■本报记者 廖洋 实习生 杨锡畅 赵燕
在寻找新能源的道路上，越来越多的科学家把目光投向了海洋。近年来，有关潮汐能、波浪能、海流及潮流能、海洋温差能和海洋盐度差能的研究屡见不鲜。
日前，记者从国家海洋局第一海洋研究所获悉，由该所刘伟民研究员承担的“十一五”国家科技支撑计划15千瓦温差能发电装置研究及试验项目日前通过验收。
15千瓦温差能发电系统成功运行，标志着我国海洋温差能发电进入了一个新阶段。
海洋里各种能源之首
经过长期观测计算，科学家发现到达水面的太阳辐射能大约有60％透射到1米的水深处，有18％可以到达海面以下10米深处，少量的太阳辐射能甚至可以透射到水下100米的深处。在低纬度海域，海水温度随水深而变化，一般深海区大致可以分为三层：第一层是从海面到深度约60米左右的地方，称为表层，该层海水一方面吸收着太阳的辐射能，一方面受到风浪的影响使海水互相混合，海水温度变化较小，约在25～27℃；第二层水深60～300米，海水温度随着深度加深急剧递减，温度变化较大，称为主要温跃层；第三层深度在300米以下，海水因为受到从极地流来的冷水的影响，温度降低到4℃左右。表层海水和深层海水之间存在着20℃以上的温差，是巨大的能量来源。
据测算，全球热带海洋的水温只要下降1℃，就能释放出1200亿千瓦的能量，实际上，海洋的温差能居于海洋里各种能源之首。
海水温差发电装置由两部分组成：一部分是构成发电循环的设备，如蒸发器、冷凝器、汽轮发电机、循环泵和辅助设备等；另一部分是海洋结构物，如海洋结构物主体、冷水取水设备、温水取水设备和电站定位设备等。海水温差发电一般是用氨或氟利昂等低沸点物质作为介质、吸收表层海水的热量而在蒸发器中蒸发成气体，出来推动汽轮发电机。做完功后的气体进入冷凝器，由深层海水冷凝，然后再由循环泵将介质送至蒸发器用表层海水使其蒸发，推动汽轮发电机发电。
四年建成实验基地
历时四年，刘伟民带领课题组，经过夜以继日的研究试验，终于圆满完成课题任务。
根据温差能循环发电装置的输出功率，课题组完成了温差能发电装置的设计。考虑到温差能利用的特殊性，课题组还搭建了多能互补独立电站系统和温差能海水淡化测试台。
课题组还成功研制了15千瓦微型氨透平（又被称为涡轮），根据温差能发电装置的技术需求，他们选择双机头透平，减少了单机头透平轴向推力对透平效率的影响。此外，课题组还对适用于海水温差能装置的低成本高效换热器进行了研发。
另外，根据装机容量设计温差能发电系统，课题组对系统运行过程中工质的进出口温度、压力值进行数值模拟和优化设计。经过研究试验，课题组完成了氨水热物性模拟、朗肯循环系统热力过程分析、上原循环热力过程分析以及新热力循环方式的研究。在上原循环研究的基础上，从节能的途径考虑，减少了一级循环泵，增加了一级热回收，使新的热力循环效率比上原循环效率得到了进一步的提高。
最后是系统运行工质的选择和系统可靠性设计。根据海水温差属于低焓差的特点，课题组首先确定了工质选择的标准，同时考虑到成本和清洁性，最终采用氨作为运行工质。在系统设计方面，考虑到系统的可靠性和安全性，课题组采取了泥沙过滤、氨液紧急排空系统、氨系统泄漏安全防护等措施。
经过不懈努力，课题组完成了任务并实现了研究目标。在课题完成的过程中共获得授权的发明专利2项和实用新型专利3项。课题组共发表论文13篇，EI收录6篇，其中英文论文5篇。科研组培养硕士5人，并建成了容量为15千瓦的海洋温差能实验基地。
有助于屯海戍疆
据介绍，该15千瓦海洋温差能发电系统的成功运行对于我国海洋温差能的开发有着重要的现实意义，有助于解决我国沿海岛屿用电问题。
我国温差能资源蕴藏量大，这些资源主要分布在南海海域，尤其是南海中部的西沙群岛海域，该海区具有日照强烈，温差大且稳定，全年可开发利用，冷水层与岸间距离小，近岸海底地形陡峻等优点，开发利用条件良好。由于海洋上下层温差较稳定，没有周期性波动，因此发电负荷稳定，同时温差发电系统可以放置在岸上，而不是建设在海洋中，因此抗台风能力较强，维修方便。
利用深层冷海水冷凝热海水的蒸汽产生冷凝水，系统运行过程中，不耗费其他能源，就能附带产出大量的冷凝水。冷凝的淡水可以用于生活及种植。温差能在能源供给的同时，还可以提供相应的居住和生产环境条件，特别适用于屯海戍疆的综合开发应用。
海洋温差能发电系统可以从海底抽吸大量的冷水，可以为海水养殖和大棚蔬菜种植提供营养物质和冷源。冷海水还可以作为冷源为日常工作、旅游和居住提供舒适的环境温度，另外，还可利用冷海水种植反季节蔬菜。深层冷海水富含生物质，因可与常温海水混合开展海水养殖，具有经济价值。因此，海洋温差能有着极高的发展利用前景。
刘伟民表示，研究取得了一系列成果，但尚有不足之处。因此，还需进一步提高发电规模和效率，并完善产学研联合机制，加速实现该系统的产业化进程。
《中国科学报》 (2012-12-18 第4版 综合)
