海洋温差发电与深海水利用.docx

1、海洋温差发电与深海水利用海洋温差发电与深海水利用海洋是世界上最大的太阳能储存系統。如何抽取及转换其中部分的能源成为电力，为人类所梦寐以求的科技。这门科技称为海洋温差发电（ocean thermal-energy conversion,简称OTEC）我们只要转换热带海洋中储存热能的千分之一，即可发出140亿瓩的电力，約为世界目前裝置发电量的7倍。OTEC系統中，热能的来源即是海水表面的温海水。而发电的方法基本上有两种：第一种是利用温海水，将封闭循环系統中的低沸點工作流体（working fluid）蒸发：第二种則是温海水本身在真空室内沸騰。两种方法均产生蒸汽，由蒸汽再去推动渦轮机，即可发出电力。

2、发电后的蒸汽，可用温度很低的冷海水冷却，将之變回流体，因此構成一个循环。冷海水一般要自海平面以下6001,000公尺的深部抽取。一般温海水与冷海水的温差如在20以上，即可产生淨电力。自深海抽取的冷海水，不但温度低（一般在4、5之譜），而且無菌、又富營养分，有多种用途，如产製淡水、冷冻、空調、养殖、製藥等，可提高OTEC发电外的经济價值。这方面的应用称为深海水利用（deep ocean water applications，简称DOWA）。目前世界上发展OTEC技術的国家並不多，主要有美、法、日、英及我国。主要原因是拥有OTEC資源的地理区位係集中在热带及其鄰进地区。上述五国中只有台湾具有此种地

3、理條件，美国則局限在夏威夷地区，其他国家則需在南太平洋諸島嶼中尋找試验地区（見图一）。我国得天獨厚，具有发展OTEC資源的潛力，如果政府能積極資助研发，極有可能領先世界。海洋温差发电发展史最早想到利用海水温差来发电的，是法国物理學家A. dArsonval于1881年提出。但是最早在实验室内證实他的構想的，却是他的弟子克劳德（G. Claude）于1926年完成。随后于1931年，克劳德在古巴哈瓦那附进海岸建立陸上型开放式循环温差发电实验室，首次成功发出322kw的电力，一共運转10天。可惜，温差发电的出力還不足以驱动所有的泵。當時的結論是海洋温差发电無法产出淨电力。这結論要等到50年后方被推

4、翻。克劳德毫不退縮再度于1933年，嘗試在巴西外海120公里的海域，建立海上型温差发电室，设計容量为2MW。可惜因冷水管断裂而失敗。1948年他再提出Abidjan計畫，準备在非洲象牙海岸建立一个陸上型封闭式发电室，總电力为10MW，淨电力为7MW。但因经費沒有着落而功亏一篑。1973年秋世界发生第一次能源危机，世人方又重新燃起海洋温差发电的研究興趣。美国最早投入研究，日本于次年开始推动，法国則遲至1978年才又重新开始。经過数年的研究結果，美国于1979年首次在夏威夷證实海洋温差发电可发出淨电力，此即所謂MINI-OTEC計畫。这是个海上型封闭式循环的设計，總发电量50kw，淨电力为10kW

5、。日本人也于1981年在南太平洋的諾魯島（所羅门群島北方）建立一个陸上型封闭式实验电室，为該类型的世界第一座。它的總发电量为120kW，淨电力为31kW。此例證实海洋温差发电可以提供穩定的电源。美国进一步于1993年在夏威夷建立一座陸上型开放式循环海洋温差发电实验室，设計容量为210kW（見图二）。在本文撰寫時仍在試車中。它也是OTEC发展史中的一个里程碑，看到它的蒸发器噴水，以及渦轮机实際運转，確实令人興奮不已。我国雖無海洋温差实验电室，但台电公司于1980年起即开始注意海洋温差发电在台湾的可行性。为了解東部海域的地形及海水的物化性質，台电曾于1981年委託學術單位調查。又于1984年邀請美

6、国Giannotti Associates公司，研究東部海域海洋温差发电的可行性及电室概念设計。经济部能源委員會鑑于海洋温差发电可能成为我国重要的替代能源，乃于1988年委託美国太平洋国際高科技研究中心，從事海洋温差多目标利用規畫研究（简称MPOP計畫）。其目标在设計、建造及試验一个5MW的先导型实验电室，並将冷海水做养殖等多目标利用，以提高电室的经济效益。目前政府更进一步考慮设立商業化OTEC电室（例如设計容量为400MW的电室）的可行性。海洋温差发电的发展雖然有百年以上的歷史，但仍然有些關鍵性技術尚待突破，例如热交换器的材料、大口徑冷水管的製造与布设等。假以時日，海洋温差发电的商業化将可实

7、現。海洋温差发电原理温差来源太阳的輻射能照射到地球的大气层外圈，每平方公尺可以接收到1,353kW的能量，此数字称为太阳常数（solar constant）。如果将此常数乘上地球的截面積，則整个地球可以接收到1.731014kW的總能量。但这些總能量無法全被地球所接收，此因受到大气层的吸收作用以及地球表面的反射作用之故。表一顯示太阳輻射在不同季節到達不同緯度的海面之能量。海洋所吸收的太阳能量大約有一半散失于蒸发中，剩餘的一半則储存于海水内。被吸收的能量則以热能方式潛存于海水中。北半球海洋的热能收支（見图三），大約在赤道至北緯30之間的洋面，热能收支才是正值。此为海洋温差发电多集中于此帶的緣故。

8、就海水温度梯度言，大約可明顯地分成三层（見图四），由上而下分別称为表层、固定温降层及深层。表层的厚度一般不超過200公尺，此为储藏日照热能的地方。固定温降层位于表层之下，其温降曲線的形狀固定不變，而且海水温度随着深度而加速下降，直至深层，温度的下降方趨于緩和。以台湾東部海域为例，在北回歸線附进，表层温度約在2328之間，至1,000公尺深温度即降到4左右。温差发电方法海洋温差发电係利用海水的淺层与深层的温度差，及其温、冷不同热源，经過热交换器及渦轮机来发电。海洋温差发电大約可分为三种不同的系統：封闭式循环、开放式循环及混合式循环。封闭式循环系統係利用低沸點的工作流体作为媒体。其主要組件包括蒸发

9、器、冷凝器、渦轮机、工作流体泵以及温海水泵与冷海水泵（見图五）。因为工作流体係在封闭系統中循环，故称为封闭式循环系統。整个系統的工作原理可先從温海水开始看：當温海水泵将温海水抽起，並将其热源傳导給蒸发器内的工作流体，而使其蒸发。蒸发后的工作流体在渦轮机内絕热膨脹，並推动渦轮机的葉片而達到发电的目的。发电后的工作流体被导入冷凝器，並将其热量傳給抽自深层的冷海水，因而冷縮並且再恢又成液体，然后经循环泵打至蒸发器，形成一个循环。工作流体可以反覆循环使用，其种类有氨、丁烷、氟氯烷（freon）等密度大、蒸汽压力高的气体冷冻劑。目前以氨及氟氯烷22为最有可能的工作流体。封闭式循环系統之能源转换效率約在3

10、.33.5間。若扣除泵的能源消耗，則淨效率約在2.12.3間。开放式循环系統並不利用工作流体作为媒体，而直接使用温海水。首先将温海水导入真空狀態的蒸发器，使其部分蒸发，其蒸汽压力約只有3,000Pa（25），約相當于0.03大气压力而已。水蒸汽在低压渦轮机内进行絕热膨脹，作完功之后，即引入冷凝器，由冷海水冷却成液体。冷凝的方法有两种：一种是直接混入冷海水中，称为直接接觸冷凝；另外一种是使用表面冷凝器，不直接与冷海水接觸（見图五）。后者即是附帶产製淡水的方法。雖然开放式系統的能源转换效率较封闭式系統为高，但因低压渦轮机的效率不確定，以及水蒸汽之密度与压力均较低，故发电的裝置容量较小，不太適合于大

11、量发电。混合式循环系統与封闭式循环系統有些类似，唯一不同的是在蒸发器的部分。混合式系統的温海水係先经過閃現蒸发器（flash evaporator,一种使流体急速压縮，然后急速解压而产生沸騰蒸发的设备），使其中一部分转變为水蒸汽；随即将蒸汽导入第二个蒸发器（一种蒸发器与冷凝器的組合设备）。水蒸汽在此被冷却，並釋放潛能；此潛能再将低沸點的工作流体蒸发。工作流体于焉循环而構成一个封闭式系統。设計混合式发电系統的目的，在于避免温海水對热交换器所产生的生物附着。本系統在第二个蒸发器中還可以有淡水副产品的产出。同時，开放式发电系統的低容量缺點亦可獲得改善。海洋温差发电系統海洋温差发电系統基本上可分为三个

12、子系統，分別是动力系統、海水管路系統与室房基礎結構系統（見图五）。現在分別敘述如下：动力系統动力系統可再分为五个部分，即蒸发器、冷凝器、工作流体、渦轮发电机与泵。其类型、材料及性能，均需经深入考慮与设計。由于海水有腐蝕性，故封闭式系統的蒸发器与冷凝器（合称热交换器）均采用鈦合金材料，又重又貴。現在已研究使用鋁合金，壽命可達1520年，優點是質輕而且價錢可以省三分之二。海水管路系統海水管路系統是OTEC发电室很重要的一部分，其中尤以冷水管（CWP）最为重要，可以說是OTEC的技術關鍵所在。海水管路系統由三个組件組成，分別为取水用的温水管与冷水管以及排水用的排水管。選擇海水管路時需考慮海水管的材質

13、、大小、布设（deployment）与監測等。冷水管材質要求高強度、防腐蝕、低生物附着及極佳的絕热能力。前考慮的材料有鋼管、玻璃纖維管（FRP）、塑膠管、高密度聚乙烯（HDPE）管及水泥管等。冷水管的監測主要在確定它的水下位置及管壁的应力等。同時，在其进水口的位置亦可量測海水的温度与压力，以求热能的損耗。温水管用来取表层海水，長度较短，布设問題较少。排水管的布设則需考慮不能与表层的温海水混合（因为排水温度较海面水温为低），而且不能危害到海中的生態。一般它都布设于数百公尺深的地方。冷水管的布设是最棘手的部分。因为它尺寸大（5MW的电室約需直徑2.5公尺的水管）、長度長（海上型約需1,000公尺，

14、陸上型需数千公尺），在製造、強度、布放及維護上都需要仔細设計（見图六）。技術与经验是冷水管系統能夠成功的两个要件。基本上可以分成三段：进岸段（水深至15公尺）係将管子埋在明溝之内，以防波浪与海流的作用：中段（水深至100公尺）係用岩栓将管子繫在海床上，其繫留間隔大約36公尺；前段則只在該段的两个端點繫栓在海床上而已，其餘讓它懸浮，呈倒鏈狀。此种布设法的最大優點是節省布放時間，並可避开不規則的海床地形。室房基礎結構系統OTEC的室房基地可分为两种：设于陸地上的称为陸上型；设于海上的称为海上型（見图七）。陸上型室房所需的取水管長度较長，管子布放的困難度较高，而且受海底地形的影響较大。海上型室房則受

15、上述的限制较小，但甲板或浮台的穩定就很重要。深海水的多目标利用海水的温差除可利用热能转换的原理发出电力外，冷海水還有其他很多用途（見图八）。因为冷海水的營养分比表层海水豐富，而且無菌，例如台湾東海岸深层海水的溶解鹽类大約是表层的15倍以上（見表二）。此种高濃度的營养鹽类有助于海水养殖、製藥或生物科技的发展。发电過程中所产出的淡水也是一种很重要的副产品。冷海水的冷度可用于空調、冷藏或農業生产上。還有人提議将发出来的电，就在當场生产氨、氫、甲醇等，或用于提煉海水中的鈾、錳核或鋁等。OTEC电室甚至還有教育、觀光及遊憩方面的價值。無論如何，海水养殖、淡水生产及冷冻空調方面的经济效益，将會降低海洋温差

16、发电的成本，故在做经济分析時不宜忽略深海水的多目标利用價值。海洋温差发电在台湾的可行性基本上，台湾需要海洋温差能源係基于两項訴求：一、台湾缺乏自产能源，在民国八十年台湾地区自国外一共进口95的能源，而台湾東部海域却蘊藏着約3,000MW的海洋温差能源有待开发（註：八十年台湾的水力发电總裝置容量为2,570MW、火力为12,748MW、核能为5,144MW）。二、火力发电所产生的二氧化碳會造成环境污染及地球增温效应，而受到国際監督，所以不可能無限制增加火力发电容量。又核能发电雖不會产生二氧化碳，但在核能安全与核廢料處置上屢受民眾抗爭，要增加容量也不是易事。海洋温差发电因不會产生二氧化碳，而且無廢

17、料難題，所以在环保与经济发展的需求下，只有它能同時滿足此矛盾的需求。海洋温差发电为一种清潔的再生能源、無需燃料費、無廢料問題、不排放二氧化碳、全年、全日可用，而且它的可用量超過台湾地区的水力发电總裝置容量，也超過任何一座核能发电室的发电容量，因此未来它在台湾地区的能源供应上将占有重要的地位。台湾東部海域的海底地形陡峻，離岸不遠處水深即達1,000公尺（見图九及十）。其中以和平最进，大約只有3公里，樟原大約4公里。海水温差经年維持在20以上，而且沿岸還有黑潮暖流通過，有利于温差的提高。因此国際公認它为最具有开发OTEC潛力的地区之一。台湾电力公司于1983年委託美国Giannotti Assoc

18、iates公司，进行東部海域海洋温差发电可行性研究，曾獲得以下初步結論：一、海洋温差电室的设备組件雖極龐大，但以目前技術水準而言，製造与安裝应屬可行。二、以直徑10公尺的海水管路言，和平室址最適开发規模約为120MW，淨发电出力約为53MW；樟原室址最適开发規模約为144MW，淨出力为74MW。三、海洋温差发电目前在经济上尚無法与燃煤或煤油发电競爭，但若未来石油与煤炭價格年上漲率達6時，則東部海域温差发电于1990年代中期，即有开发效益。以上係就陸上型电室作規畫。若以海上型电室而言，根據東部海域的环境條件，估計每平方公里約可獲取0.35MW的能源；若建立一座400MW容量的商業化OTEC电室，

19、則需1,150平方公里的海域面積。基于上述估計，台湾東部海域可设立8座，其總裝置容量将達到3,200MW。無可諱言的，海洋温差发电在技術上仍存在一些不確定性，如大尺寸冷水管的技術，巨大型組件的製造、運搬与安裝等，都還沒有经验。同時，在经济上，海洋温差能源的價格目前尚難与傳統能源相競爭。但以前瞻性眼光来看，如一旦国際上的经济或政治发生變化或者能源短缺、戰爭禁運等情況发生，我们就不得不用東部海域的豐富資源。科技的需求海洋温差发电仍有一些關鍵性技術需要提升或建立，这些技術包括以下数項：一、电力系統（含热交换器）高性能热交换之特性研究；热交换效率之提高与裝置之小型化；热交换器之腐蝕、生物附着与耐久性能

20、研究；最佳鋁質材料之選擇；多段式吸收冷凝热交换裝置之设計与製作；OTEC系統之热質交换研究；封闭式循环之基礎試验：封闭式循环之全系統整合；开放式循环之基礎試验。二、海水系統（包括冷水管）取排水全系統研究；冷水管之材質与应力分析；冷水管模型試验与尺寸效应；取水口之流力研究；冷排水之擴散机制；冷水管之布放技術；OTEC之二氧化碳釋放研究。三、結構系統海洋結構体之力學研究；海洋結構体（如大型浮台）之设計；海洋結構体之繫留；潛水式海洋結構体之设計；海域結構之大地工程調查規範；水下作業研究；巨大結構体之製造、運送与安裝技術。四、环境OTEC裝置之环境影響評估綱領；OTEC裝置之監控系統；台湾東部海域基本

21、資料蒐集。美国在OTEC研究方面已花了新台幣62亿以上的经費；日本每年的研究经費大約是新台幣1,500萬之譜；我国在1992年也大約投下1,700萬元的研究与室址調查经費。这数目若与太空計畫或国科會其他大型計畫的預算相比，简直小巫見大巫。一个新興科技的興起，国家的大力支援是使它成熟的重要關鍵。美国在1960年代受到前蘇聯載人太空船首次发射成功的刺激，而大量投入人力与经費，急起直追，不出幾年即迎頭趕上，便是个很好的明證。海洋温差能源具有許多優點，它是一种清潔能源、不會釋放或僅釋放極少量的二氧化碳，無需燃料且来源幾無窮盡，沒有燃料的運輸、储存、燃燒、污染、廢料處理等問題；它還可产生許多有價值的副产

22、品，例如淡水、農漁养殖、冷冻、空調、冷藏和藥品等，因此，它又是一种極有價值的資源。海洋温差发电尚有正面的廣泛效益，包括环保、觀光与休閒事業、地域性之特色开发、技術提升与擴散並增加就業机會等。參考資料1.小林浩 海洋设施計畫设計日刊工業新聞社東京277頁19872.经济部能源委員會 中華民国八十年台湾能源統計年報 经济部能源會 台北市 288頁 19923. Giannotti Associates International, Inc., 1985, Feasibility study for OTEC power plants along the east coast of Taiwan, ROC.4. JAMSTA, 1989, Ocean energy systems：Report of ECOR International Working Group, 155pp.5. Lewis, L. F, J. Van Ryzin and L. Vega, 1988, Steep slope seawater supply pipeline, Proc. Am. Soc. Civil Engineers 21st Internl Conf. Coastal Engrg., Costa Del Malaga, Spain.潘国樑任職于工研院能源与資源研究所