当下，新能源已经成为时代的聚焦中心，中国在新能源的利用和开放方面走在了世界前列。2024年全国能源工作会议以习近平新时代中国特色社会主义思想为指导，在会议中指出：一要扛牢能源安全首要职责，立足我国能源资源禀赋，坚持稳中求进、以进促稳、先立后破，全力抓好能源增产保供，持续提高能源资源安全保障能力。二要聚焦落实“双碳”目标任务，持续优化调整能源结构，大力提升新能源安全可靠替代水平，加快推进能源绿色低碳转型。三要瞄准能源科技自立自强，深入实施创新驱动发展战略，完善能源科技创新体系，着力推动科技与产业融通衔接，扎实开展能源标准化工作，提升能源产业链供应链自主可控水平，着力打造能源科技创新高地。而海洋温差能做为海洋能源中储量第二的绿色能源，开发潜力很大，且在我国还处于起步阶段。中国南海中岛礁众多，表层海水与深层冷水温差恒定，在海洋温差能发电方面有广阔的开发及应用前景。

海洋热能转换（OTEC）技术是利用海洋温差能的一种可再生能源技术(图1)。它主要是利用海洋表层暖水和深度约为800-1000米的深层冷水之间的温差进行发电^[1]。太阳辐射是海洋温差能的直接来源，而海水在地球表面所占比例约70%，因此，温差能是一种含量巨大的绿色清洁的可再生能源。在各种海洋可再生能源中，温差能储量仅次于波浪能^[2]。海洋温差能能源密度最高^[2]，相比其他海洋绿色能源，温差能具有输出更加稳定，周期波动较小等优势，且不需要储能系统，有望成为区域可替代能源。

本项目拟评估并预测南中国海海洋温差能的时空分布特征及规律，为南中国海建设温差能发电装置提供科学参考。中国海域广阔，但是除了南海以外，其他海域的水深偏浅，且渤海和北黄海易受大陆气候的影响而产生季节变化，南黄海和东海均处于近海和外海海流的交汇处，水温不稳定；南海处于亚热带和热带之间，终年温度较高，且表层海水冬夏变化微小，除沿岸外的大部分水域水温为28.6℃。100～300m深度的次表层水温为12～20℃；500～800m深度的深层水温在5℃以下；1000m深度以下的海盆区深层水温最低为2.36℃，无季节变化，开发利用温差能条件良好^[3]。我国南海平均海洋温差呈现出近岸温差低,离岸温差高的特点,温差超过18℃多分布在水深大于500m区域,多在18~25.50℃之间；在季节变化上,水深大于500m的海域温差受季节变化影响较小,表层与深层海水温差大小顺序表现为:夏>春>冬>秋,其中5月份温差最高,主要分布在南海中、南部区域,最大值达到25.50℃^[4]（图2）。总体来讲，南海是中国温差能资源蕴含最为丰富且温差季节变化较小的海域，在南海进行温差能发电装置的建设就可以有效避免因能量密度，温差变化，海流交汇等导致发电效率低和间歇性发电等问题。

本项目拟利用现场观测资料、遥感观测资料和数值模拟技术，对在南中国海开展温差能发电的时空特征和变化规律展开评估，并对不同情景下南中国海温差能未来变化进行预估。具体研究内容包括：

1.海洋温差能在南海时空分布特征评估

基于教师收集整理的南中国海多元观测资料和遥感资料，利用Rajagopalan等^[12]改进的评估方法，对南中国海温差能储量和时空变化特征进行评估，着重分析南中国海温差能分布的季节变化、年际变化、长期变化规律及其稳定性。

2.海洋温差能在南海建设选址和规模评估

结合南中国海的地形、海陆分布、海流分布、温差能时空分布特征等条件，综合评估温差能发电的能量消耗、海洋温差能的有效发电功率、温差能发电的稳定性。为海洋温差能在南海建设选址和规模提供科学依据。

3.海洋温差能在南海的储量未来预估

采用CMIP6情景模式比较计划提供的不同情景下模式预估的南中国海热含量储量分布增幅，进而预估南中国海温差能储量的长期变化幅度和趋势，为我国未来南中国海温差能资源的开发提供支持。

1.全球海洋温差能储量评估

法国科学家G. Claude对J.D Arsonval的海洋温差能利用的设想进行了实验室研究，并建造了一座开式循环电站，该电站位于古巴马坦萨斯湾沿海^[5]美国Anderson父子于1964年提出了将闭式循环运用于海洋温差能发电系统中，并在夏威夷建成了“mini-OTEC”电站，这座漂浮式OTEC电站运用了闭式循环，且是全球第一座具有净输出功率的的OTEC电站^[6]，Kalina教授于1985年设计了一种闭式热力循环系统，该循环系统以氨水混合物为循环工质。在闭式循环研究方面，日本佐贺大学借鉴安德森提出的理论进行了试验研究并成功发出了1KW电力，且于1985年建成了75KW的实验装置，该装置位于佐贺县伊万里^[7]，美国于1993年在夏威夷建成了210KW的岸基开式循OTEC(ocean thermal energy conversion)电站；近几年，洛克希德马丁公司建成了2-4MW的测试电站，该电站位于美国维吉利亚州马拉萨斯（Manassas），它的输出功率达40KW^[8]。这些发电试验站在建设之后都产生了实际发电效率低的问题，如何从力热循环，动力装置以及换热系统中提升发电效率，都将是在南海进行温差能发电的过程中需研究和解决的问题。

在非洲和印度海岸，美洲热带西部和东南部海岸，以及许多加勒比海和太平洋的岛屿附近海面温度为25℃至30℃^[9]。这些近赤道低纬度海域不但具有较高的海洋温差能资源利用率和OTEC技术发展潜力，并且离岸较近，降低了建设条件，容易为人类发展直接能源价值。而在离大陆较远的大洋中心区域，即使上下层海水满足利用OTEC系统实现热电转换的临界温差（20℃）^[10]，但由于基础设施建设难度大，运营维护成本高等原因，目前还无法为人类带来直接利益。

另外，海洋温差能开发的附加价值也不容忽视。例如OTEC系统的海水淡化能力在某些区域性严重缺水的国家尤其重要，甚至比发电本身更重要，利用OTEC装置发电比其他方法（例如反渗透法等）要经济许多。印度学者Muthunayagam等通过实验验证了温差能海水淡化的可行性，并且已经在印度的卡瓦拉蒂岛安置了海洋温差能海水淡化装置，生产的淡水足以满足岛上居民的日常生活的需要。

前人对海洋温差能资源的储量和分布进行了评估、预测，并对其季节性变化等问题进行了一些研究。在资源储量评估与分布方面，2007年Nihou^s[11]对其2005年[9]的研究进行了改进，其评估全球温差能可开采量由3TW增至5TW。该结果验证了OTEC可供能的量级为TW级。Rajagopalan等^[12]采用海洋环流模型估算了全球的海洋温差能资源分布情况,预估全球温差能总量在14TW左右，即便采取更严格的条件，也可以达到7TW。针对海洋温差能的季节性变化，Rauchenstein等^[13]采用HYCOM模型对Florida周围海域温差能随季节变化的影响进行了评估，发现Florida周围海域OTEC工厂净发电量的季节变化显著。夏季、秋季、冬季和春季的逐月最大净功率的季节平均值分别为141.5、129.6、86.2和97.5MW，呈现夏季最高，冬季最低，秋季高于春季的特征。另外，2017年闫恒乾等^[14]对太平洋及我国周边海域温差能资源时空特征也进行了季节性分析，结果显示太平洋海域表层与深层温差从分布到数值均具有明显季节变化,北半球的20℃等温差线从冬季到夏季可由20°N扩展到40°N,而南半球的温差受季节变化相对较小。其纬向分布表现为明显的“西宽东窄”的不均匀特征，太平洋呈现这样的温差分布主要是由海气界面净热通量和洋流两个要素控制。在未来预测方面，Du等^[15]则重点研究温差能的趋势变化，利用CESM-H模型进行长期高分辨率模拟，预计在高碳排放的情况下，在本世纪末全球OTEC发电总量将对比现在增加46%。丁杰等^[16]对我国南海海域的温差能总量和趋势进行了重点分析，发现南海温差能平均的可开发量为238.86GW，并呈现平均5.61GW/a的增长趋势，潜在开发前景十分可观。我国海洋温差能主要分布在南海，资源蕴藏量大，在各类海洋能资源中占居首位，南海大多数岛屿的能源与淡水供给困难，能源供应依靠大陆运送，若能因地制宜地开发海洋温差能，对南海岛屿的经济发展必将产生积极的影响。

           随着近年来海洋工程技术的发展，海洋可再生能源的开发利用进入到实质阶段，潮流能和波浪能等技术较为成熟的海洋可再生能源品种已接近预商业化^[17] 。国际社会将海洋可再生能源视为未来最重要的替代性能源供给方式，试图通过不断的技术发展和迭代创新来降低发电成本，最终彻底实现海洋能源利用的商业化，以支撑未来人类能源脱碳的目标^[18]。而海洋温差能作为海洋可再生资源的重要部分，发展潜力巨大，其未来广阔的市场空间和发展潜力，吸引着开发者不断投入研发改进现有技术水平^[19]。

海洋温差能储量巨大，据McCormick^[20]估计，海洋在一年中吸收的太阳能相当于人类一年所需能量的4000倍。Lewis等^[10]在研究中指出，利用OTEC模式估计每年可产生300艾焦耳(EJ)。需要注意的是，并非在所有海域都能利用OTEC技术进行发电，目前普遍认为实际生产中有效利用OTEC系统需满足上层暖海水与深层冷海水温差大于20℃^[21]]。海水表层温度主要受太阳辐射以及大洋环流的影响，各地区之间存在较大差异，主要呈现赤道暖而两极冷的趋势；而海洋深层受太阳辐射的影响小，1000m以下的海水温度恒定在4℃左右。因此，海洋温差能的资源分布主要取决于海水的表层温度。接收太阳辐射较多的热带海域具有较高的表层温度，一般可达25～28℃，是海洋温差能资源蕴藏最为丰富的地区，具有较高的海洋温差能开发价值和潜力。

 

2.技术介绍

2.1上原循环

上原循环系统包括一个主循环和两回热支路构成：主循环与朗肯循环类似，依旧为工质的蒸发、做功（依次经过两个透平）、冷凝、升压，回到蒸发器继续蒸发；其中一个支路开始于蒸发器后的分离器，分离器接收来自蒸发器的氨水工质（主溶液），将其分离为汽相（富氨工质）和液相（贫氨工质）两部分，气相部分进入透平做功，液相部分经过一次回热后进入吸收器，与透平做工后的乏汽混合成为次溶液，次溶液的氨浓度稍低于主溶液；另一个支路则开始于第一个透平的出口，大部分的一级透平乏气进入第二个透平中继续做功，但抽出小部分透平乏气对次溶液进行一次热回收，然后两者在氨储液混合筒中混合，重新成为主溶液完成循环。

上原循环采用沸点不同的氨一水混合物作为工作介质，采用了三种措施来提高热力循环的热效率。一是在蒸发过程中工质变温蒸发，减少了工质吸热过程的不可逆性。相同的原因，冷凝温度变化较小，也减少了冷凝过程中的不可逆性，同时实现了在较低压力下工质的完全冷凝。二是贫氨溶液回路上，在分离器后回收了贫氨溶液的部分热量，回收的部分热量用来加热进入蒸发器之前的工质，因此回收的热量未向低温热源放热，且用于加热工质减少了蒸发器内的吸热量。三是采用了中间抽气循环，抽出的部分气体的潜热没有给冷凝器内的低温热源，而是用于加热工质，达到回热目的，减少了冷却热损失。因此抽气支路中只是从高温热源吸热后做功，并没有向低温热源放热，所以这部分抽出的气体在循环中热效率是100%因此，抽气回热循环中的抽气量对发电循环中的循环热效率有着很大的影响。另外，采用抽气回热循环还可以减少蒸发器的热负荷，从而减小蒸发器的面积，中间抽气使得进入冷凝器的乏汽减少，冷凝器的体积减小。Uehara循环经过上述三种节能措施后，热效率得到了提高。^[22]

2.2国海循环

国海循环与上原循环一样均采用氨－水混合物作为循环工质，且循环中采用两级透平，并设有两个回热支路。其中贫氨溶液回热支路设有两台回热器，抽气回热支路中设有一台回热器。贫氨溶液回热支路开始于气液分离器，终止于透平后的吸收器，经气液分离器分离出的贫氨溶液通过蒸发器之前的第三回热器预热进入蒸发器的氨水工质，后又通过第一回热器预热被冷凝器冷凝之后的氨水工质，从而更能充分回收利用贫氨溶液的热量；抽气回热支路开始于第一级氨透平和第二级氨透平之间，终止于吸收器，通过该回热支路中的第二回热器充分吸收第一级透平做功后被抽出的乏气的热量。因此通过三台回热器对贫氨溶液热量及抽气乏汽热量的再回收利用，更有效地提髙了热力循环效率。同时，回热器都采用表面式换热器所以系统中的氨工质泵比上原循环中少了一个，使系统自身功耗也会减少且净输出增加^[22]。

3.温差能发电在南海的发展前景

温差热发电技术是一种利用高、低温热源之间的温差，采用低沸点工作流体作为循环工质，在朗肯循环(RankineCycle，RC)基础上，用高温热源加热并蒸发循环工质产生的蒸汽推动透平发电的技术。根据我国海洋专家分析，我国南海诸岛温差能利用最具潜力。青岛海洋大学一博士研究的数据显示：南海诸岛水深大于800米的海域约140万～150万平方公里，位于北回归线以南，太阳辐射强烈，表层和浅层水温均在25℃以上，500～800米以下的深层水温在5℃以下，表层深层水温差在20℃～24℃。据初步计算，南海温差能资源理论储藏量约为1.19×109~1.33×1019千焦。

据了解，潮汐能、波浪能和海洋温差能是海洋清洁能源开发利用的主要形式，其中海洋温差能约占海洋能源储量的90%。据测算，仅我国南海蕴藏的温差能，每年就能发电5亿千瓦时。利用海洋温差发电课题的实验成功，不仅能够为我国沿海尤其是岛屿、海上石油平台的能源供应问题提供新的解决方案，还可用于反季蔬菜大棚、水产品养殖等附属开发。去年，由中国地质调查局广州海洋地质调查局牵头研发的20kW海洋漂浮式温差能发电装置搭载“海洋地质二号”船在我国南海成功完成海试，返回广州南沙。这是我国首次在实际海况条件下实现了温差能发电的原理性验证和工程。该装置在我国南海水深1900米处海域开展了首次海上试验，试验发电总时长4小时47分钟，最大发电功率16.4kW，有效发电利用率达到了17.7%。这一次的发电装置试海再一次验证南海开展温差能发电是可行的计划^[23]。相对于已经发展比较的成熟的风力发电技术等，海洋温差能的发电利用率还有很大的提升空间；但是风力发电有产生噪音，占用土地面积宽广以及发电间歇性等问题，与之相比海洋中人类的活动范围小，温差能发电对人类生产生活的影响很小，且可以连续不间断工作。

深层海水包含温差能、各类物质资源，目前大部分深层海水利用都是单一目的，用后废弃（仅一级利用）而造成巨大的资源浪费。单一利用方式面临深层取水设施建造的高成本问题（约占总成本的40%～50%），相应产业模式不具有成本优势，发展规模受到制约。此外，单一利用方式可能会对环境造成影响，如未能利用的营养盐类将不可避免引起海岸富营养化现象，排放的冷水干扰海洋生态平衡。铺缆和锚固对海底生物栖息地的干扰、海洋工业活动造成的海洋生物迁移或吸引、安装阶段含油物质释放对水质造成的影响等,也有与OTEC开发技术相关的特殊的海洋环境影响,特别是大流量吸排水形成的大尺度水团在海洋中的重新分布，还可能会改变海水的温度，盐度，溶氧量等理化性质，对周边海洋环境造成破坏。因此在建造海洋温差能发电站选址时，应当充分分析当地的海洋环境，减少发电装置对海洋的影响。通过理论评估不同效率情况下带来的经济效益和对环境的影响比率，提出最优的生产方案。

创新点：在全球变暖的大环境下，发展海洋绿色能源已经成为大势所趋，本项目的创新点在于我们没有将目光聚焦在技术已经完善的潮汐能，波浪能等上面，而是着重于另一种重要的海洋能源——海洋温差能。它为我国提供了另一种新型的发电模式，并且与其他能源发电相比，利用海洋温差能发电还有着其它的附加价值，如海水淡化能缓解我国部分地区的缺水状况。

项目特色：本项目的特色在于利用指导教师所掌握南中国海的多元观测数据，对南中国海的温差能储量和时空变化特征做研究，为在南中国海地区利用温差能发电提供帮助。

技术路线：

本项目主要对南中国海的海洋温差能储量以及如何利用这些温差能发电进行理论研究，具体步骤如下：

1，阅读相关的文献资料，了解南中国海的海温分布情况和前人利用海洋温差能发电的进展，熟悉MATLAB等需要的相关技术软件

2，利用已有的南中国海海温数据，用相关的温差能评估公式计算南中国海的温差能储量以及时空分布，找出温差能储量较高的海域并结合实际情况确定适合利用海洋温差能发电的海域。

3，通过实地考察等方法来充分了解所选海域的具体情况，结合当地实际情况和国内外已有的温差能发电技术提出符合本地实情的温差能发电方案。

4，用计算机模拟发电情况，评估方案的可行性和发电的效率

5，结合模拟情况，找出未知的问题和技术苦难，不断改进方案，给出现有的最优解

拟解决的问题：

本项目的问题在于：如何确定最佳发电海域？另外，我国的利用海洋温差发电技术仍处于起步状态，我们如何找到一种效率较高且投资较小的发电方案？

预期成果：

        基于海洋温差能在南中国海发电最佳发电海域和试行最佳发电方法的理论结果。