系统最为成熟，已达到商业化水准。但要提高发电效率，工质的性能是关键，虽然氨和R22较为理想，还需环保审视和评定。开式循环系统的难点在于低压汽轮机的效率太低。

热交换器的关键在于结构形式和材料。钛管虽然各方面性能好，但价格高。板式热交换器体积紧凑、传热佳且造价低，适宜采用。

采用洛伦兹循环的有机工质汽轮机适于在低温（20～22℃）下工作。它由两个与热源做无温差传热的多变过程和两个等熵过程组成，为变温条件下的理想循环，比卡诺循环更接近实际，使工质与热源温度变化保持最小温差。常采用氟利昂混合工质作为该系统的热载体。

海洋温差能发电尚存在下述若干技术难题，成为制约产业发展的瓶颈［14］。

热交换器表面容易附着海洋生物，使表面换热系数降低，严重降低整个系统的经济性。美国阿贡实验室发现，每天进行1h的间断加氯，可有效控制生物体附着。但这种方法对环境有一定影响。因此，仍有待于寻找更合适的方法。

冷水管问题：冷水管是海洋温差能发电技术发展所面临的极大挑战。因为海水温差仅20℃，要获得较大设计功率，需要大的冷、热海水流量。为了减少海水在管内流动的压头损失，管道直径必须选择得很大。

针对商业规模电站要求，美国、日本经过小型电站实验研究认为，大型电站的关键是解决低温差热源系统的转换效率。开式循环系统中低压汽轮机效率太低。另外，耐腐设备材料、自然条件、地理位置、发电站与负荷中心距离以及海洋风速、海浪、洋流等影响表面温度的因素都会对装置的整体效率和使用寿命带来直接影响。

由于工程难度较大，大部分电能消耗在抽水阶段，每千瓦投资成本约1万美元。若利用沿海电站的高温废水提高温差，或者与开发天然气水合物相结合，建大容量电站是可能的。