溫差能是指海洋表層海水和深層海水之間的溫差儲存的熱能，利用這種熱能可以實現熱力迴圈併發電，此外，系統發電的同時還可生產淡水、提供空調冷源等。
溫差熱發電技術是一種利用高、低溫熱源之間的溫差，採用低沸點工作流體作為迴圈工質，在朗肯迴圈(Rankine Cycle，RC)基礎上，用高溫熱源加熱並蒸發迴圈工質產生的蒸汽推動透平發電的技術，其主要元件包括蒸發器、冷凝器、渦輪機以及工作流體泵。
1.溫差能發電系統的分類
海洋溫差能熱電轉換(OTEC，Ocean Thermal Energy Conversion)主要依靠熱力迴圈系統完成，其基本原理是利用海洋表面的溫海水加熱低沸點工質並使之汽化以驅動汽輪機發電。溫差能發電系統按照工質和流程的不同可以分為開式朗肯迴圈(Open Rankine Cycle)、閉式朗肯迴圈(Closed Rankine Cycle)和混合式朗肯迴圈(Hybrid Rankine Cycle)三種方式。
(1)開式朗肯迴圈
開式迴圈採用表層溫海水作為工質，當溫海水進入真空室後，低壓使之發生閃蒸，產生蒸汽；該蒸汽膨脹，驅動低壓汽輪機轉動，產生動力，驅動發電機發電。做功後的蒸汽經冷海水降溫而冷凝，減小了汽輪機背後的壓力(這是保證汽輪機工作的條件)，同時產生淡水。開始迴圈的優點在於產生電力的同時還產生淡水，缺點是用海水作為工質，沸點高，汽輪機工作壓力低，導致汽輪機尺寸大，機械能損耗大，單位功率的材料佔用大等。閉式迴圈以氨等低沸點物質作為工質，溫海水透過熱交換器加熱工質使其蒸發，蒸發產生的不飽和蒸汽膨脹，驅動汽輪機產生動力，從而驅動發電機發電；做功後的蒸汽進入另一個熱交換器，由冷海水降溫而冷凝，減小了汽輪機背後的壓力，冷凝後的工質泵送至蒸發器開始下一迴圈。
圖1 開式朗肯迴圈
(2)閉式朗肯迴圈
閉式迴圈的優點是工質的沸點低，在溫海水的溫度下可以在較高的壓力下蒸發，又可以在比較低的壓力下冷凝，提高了汽輪機的壓差，減小了汽輪機的尺寸，降低了機械損耗，提高了系統轉換效率；缺點是不能像開式迴圈一樣獲得淡水。混合式迴圈系統與閉式迴圈系統相似，唯一不同的是蒸發器部分，混合式迴圈系統的溫海水先經過一個閃蒸蒸發器，使其中一部分溫海水轉變為水蒸氣，隨即將蒸汽匯入到第二個蒸發器。混合式迴圈系統保留了開式迴圈系統獲取淡水的優點，讓水蒸氣透過換熱器而不是大尺度的汽輪機，避免了大尺度汽輪機的機械損耗和高昂造價；並且採用閉式迴圈獲取動力，效率高，機械損耗小。
圖2 閉式朗肯迴圈
(3)混合式朗肯迴圈
混合式迴圈系統中同時含有開式迴圈和閉式迴圈，其中開式迴圈系統在溫海水閃蒸產生不飽和水蒸氣，該水蒸氣穿過一個熱交換器後冷凝，生成淡水；其另一側是閉式迴圈系統的液態工質，該工質在水蒸氣冷凝釋放出來的潛熱加熱下發生汽化，產生不飽和蒸汽，驅動汽輪機，產生動力，該動力驅動發電機產生電力，做功後的該蒸汽進入另一熱交換器，由冷海水降溫而冷凝，減小了汽輪機背後的壓力，冷凝後的工質泵送至蒸發器開始下一迴圈。閉式迴圈系統綜合了開式迴圈和閉式迴圈的優點，其既保留了開式迴圈獲取淡水的優點，讓水蒸氣透過熱交換器而不是大尺度的汽輪機，避免了大尺度汽輪機的機械損耗和高昂造價；同時又採用閉式迴圈獲取動力，效率高，機械損耗小。
圖3 混合式朗肯迴圈
2.溫差能發電系統的核心技術
海洋溫差能發電裝置的核心技術包括泵與渦輪機技術、平臺技術、平臺定位技術、熱交換技術、冷水管技術、平臺水管介面技術和水下電纜技術，下面對各項技術的發展現狀進行簡介。
(1)泵與渦輪機技術
溫差能發電裝置的執行完全依靠泵與渦輪機的運轉。泵和渦輪機技術目前是成熟的，但是如果出現故障，就會讓整個發電裝置陷入癱瘓。因此，需要在工作機組附近準備一套備用機組；而且為了防止外來物體吸入渦輪機損害葉片，還需要安裝探測器對裝置進行監控。渦輪機常用材料是鋼、碳鋼以及鉻。渦輪機的日常運轉和維護已經比較完善，通常情況下安裝的渦輪機的數量是根據額定功率的2倍來確定，這樣可以定期對渦輪機進行維護又不影響發電裝置的執行。渦輪機使用中不確定因素來自工質洩露對環境的影響，因此需要用感測器來進行環境檢測。目前，泵與渦輪機的研究主要集中在泵與渦輪機的遠端監控，以及用於開式迴圈並且可以在較低壓力下運轉的泵與渦輪機技術。
(2)平臺技術
溫差能發電裝置主要分為岸基式和平臺式兩種。目前，平臺裝置型別有三種：半潛式、全潛式和船式。其中，半潛式平臺在油氣工業已有標準的建造程式，船式裝置採用浮式生產儲存卸貨裝置(FPSO)生產技術來建造。相比另外兩種型別，全潛式平臺的生產商較少。全潛式平臺與冷水管的連線簡單易行，但是需要在水下安裝，所以平臺安裝困難，造價較高，且維護也相對困難。
(3)平臺定位技術
隨著海上油氣工業的發展，平臺定位技術也有了長足的發展，目前錨鏈定的水深已經到了3000m，隨著計算機模擬技術的進步，現在可以建立模型精確地模擬和最佳化錨鏈系統，而利用GPS定位系統以及水下聲納技術，則可以將錨鏈準確地放到指定的位置。平臺定位系統已經相對成熟，只需要針對特定的情況進行改進和最佳化即可。
(4)換熱器技術
熱交換器是海洋溫差發電系統的關鍵裝置，它對裝置的效率、結構和經濟性有直接的重要影響。熱交換器效能的關鍵是它的型式和材料。鈦的熱傳及防腐效能良好，但是價格過於昂貴。美國阿貢實驗室的研究發現，在腐蝕暖海水環境下，改進後的釺焊鋁換熱器壽命可達30年以上。板式熱交換器體積小，傳熱效果好、造價低，適合在閉式迴圈中採用。熱交換器表面容易附著生物使表面換熱係數降低，這對整個系統的經濟影響很大。美國阿貢實驗室發現，每天進行1小時的間斷加氯，可有效控制生物附著。但這種方法對環境有一定影響，因此仍有待於尋找更合適的方法。
(5)深水冷水管技術
目前，冷水管的材料主要包括R-波力、高密度聚乙烯、波力纖維複合塑膠和碳纖維化合物，並且通常採用拉擠成型技術將其加工成具有中空的“三明治結構管壁”的水管。冷水管是未來OTEC技術發展面臨的極大挑戰。因為海洋溫差僅20℃，所以冷熱海水的流量要非常大才能獲得所希望的功率。而為了減小海水在管內流動的壓頭損失，管道直徑必須非常大。據估計，商業規模的冷水管直徑應在5m左右。冷水管必須足夠長，以便其入口能到達深層。尤其是岸式系統要求冷水管長度達2000m，才可到達600-900m深度。冷水管必須有足夠的強度，以保證30年的使用壽命。冷水管的保溫效能也要好，以免冷海水溫度升高影響熱效率，這些問題現在還沒完全解決。
(6)平臺水管介面技術
目前平臺水管介面技術主要有以下3種：軟管連線、固定連線和萬向節連線。固定連線的建造、日常運營和維護都比較簡單；萬向節連線的建造相對比較容易實施，但是在日常運營和維護時，需要進行定期的清理和潤滑；相比前2種技術，軟管連線的建造比較複雜也相對較難操作，且在日常維護的過程中需要對連線點做經常的修理。當鋪設垂直管時，通常使用固定連線；當鋪設水平管時，主要透過軟管連線實現。固定連線和萬向節連線最具有工程放大的可能性，而軟管連線在冷水管直徑較大時技術可行性較低。
(7)水下電纜技術
在海上石油工業和海上風電發展的帶動下，水下電纜的研究已經有了較快的發展，用以建造適合海洋溫差能發電裝置使用的電纜技術(電纜建造、接合、終端的技術)已經成型。電纜的固定和佈置雖然難度很高，但是已經被廣泛研究，影響固定和佈置電纜的難度及造價的主要移速為水深、海底地形、電纜的重量以及佈置電纜的線路。電纜的維護需要對其上附著的海洋生物做定期的清理以及全面檢查，並且要定期嵌入水下對海底變電站做維護。電纜發生故障後，在淺水區可以做修理，但當水深超過152m時，一旦出現故障就需要全面更換。
作者：位巍 劉成名
