海洋温差发电

海洋温差发电

Ocean Thermal Energy Conversion

邹荻凡（中国科大2010级001班）PB10000653

导言：在现代社会中，能源短缺成为社会的一大问题，就目前而言，人类已经发现了现在正在广泛使用的化石燃料能源已经面临用完的危机，并且也意识到了化石燃料大量使用而造成的环境不可逆转的污染，随着能源问题的日渐严峻，寻找一种安全，干净，高效的新型能源已经成为了全世界共同努力的目标。我们知道其实我们生活的环境中的能源是非常充裕的，但是问题就是，我们该如何去利用这些能源，换一句话说就是，我们该如何的将这些能源转化为我们可以直接利用的能源，温差发电就是一种比较好的选择。

一、 温差发电的原理

温差发电是利用两种连接起来的导电体或者半导体的塞贝克效应，将热能转化为电能的一种技术。有两种不同类型的半导体构成回路（图一）

（1）

当装臵的一段处于高温状态，另一端处于低温状态，就会在回路中形成电动势：

21()s T T εα=-

其中：1T 为低温端的温度，2T 为高温端的温度，s α为半导体热电材料的赛贝克系数。

而在实际的应用中将多个这种热电装臵串联起来，就可以构成一个热点转换模块，目前该商品已经面世。由Hi-z 公司生产的热电转换模块系列，该模块系列能在-20℃到300℃的范围内有效的进行热电转换，输出功率为2.5~19W ，负载电压为1.65~3.30V (2)。

二、 海水温差发电

1海洋温差能

温差能是指海洋表层海水和深层海水之间水温之差的热能。海洋是地球上一个巨大的太阳能集热和蓄热器。由太阳投射到地球表面的太阳能大部分被海水吸收，使海洋表层水温升高。赤道附近太阳直射多，

其海域的表层温度可达25～28℃，波斯湾和红海由于被炎热的陆地包围，其海面水温可达35℃。而在海洋深处50O～1000m处海水温度却只有3～6℃。这个垂直的温差就是一个可供利用的巨大能源。在大部分热带和亚热带海区，表层水温和1000m深处的水温相差20℃以上，这是热能转换所需的最小温差。

2、海洋温差发电原理

目前有封闭式循环系统、开放式循环系统、混合式循环系统等，其中以封闭式循环系统较成熟。

1、封闭式循环系统

图二：封闭式温差发电原理图

随着海水深度的变化，表层海水受到阳光照射，吸收能量而温度较高；而在海平面200米以下，阳光几乎无法到达，因此温度较低。海水深度越低，其温度也就越低。

海水温差发电时，需抽取表层温度较高的海水，使热交换机内的低沸点液体沸腾为蒸汽，然后推动发电机发电，再将其导入另一个交换机，使用深层海水将其冷却，如此完成一个循环。

2、开放式循环系统

图三：开放式温差发电原理图

将表层海水引入真空状态的蒸发槽中，因低压下水的沸点极低而沸腾为水蒸气，在引至凝结槽，以深层海水使之凝结成水。此过程中会在蒸发槽与凝结槽之间因压力差而形成蒸汽流，在其间加上涡轮机即可发电。另外，使用开放式循环系统发电会在凝结槽中形成淡水，可供使用，这是它的有利之处。

3、混合式循环系统

混合式循环系统综合封闭式循环系统和开放式循环系统，第一阶段使用封闭式循环系统，第二阶段使用开放式循环系统。

3、海洋温差发电站

利用海水表层（热源）和深层（冷源）之间的温度差发电的电站，叫海水温差发电站（图四）。早在１８８１年９月，巴黎生物物理学家德〃阿松瓦尔就提出利用海洋温差发电的设想。１９２６年１１月，法国科学院建立了一个实验温差发电站，证实了阿松瓦尔的设想。１９３０年，阿松瓦尔的学生克洛德在古巴附近的海中建造了一座海水温差发电站。１９６１年法国在西非海岸建成两座３５００千瓦的海水温差发电站。美国和瑞典于１９７９年在夏威夷群岛上共同建成装机容量为１０００千瓦的海水温差发电站（图五），美国还计划在２１世纪初建成一座１００万千瓦的海水温差发电装臵，以及利用墨西哥湾暖流的热能在东部沿海建立５００座海洋热能发电站，发电能力达２亿千瓦（3）。

图四：海洋温差发电站结构图

图五：一九七九年在夏威夷试验成功的海洋温差发电厂

4、海洋温差发电的效益

1、海洋发电的经济效益

发电效应因考虑建设成本，运行成本。因为海洋发电是一种清洁的可再生能源，因此它的运行成本很低，虽然建设成本比较高，但是这是一次性的投资，在一段时间后就会被减少的运行成本抵消。

图六：美国海水温差能发电于燃煤发电及核能发电比较（4）与一般的火力发电相比，最开始的发电成本还是火力发电厂的低，但是通过计算，在不到两年的时间，海水温差发电的经济效益就可以赶上火力发电，资料报道，印度公共电力部门从已经建成的海洋温差电站购买电力的价格仅为6.5美分/kWh(5)。

事实上，海水温差能是一种全面的资源系统其开发利用在商业上取得成功的关键是提高其综合经济效益。因此在积极提高海水温差能的发展，还可以提高其他方面的利用，例如海水淡化处理、海水养殖、建筑物空调、热带农业、氢氧的制造、重水采集等(6)。所以，海洋温差能的使用，不仅可以解决能源短缺问题，也可以改善自然环境促进海边的经济发展，这也是海洋温差发电的一种很大的经济效益。

2、环保效益

目前我国消耗大量的煤炭，石油，天然气等化石燃料，然而，这些化石燃料燃烧会带来很多环境的问题，例如大气与水资源的污染，大量的碳排放加重全球变暖以及厄尔尼诺现象，而我国每年用于处理污染带来的经济损失就达到近千亿元，其污染物的排放量与造成的经济损失见下图。

图七：2001年全国火力发电排放污染物及经济损失情况（7）

而对于海洋温差发电就不会造成这些问题，首先因为海洋温差发电仅仅是利用海水表层和底层的温差来发电，提供能量，从而它是一个绝对清洁的能源，不会对大气造成污染。因此，如果全球大力开展海洋温差发电，仅中国每年就可以减少大量的有毒气体以及碳排放，仅考虑可以治理的部分就可以减少近千亿元的损失。由于全球有71%的面积是被海洋所覆盖的，从而存在于海洋中的海洋温差能是非常巨大的，而且其来源稳定，不像风力发电，水力发电受到环境的影响。

但是海水温差发电对于海洋的生态环境还是会造成一定的影响，比如会表层海水的温度降低，影响到某些海洋生物的生活，并且发电站排出的但是如果不能完全的利用而排入海洋中，势必会影响到海洋中的含盐量，并影响到海洋上的大气。并且发电站将海底的丰富的营养盐带到海水表面，导致表层海水富营养化，也是一个目前无法解决的问题。

总结：对海洋温差发电及相关技术研究，是一项长期的高投资项目，近期内并不能指望有什么实际的效果，但是就未来的能源利用，以及其对于生态多样性，可持续发展，环境效益和长远的经济效应来看，海洋温差发电技术具有广阔的发展前景