海水温差发电技术解析

1926年11月15日,在法国法兰西科学院的大厅里,克劳德和布射罗当众进行了温差发电的试验。他们取来2只烧瓶,在其中一只烧瓶中装入28℃的温水,在另一只烧瓶中装入冰块,然后用导管和喷嘴把2个烧瓶连接起来,在导管内装了汽轮发电机,在发电机的输出端接了3只小电灯泡。当克劳德用真空泵抽出烧瓶内的空气时,不一会儿,28℃的温水在低压下沸腾了,蒸汽从喷嘴喷出,形成一股强劲的气流推动汽轮发电机转动。瞬时,3只小灯泡同时发出了光芒。从此,翻开了温差发电的第一页。

克劳德和布射罗接受记者采访时说：“热带海洋表层的水温通常在26～30℃,600m深处的海水稳定在4～6℃,如果把两层海水分别抽到蒸发器和冷凝器,用刚才试验的原理发电,我们将可以从海洋中取得无限的有效能源。”

但是在随后的十几年里,克劳德所进行的海水温差发电总因环境、地理、经济等多种原因搁浅,直至第二次世界大战,克劳德的将海水温差发电付诸实践的计划始终未能实现,但他的精神,对广大科学家产生了前所未有的启发和鼓舞。

第二次世界大战结束后,人们又开始沿着克劳德一系列试验的足迹继续迈进。

1948年,法国开始在非洲象牙海岸首都阿比让附近修造一座海水温差发电站,这是世界上第一座海水温差试验发电站。这里海水表层水温高达28℃,数百米深的海水温度仅有8℃,既可以在这里获得温差为20℃的冷热海水,又不必安装又长又深的冷水管道,所以这里的自然条件十分理想。

图5.2　海水温差发电开式循环流

世界上第一座海水温差试验发电站的发电原理,还是克劳德于1929—1930年试验时所采用的原理,表层高温海水用泵泵入蒸发器,高温海水在低压下蒸发,产生的水蒸气推动汽轮发电机发电,工作后的水蒸气沿着管道进入冷凝器,水蒸气被冷却凝结成水后排出。冷凝器内部不断用泵泵入深层冷海水,冷海水冷却了水蒸气后又回到海里。作为工作物质的海水,一次使用后就不再重复使用,工作物质与外界相通,所以称这样的循环为开式循环(图5.2)。

当时这座海水温差发电站,安装了两台为3500kW的发电机组,总功率为7000kW,它不但可以获得电能,而且还可以获得很多有用的副产品：其一,温海水在蒸发器内蒸发后所留下的浓缩水,可被用来提炼很多有用的化工产品；其二,水蒸气在冷凝器内冷却后可以得到大量的淡水。所以开式循环海水温差发电是一举两得。

不过,实践也证明,这种方式发电也有其弱点,阻碍了海水温差发电的发展。

在低温低压下海水的蒸汽压很低,为了使汽轮发电机能够在低压下正常运转,机组必须制造得十分庞大。例如,阿比让海水温差发电站的汽轮发电机组,它的功率只有3500kW,而汽轮机直径却有14m；开式循环的热效率很低,只有2%左右,为了减少损耗,不得不把各种装置和管道设计得很大,庞大的海水温差发电站,发电量却不大；开式循环需要耗用巨量的温海水和冷海水,它们都靠泵来泵入蒸发器各冷凝器内,同时为了保持蒸发器的低压状态,也要靠泵来抽空,因此电站发电量的1/4～1/3要消耗在系统本身的工作上；在海洋深处提取大量的冷海水,不但存在许多技术困难,而且要用大量的投资。

面对第一座海水温差发电站,即开式循环发电的阿比让电站的弱点,许多科学家立志对它进行改进,进一步完善它的发电原理。(www.xing528.com)

1964年,美国海洋热能发电的创始人安德森和他的儿子,在一次工程师会议上,首次公布了对海水温差发电的研究成果。他们提出了用低沸点液体(如丙烷和液态氨)作为工作介质,所产生的蒸汽作为工作流体的方案。这样可使蒸汽压提高数倍,发电装置体积变小。他们还提出,如果将整个发电装置安装在一个巨大的容器中,将容器锚系在大海中并潜沉到适当深度,就可以避免风暴的破坏,所生产的电能由海底电缆输送到陆地上。

由于安德森父子提出的低沸点工作介质是在一个闭合回路中循环使用,所以称这种温差发电方式为闭式循环。闭式循环虽然未能解决开式循环中所存在的各种困难,但克服了开式循环中最致命的弱点,所以此方案一经提出,就得到全世界的赞同和重视。海水温差发电闭式循环流程如图5.3所示。

图5.3　海水温差发电闭式循环流程图

闭式循环虽然比开式循环向前迈进了一步,但仍存在一些问题,例如,庞大的热交换器不但占去了电站全部投资的一半,而且直接影响整个装置效率的提高。又如闭式循环中的压力要比开式循环高,因而也就提高了对装置结构的要求。这些都是闭式循环中亟待解决的重大技术问题。虽然闭式循环并不完善,但还是逐渐取代了开式循环,成为目前海水温差发电的主要形式。

目前,科学家们又开始尝试将开式循环和闭式循环的优点结合在一起,制造一种混合循环方式。为了解决深海提取冷海水的种种困难,有的科学家设法与太阳能利用相结合,例如,把海水引进太阳能加温池加温；制造人工海水膜来提高表层海水的温度；也有科学家设想利用高山上的积雪来代替深层冷海水。这样,不仅不必到深层去提取冷海水,而且在温带海洋也有可能进行海水温差发电了。还有些科学家试图到冰封的极地去进行海水发电。在极地,冰层下海水温度在-1～3℃,而空气温度都在-20℃以下,它们的温差很大,但距离却很近,相距只有几米到几十米,如果利用它们的温差来发电,是再方便不过了。

不难看出,以上各种方案,发电原理都离不开克劳德的科学试验。有的科学家脱离克劳德实验方案,提出利用温差发电现象,进行海水温差发电的研究。温差发电现象就是指两种不同的导体(半导体),因两个接头的温度不同,而在两接头间产生电动势的现象。这一新设想,将给海水温差发电带来一场革命。

1979年5月29日,世界上第一座正式海水温差发电站在美国的夏威夷成功地投入工业发电,为岛上的居民、车站和码头供应照明用电。夏威夷岛在太平洋中部,地处北纬20°,附近海域的表层海水温度常年很高,冬季为24℃,夏季为28℃。在离岸只有1.2km的地方,水深400m处就可获得10℃的冷海水,水深800m处就有5℃的冷海水,为海水温差发电提供了优越的自然条件。总装机容量可达1000kW以上。

世界第一座海水温差发电站的建成和运行,不但证明了海水温差发电技术的可行性,提供了大量丰富的实践经验,同时还标志着海水温差发电已经开始从试验性发电转向规模性的开发利用阶段。

最近10～20年来,热衷于海水温差发电的科学家越来越多,而且目标越来越高。已经制定出的各种设计方案,如浮式、海底固定式,以及各种循环系统等都十分成熟可行。例如,美国洛克希德设计方案,装机容量达16万kW,整个装置半潜于海水中,总长450m,直径为75m,露出海面18m,用液态氨作为工作介质,用钛合金做热交换器的材料,整个装置耗用26万t混凝土,每千瓦造价2660美元,总投资4亿～5亿美元。

目前,世界上海水温差发电站的规模正在向大型化发展,例如,建造一座40万kW的温差发电站,其中仅冷却水管就是一个直径30m、长900m的庞然大物,宛如一座建筑面积为21万m2、高300层的摩天大楼。冷水管内的冷水抽取量将是30000m3/s,相当于长江入海流量的1/10。

今后海水温差发电量将大大增加,美国预计2020年海水温差发电的发电量将达到美国总发电量的10%。海水温差发电已经走过了100多年的崎岖历程,象征着成功的明星已经在太平洋上闪闪发光。