本文對(duì)溫差能開發(fā)利用技術(shù)進(jìn)展情況進(jìn)行了總結(jié)歸納，并對(duì)比了國內(nèi)外已建項(xiàng)目的技術(shù)特點(diǎn)，重點(diǎn)對(duì)近年來國外海洋溫差能開發(fā)利用技術(shù)最新進(jìn)展進(jìn)行總結(jié)，對(duì)海洋溫差能發(fā)展趨勢(shì)及前景進(jìn)行展望，并結(jié)合我國實(shí)際情況對(duì)我國開展海洋溫差能開發(fā)利用技術(shù)提出建議。
1 溫差能開發(fā)利用技術(shù)國外進(jìn)展
迄今為止以美、日、法等國為代表的發(fā)達(dá)國家對(duì)海洋溫差能開發(fā)利用技術(shù)開展了大量的研究工作，處于世界領(lǐng)先水平。通過資料及文獻(xiàn)的調(diào)研，2013年以后，溫差能的開發(fā)技術(shù)發(fā)展向著商業(yè)化目標(biāo)又邁進(jìn)了一步，主要進(jìn)展如下。
1.1 國外在建及運(yùn)行項(xiàng)目進(jìn)展
(1)日本沖繩縣50 kW海洋溫差能電站
2013年3月，沖繩縣久米島50 kW 海洋溫差能發(fā)電(Ocean Thermal Energy Conversion，OTEC)電站首次發(fā)電成功12。該溫差能電站由日本沖繩海洋深水研究院于2013 年建成，采用閉式朗肯循環(huán)，最大發(fā)電功率為50 kW，表層海水溫度為27℃，冷水源抽取612 m 深處海水，溫度為8.8℃，循環(huán)系統(tǒng)采用的是閉式系統(tǒng)，工質(zhì)為四氟乙烷(R134a)。
(2)美國夏威夷100 kW溫差能電站
以美國洛克希德·馬丁公司和馬凱公司為突出代表的公司多年來一直致力于海洋溫差能開發(fā)利用技術(shù)的研發(fā)，完成了大量的實(shí)驗(yàn)和測(cè)試，擁有多年的研究基礎(chǔ)和經(jīng)驗(yàn)。
2010年，馬凱公司在美國夏威夷自然能源實(shí)驗(yàn)室(NELHA)建成OTEC熱交換測(cè)試系統(tǒng)。2014年，安裝完成透平發(fā)電機(jī)及兩臺(tái)換熱器，建成100 kW OTEC示范電站。2015年8月試發(fā)電成功并連網(wǎng)。據(jù)報(bào)道，該電站耗資500萬美元建成，是目前世界上最大的利用可再生的清潔能源發(fā)電站，是全球第一個(gè)真正的閉式溫差能電站并成功并入美國國家電網(wǎng)。
整套發(fā)電系統(tǒng)形成高40 inch的塔狀，為今后在該島建造10 MW大型海水溫差發(fā)電站做準(zhǔn)備。該系統(tǒng)共有兩臺(tái)換熱器，每臺(tái)換熱器的熱負(fù)荷為2 MW。換熱器費(fèi)用約占總投資的30%。由于換熱系統(tǒng)是模塊化組件，因此可以進(jìn)行適當(dāng)?shù)男∫?guī)模測(cè)試。例如，原型換熱器的橫截面積為1 m2，高為2～8 m，需要設(shè)計(jì)海水流量為0.25 m3/s。氨工質(zhì)循環(huán)系統(tǒng)配有兩臺(tái)工質(zhì)循環(huán)泵和儲(chǔ)存罐。該裝置還可以通過海水流速、溫度差、氨流量測(cè)蒸發(fā)器和冷凝器的性能。
此外，NELHA可以提供98 m3的冷海水及相應(yīng)溫海水。深層海水通過620 m 深的40 inch海水管道或914 m 深的55 inch管道獲得(1 inch=25.4 mm)，約占總投資的10%。是全球可以提供深海水流量最大的實(shí)驗(yàn)室。
(3)法屬留尼汪島10 MW OTEC項(xiàng)目
法屬留尼汪島10 MW岸基式溫差能發(fā)電站，該項(xiàng)目由法國國有船舶制造集團(tuán)(以下簡稱DCNS)資助。2008年DCNS開始著手籌備，2009年4月 DCNS與留尼汪島區(qū)域政府第一次簽署可行性研究協(xié)議,同年10月第二次簽署合約確立了陸地和海上兩方面的實(shí)施方案，得到島上圣皮埃爾大學(xué)的技術(shù)支持。2010年2月15日，法國總統(tǒng)薩科奇訪問留尼汪島時(shí)指定該島為OTEC技術(shù)的示范及實(shí)驗(yàn)基地。2012 年，陸上的研制工作完成，從南特運(yùn)往海上組裝調(diào)試。2013年完成模型樣機(jī)的安裝，進(jìn)入測(cè)試階段。面臨的主要挑戰(zhàn)在于深海冷水管的固定，船舶在留尼汪島的拋錨情況，水泵管道的數(shù)值建模以及環(huán)境的考量研究等。目標(biāo)是在2030年擁有大功率的OTEC發(fā)電站組，總發(fā)電量將達(dá)到100～150 MW。
(a)樣機(jī)安裝2013年，法國DCNS公司在法屬留尼汪島成功建造并安裝一臺(tái)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)。采用岸式，以避免錨定、浮動(dòng)平臺(tái)l 000 m長柔性冷海水管等海洋工程相關(guān)問題。與10 MW OTEC電站比較，實(shí)驗(yàn)樣機(jī)為1/200的比例原型,目標(biāo)是產(chǎn)生15 kW等效功率。
但考慮到規(guī)模和成本原因，沒有安裝交流發(fā)電機(jī)，此外，受規(guī)模限制，這個(gè)岸基樣機(jī)不發(fā)電。冷源和熱源均由熱泵模擬，通過調(diào)節(jié)可以模擬全年的溫海水溫度，從23～28℃均可。而冷海水溫度通常相對(duì)穩(wěn)定，設(shè)置約為5℃。為了使樣機(jī)盡可能接近10 MW OTEC發(fā)電裝置，它們采用了相同的工作壓力。
(b)關(guān)于熱交換裝置用于樣機(jī)的換熱器尺寸為長3～4 m，用于電站的實(shí)際尺寸長達(dá)到12 m，直徑達(dá)4 m。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試顯示，板式蒸發(fā)器每平方米的換熱量大于管殼式蒸發(fā)器。板式蒸發(fā)器和管殼式蒸發(fā)器，兩者之間最重要的區(qū)別是氨的消耗量，板式蒸發(fā)器需要37 L且產(chǎn)生的凈發(fā)電量更多，而管殼式蒸發(fā)器需要270 L。盡管如此，板式蒸發(fā)器也具有一些缺點(diǎn)，如：實(shí)驗(yàn)導(dǎo)致沿程損失增加(海水泵消耗增加)、結(jié)垢問題、材料(鋁)腐蝕，添加隔板導(dǎo)致空間損失和成本提高。
考慮到以上缺點(diǎn)，還需對(duì)蒸發(fā)器及對(duì)應(yīng)水泵消耗做其他探索，并開展其他熱力循環(huán)形式的研究。研究人員提出的模型模擬方法可以用該實(shí)驗(yàn)樣機(jī)來驗(yàn)證。
(c)島上可再生能源項(xiàng)目分布
(d)熱經(jīng)濟(jì)分析對(duì)20 kW OTEC裝置進(jìn)行熱經(jīng)濟(jì)分析可以計(jì)算發(fā)電成本。一臺(tái)OTEC裝置產(chǎn)生20.1 kW，其中冷海水泵及暖海水泵耗能共10 kW，當(dāng)海水的單位成本為零時(shí)，發(fā)電成本約為0.363美元/kWh。20 kW OTEC裝置的單位成本估計(jì)值與l0 MW OTEC電站的單位成本0.44美/kWh相差不大。
如果溫海水用焚燒廠或太陽能熱電廠的廢熱水來代替，那么OTEC發(fā)電成本將隨著供應(yīng)的熱水的單位成本線性增加。對(duì)于某些地區(qū)，如有較穩(wěn)定的25℃溫海水，或有來自于發(fā)電廠冷凝器的溫排水，溫差能是經(jīng)濟(jì)上可行的可再生能源。對(duì)于規(guī)模較大的 OTEC電站，減少海水泵消耗(特別是深海水)對(duì)降低 OTEC發(fā)電成本、提高發(fā)電效率尤為重要。
1.2 國外規(guī)劃中項(xiàng)目最新進(jìn)展
海洋能溫差能開發(fā)利用技術(shù)作為未來海洋能發(fā)展的重要方向，近年來世界各國也紛紛通過廣泛開展國際交流和合作等方式加快該領(lǐng)域的迅速發(fā)展。
(1)法國船級(jí)社批準(zhǔn)韓國海洋溫差能轉(zhuǎn)換電站
2016年3月，國際領(lǐng)先的船級(jí)社，法國國際檢驗(yàn)集團(tuán)(簡稱BV)，首次原則上批準(zhǔn)韓國船舶與海洋工程研究院(簡稱KRISO)設(shè)計(jì)的1 MW 海洋溫差能發(fā)電站。該OTEC電站建造完成后，將安裝于南太平洋基里巴斯共和國南塔瓦海岸，形式為漂浮式，離岸安裝。
KRISO設(shè)計(jì)的1 MW 海洋熱能轉(zhuǎn)換電站，是首個(gè)可實(shí)用的此類電站，可為今后100 MW商業(yè)化電站建立鋪路的基礎(chǔ)電站。該電站為寬度35 m 的八邊形,有四層甲板，重6700 t，錨定在水深1300 m、離岸6 km的海面之處。冷水管長度l000 m、管徑1.2 m，將底層海水泵人平臺(tái)上使用。BV原則上的批準(zhǔn)，意味該設(shè)計(jì)是可行的，可以實(shí)現(xiàn)的，并且解決了在適合的海洋氣象條件下運(yùn)行的基本技術(shù)問題。BV的認(rèn)證工作包括海洋氣象/流體動(dòng)力學(xué)分析、系泊分析、穩(wěn)定性分析、立管設(shè)計(jì)和系統(tǒng)概念設(shè)計(jì)的驗(yàn)證等。
(2)印度海軍計(jì)劃建造OTEC電站，發(fā)展綠色能源
2015年，印度海軍計(jì)劃在安達(dá)曼-尼科巴群島，通過建立20 MW OTEC發(fā)電基地，為該生態(tài)島供電。安達(dá)曼-尼科巴群島是印度聯(lián)邦的海外聯(lián)合屬地，是安達(dá)曼群島、十度海峽和尼科巴群島的統(tǒng)稱，處于孟加拉灣與緬甸海之間，緬甸以南，距離印度大陸800 km。
發(fā)電將用于海軍設(shè)施和島上的空軍基地。DCNS集團(tuán)已經(jīng)完成了有關(guān)該離岸式OTEC電站部署的預(yù)可行性研究。該OTEC基地的建成，標(biāo)志著該島柴油發(fā)電的結(jié)束，開啟了依靠清潔可持續(xù)能源開展海軍行動(dòng)的新模式。
印度海軍熱衷于綠色能源。在最近一次的海軍參謀長招待會(huì)上展示了該OTEC基地的比例尺模型，這個(gè)模型曾經(jīng)也給總理莫迪展示過。
(3)馬提尼克島16 MW漂浮式溫差能項(xiàng)目(NEMO項(xiàng)目)
2015年，DCNS與Akuo能源公司合作，計(jì)劃在法屬馬提尼克島建造16 MW 漂浮式OTEC電站(以下簡稱NEMO項(xiàng)目)，該島位于加勒比熱帶海域。項(xiàng)目總體目標(biāo)是，2019-2020年完工，可供35 000戶家庭用電，實(shí)現(xiàn)孤島能源自給，滿足日益增長的馬提尼克島供能需求.NEMO項(xiàng)目得到法國當(dāng)局支持，總投資29.6億歐元，其中來自歐洲NER300基金7.2億歐元的資助。該試點(diǎn)還有海上風(fēng)能等其它形式的海洋能設(shè)施，進(jìn)行多能互補(bǔ)。
2016年2月，瑞典高分辨率海底測(cè)量供應(yīng)商 MMT和Reach Subsea，獲得NEMO項(xiàng)目的簽約合同，目的是測(cè)量該電站所在區(qū)域的地球物理和地質(zhì)環(huán)境，計(jì)劃在2016年第一季度的兩個(gè)月開展。MMT公司與Reach Subsea合作利用二代動(dòng)力定位系統(tǒng)“Stril Explorer'’號(hào)潛水器對(duì)熱帶水域的火山斜坡地質(zhì)進(jìn)行資源調(diào)查，該潛水器裝有水下機(jī)器人及與物探工作相關(guān)的配置。該電站的水下電纜通往加勒比海法屬馬提尼克島西海岸的貝爾方丹鎮(zhèn)。
(4)夏威夷計(jì)劃建造100 MW漂浮式溫差能電站
2015年，美國計(jì)劃在夏威夷建造一個(gè)100MW浮式溫差能電站.冷海水將從l000 m深處抽取，冷水管徑10m，水中的重量將超過2300 t。這樣的冷水管在海洋工程中前所未有，不過洛克希德.馬丁公司在海上的浮動(dòng)溫差能平臺(tái)上開發(fā)了一種制造這種玻璃纖維管的方法。面對(duì)的另一工程挑戰(zhàn)是如何將大型、靈活和精細(xì)的冷水管安全降低到海洋中，因?yàn)樗谄脚_(tái)的甲板上是逐段制造的。馬凱公司設(shè)計(jì)了完成這項(xiàng)任務(wù)的系統(tǒng)，并在碼頭建立并測(cè)試了一個(gè)1/20的比例模型用以研究。
OTEC有望作為一種可再生能源，以0.2美元/ kw.h的價(jià)格進(jìn)行商業(yè)化規(guī)模發(fā)電。一座單個(gè)的商業(yè)規(guī)模OTEC電站可節(jié)省130萬桶石油的燃燒，從而減少每年50萬t 的碳排量。不過，目前該技術(shù)還處于研究階段。105 kW 的OTEC電站供電只夠120戶家庭使用.這意味將需要12個(gè)商業(yè)級(jí)電站來滿足夏威夷100%的供電需求。
2 溫差能開發(fā)利用技術(shù)國內(nèi)進(jìn)展
國家海洋局第一海洋研究所多年來致力于該領(lǐng)域的研究，并獲得了大量研究成果。據(jù)最新報(bào)道。國家海洋局第一海洋研究所在國家海洋可再生能源專項(xiàng)資金支持下開展了“海洋溫差能開發(fā)利用技術(shù)研究與試驗(yàn)”項(xiàng)目，建立了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的熱力學(xué)模型，研建了海洋溫差能發(fā)電系統(tǒng)，成功地解決了密封、材質(zhì)等關(guān)鍵技術(shù)問題，該系統(tǒng)轉(zhuǎn)換效率達(dá)到了3%，最高達(dá)到3.8%，連續(xù)運(yùn)行時(shí)間超過了1 000 h。
中國海油自2016年開始開展海洋能溫差能開發(fā)利用技術(shù)研究，探索引進(jìn)國際先進(jìn)技術(shù)，開發(fā)我國海洋溫差能開發(fā)利用技術(shù)的可行性，為建設(shè)大型溫差能發(fā)電平臺(tái)提供技術(shù)決策支持。
3 總結(jié)及建議
3.1 進(jìn)展總結(jié)
綜上所述，近年來，越來越多國際知名研究機(jī)構(gòu)進(jìn)軍海洋溫差能產(chǎn)業(yè)，海洋溫差能產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程正在不斷加快。國外溫差能開發(fā)利用技術(shù)取得了實(shí)質(zhì)性進(jìn)展。這表明，實(shí)現(xiàn)利用溫差能為目標(biāo)用戶發(fā)電的偉大設(shè)想指日可待。
雖然海洋溫差能開發(fā)利用技術(shù)不斷突破，但其投資成本高仍是制約其發(fā)展的重要原因。現(xiàn)有熱交換器換熱效率及其在海洋環(huán)境中運(yùn)行可靠性較低，是制約海洋溫差發(fā)電高效換熱器發(fā)展的主要技術(shù)難題。海洋溫差能開發(fā)還存在一些技術(shù)難點(diǎn)，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：(1)熱機(jī)系統(tǒng)：溫差較低(一般20～25 0C左右)、系統(tǒng)循環(huán)熱效率不高(朗肯循環(huán)3%);(2)水管道系統(tǒng)：循環(huán)海水大流量導(dǎo)致海水管直徑大(4～10 m)、管道布置有難度;(3)泵系統(tǒng)：抽取深層冷海水所要求的水泵功率大(系統(tǒng)自耗主要原因)、海水管進(jìn)、出口對(duì)環(huán)境有影響;(4)換熱系統(tǒng)：蒸發(fā)器和冷凝器要求高耗資昂貴;(5)設(shè)備防腐蝕技術(shù)：防止海水腐蝕。
3.2 發(fā)展建議
我國溫差能開發(fā)利用技術(shù)尚處在溫差能發(fā)電裝置原理研究，雖然近些年有了一些進(jìn)展，但與國外該領(lǐng)域資深研究機(jī)構(gòu)相比，仍存在較大的差距。我國南海作為溫差能資源儲(chǔ)量豐富區(qū)域，居各類海洋能資源首位，具備良好的開發(fā)條件和開發(fā)前景。我國若希望成為我國溫差能開發(fā)利用的排頭兵，引進(jìn)消化吸收再創(chuàng)新是迅速掌握關(guān)鍵技術(shù)、占領(lǐng)制高點(diǎn)的最佳途徑。借鑒美國馬凱海洋工程公司和法國 DCNS公司的成功經(jīng)驗(yàn)和發(fā)展道路，通過與國外該技術(shù)領(lǐng)域的研究權(quán)威機(jī)構(gòu)廣泛合作，結(jié)合國內(nèi)海洋工程上豐富的經(jīng)驗(yàn)和自身優(yōu)勢(shì)，聯(lián)合開發(fā)，才能盡快實(shí)現(xiàn)溫差能發(fā)電的目標(biāo).
