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水世界蘊含的電力潛能——海洋溫差發電的歷史與技術

2002/12/05 經濟部能源局 點閱人次: 459

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▓撰文:林劭珍

地球70%以上的表面積,都被海洋所覆蓋,如能將廣大海洋中各項資源的豐富潛力,轉換成為能源利用,那將是再生能源發展的重要里程。

過去二、三十年間,由於石油價格一再往上攀升,全球石油儲存量逐漸減少,以及世界能源需求量逐年增加,使得再生能源的地位更形重要,其研究與開發工作也備受重視。海洋是再生能源的寶庫,也是世界上最大的太陽能儲存系統,如何抽取及轉換其中部份的能源成為電力,是人類所積極追求的科技。本文將針對海洋溫差發電(Ocean Thermal Energy Conversion;OTEC)的歷史與原理做一介紹,期盼使讀者對海洋溫差發電的科技,有更深一層的認識,並能對其相關的議題加以思考。

海洋溫差發電發展史

最早思考到以海洋溫差發電的是法國物理學家達森瓦(J. D'Arsonval),在1881年時所提出,他注意到熱帶地區海洋的表面水溫與深層水溫相差很大,並曾提議利用此一溫差使熱機運作。1926年,法國科學家克勞德(G. Claude)使用一座小型的實驗裝置,做出世界上第一個海水溫差發電的公開實驗,成功證實溫差發電的可行性。

1931年,克勞德在古巴海岸設置了一座陸上型開放式溫差發電實驗廠,但當時的結論是無法產生淨電力。克勞德毫不退縮於1933年在巴西外海建立一座海上型溫差發電廠,但因冷水管破裂而失敗。1948年,他再提出「亞必強」(Abidjan)計畫,進行各種基礎的研究及調查,包括了蒸發器、凝結器、取水管等方面,準備在非洲象牙海岸建立一座陸上型封閉式發電廠,但因海洋溫差發電與當時廉價化石燃料相較,顯得並不經濟,因此在法國海洋溫差發電的發展暫告一段落。

美國人安得森(J.H. Anderson)於1964年向美國專利局提出了「於天然水取得動力的方法及其裝置」發明專利的申請。這項發明為今日研究海水溫差發電的濫觴。1973年能源危機以後,海洋溫差發電的研究便蓬勃發展起來。美國於1979年在夏威夷外海,首次從海水溫差獲得淨電量。

日本人也在1981年在南太平洋的諾魯島建立一座陸上型封閉實驗電廠,為該型的世界第一座,可產生淨電力31kW,此例證明海水溫差發電可提供穩定的電源。美國進一步於1993年在夏威夷建立一座陸上型開放式海水溫差實驗發電廠,設計容量為210kW。目前世界上最積極研究海水溫差發電的有美國、法國、日本、瑞典等工業先進國家,而在波多黎各、法國、我國也正在研究規劃中。

<插入表一>

海洋溫差發電基本原理

所謂溫差發電,乃是利用海洋表層溫海水與深層低溫海水在熱交換器中,將溫海水所具有的熱能轉變為動能,推動渦輪產生電力。一般溫海水與冷海水的溫度差如在20℃以上,即可產生淨電量。因此表層海水若與1,000公尺下溫度差20℃左右,就有較佳的利用價值,在緯度30°N與30°S範圍內的海洋都符合這條件。

溫差發電的方法大約可分成封閉式循環、開放式循環及混合循環等三種系統。封閉式循環是利用沸點低的流體(如氨、丁烷、氟氯烷)做為媒體,工作原理是將溫海水抽起,將其熱源傳給蒸發器內的工作流體,蒸發後的工作流體在渦輪機內絕熱膨脹,並推動渦輪機的葉片達到發電的目的。發電後的工作流體被導入冷凝器,並將其熱量傳給抽自深層的低溫海水,工作流體因而冷縮恢復成液體,經循環泵打至蒸發器,形成一循環,工作流體可以重複使用。此種系統能源轉換較為穩定,但淨效率僅約2.1~2.3%。

開放式循環系統直接以溫海水為媒介,首先將溫海水導入真空狀態的蒸發器,使其部份蒸發,其蒸汽壓力約只有0.03大氣壓,水蒸氣在低壓渦輪機內進行絕熱膨脹,做功之後,引進冷凝器,由冷海水冷卻後成為液體。冷凝的方法有兩種:一種直接混入冷海水,為接觸冷凝;另一種不與冷海水接觸,為表面冷凝,附帶可產生淡水。此種系統能源轉換效率雖較封閉式系統來的高,但其低渦輪效率不確定,及水蒸氣密度、壓力均較低,故發電的容量裝置較小,不適合大量發電。

混合循環系統與封閉式循環系統有些類似,唯一不同的是在蒸發器的部份。混合式系統的海水先經過一個蒸發器,使其中一部份轉變為水蒸氣,隨即將蒸汽導入第二個蒸發器,水蒸氣在此被冷卻,並釋放潛能,此潛能再將低沸點的工作流體蒸發,工作流體在此構成一封閉的循環系統。混合式發電系統可避免溫海水對熱交換器所產生的生物附著,並在第二個蒸發器中有淡水產出,同時改善開放式系統低容量的缺點。

成為主角來日方長

我國四面環海,海洋就是得天獨厚的資源,實在不應該忽視海洋溫差發電的可能性與相關研究,但就現今的環境觀察,海洋溫差發電仍有許多的問題需要考量與評估,最明顯的就是在經濟層面著眼,開發成本與獲利能力之間的協調。在往後的篇幅中,筆者將就海洋溫差發電的優點、限制、我國發展的空間等方面,做另一方面的介紹。(本文作者為旭光中學生活科技教師)


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