海洋熱能利用進展*

吳春旭，吳必軍，葉 寅

（1. 中國科學院廣州能源研究所，廣州 510640；2. 中國科學院大學，北京 100049）

海洋熱能利用進展*

吳春旭1,2，吳必軍1?，葉 寅1

（1. 中國科學院廣州能源研究所，廣州 510640；2. 中國科學院大學，北京 100049）

海洋熱能儲量巨大，隨時間變化相對穩(wěn)定，具有廣闊的開發(fā)利用前景。當前，海洋熱能利用技術主要包括海洋溫差能發(fā)電技術、海洋溫差能制淡技術以及海水源熱泵技術。發(fā)電技術要求海水溫差不小于 20℃，制淡技術要求海水溫差不小于 10℃，海水源熱泵技術則在不同緯度地區(qū)、不同季節(jié)均能應用。本文重點分析了海洋溫差能發(fā)電技術的3種循環(huán)方式，針對低溫差導致低發(fā)電效率的問題，提出了利用太陽輻射加熱溫海水以提高溫差和利用波浪能驅動泵以降低系統(tǒng)能耗兩種提高發(fā)電效率的方法。

海洋熱能；溫差發(fā)電；海水淡化；熱泵

0 引 言

海洋熱能是一種重要的海洋能，狹義的海洋熱能是指海洋溫差能，廣義的海洋熱能是指海水由于與環(huán)境在熱力學參數(shù)上（主要是溫度）存在差異而產(chǎn)生的可資利用的熱能。海洋熱能儲量巨大，其每年儲量的估算值約為4.4×1016kW·h[1]。目前對其利用的研究主要集中在海洋溫差能發(fā)電技術、海洋溫差能制淡技術以及海水源熱泵技術。海洋溫差發(fā)電越來越受到各國的重視，隨著發(fā)電系統(tǒng)凈輸出功和凈效率的提高，其應用前景更加廣闊；海洋溫差能制淡技術目前尚處試驗階段，降低海水輸送能耗、提高換熱器傳熱效率是該技術今后研究的重點；海水源熱泵技術的研究近些年來逐漸興起，已經(jīng)取得一定規(guī)模的應用，隨著水源、海水腐蝕和海生物附著等問題的解決，海水源熱泵技術必將得到更廣泛的應用。

1 海洋溫差能發(fā)電技術

海洋溫差發(fā)電技術的基本原理是：利用海洋表面的溫海水加熱某些低沸點工質并使之汽化，或通過降壓使海水汽化以驅動汽輪機發(fā)電；同時利用從深海提取的冷海水將做功后的乏汽冷凝，使之重新變?yōu)橐簯B(tài)，形成系統(tǒng)循環(huán)。按照現(xiàn)有技術，可以轉化為電力的海洋溫差能大約為10 000 (TW·h)/a，在多種海洋能資源中，其儲量僅次于波浪能[2]，能源密度最高[3]。此外，海洋溫差能隨時間變化相對穩(wěn)定，因此海洋溫差能發(fā)電技術有望為熱帶海島地區(qū)提供充足、穩(wěn)定的電力。

海洋溫差發(fā)電技術要求海水溫差達到 20℃以上[4]。海洋深層受太陽輻射影響較小，全球 800 m以下的海水溫度約為 4℃，因此海洋溫差能的資源分布主要取決于海水表層溫度。赤道附近海域吸收太陽輻射最多，海水表層年平均溫度可達 25℃～28℃，與深層海水的最大溫差可達24℃，是海洋溫差能資源蘊藏最為豐富的地區(qū)[5]。如圖 1所示，海洋溫差能廣泛分布在除了南美洲西岸海域以外的北緯20°到南緯20°之間的赤道地區(qū)，橫跨太平洋、大西洋及印度洋。研究表明，全球有98個國家和地區(qū)可從海洋溫差發(fā)電技術中受益[8]。

圖1 全球海洋熱能分布[6,7]Fig. 1 The global distribution of ocean thermal energy

1.1 海洋溫差能發(fā)電技術研究進展

1881年，法國人 Arsonval[9]提出了海洋溫差發(fā)電的概念。目前，根據(jù)所用工質及流程的不同，海洋溫差發(fā)電的主要方式有三種，即閉式循環(huán)系統(tǒng)、開式循環(huán)系統(tǒng)及混合式循環(huán)（見圖2），其中閉式循環(huán)系統(tǒng)最接近商業(yè)化應用。

1929年，Claude[10]在古巴建成了一座開式循環(huán)發(fā)電裝置，輸出功率為22 kW。由于設計上的缺陷，電廠自身的耗電量大于發(fā)電量，該裝置以失敗告終，但從實驗上證明了海洋溫差能發(fā)電的可行性。

開式循環(huán)又稱“閃蒸法”、擴容法或Claude循環(huán)。以海水為工質，表層溫海水在負壓的閃蒸器里迅速蒸發(fā)，所產(chǎn)生的濕飽和水蒸汽推動汽輪機旋轉，乏汽通過冷凝器時被深層冷海水冷卻，凝結成淡水后被排出，工質不循環(huán)使用。該系統(tǒng)的優(yōu)點是直接以溫海水為工作介質，無需海水與工質的熱交換，結構相對簡單；可獲得淡水。其缺點是系統(tǒng)處于負壓；汽輪機壓降較低、效率低、尺寸大；海水需要脫氣處理；由于只有不到 0.5%的溫海水變?yōu)檎羝鸞8]，因此必須泵送大量的溫海水，以產(chǎn)生足夠的蒸汽來推動巨大的低壓汽輪機，這限制了系統(tǒng)凈發(fā)電能力。

1989年中國科學院廣州能源研究完成了霧滴提升循環(huán)實驗研究，有效提升高度達21 m，并建造了兩座容量分別為10 W和60 W的開式循環(huán)試驗臺[11]。美國在夏威夷建成了210 kW的岸基開式循環(huán)OTEC電站，進行了發(fā)電并生產(chǎn)淡水[12]。

為了避免Claude建造的開式循環(huán)發(fā)電站遇到的能耗大于發(fā)電量的問題，1965年美國安德遜父子提出了以丙烷為工質的閉式循環(huán)系統(tǒng)[13]。

閉式循環(huán)又稱“中間介質法”。用低沸點物質如氨、氟里昂等作為工質，表層溫海水通過蒸發(fā)器時使內儲的液態(tài)工質蒸發(fā)變?yōu)闈耧柡驼羝⑼苿悠啓C旋轉，乏汽通過冷凝器時被深層冷海水冷凝成液體，再被工質泵送回蒸發(fā)器循環(huán)使用。該系統(tǒng)的優(yōu)點是裝置（特別是透平機組）尺寸大大縮?。皇褂玫头悬c工質，不存在不凝結氣體對系統(tǒng)的影響；系統(tǒng)容易進行工業(yè)放大。其缺點是海水與工質需要進行換熱，減小了可利用溫差；蒸發(fā)器和冷凝器體積增大，材料金屬耗量大，維護困難；不能產(chǎn)生淡水。

圖2 海洋溫差能發(fā)電朗肯循環(huán)系統(tǒng)Fig. 2 The Rankine cycle of OTEC

1979年，世界上第一個具有凈功率輸出OTEC裝置，名為“MINI-OTEC”的50 kW漂浮閉式循環(huán)OTEC電站在美國夏威夷建成[14]，這是海洋熱能利用歷史性的發(fā)展。1981年，東京電力公司在瑙魯建造全岸基閉式循環(huán)OTEC電站，發(fā)電功率為120 kW[15]。印度國家海洋技術所于2001年建造了1 MW的漂浮閉式循環(huán)OTEC電站[16]。我國國家海洋局第一海洋研究所于2012年成功建成了15 kW閉式溫差能發(fā)電裝置，填補了我國在此領域的空白[17]。

混合式循環(huán)同時含有開式循環(huán)和閉式循環(huán)。在開式循環(huán)系統(tǒng)中，溫海水閃蒸產(chǎn)生濕飽和水蒸汽，水蒸汽通過一個換熱器時凝結生成淡水；在另一側的閉式循環(huán)系統(tǒng)中，液態(tài)工質在水蒸汽冷凝釋放出來的潛熱加熱下發(fā)生汽化產(chǎn)生濕飽和蒸汽，驅動汽輪機，乏汽通過另一個熱交換器時被深層冷海水冷凝成液體，再被工質泵送回蒸發(fā)器循環(huán)使用。該系統(tǒng)綜合了開式和閉式循環(huán)系統(tǒng)的優(yōu)點，既可發(fā)電又可生產(chǎn)淡水。其缺點為系統(tǒng)較復雜，工程造價較高。

1982年，九州電力公司在鹿兒島縣德之島建立了岸基混合式循環(huán)OTEC電站，發(fā)電功率50 kW[18]。

以上三種循環(huán)都屬于朗肯循環(huán)，換熱由蒸發(fā)和冷凝兩部分構成，結構簡單可靠。由于OTEC系統(tǒng)溫差較小，朗肯循環(huán)熱效率僅約為3%[19,20]，考慮系統(tǒng)耗能和機械損失，發(fā)電效率僅約為1%。1981年，Kalina提出了以氨水混合物作為工質的 Kalina循環(huán)[21]。與朗肯循環(huán)相比，Kalina循環(huán)增加了一個分餾子系統(tǒng)，利用內部回熱技術將透平乏氣余熱用于分餾過程，提高了循環(huán)熱效率。通過改變混合工質成分濃度的方法使混合工質變溫蒸發(fā)，使得混合工質的氣化溫升曲線與熱源的溫降曲線更好地匹配，從而降低換熱過程中的不可逆損失。1994年，上原春男發(fā)明了以氨水混合物為工質的Uehara循環(huán)[22]。Uehara循環(huán)包括做功循環(huán)和分離/吸收循環(huán)，通過采用貧氨回熱和中間回熱技術，減少了循環(huán)過程中的熱量損失，其熱效率為4.97%[23]，比Kalina循環(huán)高1%～2%[24]。

1.2 海洋溫差能發(fā)電技術發(fā)展趨勢

海洋溫差較?。s 20℃），由卡諾定理可知其理想循環(huán)熱效率僅為約5%，并且系統(tǒng)中泵的耗功對系統(tǒng)凈發(fā)電能力限制較大。因此，提高系統(tǒng)發(fā)電效率和凈發(fā)電量是今后海洋溫差能發(fā)電技術研究的重點，相應要克服的技術難題如下：

（1）提高海水溫差，減少系統(tǒng)能耗。比如，利用太陽輻射加熱可提高溫海水溫度；利用波浪能驅動泵則可降低系統(tǒng)能耗。

（2）改進海洋溫差能熱力循環(huán)技術。現(xiàn)有的海洋溫差發(fā)電循環(huán)按循環(huán)熱效率升序排列依次為朗肯循環(huán)、Kalina循環(huán)和上原循環(huán)，與按系統(tǒng)的復雜性升序排列相同。由于以氨作為工質的閉式朗肯循環(huán)簡單可靠，易于工業(yè)放大，目前被廣泛采用。今后熱力循環(huán)技術改進的重點是協(xié)調兼顧循環(huán)系統(tǒng)可行性和發(fā)電效率。

（3）研制高效透平和換熱設備。氨透平作為海洋溫差能發(fā)電的關鍵設備，其相對內效率大小直接影響系統(tǒng)循環(huán)熱效率大小。因此對氨透平的優(yōu)化設計具有重要意義，其中包括葉輪設計、機械密封、內部結構設計和行星輪減速箱設計等。由于海水溫差較小，而可利用溫差大小直接決定系統(tǒng)循環(huán)熱效率大小和換熱器的面積，所以對高效換熱設備的研制極其重要。目前，海洋溫差發(fā)電裝置使用的換熱器主要有殼管式、板框式和板翹式3種。新研制的換熱器應具備防腐蝕和防生物附著功能，因為傳統(tǒng)的換熱器容易被海水腐蝕和海生物附著，導致其換熱效率大大降低。

（4）制作與敷設深水冷水管。商業(yè)規(guī)模電站冷水管直徑約為5 m，岸式系統(tǒng)要求冷水管長達2 000 m以獲得約 5℃的冷海水，這要求冷水管必須具有足夠的強度和良好的保溫性能。目前，冷水管的材料主要包括R-玻璃、高密度聚乙烯、玻璃纖維塑料和碳纖維化合物。

2 海洋溫差能制淡技術

目前，國內外對海洋溫差能利用的研究主要集中在發(fā)電上，海洋溫差能海水淡化僅作為海洋溫差能發(fā)電的副產(chǎn)品，海洋溫差能海水淡化技術的獨立研究較少。但由于化石能源和淡水資源的日益短缺，海洋溫差能海水淡化技術日益受到國內外專家學者的重視。海洋溫差能海水淡化技術的基本原理是：利用真空泵為海水淡化系統(tǒng)提供壓力約為2 kPa的工作環(huán)境，表層溫海水進入負壓閃蒸室后迅速蒸發(fā)為脫鹽蒸汽，脫鹽蒸汽通過冷凝器時被深層冷海水冷凝為脫鹽水。

與海洋溫差能發(fā)電技術相比，由于不需要推動巨大的汽輪機，在海洋溫差能制淡裝置中，閃蒸器和冷凝器之間的壓降較小，僅作為蒸汽流通的動力，相應的海水溫差不小于10℃即可滿足要求。這拓展了海洋溫差能技術應用的時間和空間范圍，即在冬季或中高緯度地區(qū)也能應用。

2.1 海洋溫差能制淡技術研究進展

國外學者對海洋溫差能海水淡化的研究較早。Muthunayagam[25]和 Kumar[26]等通過建立液滴閃蒸模型及試驗裝置從理論上證實了海洋溫差能海水淡化技術的可行性。其中 Muthunayagam等建立的海水淡化示范工程取得了較大進展。如圖3所示，該系統(tǒng)的最高鹽水溫度為 26℃～32℃，閃蒸壓力為（1.3～2.3）kPa，最大給水流量為1 000 L/h。在不同的最高鹽水溫度、閃蒸壓力和噴嘴高度下，系統(tǒng)進行了264次實驗，獲得的實驗結果與理論預測值基本符合，最高淡水產(chǎn)率為4%。

圖3 Muthunayagam的海水淡化系統(tǒng)Fig. 3 The desalination system of Muthunayagam

Mani等[26,27]也對海洋溫差能海水淡化技術進行了深入研究，實驗測量數(shù)據(jù)證實了系統(tǒng)的可行性，得出了淡水產(chǎn)量隨閃蒸器壓力增加和冷凝溫度的升高而降低，隨蒸發(fā)溫度的升高而提高的結論。

但由海洋溫差能低品位特性帶來的兩大難題降低了海洋溫差能海水淡化技術在經(jīng)濟上的可行性。第一，由于海洋溫差能能量密度小，為獲取足夠的能量，就必須抽取大量海水，從而造成較高的海水傳輸能耗；第二，表層海水與深層海水溫差較小，通常只有20℃～25℃，明顯低于常規(guī)海水淡化技術中所獲得的40℃以上的傳熱溫差，導致傳熱效率較低，傳熱面積較大。因此，海洋溫差能的低品位特性要求海洋溫差能海水淡化系統(tǒng)能耗較低，換熱器傳熱效率較高。

Kharabsheh等[28]率先提出了一種利用太陽能和海洋溫差能進行海水淡化的創(chuàng)新設計。隨后 Gude等[27]對該系統(tǒng)進行了改進，并進行了詳細的數(shù)學建模和分析。該系統(tǒng)主要有兩個創(chuàng)新點：一是引入吸收制冷系統(tǒng)，使其在海水淡化的同時起到制冷的作用，增加了整個系統(tǒng)的綜合經(jīng)濟效益；二是將蒸發(fā)室、冷凝器安裝在高于水平面約10 m處，利用水壓和大氣壓的平衡實現(xiàn)系統(tǒng)穩(wěn)定運行，減少了輸送能耗，海水泵主要克服管道阻力損失。

天津大學劉奕晴等[30]于 2004年對混合式海洋溫差能利用系統(tǒng)進行了理論研究，結果表明：溫海水先進入閃蒸器再進入蒸發(fā)器更有利于產(chǎn)出淡水；溫海水先進入蒸發(fā)器，熱能最大限度地被用于發(fā)電，因此更適用于發(fā)電。2007年，邵福喜等[31]對噴淋式閃蒸海水淡化進行了實驗研究，建立了計算不平衡溫差的經(jīng)驗關系式，并推導出了閃蒸率與不平衡溫差的關系式。

浙江大學李浩[32]和王昊等[33]參考Muthunayagam和Kharabsheh等的研究成果，建立了一種虹吸式海洋溫差能海水淡化工藝。通過虹吸效應減少海水輸送能耗，并通過利用較為高效的閃蒸冷凝設備提高了海洋溫差能的利用率。

青島理工大學周奇等[34]提出了結合海洋溫差能發(fā)電技術與低溫多效海水淡化技術的新型裝置。其優(yōu)點是在不影響發(fā)電效率的同時充分利用蒸汽潛熱；冷暖海水都是發(fā)電系統(tǒng)換熱器出口海水，不需額外消耗輸送功。周奇等[35]分別對銅光管和銅翅片管換熱器進行模擬和實驗，推導了淡水產(chǎn)率和系統(tǒng)效率的理論計算式，得出溫度與速度分布圖及換熱系數(shù)關系曲線。

2.2 海洋溫差能制淡技術發(fā)展趨勢

目前，海洋溫差能制淡技術主流研究方向仍是常規(guī)的海水淡化技術，如多級閃蒸、反滲透和多效蒸餾等方法。但常規(guī)技術往往存在高能耗、高費用和裝置不耐腐蝕等缺點。對于急需淡水但能源短缺的偏遠海島，海洋溫差能海水淡化技術具有良好的應用前景。

針對海洋溫差能的低品位屬性，減少海水輸送能耗、提高換熱器傳熱效率仍是今后海洋溫差能淡化技術研究的重點。對于缺乏電力的偏遠海島，應就地取材，研究利用波浪能驅動溫水泵、冷水泵和真空泵，以減少海洋溫差能海水淡化系統(tǒng)對電力的依賴。

3 海水源熱泵技術

國內外對海水源熱泵技術的研究和應用已進行了約30年。海水的熱容量較大，溫度變化較小，因此海水常作為大型熱泵系統(tǒng)的熱源或冷源。海水源熱泵空調系統(tǒng)通常由海水循環(huán)管路系統(tǒng)、水環(huán)熱泵系統(tǒng)和室內空調管路系統(tǒng)3部分組成，如圖4所示。海水源熱泵技術的基本原理是：冬季時，工質將海水中的熱能收集起來，借助壓縮機系統(tǒng)，通過消耗少量電能，給建筑物供暖；夏季時，工質將室內的熱能收集起來（室內制冷），借助壓縮機系統(tǒng)，通過消耗少量電能，向海水放熱。

圖4 海水源熱泵工作原理Fig. 4 The operating principle of seawater source heat pump

與海洋溫差能技術相比，海水源熱泵技術不受海水溫差的限制，因此在技術上不受時間和空間的限制。如表1所示，以青島附近海域為例，由于海水溫度與空氣環(huán)境溫度顯著不同，冬季的淺表或深層海水均可作為熱泵熱源，夏季深層海水可直接用來供冷，以提高熱泵系統(tǒng)的熱力學效率。

表1 青島附近海域的溫度變化[36]Table 1 The temperature variation of the sea near Qingdao

3.1 國外海水源熱泵研究和應用現(xiàn)狀

海水源熱泵技術在北歐國家的應用比較領先，其中，挪威和瑞典已經(jīng)達到規(guī)?；瘧玫某潭?，現(xiàn)在整個北歐有180多臺大型熱泵在運行[37]。

瑞典的 Vartan Ropsten是世界上最大的海水源熱泵供熱站，總裝機容量為180 MW，機組平穩(wěn)高效運行近 30年[38]。1984年，斯洛文尼亞的 Budva市建設了多功能太陽能耦合海水源熱泵系統(tǒng)，用于賓館的供熱、空調、生活熱水和游泳池[39]。1987年，挪威的 Stokmarknes醫(yī)院采用海水源熱泵實現(xiàn)冬季供熱，熱泵機組供熱能力為1.7 MW[40]。荷蘭海牙建立了海水源熱泵系統(tǒng)用于供暖和為居民提供生活熱水，實現(xiàn)了居民供暖和生活熱水的熱量全部來自海水，每年CO2排放量可減少50%[41]。希臘的薩洛尼卡機場建立了以海水和地熱相結合作為冷、熱源的熱泵系統(tǒng)實現(xiàn)建筑物的制冷和供暖[42]。美國、加拿大[43-47]等開展了海水制冷的理論和實驗研究，結果表明：利用溫度約為 7℃的深海水作為冷源的冷卻系統(tǒng)，能夠提高能源利用率；盡管采用海水制冷的空調系統(tǒng)能源運行費用很低，但是整個系統(tǒng)初投資很高，可以采用蓄熱技術和海水空調系統(tǒng)相結合，減少高峰期的運行費用。日本Nishikawatsu大學的研究人員發(fā)現(xiàn)：利用海水的潛熱作為熱泵系統(tǒng)的熱源能滿足室內溫度和相對濕度的要求；海水源熱泵系統(tǒng)用于供暖和制冷的能耗比燃油驅動的吸收式熱泵低19%，運行費用比空氣源熱泵低42%，CO2排放量減少50%[48,49]。

3.2 國內海水源熱泵研究和應用現(xiàn)狀

我國海水源熱泵技術的研究和發(fā)展主要集中在大連、青島、天津等北方沿海城市，近幾年，海水源熱泵技術在廈門得到應用。

2003年，天津科技大學的陳東等[50]研究證實了海水源熱泵技術在北方沿海城市的可行性。2004年，大窯灣礦石碼頭采用海水源熱泵系統(tǒng)實現(xiàn)供熱制冷。該項目為我國大中型海水源熱泵工程的應用提供了成功經(jīng)驗[51]。蘇立娟等[52,53]于2006年提出并分析了三種使用海水制冷熱泵系統(tǒng)的海水換熱方案：間接式強制對流換熱、直接式自然對流換熱和直接式強制對流換熱；2007年又提出并分析了兩級海水源熱泵的運行特性和能耗特點[54]。周修茹等[55]提出同時使用海水源熱泵連續(xù)運行和間歇運行兩種模式以解決冬季海水溫度接近冰點的問題。2008年青島奧帆委媒體中心采用了海水源熱泵空調系統(tǒng)，每年可節(jié)約運行資金12萬元[56]。山東青島理工大學胡松濤等[57,58]結合青島的海水條件，對海水源熱泵的應用進行了研究。大連理工大學端木琳等[59-66]結合大連的海水和地質情況，對海水源熱泵擴散問題、3E評價及海水源熱泵的節(jié)能判據(jù)進行了研究。天津大學由世俊、吳君華等，在天津自然海水資源條件下，研究了拋管式[67,68]、打井取水式[69]和防腐型海水源熱泵[37]。

3.3 海水源熱泵技術研究趨勢與黃海冷水團綜合利用

海水源熱泵技術在技術上已相當成熟，并在近幾年得到了廣泛應用，但海水源熱泵在運行過程中還存在一些亟待解決的難題：提高換熱器低溫差傳熱效率；發(fā)展冷海水、載冷介質絕熱傳輸技術；防止設備及管道被海水腐蝕和微生物附著；解決單機功率大、水源利用率高等難題。

在全世界海洋中緯度區(qū)域中，黃海冷水團是唯一具有淺水、低溫和規(guī)模宏大等特點的水域。黃海冷水團水體體積約為5×1012m3。夏季，5℃～8℃的冷海水位于距離黃海海岸約10 km的25 m深處，而對于一般海域，5℃～8℃的冷海水位于距離其海岸約300 km的800 m深處，這體現(xiàn)了黃海冷水團利用的優(yōu)越性。冬季，黃海海域有黃海暖流通過，此時的表面溫海水可作為區(qū)域供熱的熱源。

根據(jù)黃海溫差資源分布特征，考慮海水源熱泵系統(tǒng)和深水冷源系統(tǒng)的結合形式，在過渡季和夏季部分負荷時可以利用冷海水直接供冷，在峰值負荷時運行熱泵制冷；在冬季時切換部分閥門，熱泵按照供熱模式進行區(qū)域供熱。利用完后的冷海水可用于海珍品工廠化養(yǎng)殖。

4 結 語

海洋熱能儲量巨大，隨時間變化相對穩(wěn)定，其開發(fā)利用具有廣闊的前景。本文橫向對比了海洋熱能利用的3個領域對海水溫差的要求程度，縱向分析了各個領域的研究現(xiàn)狀、研究重點和發(fā)展趨勢。其中，重點分析了海洋溫差能發(fā)電技術的3種循環(huán)方式，針對低溫差導致低發(fā)電效率的問題，提出了利用太陽輻射加熱溫海水以提高溫差和利用波浪能驅動泵以降低系統(tǒng)能耗兩種提高發(fā)電效率的方法。

參考文獻：

[1] IPCC. Special report on renewable energy sources and climate change mitigation final release-working group III, mitigation of climate change[R]. Chapter 6 ocean energy, P12, 2011.

[2] IEA-OES. Policy report[R]. 2006.

[3] Wo1ff P W. Temperature difference resource[C]//Proe. 5th OTEC Conf, 1978, (3): 11-37.

[4] 顏希文. 地球上最大的太陽集熱器——海洋溫差能簡析[J]. 太陽能, 1998, (2): 8-9.

[5] 蘇佳純, 曾恒一, 肖剛, 等. 海洋溫差能發(fā)電技術研究現(xiàn)狀及在我國的發(fā)展前景[J]. 中國海上油氣, 2012, 24(4): 84-97.

[6] National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA), Office of Satellite Data Processing and Distribution (OSDPD), USA, Sea Surface Temperature Contour Charts[EB/OL]. 2011, Available from: http://www.osdpd.noaa.gov.

[7] MAKAI OCEAN ENGINEERING, Kailua, HI 96734, USA, Temperature Profile in the Tropics Typical for the World's Deep Oceans[EB/OL]. 2014. Available from: http://www.makai.com/pipelines/ac-pipelines.

[8] 劉旭東編譯. 來自海洋的能源——OTEC[J]. 世界科學, 1995, (5): 9-30.

[9] Arsonval J D. Revue Scientifique[M]. France: September, 1881.

[10] Claud G. Power from the tropical seas[J]. Mechanical Engineering, 1930, 52(12): 1039-1044.

[11] 李偉, 趙鎮(zhèn)南, 王迅, 等. 海洋溫差能發(fā)電技術的現(xiàn)狀與前景[J]. 海洋工程, 2004, 22(2): 105-108.

[12] Daniel T. A brief history of OTEC research at nelha[M]. Hawaii: Natural Energy Laboratory of Hawaii, 1999.

[13] 崔清晨. 海洋資源[M]. 商務印書館, 1981: 215-231.

[14] Robert L Waid. The Mini-OTEC test[J]. IEEE, 1979(6): 548-552.

[15] Saris E, Scholten W, Kerner D, et al. Overview of international ocean energy activities[C]//HI. Proc Int Conf Oc Energy Recovery, Honolulu: HI, 1989.

[16] Kobayashi H, Jitsuhara S, Uehara H. The present status and features of OTEC and recent aspects of thermal energy conversion technologies[C]//24th Meeting of the UJNR Marine Facilities Panel, Honolulu, HI, USA. 2004.

[17] 陳鳳云, 劉偉民, 彭景平. 海洋溫差能發(fā)電技術的發(fā)展與展望[J]. 綠色科技, 2012, (11): 246-248.

[18] Lennard D E. Ocean thermal energy conversion-past progress and future prospects[J]. Proceedings, 1987, (134): 621-623.

[19] Uehara H, Ikegami Y. Optimization of a Closed-Cycle OTEC System[J]. Journal of Solar Energy Engineering, 1990, 112(4): 247-256.

[20] Yamada N, Hoshi A, Ikegami Y. Thermal efficiency enhancement of Ocean Thermal Energy Conversion (OTEC) using solar thermal energy[C]//4th International Energy Conversion Engineering Conference and Exhibit, IECEC, San Diego, California, 2006.

[21] Kalina A I. Combined-cycle system with novel bottlming cycle[J]. Journal of Engineering for Gas Turbines and Power, 1984(106):737.

[22] Uehara H, Ikegami Y, Nishida T. Performance Analysis of OTEC System Using a Cycle with Absorption and Extraction Process[J]. Journal of the JSME, 1998, 64(624): 384-389.

[23] 劉偉明, 陳鳳云, 王義強, 等. 海洋溫差能閉式循環(huán)進展及新型循環(huán)系統(tǒng)研究[C]//中國可再生能源學會2011年學術年會論文(海洋能), 北京, 2011.

[24] Uehara H, Nakaoka T. Development and Prospective of Ocean Thermal Energy Conversion and Spray Flash Evaporator Destination[R]. Saga University, Saga, Japan. Viewed on December 3, 2007.

[25] Muthunayagam A E, Ramamurthi K, Paden J R. Low temperature flash vaporization for desalination[J]. Desalination, 2005, 180(1/3): 25-32.

[26] Kumar R S, Mani A. Kumaraswamy S. Experimental studies on desalination system for ocean thermal energy utilization[J]. Desalination, 2007, 207(1/3): 1-8.

[27] Kumar R S, Mani A, Kumaraswamy S. Utilisation of ocean thermal gradient for desalination[C]//International Conference on Coastal and Ocean Technology, 2003: 101-108.

[28] Kharabsheh S A, Goswami D Y. Theoretical Analysis of a Water Desalination System Using Low Grade Solar Heat[J]. Journal of Solar Energy Engineering, 2004, 126: 774-780.

[29] Gude V G, Nirmalakhandan N. Desalination Using Low-Grade Heat Sources[J]. Journal of Energy Engineering, 2008, 134: 95-101.

[30] 劉奕晴. 混合式海洋溫差能系統(tǒng)的理論研究[D]. 天津: 天津大學, 2006.

[31] 邵福喜. 噴淋式閃蒸海水淡化的實驗研究[D]. 天津:天津大學, 2007.

[32] 李浩. 海洋溫差能海水淡化工藝分析與實驗研究[D].杭州: 浙江大學, 2012.

[33] 王昊. 海洋溫差能海水淡化熱力學與驅動力研究[D].杭州: 浙江大學, 2014.

[34] 周奇, 張吉光, 劉偉民, 等. 一種新型海洋溫差能海水淡化裝置[J]. 青島理工大學學報, 2012, 33(2): 112-115.

[35] 周奇. 海洋溫差能海水淡化系統(tǒng)換熱器的研究[D]. 青島: 青島理工大學, 2011.

[36] 胡保亭, 張莉, 伍聯(lián)營. 海洋熱能的利用[J]. 海洋技術, 2004, 23(2): 96-102.

[37] 蔣爽, 李震, 端木琳, 等. 海水熱泵系統(tǒng)的應用及發(fā)展前景[J]. 節(jié)能與環(huán)保, 2005, (10): 11-14.

[38] 劉雪玲. 海水源熱泵系統(tǒng)相關設備傳熱研究[D]. 天津: 天津大學, 2011.

[39] Todorovic M S, Pejkovic S, Zenovic V. 3.5 MW seawater heat pump assisted multipurpose solar system's 25 years of operation[J]. ASHRAE Transactions, 2010, 117(1): 227-241.

[40] Ole R, Stokmarknes S. Heat pumps for climates: the heat pump in stokmarknes hospital, Norway[C]//15thIFHE CONGRESS. Edinborough, Scotland, 1998: 199-201.

[41] 俞潔. 用于海水源熱泵系統(tǒng)的拋管式換熱器優(yōu)化研究[D]. 天津: 天津大學, 2012.

[42] Dimitrios M, Constantine K. Use of Geothermal Energy and Seawater for Heating and Cooling of the New Terminal Building in the Airport of Thessaloniki[EB/OL]. http://geoheat.oit.edu/bulletin/bull24-3/art4.pdf. 2011-4-10.

[43] Emura T, Hamada T, Hirasawa R. Pumping of lowtemperature deep sea water for cooling of facilities on land[C]//Oceans' 83 Proceedings. San Francisco, USA, 1983: 871-875.

[44] IEA OECD. Seawater cooling system for buildings[M]. Canada: Department of Mines and Energy, 1992.

[45] Thore B. Heat sources-technology, economy and environment[J]. International Journal of Refrigeration, 2002, 25(4): 428-438.

[46] Kavanaugh S P. Design considerations for ground and water source heat pumps in southern climates[J]. ASHRAE Trans, 1989, 95 (1): 1139-1149.

[47] Parsons R A. ASHRAE Handbook-Heating, Ventilating, and Air-Conditioning Systems and Applications[M]. USA: ASHRAE Inc., 1987.

[48] Song Y H, Akashi Y. Effects of utilizing seawater as a cooling source system in a commercial complex[J]. Energy and Buildings, 2007, 39(10): 1080-1087.

[49] Okamoto S. A heat pump system with a latent heat storage utilizing seawater installed in an aquarium[J]. Energy and Buildings, 2006, 38(2): 121-128.

[50] 陳東, 謝繼紅, 李滿峰. 以海水為冷熱源的城市集中冷暖工程分析[J]. 天津輕工業(yè)學院學報, 2003, 28(2): 53-56.

[51] 龐偉. 海水源熱泵技術在港口建設中的應用[J]. 水運工程, 2007, 9: 141-145.

[52] 蘇立娟, 陳東, 師晉生, 等. 海水制冷熱泵系統(tǒng)的海水換熱方案分析[J]. 節(jié)能, 2006, 25(10): 11-13.

[53] 蘇立娟, 陳東, 師晉生. 間接式海水制冷熱泵系統(tǒng)的特性分析[J]. 化工裝備技術, 2007, 28(1): 37-41.

[54] 蘇立娟, 陳東, 謝繼紅, 等. 多級海水熱泵供熱系統(tǒng)的特性與應用分析[J]. 天津科技大學學報, 2007, 22(2): 54-57.

[55] 周修茹, 謝繼紅, 陳東, 等. 海水熱泵的冬季運行特性分析[J]. 能源工程, 2007, 2: 58-61.

[56] 于健, 袁永林, 張斌. 青島國際帆船中心媒體中心海水源熱泵綜合調試[J]. 青島理工大學學報, 2006, 27(6): 124-127.

[57] 張莉, 胡松濤. 海水作為熱泵系統(tǒng)冷熱源的研究[J].建筑熱能通風空調, 2006, 25(3): 34-38, 57.

[58] 胡松濤, 陳茂科, 郭瀟瀟, 等. 海水源熱泵與傳統(tǒng)空調系統(tǒng)能耗比較分析[J]. 青島理工大學學報, 2008, 29(2): 1-5.

[59] 蔣爽. 基于熱泵系統(tǒng)的海水熱擴散研究[D]. 大連: 大連理工大學, 2006.

[60] Zhen L, Duanmu L, Shu H W, et al. District cooling and heating with seawater as heat source and sink in Dalian, China[J]. Renewable Energy, 2007, 32(15): 2603-2616.

[61] 李震. 海水源熱泵區(qū)域供熱供冷系統(tǒng) 3E評價[D]. 大連: 大連理工大學, 2008.

[62] 舒海文, 端木琳, 朱穎心. 海水熱泵區(qū)域供熱的節(jié)能判斷及影響因素[J]. 哈爾濱工業(yè)大學學報, 2010, 42(12): 1995-1998.

[63] Shu H W, Lin D M, Li X L. Energy-saving judgment of electric-driven seawater source heat pump district heating system over boiler house district heating system[J]. Energy and Buildings, 2010, 42(6): 889-895.

[64] Shu H W, Lin D M, Li X L. Quasi-dynamic energysaving judgment of electric-driven seawater source heat pump district heating system over boiler house district heating system[J]. Energy and Buildings, 2010, 42(12): 2424-2430.

[65] Li X L, Lin D M, Shu H W. Optimal design of district heating and cooling pipe network of seawater-source heat pump[J]. Energy and Buildings, 2010, 42(1): 100-104.

[66] Shu H W, Lin D M, Zhang C H, et al. Study on the decision-making of district cooling and heating systems by means of value engineering[J]. Renewable Energy, 2010, 35(9): 1929-1939.

[67] 靳嬌. 海水源熱泵系統(tǒng)中海水-乙二醇溶液換熱器的研發(fā)[D]. 天津: 天津大學, 2008.

[68] 俞潔. 用于海水源熱泵系統(tǒng)的海水-乙二醇溶液拋管式換熱器設計[D]. 天津: 天津大學, 2009.

[69] 吳君華. 滲濾取水技術在海水源熱泵系統(tǒng)中的應用研究[D]. 天津: 天津大學, 2009.

A Review of Ocean Thermal Energy Utilization

WU Chun-xu1,2, WU Bi-jun1, YE Yin1
(1.Guangzhou Institute of Energy Conversion, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510640, China; 2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

With huge reserve and being relatively stable over time change, ocean thermal energy has broad exploitation and utilization prospects. Currently, ocean thermal energy utilization technologies mainly include ocean thermal energy conversion (OTEC) technology, ocean thermal energy seawater desalinization technology and seawater source heat pump technology. OTEC technology requires seawater temperature difference not to be less than 20oC, and ocean thermal energy seawater desalinization technology requires seawater temperature difference not to be less than 10oC, while seawater source heat pump technology can be applied in different latitude area and different seasons. This paper mainly analyzes three kinds of OTEC circles, in view of the low power generation efficiency caused by low temperature difference, putting forward two ways to improve the power generation efficiency: improving seawater temperature difference by using solar radiation to heat the warm seawater and reducing the system energy consumption by using the wave energy to drive pumps.

ocean thermal energy; ocean thermal energy conversion (OTEC); seawater desalinization; heat pump

TK521+.34；P743.4

A

10.3969/j.issn.2095-560X.2014.06.008

2095-560X（2014）06-0454-08

吳春旭（1988-），男，碩士，助理研究員，主要從事海洋熱能利用技術研究。

2014-08-06

2014-09-15

國家自然科學基金（51276185）

? 通信作者：吳必軍，E-mail：wubj@ms.giec.ac.cn

吳必軍（1965-），男，博士，研究員，主要從事海洋能轉換技術研究。

葉 寅（1986-），男，碩士，助理研究員，主要從事波浪能開發(fā)與利用。