劉聰

我國是海洋大國，大陸海岸線18000 千米，島嶼眾多。據(jù)《全國海島資源綜合調(diào)查報告》，全國有淡水資源的海島約490 個。目前，大多數(shù)的海島能源供應(yīng)依靠從大陸運送。對海洋能的開發(fā)利用，可以促進海洋經(jīng)濟和海防建設(shè)，解決沿海和海島缺水少電的問題。而在幾種海洋能中，海洋溫差能優(yōu)勢明顯，在推動能源轉(zhuǎn)型、可持續(xù)發(fā)展、實現(xiàn)碳中和方面具有積極作用，是可持續(xù)能源中的隱藏寶石。

什么是海洋溫差能？

海洋溫差能屬于熱能的一種，它利用不同深度海水之間存在的溫度差來獲取能源。有研究表明，深層海水的溫度通常在5 ～ 7 攝氏度，而表層海水的溫度則會達到25 ～ 28 攝氏度。這樣的溫度差異為溫差能發(fā)電等應(yīng)用提供了基礎(chǔ)。

為什么不同深度的海水之間會有溫度差？

這是因為太陽光在海水中傳播時會不斷衰減。當一束太陽光照射到大海上，優(yōu)先接觸到太陽光輻射的表層海水會吸收更多的熱量。這些熱量也會向周圍傳遞，但逐漸遞減，較深的海水只能吸收到比較少的熱量。于是，在不同深度的海水之間就形成了溫度梯度。

近日，我國首套海洋漂浮式溫差能發(fā)電裝置成功完成海試，標志著我國海洋溫差能開發(fā)利用從陸地試驗向海上工程化應(yīng)用邁出了關(guān)鍵一步。那么，什么是海洋溫差能？怎樣用它來發(fā)電？會影響海洋環(huán)境嗎……讓我們走進海洋溫差能的魔法世界，了解利用海洋溫差能發(fā)電的奧秘。

怎樣利用溫差能發(fā)電

在回答這個問題之前，我們先來了解一下發(fā)電的原理：當一根導(dǎo)線或?qū)w在磁場中做切割磁感線運動時，會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，導(dǎo)體的機械能也就變成了電能，完成了發(fā)電過程。溫差能的作用，就是為以上過程中的機械運動提供能量來源。我們熟知的風(fēng)力、水力等發(fā)電過程，均是通過利用風(fēng)、水流等流體驅(qū)動渦輪機的轉(zhuǎn)動，促使磁感線的切割來發(fā)電。

海洋溫差能發(fā)電需要工作流體，我們喜歡稱它為工質(zhì)。工質(zhì)就像魔法師，可以將能量轉(zhuǎn)化為電力。目前，根據(jù)工質(zhì)的不同，海洋溫差能發(fā)電有三種類型的循環(huán)系統(tǒng)，分別是封閉式、開放式和混合式?，F(xiàn)在，讓我們走進這個魔法世界，看看這些工作流體是如何施展魔法的。

在封閉式循環(huán)系統(tǒng)中，表層溫暖的海水和工質(zhì)（如氨、丁烷、氟利昂等）一起被送入熱交換器。在這里，海水給工質(zhì)傳遞熱量，使它從液體變成氣體。這個過程就像是把魔法粉撒向空中，等待奇跡的發(fā)生。接下來，讓我們見證奇跡的時刻！這些工質(zhì)氣體推動渦輪發(fā)電機運轉(zhuǎn)，從而產(chǎn)生了電力。是不是很像魔法師揮舞魔法棒，無形的能量就轉(zhuǎn)化成了電？

完成工作的工質(zhì)乏氣該如何處理呢？它們會被導(dǎo)入冷凝裝置，與深層寒冷的海水進行熱交換。經(jīng)過這一過程，工質(zhì)又變回了液體。在整個循環(huán)中，工質(zhì)始終被封閉在系統(tǒng)中，沒有與外界發(fā)生物質(zhì)交換。這就好像是一個密封的瓶子，魔法粉始終在瓶子里，不會與外界任何物質(zhì)混合。

開放式循環(huán)是直接將表層溫海水作為工質(zhì)。首先，我們將表層海水導(dǎo)入一個真空狀態(tài)的蒸發(fā)器。就像是把溫暖的海水倒入一個魔法瓶中，期待發(fā)生奇跡。在真空狀態(tài)下，部分海水立即蒸發(fā)成水蒸氣。這個過程也被稱為“閃蒸”，就像是魔法瓶中的魔法粉瞬間釋放出來。接下來，這些水蒸氣被用來推動渦輪發(fā)電機運轉(zhuǎn)，從而產(chǎn)生電力。

完成工作的水蒸氣會被導(dǎo)入冷凝器，與深層寒冷的海水進行熱交換。在這個過程中，水蒸氣冷凝成水，排出或作為淡水收集。在整個循環(huán)過程中，每次做功后的水蒸氣不再參與到循環(huán)中，新的表層溫海水會源源不斷地流入系統(tǒng)，所以稱之為開放式循環(huán)。

混合式循環(huán)

綜合以上兩種循環(huán)方式，混合式循環(huán)應(yīng)運而生。它包括工質(zhì)為溫海水的開放式循環(huán)和工質(zhì)為低沸點液體的封閉式循環(huán)。具體循環(huán)過程是這樣的：

如何從深海將冷水取出來

利用海洋溫差能發(fā)電的難點在于如何從深海將冷水取出來?；谝陨蠋追N循環(huán)方式，海洋溫差能發(fā)電站目前主要采用兩種形式。

安裝在沿海地帶的岸基式發(fā)電站

通過鋪設(shè)較長的取水管獲取深層的冷海水，達到利用溫差能的目的。這種長距離深海管的設(shè)計、制造、鋪設(shè)和管理一直都是整個系統(tǒng)的技術(shù)難點。

浮動式發(fā)電站

有可移動的優(yōu)點，再加上其冷水管垂直懸掛即可，不需要沿著海床將管道延伸到更深海中，可以有效減少所使用管道的長度，也能減少沿程的熱量損失。同時，它還可以為海上牧場、海上采油基地以及船只供電，減少海底電纜鋪設(shè)的費用。我國這次進行的海洋漂浮式溫差能發(fā)電海試中，對于冷水管道的布設(shè)，技術(shù)人員首次采用了抱箍式的方式連接多節(jié)管道，成功達到了低沸點的預(yù)期目標。

Q：利用海洋溫差能發(fā)電對環(huán)境友好嗎？

A：海洋溫差能的開發(fā)利用過程對環(huán)境的影響，遠遠小于化石燃料等其他傳統(tǒng)能源，但是也會對海洋生態(tài)造成一定程度的破壞。例如利用冷水管從深海抽取上來的冷海水，如果未經(jīng)妥善處理就直接排入表層溫海水中，會致使深層海水中的營養(yǎng)鹽等物質(zhì)流入上層海水，改變那里的生態(tài)環(huán)境，甚至?xí)鸷Ｋ粻I養(yǎng)化。但如果能妥善處理用過的深層海水，不僅可以降低對環(huán)境的影響，還能產(chǎn)生其他經(jīng)濟效益。例如日本將深層海水用于制作海洋礦泉水、給建筑物降溫等，還從中提取貴重金屬鋰。這能給日本帶來每年大約25 億日元的收益呢！

海洋溫差能的吸睛亮點

傳統(tǒng)能源的使用導(dǎo)致的環(huán)境問題日益增多，我們對于能源的需求一直處于不斷上升的狀態(tài)。為了應(yīng)對和預(yù)防更大環(huán)境問題的產(chǎn)生，我們只能極力提高能源的利用率，或者開發(fā)新型的清潔能源。而海洋溫差能因其具有相對較大的儲量，且清潔、可再生、受晝夜或者季節(jié)影響較小以及不占用土地資源等優(yōu)勢，逐漸走進公眾的視野，成為國際社會普遍認可的具有開發(fā)價值和開發(fā)潛力的海洋資源。

你知道嗎？海洋溫差能其實并不是剛發(fā)現(xiàn)的。1930 年，古巴馬坦薩斯灣就已經(jīng)有海洋溫差能發(fā)電裝置的記載了。其利用表層27 攝氏度的溫海水與取水管提供的13 攝氏度的冷海水，成功實現(xiàn)了22 千瓦的發(fā)電功率。可惜這座發(fā)電站不久后被風(fēng)暴摧毀了。再加上當時還有很多技術(shù)難題有待破解，人們對海洋溫差能的研究也就不了了之。

現(xiàn)在，全球多個國家和地區(qū)競相開展對海洋溫差能轉(zhuǎn)換技術(shù)的開發(fā)，進行了大量的研究和試驗。例如，美國、日本、印度等國家已經(jīng)有一些示范項目正在運行或規(guī)劃中。同時，一些國際組織和企業(yè)也在積極推動海洋溫差能的開發(fā)利用。我國也在大力推進海洋溫差能發(fā)電裝置的研究。雖然目前對于海洋溫差能開發(fā)尚在初始階段，但隨著技術(shù)的進步、成本的降低以及政策的支持，海洋溫差能發(fā)電的規(guī)模化與商業(yè)化將會迎來更加寬廣的發(fā)展前景。