通过利用温暖的海面水和寒冷的海底水之间的温差可以发电

海洋是世界上最大的太阳能收集器。按平均每天计算，6000万平方公里热带海洋所吸收的太阳辐射量等于约2500亿桶石油的含热量。即使在目前石油供过于求的情况下，几个国家继续在探索将这部分能量的零点几转换成电力的目标。该技术称作OTEC，——海洋热能转换（ocean thermal energy conversion）的缩写。如果多国系列的海洋热能转换装置将热带海洋表面水中作为热储存的＜0.1%的能量进行转换，则这些装置将至少可发电1400万兆瓦，它是美国目前发电能力的二十几倍。这项技术，同时也能提供淡水、冷冻、空调以及养鱼用的环境。

海洋热能转换系统中的热能源仅仅是温暖的海水。如何能使这种热能源发电呢？有两种方式：其中之一是，温暖的水使具有低沸点的运转液体蒸发。另一种方式为，海水本身在真空室内沸腾；通过降低压力，该室降低水的沸点。在每种情况内，最终产生的蒸汽传动一台涡轮机（或透平），进行发电。然后，从水下约600 ~ 1000米（取决于现场）处抽上来的冷水使工作液冷凝，以完成该循环。只要在温暖的上层水和水下深部水之间，存在摄氏约20度的温差，则基本上，能够产生有用的净电力。该装置可以安装在陆地，正好在近海，或者在可以从一处驶向另一处的船舶上。电可以送到电网或者在当地用来制造诸如甲醇、氢、精炼金属以及氨等产品。

两种海洋热能转换系统可以有效地发电，并且，最终可以商品化。其中之一（用低沸点液体的系统），以一种闭式循环运转，另一种（低压系统）以开式循环运转。在闭式循环运转中，工作液被放入该系统，并且，像冰箱中的工作液那样，继续再循环。在开式系统中，工作液是不断改变供应海水。

对于低沸点工作液的闭式循环的要求是诸如氨和氟利昂这样的液体。通过一台热交换器（蒸发器）来泵这种液体，在那里，使用通过温水管而泵入的温暖海水，来蒸发这种液体。蒸汽驱动连结在一台发电机上的涡轮机。

以低压从涡轮机排出的蒸汽通过第二个热交换器（冷凝器），该热交换器由通过冷水管从水下深部处泵上的水进行冷却。泵将冷凝的工作液送回到蒸发器中，以便重新开始循环。

在一台典型的开式循环系统中，工作液是温暖的海水。它在真空空中大幅度蒸发，产生低密度的蒸汽。人们可将该过程看作下列现象的发展，即，使水随着高度增加、在低温时蒸发。蒸汽室使得一台开式循环系统在相当于地表以上27和30公里之间的压力时进行运转。这种低温产生独特的问题，包括从海水产生溶解气体的倾向。由于气体不能被冷凝，因此，如果不连续地排除它们，则它们会使该系统不能运转。

在这种装置中，小于百分之五的进入的温水变成蒸汽。因此，必须通过该装置，泵大量的水，以便产生足够的蒸汽，使得大型低压涡轮机运转。为了完成这个循环，冷海水使蒸汽冷凝。冷凝可以通过下列两种途径完成：一是直接通过混合冷海水和蒸汽，二为间接地在一台表面冷凝器中完成。在这种冷凝器中，蒸汽和冷却剂（冷海水）由壁具体地分开：而热必须通过该壁加以传导，因此，该壁最好由金属制成，这是因为金属具有最佳的传热能力。用这种系统，冷凝的蒸汽无海水杂质，因此，这种运转还附加了生产脱盐水的优点。

从海洋开发热能的思想是由法国工程师Jacques Arsène d' Arsonval在一个多世纪以前提出的。他想象一种闭式循环系统，但是，从未对它试验过。1926年，他的朋友和学生Georges Claude已经因发明氖灯广告而出名，他坚持要使海洋热能转换的实现作为其终生目标。他研制了一台开式循环系统，并于1930年，在古巴北部的Matanzas湾对它进行了试验。虽然该系统发电22千瓦，但在运转中所消耗的电力要多于此数。如果Claude以高速通过他的冷水管（直径1.6米以及二公里长）来泵水，已经使用一台较大型涡轮机以及已经利用在古巴南部的圣地亚哥可以得到的较大温差（摄氏24度），则他可能已经纯发电多达二兆瓦。事实上，实验证明：可从水下700多米通过管子将冷水抽到水面，而摩擦损耗小。

Claude所作的第二个主要努力是浮动的开式循环装置，它安装在泊在巴西海岸的货船上。实验失败，原因是，在敷设管子的过程中，波浪毁坏了冷水管。Clande将其自己的积蓄投资到这些项目中去，他真正死于破产，并且，他关于用一台开式循环系统纯发电的目标也从未达到。

法国政府受到Claude工作的影响，持续几年研究开式循环系统。1956年，一个法国工作队设计了一个三兆瓦的装置，它将建在非洲西海岸上的Abidjan，在那里，温差为摄氏20度。由于各种原因，包括难于敷设冷水管（直径2.5米、4公里长），因此，未建该装置。

二十世纪七十年代的能源危机迫使美国以及其他几个国家认真地关心海洋热能转换系统。夏威夷州和洛克希德飞机公司在Dillingham公司的技术支援下，建造了小型海洋热能转换系统——第一台海洋热能转换装置，发电量为纯产出。它是个闭式循环系统，安装在离停泊在夏威夷群岛上Keahole点约二公里处的驳船上。该装置在四个月的期间内，最多运转十天，发电量：毛电量为50千瓦，净电量为15千瓦。

美国能源部在相同年代，监督海洋热能转换系统1号的建造工作，它是一个实验系统，安装在改装的美国海军油船的甲板上。研制该系统的目的为：试验商业规模的闭式循环热交换器，也试验一组由三根直径为1.2米的冷水管和所需的泵。这种运行产生明显的结果，证实了热交换器的正确性，并且证明：一台海洋热熊转控装置能够以低速“掠过”或通过热带水域进行运行。

稍后，东京电力公司和东芷公司（日本国际贸易和工业省在财政上支援百分之五十）在太平洋的瑙鲁岛国，建造了一个闭式循环装置。该装置以氟利昂为工作液，从1981年10月到1982年9月间歇地运行。发电量为100千瓦（其中35千瓦为净电力）。所有这些中试装置的研制目的是试验海洋热能转换系统，并且，没有期望它达到典型的商品化的海洋热能转换装置的净电力和毛电力之比。

虽然瑙鲁的运行是海洋热能转换系统最后一次野外试验，但是，关于海洋热能转换系统部件的工作正在持续进行。在美国，关于闭式循环系统的研究侧重于改进热交换器，预计其成本至少为一台闭式循环系统成本的百分之二十。该项工作包括努力减少海水腐蚀该装置，以及防止被海洋生物弄脏。

常用的闭式循环热交换器具有通常称作壳、管结构的东西。海水流过管子，而工作液在外壳内的管子周围蒸发或冷凝。为了增加效率，一个更为先进的板 - 翅片设计体现为一组平行板。这些板是如此排列，以致其中的一块板载海水，在其旁边的板载工作液，以及在整个装置中，就是如此排列。两板之间的翅片主要的作用是传热。

最初，钛被选作闭式循环热交换器用的材料，这是由于钛能耐腐蚀。然而，对于闭式循环海洋热能转换系统讲，这是一种成本高的选择方案，其原因为：所需材料量大。因此，最近，Argonne国家实验室采用经过改进的铜焊的铝热交换器，它们在冰箱中是普通的。试验建议：如果它们外涂一薄保护层，则它们在腐蚀的海洋环境中，寿命可达三十年或三十多年。铝制热交换器的成本应为钛制的约三分之一。

Argonne的工作人员已经发现：对于仅仅暴露在冷海水中的一台装置的部件讲，弄脏不是一个问题，因为在冷海水环境中，化学和生物反应缓慢地进行。至于温海水，该实验室的实验证实；弄脏可以通过间歇地（每天共计一小时）进行氯化加以控制。氯的水平大大低于目前由美国环境保护局所规定的标准。

这些结果迄今已用于闭式循环中试装置。正在制订诸如这种装置的几个装置的建造计划，其中国在夏威夷的装置，法国在Tahiti上的装置，荷兰在Bali的装置以及英国的浮动装置。每种情况中的问题已经得到财政资助。美国的预测为：一台要发电50兆瓦户装置成本为二亿到五亿五千万美元，这要取决于选址和元器件。这些估算值转换成每千瓦装机容量的成本为4000 ~ 11000美元，而每千瓦 - 小时的输电成本为5 ~ 14美分。[烧油电站（每桶石油20美元）的每千瓦小时输电成本为5.6美分]，一个海洋热能转换装置的投资费大大高于习用的蒸汽装置，以及在目前的经济气候下，资金不是随要随有的。

联邦政府也正在对有考开式循环系统，特别是，现在已经闻名的Claude循环——低压真空室技术，给予某些资助。尽管开式循环系统还没有像闭式循环系统那样发展得充分、但是，它们似乎至少有4个优点。第一，用海水作工作液，它们就可消除诸如氨和氟利昂之类的有毒液体污染海洋环境的可能性。第二，一台开式循环系统具有直接接触式热交换器，它们比闭式循环所需的热交换器更便宜，并且可能更有效。因此，开式循环装置在将海洋热能转换成电力的效率更高，并且，建造它们的成本较低。第三，直接接触式热交换器可由塑料制造，而不用金属；它们不易腐蚀，并且，在温暖的海水中，不易弄脏。最后，带有表面冷凝器的Claude循环系统可制脱盐水作为副产品。

同时，开式循环系统也出现了某些明显的技术问题。一是，涡轮机必须比闭式循环系统中的透平要大得多，这是由于低密度蒸汽。在低密度蒸汽中工作的大型涡轮机需要进一步的研究和开发。另一个问题是：开式循环系统必须为低密度系统提供平滑的流程，因此，真空室必须很大。可能存在的第三个问题是，从开式循环装置排出的脱气海水会改变附近水的化学性质。并且，反过来，影响那里的生物。

在过去五年期间，若干个研究工作者已在寻求开发或改进诸如蒸发器、冷凝器和涡轮机之类的关键性Claude循环部件。这项工作结果包括一台小型和简单的垂直管蒸发器以及一台直接接触式冷凝器，它由我们的机构，科罗拉多州Golden处的太阳能研究所进行研制。两项设备在运行时的压力损耗很小。

由于只有百分之零点五进入该装置的海水被转换成蒸汽，因此，该装置需要大量温水流入（每秒从2 ~ 4立方米水，相学于每分钟从31700 ~ 63400加仑的水）。泵如此多的水意味着：在温水回路中，压力损失要保持在最小值，以便保证电力的最大净产出。

为了有助于避免压力损失，垂直管蒸发器的进出口排列非常简单，从而可以使它容易地将蒸汽和用过的海水分割开。该蒸发器在一给定体积的水中所传热量要比商品化形式蒸发器的增加一个数量级。

这个开式循环装置的另一个特点影响它为蒸发所提供的表面两积量。快速蒸发（低压开式循环运行时的特征）只有在海水工作液的表面处产生。因此，蒸发必须'以这样的方式将水分开，以致提供一个大而连续更新的表面面积。新的蒸发器有效地将进入的海水同其一组垂直管分开。最终产生的液滴不仅互相碰撞，使水良好地混合，而且，当它们碰到位于管下的分离屏时，也分裂开。

关于冷凝器的工作已侧重于直接接触热交换器，它比表面冷凝器更有效，并且得到更高的电力产出。直接接触冷餐同快速蒸发非常相似。当冷海水非常均匀地通过冷凝器分布时，它工作效率极佳，使得废汽能够承J用尽可能多的液体表面面积。

—种直接接触冷凝器包括两个开口柱体，它们充填了冷却塔中典型使用的一种填料。这种材料使水均布整个冷凝器，并且，产生冷凝所需的液面面积。当蒸汽沿着同冷海水通过第一段冷凝器相同的方向运动时，大约百分之八十的蒸汽被冷凝。然后，余下的蒸汽，连同其他出现的任何未冷凝的气体被送入第二个柱体的底部，并且，沿着同海水方向相反的方向流过第二段。柱体顶部的废气系统清除掉不能冷凝的气体以及任何未能冷凝的蒸汽。

直接接触冷凝局限性为：它不能制脱盐水。为了得到脱盐水，该装置必须将冷凝的、脱盐的蒸汽同冷海水分离。该过程使它必须具有表面相当大的冷凝器。

带一台表面冷凝器的2兆瓦（净）开式循环装置每天能制备约4320立方米水（每分钟792加仑或者每天110万加仑）。如果淡水需求量未超过该装置的能力，则这种装置使用表面冷凝器和直接接触冷凝器。第二个直接接触冷凝器将在脱盐阶段后使用，以便集中不能冷凝的气体以及减小真空排气系统，从而，可以提高净电力和毛电力之比。

涡轮机可能是Claude糖环海洋热能转换系统中最重要的部件。它也是唯一要经过试验的部件。通过采用今天所用的最大蒸汽涡轮机（直径4.5米），并用于某些习用的发电系统的辅助的低压阶段。由于涡轮机数不可能使装置成本增加百分之十以上，因此，运行并联的几台涡轮机，使得电力的产出增加有限（法国关于Tahiti处20兆瓦装置的设计预计有4台这种装置）。

要建造一台尺寸较大的涡轮机的选择方案要求涡轮机技术有较大进展。西屋电气公司的工作人员已经得出结论：净发电量为100兆瓦的装置将需要一台直径为43.6米的涡轮机。这种涡轮机的长叶片上的应力将可能排除今天在低压涡轮机中所用的金属 - 合金叶片。纤维增强塑料可能会提供解决的办法；它们坚固，重量轻，并且易于被注塑成所需的复杂形状。西屋电气公司，先进比设计公司以及达拉华州立大学的工作人员已经研制了复合叶片，它像直升飞机的叶片长又细，又像习用的低压汽轮机叶片，非扭曲并且弯曲。

由联邦政府主持的研究工作指出：一台10兆瓦开式循环装置每千瓦净电力的成本约为7200美元。按照此价，则只有在石油价格比现在的油价高很多的情况下，它在太平洋岛屿的市场上，才有竞争力。然而，在加勒比海及其它缺水地区，从出售脱盐水的收入，即使在油价很低的情况下，也可使开式循环海洋热能转换系统有竞争力。法国和美国两个，组最近对两个可能的地址进行的两份经济和技术分析指出：净发电量为5 ~ 15兆瓦的小型Claude循环装置，不久，对于某些岛屿居民是可行的。

任何海洋热能转换系统的独具特点是冷水管，它为广阔和未经利用的海洋资源敞开了大门。冷水不仅有助于发电，而且含营养成分，它们是使大量浮游生物和藻类生存下去所需的，而这些生物又支持了生态系统中的动物生命。这种海洋深处水的自然上涌情况只有在大于百分之零点一的海洋产生，但是，它培育了世界上40%的鱼。由于海洋热能转换发电而抽上的冷水可以用来大规模海洋种植。水有很多其他用途，包括冷冻和空调。由于制造直径大于1米的管子以及将它们敷设到海面下1000米处都有困难，因此，这种很大的可能性尚未实现。在Claude先驱性实验以后的近四十年期间，所有关于制造和操作深水管的进一步努力失败了。然后，小型海洋热能转换系统和1型海洋热能转换系统却成功地敷设了由可弯曲的聚乙烯制成的管子，然而，这些管子比基于海岸的装置所需的管子要短。

1981年，在夏威夷岛的夏威夷国家能源实验室敷设了一根小，然而长的聚乙烯管（直径0.3米，长1.5公里）。今天，该管是世界唯一能从海洋深处以人工、连续提供冷水。因此，该实验室是这种资源的基本研究和开发中心，进行有关开式和闭式循环海洋热能转换系统的实验。为了向这些实验以及为附近的水产养殖商业企业供应更多的水，美国州和联邦政府以及私营企业正在同该实验室一起工作，安装一根新的聚乙烯管。其长度与现有管于大致相同，但是，直径为1米。几种其他管材，包括混凝土、钢、玻璃纤维增强塑料，弹胶物和复合物正在研究中。

安装大直径冷水管的一种方法是将它敷设在海底。过程是错综复杂的，并且困难，另一种方法是用几种方法中的任何一种，将浮管悬浮在海底上。法国关于Tahiti装置的计划是安装若干根固定电缆，它们将从海面的浮标吊到海底；管子将通过安装在电缆上的导轨进行移动。因此，该管子将能跨越近海大陆架和火山群岛典型的岩石露头的断续处。Tahiti装置的研制目的是将冷水资源用于多种情况：水产养殖，冷冻和脱盐。鉴于不少困难，法国政府面临对该装置进行资助，该装置甚至可能不会发出净电力。水和水产养殖在经济上似乎是比较有前途的。

在同夏威夷海洋热能转换系统活动有关的人士相信：商业水产养殖将为私营企业提供经济刺激，以便在不久的将来，开发一个海洋热能转换电厂。通过促进冷水管以及其他方面海洋热系统的发展，这些工作能够使得海洋热能转换技术达到成熟程度，到那时，石油变得昂贵或者稀有。

[Scientific American，1987年1月]