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第18章 层出不穷的新能源(3)

同样,在全国整个沿海地区和众多岛屿上,其他拥有局部可开发潮汐能源的地方还有很多,只要对当地有利,条件许可,就可以筹划建立电站。

此外,在长江口北部也蕴藏着很大的潮汐能源,据1981年上海有关部门调研计算,那里的装机容量可达80万千瓦,若采用先进技术年发电量可达26.4亿千瓦·时,相当于新安江和富春江两个水电站之和。

由此可见,潮汐能的利用在我们中国,其前景必定是无限开阔和光明灿烂的。

海水温差发电

海洋“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1.1-1.2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,那么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,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60%-68%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。即使在风浪的搅动、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5℃-7℃,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160亿亿吨海水全是深度为500-11000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。

温差发电

海水温差发电技术,是以海洋受太阳能加热的表层海水(25℃-28℃)作高温热源,而以500米-1000米深处的海水(4℃-7℃)作低温热源,用热机组成的热力循环系统进行发电的技术。从高温热源到低温热源,可能获得总温差15℃-20℃左右的有效能量。最终可能获得具有工程意义的11℃温差的能量。

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、氨气或氟利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汽化,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汽轮机组运转,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。上世纪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,使用的是氟里氟利昂-22和氟利昂-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,抗浪性好,重量轻,造价也不高。

安德森的方案得到了印度尼西亚政府的支持,他们准备投巨资兴建一座功率为10万千瓦的海水温差电站。估计它的发电成本只有目前第三世界许多岛国的平均电价一半还不到。

目前,海水温差发电已将成为一种切实可行的无污染、无温室效应,又能永续使用的再生能源的新形式。