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1、温差也能发电温差也能发电叫冰箱叫冰箱“吐吐”电电利用海水的温差来发电，乍一听来你也许会觉得玄乎，因为人们过 去只听说过火力发电、水力发电、潮力发电、波力发电，或是原子能发 电发电都需要有动力，有了动力才能带动发电机组的运转。然而， 上下层海水之间存在着的温度差异毕竟不是动力，它能带动发电机吗？是的，温差的确不可能直接驱动发电机。可是，我们家中天天在用 的电冰箱，它居然比铁扇公主的芭蕉扇还利害，竟能在炎炎夏日，使冰 箱内外温度相差好几十度。在这里，用电造成了温差。那为什么就不能 反其道而行之，利用温差来发电呢？要解决这个问题，让我们先来看看冰箱是如何工作的：冰箱的电动 机先把电能变成机械能，再以
2、此为动力利用压缩机去压缩在常温下呈气 态的氟里昂或氨气等工作物质（简称工质），同时又用散热器将其在压 缩过程中所产生的热量散发出去，使之冷凝液化，然后又将这些液态的 氟里昂或氨气由很细的导管输入蒸发器，蒸发器中的导管突然膨大，液 态氟里昂或氨气的体积便也随之迅速膨胀又变为气体并骤然降温，大量 吸收周围的热量。于是，冰箱内的温度便可降到 0以下。这是用电能 产生温度差异的过程。要把上面这个过程倒过来，利用温差发出电来，在那么多环节中， 如何使温差转变成机械能是个关键的环节。因为人们不仅要找到恰当的 方式，研制出切实可行的机械装置去完成发电任务，而且还要先弄清楚 海水的温差究竟能不能用来发电。最大
3、的吸热库最大的吸热库海洋，是一个富有魅力、充满诗意的地方。它冬暖夏凉，气候宜人。 每到盛夏季节，酷暑难忍之时，就会有一批又一批的旅游者到海边来避 暑，来消夏。只要一踏上这儿的土地，便真会觉得暑气顿消。其实，凡 是海边或海岛，夏天都比较凉爽，海洋的确是个清凉世界。而到了冬天， 这里又比同纬度的内陆要暖和得多。人们把海洋比作地球上最大的吸热库，这话是有道理的。因为海洋 在一年之中气温变化很小，一天之中的气温变化也不大。在夏季或白天， 海水先吸收太阳辐射下来的热量，自身的温度便提高了，到了冬季或晚 上，气温比水温低时，海水的热量就释发出来。这样，一蓄一放，不停 地对气温起着调节作用。有人不禁要问，海
4、水的温度变化是如此的和缓， 温差又是如此的小，用它来发电，能有利用价值吗？有！原来，水的热容量很大，它吸热的本领很高，是有植被覆盖的 陆地的 1.11.2 倍，是泥土的 3 倍，花岗岩的 6 倍，空气的 3100 多倍。 因此海水即使吸收了比陆地多得多的热量，水温升高的幅度也不会很大。地球上海洋的面积很大，约占地球表面积的 71，就算地球上所有 陆地都长满了绿色植被，以海水吸热为其 1.2 倍计算，太阳射达地面的 热量就至少有 75以上是被海洋所吸收的。海水吸收了这些热量之后， 一部分用于海水蒸发，形成云、雨，成为地面河川的水力资源；一部分 便升高了水温，把热能贮藏起来，并造成空气流动，形成风
5、和波力资源。 据估计，地球上所有海水所含的温差热能相当于 40 亿亿吨标准煤的发热 量，若以每吨标准煤可发 4000 千瓦时电计算，则可发 16 万亿亿千 瓦时电，这相当于目前世界年发电总量 128 万亿千瓦时的 1000 多万 倍。就是地处南北纬 20之间面积只有 6000 万平方千米的热带海洋， 其海水上层温度可以升高到将近 30，据能量转换测算，这么多海水每 降低 1所放出的热量相当于 600 亿千瓦的发电容量。如果只用其中上 层水温为 30的水下降 23的温差来发电，那末其发电总容量就有约 1.4 万亿千瓦。一年可发电 1.3 亿亿千瓦时，超过了目前世界年发电总量 的 100 倍。可见
6、，利用海水温差发电完全是切实可行的。海洋中热能实际上来源于太阳，它是一种可以永续使用、不会枯竭 的再生能源。那么，如何通过降温的办法把它所贮藏的热能释放出来以 供使用呢？从理论上讲，要有 16.6以上温差才能发电，在实际应用中 要有 20以上的温差才有实用价值。在赤道两侧的热带海洋上层，海水 温度虽可以上升到将近 30，但用什么方法把它降到 10以下呢？在地 球两极附近，基本上被冰雪覆盖，又怎样获得温差呢？难道真要把南北 两极的冰雪搬到热带来发电吗？其实，大自然早就为我们准备好一个近在咫尺的绝无仅有的大冷库。天然大冷库天然大冷库这里所说的天然大冷库用不着到地球南极和北极去找，只要在海洋 的深层
7、就可汲取到与海水上层的温差大于 20的海水。这是因为水吸收 太阳长波辐射的本领特别好，而热传导的能力又极差。太阳辐射中的热 量主要是以长波形式射达地面的，波长为红色光谱以上的长波辐射，在 射入表层海水 1 米深时，就有 6068被吸收掉，再下去几米就被吸 收完，因此上层海水靠吸收太阳热辐射提高温度的水层最多只能有几米 深。即使在风浪的揽动、混合下，能达到和表面水温差不多的深度也不 过只有几十米。加上水的热传导能力极差，要使上下层之间的热量得到 传递，就只能靠上下层海水间的垂直对流。而这种对流只有在上层海水温度比下层低、密度比下层海水大时才能实现。在上层海水温度比下层 高，密度比下层低时，就不可
8、能发生垂直对流。因此在海水上层和下层 之间，要达到热交换是非常困难的。即使是在赤道两侧的热带海区，一到数十米以下，海水温度便会急 骤下降，这种降温直到一二百米深处才逐渐趋缓。到 500 米深时，海水 温度便可降至 57，在 900 米深处，水温便降到 5以下，到 2000 米 以下，就基本稳定在 2左右。于是，在海洋深部，就形成了一个庞大 的冰冷世界。这个庞大的天然大冷库简直就是专门为温差发电准备的。据海洋学 家调查，全世界海洋面积为 3.6 亿平方千米，所以海洋中深度在 500 米 以内的海水量最多只不过 15 亿亿吨，在整个海洋 175 亿亿吨海水中还不 到 10，其余 90以上的 160
9、 亿亿吨海水全是深度为 50011000 多米、 温度在 7以下的冷海水。这些海水是永远也用不完的，它完全可以成 为用以提取温差能源进行温差发电所必不可少的强大后盾。幻想终成现实幻想终成现实有了以太阳为后盾的再生热能来源，又找到了可以就地取材、满足 温差要求且取之不竭的冷源，温差发电便有了成功的可能。自从法国著名科学幻想小说家儒勒凡尔纳根据海水温差之中含有 可利用的热能这个原理，于 19 世纪首先在其名作海底两万里中提出， 可以直接用温度不同的海水发电驱动潜水艇以来，世界各国科学家们都 在致力于温差发电的方法和相应机械装置的研究。经过多年的努力。 1926 年 11 月 25 日，法国工程师克
10、劳德首先在实验室里研究出海洋温差 发电的办法。1929 年，克劳德又向实用化迈出了第一步，在地处热带的 古巴海湾上建成了世界上第一座海水温差发电的实验电站。此后，其他 各国多种多样的温差发电方案也就如同雨后春笋般地涌现出来。这些方 案虽然都能发出电来，但为了发电要使温差变成机械能时却耗用了更多 的电能，因而这些电站都不具有实用价值。直到 50 年后的 1979 年 8 月，美国在夏威夷岛建成了一座名为“浮 岛”的温差实验电站，世界上第一座具有实用价值的海水温差电站才真 正诞生，凡尔纳的幻想才终于真正得以实现。这座电站设在一艘驳船上， 装机容量有 50 千瓦。在年底发电试验时，实际发出电力虽然只
11、有 10 千 瓦，但它毕竟跨过了输出大于输入的转折点，使温差发电具有了现实意 义。此后，便以此为基础，进行了 1000 千瓦、40000 千瓦等一次次的扩 大试验和总体设计，使温差发电一步步迈入实用阶段。温差电站同潮力、波力电站或其他太阳能电站相比，能量来源稳定 可靠，不受时间和气候等条件的限制，且能就地提供海水化工、海底采 矿及冶金等海洋产业所需要的电能，促进海洋产业与海岛经济的发展。 特别是对于地域分散、远离大陆，像西沙群岛这样的一些边远海岛，海 洋资源丰富，地位又很重要，产业发展对电力的需求量大，用煤炭、石 油等常规能源来发电，运输不便且价格昂贵，而这里海洋上层水温能达 到 30的水层可
12、有 30 米左右深，温差发电很有条件。所以海水温差发 电不仅具有广阔、美好的前景，经济效益和社会效益高，而且对巩固海 疆国防也有着很重大的现实意义。同时，由于深海的海水往往含有更多 的营养成分，把这些海水抽上来作冷却水使用后排入上层海面，等于把 养分上扬，有利于浮游生物等的繁殖，丰富海域生态的基础食物链，对 生物资源的增殖和水产养殖很有好处。如何实现温差发电如何实现温差发电温差发电的办法很多，归纳起来可分为开式和闭式两大类。前一类方式是把吸收了太阳热能的上层温海水先送入真空室，使之 降压沸腾产生蒸汽，再用这种蒸汽来驱动发电机组运转，同时又从 500 米以下的海洋深处抽取 7以下的冷海水，使这些
13、用过的蒸汽冷凝降压， 形成保证发电机组运转的蒸汽压力差。这种直接用海水产生蒸汽，使机 组发电，用完后又排回海中的方式称为开式循环。法国工程师克劳德 1929 年建成的实验电站的工作方式就属于开式循环。利用开式循环发电 的机组结构较简单，零部件少，成本低，热交换器可用塑料制作，在海 水中耐腐蚀，还可同时生产蒸馏淡化水。但是由于真空室产生的蒸汽密 度小，压力低，制造真空还要消耗很大能量，能量的输出、输入比小， 抽水量也大，汽轮机体积要做得很大才能利用这压力不太高的蒸汽工作， 整机输出功率要有提高就有困难。另外，蒸汽冷凝水在排回海洋后又会 导致周围海域水文与生态环境发生变化。第二类方式是把丙烷、丙烯
14、、氨气或氟里昂等低沸点工质先注入蒸 发器，用上层温海水加热，无须抽真空就能使之气化，产生可以驱动机 组发电的蒸气。这个过程就相当于电冰箱以动力去压缩工质和用散热器 带走在压缩中产生的热并使其液化的反过程。此后，把压力和温度都已 降低了的蒸气导入冷凝器，用 500 米以下的冷海水冷却并经水下加压使 它重新变回液态，又送回蒸发器循环，如此不断工作就能不断发出电来。 这种靠工质产生的蒸气驱动气轮机组运转，用后又变回液态，在封闭回 路中反复循环的方式，称为闭式循环。这种方式整机组件较多、结构复 杂，成本较高，有些工质对海水有污染，但它小巧、紧凑，发电效率高， 利于提高整机输出功率。美国已制成的 200
15、 瓦温差电站模型，及尚在计 划、建设中的 215 万千瓦和更大型的温差电站就是以闭式循环方式工作 的。日本于 1974 年开始实施并取名为“月光计划”的海水温差发电系列 试验也是以闭式循环方式工作的。该项计划打算在 2000 年前后达到实用 化和向国内提供大型电源的目标。本世纪 80 年代初，在赤道线上的瑙鲁 岛建成了第一座 100 千瓦级的海水温差发电试验工厂，其实际发电功率 达到了 10 千瓦。第二年又在德文岛开发兴建了一座 50 千瓦级的混合型 的试验工厂，使用的是氟里昂-22 和氟里昂-12 混合工质，温差转变为电 能的转换率提高了一倍，输出功率也达到了 10 千瓦。后来，人们在一座
16、75 千瓦级的试验工厂中采用了平板热交换器，提 高了热交换率，大大减少了冷水抽水量和传动功率的消耗，也降低了其 他配件成本，加上计算机控制系统的使用，提高了效能，净电输出功率 达到了 50 千瓦。这样，一座 3000 千瓦级的温差电站，每千瓦时电的 发电成本就可以比柴油发电的电价还低，为温差发电的实用化铺平了道 路。最近，从事海洋热能转换发电事业 60 多年的安德森工程师创办了一 个名叫“海上太阳能公司”的企业，集其几十年的经验设计了一个效率很高的温差发电方案。它是以一种没有毒性、沸点只有 21.1的液态丙 烯作为工质，用热带海面 26.67的海水输入安装在水下 60 米深处的锅 炉中去，使液态丙烯蒸发产生蒸气。这些蒸气通过管道上升、驱动 12 台 安装在锅炉上方 10 米处水中的发电机组发电，从发电机组出来的废气进 入热交换器，通入从 900 米深处抽上来的 4.4冷海水。在此温度下， 丙烯气体又凝为液体，向下流回到锅炉中重复下一个循环。这些机体设 施都悬挂在一条不太大的船只下面，结构紧凑小巧，抗浪性
