浓差电池和浓差发电技术简介

常到海水里游泳的人,一定会感到它与在游泳池或江河湖泊的不同之处。首先会觉得你的身子比在游泳池里容易浮起来；其次,偶尔喝进一口海水,会觉得又咸又苦。这是为什么呢?原来海水中有溶解的大量盐类。海水的含盐量高,托起人体的浮力就大。

据测量,海水中各种盐类的总含量一般为3%～3.5%,科学家通过计算得知,在1km3的海水中,含有氯化钠2000多万t、氯化镁320万t、碳酸镁220万t、硫酸镁120万t等,整个海水中含有5×1016 t无机盐。

世界各地海水中的盐类量都是一样多的吗?不是的,蒸发量大的海域,海水中盐的浓度大；反之,降水量多,或河水流入的海域,海水中盐的浓度就小。因而在有些特殊的海域里,盐的浓度可以特别高。如亚洲与非洲交界处的红海,太阳辐射强烈,海水蒸发量很大,四周又都是沙漠,气温很高,降雨量又特别少,所以,那里的海水盐度就高达4%,甚至高达4.3%,成为世界盐度最大的海区。

有些海区的盐度又可能特别低,如降水和河流流入特别多的波罗的海北部的波的尼亚海,海水盐度降低到只有0.3%,甚至0.1%～0.2%,成为世界海洋里海水盐度最低的海区。我国海区的海水盐度,由于河流入海很多,所以平均盐度只有3.2%左右,有的海区甚至还要低。

在河流入海之处的淡水和海水交汇的地方,有显著的盐度差,海水盐度差能最丰富,是开发利用海水中化学能最理想的地方。在大气中,冷空气和暖空气之间有一个倾斜的交界峰面,密度大的冷空气在下方,密度小的暖空气在上方。淡水和盐水之间与大气相似,也有一个倾斜的交界面,盐水密度大,沉在下面,淡水密度小,浮在上面,盐水像人的舌头一样伸入到淡水下部,所以有“盐水舌”之称。盐水和淡水的交界面,是海水盐度差能粉墨登场的地方,只有在这里,深含于海水中的化学能才会显出能量来。

为什么盐水和淡水之间存在盐差能呢?海水中溶解有很多盐,盐溶在水里会电离成带正负电荷的两种离子,例如,氯化钠,就电离为带正电荷的钠离子和带负电荷的氯离子。如果海水和淡水隔着一层只允许水分子通过,而不让正负离子通过的半透膜,那么它们之间就会产生渗透现象,淡水向海水渗透,并且产生一个渗透压。

有人做过测定,温度20℃时,盐度为3.5%的标准海水,与纯淡水之间的渗透压高达2.48MPa,相当于256.2m水柱高或250m海水柱高。可见。渗透压是很大的压力。渗透压的大小与温度、浓度有关。温度越高,渗透压越大；浓度差越大,渗透压也越大。在海洋中,海水与淡水的盐度差最大,它们之间的渗透压也就越大。这就是为什么河流入海处海水和淡水交汇的地方是海水盐度差能蕴藏最丰富的地方。对海水盐度差能的利用,同其他海洋能的利用相比,它开发比较晚,成熟度比较低,但潜能很大。海水盐度差能利用的主要形式,仍是转化为电能来使用。(www.xing528.com)

目前海水盐度差发电主要有两种方式：一种是利用数百米水柱高的渗透压,使海水升高,然后获得海水从高处流向低处的势能来发电,这种发电的原理和能的转换方式与潮汐发电相同；另一种是化学能直接转换成电能的形式,也就是浓差电池(也称为渗透式电池)的形式。

人们设想中的浓差发电,就是利用渗透压发电装置来发电。那么,这是一个什么样的装置呢?设想把它装置在河口附近与海水的交汇出,全部装置由拦水坝、水压塔、半透膜、水轮机、发电机、海水导出管、海水补充泵、淡水导出管等部分组成。

渗透压发电大致的工作原理和过程：淡水和海水用半透膜隔开,淡水通过半透膜渗透到海水中,使海水在水压塔内升高,上升到一定高度,由海水导出管流出,这样具有一定势能的海水就推动水轮机转动,水轮机带动发电机发电。为了保持水压塔内的海水有较高的盐度,用海水补充泵补充海水,海水补充泵由水轮机带动。淡水导出管用来调节淡水量,将过剩的淡水排出,使淡水保持在一定的水位高度上。

渗透压发电装置发电量的大小,取决于海水导出管的流量大小和水位的高度。而流量大小又取决于淡水渗透过半透膜的速度。半透膜的面积越大,海水盐度越大。水压塔中的水压越小(即水位高度越小),淡水渗透的速度就越快。淡水渗透速度还与半透膜的性质有关,在其余条件相同的情况下,应采用渗透效率高的半透膜。发电装置输出的能量中,有一部分要消耗在装置本身上,如海水补充泵所消耗的能量、半透膜进行洗涤所消耗的能量。预计此装置的总效率可达25%,也就是说只要每秒能渗入1m3的淡水,就可以得到500kW的电力输出。

这一咸一淡浓差发电,要投入实际使用,尚需要解决许多困难。例如,要建设几千米或几十千米的拦水坝河,200多m高的水压塔,工程太浩大了。又如半透膜要承受2MPa的渗透压,难以制造；如果期望得到1万kW的电力输出,则需要4万m2的半透膜,无法制造。如果半透膜的高度为4m,那么它的长度就有10km,相应的拦水坝就要超过10km,投资将是十分惊人的。

海洋盐差能发电的设想是1939年由美国人首先提出来的。最先引起科学家浓厚兴趣的试验地点是位于以色列和约旦边界的死海。死海是世界最咸的湖,湖水比一般海水含盐量高5～6倍。每升海水含盐250g左右,110m深处可增至270g,水的密度特别大,人可以横躺在海面上而不会下沉。离死海不远的地中海比死海高出400m,如果把地中海和死海沟通,利用两个海面之间的高差,让地中海里的水向死海流动,在其流动过程中就可以发出电来。目前,一座沟通地中海和死海间的引水工程及建在死海边的试验性的发电站工程已经开始进行,一旦投入运行,该电站将能发出60万kW的电力。