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盐度梯度发电 目录 海洋盐度差发电技术的概述三种主要的发电方案三种盐差发电方法的比较海洋盐差发电实现的技术问题国内外盐差发电的研究我国盐差能资源特点海洋盐度差发电技术参考文献 海洋盐度差发电技术的概述 海洋 地球最宝贵的资源之一 以其博大的胸怀给人类带来了无穷的宝藏 大家都知道海洋中的水都不是淡水 海水里含有丰富的盐类 地球上的水分为两大类 淡水和咸水 全世界水的总储量为152 6平方千米 其中97 2 为分布在大洋和浅海中的咸水 在陆地水中 2 15 为位于两极的冰盖和高山的冰川中的储水 余下的0 65 才是可供人类直接利用的淡水 海洋的咸水中含有各种矿物和大量的食盐 每一平方千米的海水里即含有3600万吨食盐 随着科学技术的发展 人们掌握了盐差发电技术 而海洋的盐资源是非常丰富的 这就可以为人类提供大量的电能 盐差能是指海水和淡水之间或两种含盐浓度不同的海水之间的化学电位差能 是以化学能形态出现的海洋能 主要存在于河海交汇处 盐差能是海洋能中能量密度最大的一种可再生能源 海洋盐差能发电的设想是 年由美国人首先提出的 盐差能发电的原理是 当两种不同盐度的海水被一层只能通过水分而不能通过盐分的半透膜相分离的时候 两边的海水就会产生一种渗透压 促使水从浓度低的一侧通过这层膜向浓度高的一则渗透 使浓度高的一侧水位升高 直到膜两侧的含盐浓度相等 通常 海水和河水之间的化学电位差具有相当于240m高水位的落差所产生的能量 利用这一水位差就可以直接由水轮发电机发电 盐差能发电的基本方式是 将不同盐浓度的海水之间或海水与淡水之间的化学电位差能转换成水的势能 再利用水轮机发电 具体主要有渗透压式 蒸汽压式和机械一化学式等 其中渗透压式方案最受重视 将一层半渗透膜放在不同盐度的两种海水之间 通过这个膜会产生一个压力梯度 迫使水从盐度低的一侧通过膜向盐度高的一侧渗透 从而稀释高盐度的水 直到膜两侧水的盐度相等为止 此压力称为渗透压 它与海水的盐浓度及温度有关 目前 日本 美国 瑞典等沿海发达国家做了许多积极探索 已经提出多种盐差发电方案 可分为渗透压法 渗析电池法和蒸汽压法 渗透压法 水压塔渗透压系统强力渗压系统 渗透压法发电原理 目前的海水发电方法主要为 渗透法 所谓 渗透法 就是使用增压方法 加速海水渗透过程 在演示实验中 科学家用特殊薄膜在容器内把海水与纯水隔开后 海水一侧对膜的压力会高于纯水这一侧 于是 一部分纯水就会透过薄膜漫出水槽 并产生能够推动水电机运转的巨大动力 从而进行发电 目前 有些科学家使用带电的薄膜 以加速淡水向海水的渗透过程 为了延长薄膜的使用寿命 研究人员还必须即时切换电薄膜的正负电极位置 如果在河流的入海口使用一种大型单向渗透薄膜 将河水与海水分开的话 就能获得巨大的海水渗透压 推动巨型涡轮机发电 研究人员建议 利用海水进行发电的渗透压发电站 可以建造在河流的入海口等地点 另外 渗透压发电厂还能建在任何一个淡水资源和咸水资源共存的地区 甚至是在某些地区的地下 渗透压式盐差能发电系统的关键技术是膜技术和膜与海水介面间的流体交换技术 日前 世界上第一座渗透发电站在挪威建成投产 挪威可再生能源公司斯塔克拉夫特 Statkraft 已经在奥斯陆峡湾建造了一座标准的渗透发电站 设计者计划用5年的时间 使得该发电站发出来的电力可以满足一个小镇的照明和取暖需求 水压塔渗透压系统 系统组成 压塔渗透压系统主要由水压塔 半透膜 海水泵 水轮机一发电机组等组成 其中水压塔与淡水问由半透膜隔开 而塔与海水之间通过水泵连通 系统的工作过程 先由海水泵向水压塔内充入海水 这时 由于渗透压的作用 淡水从半透膜向水压塔内渗透 使水压塔内水位上升 当塔内水位上升到一定高度后 便从塔顶的水槽溢出 冲击水轮机旋转 带动发电机发电 为了使水压塔内的海水保持一定的盐度 必须用海水泵不断向塔内打入海水 以实现系统连续工作 除去海水泵等的动力消耗 系统的总效率约为20 左右 水压塔渗透压系统 强力渗压系统 系统构成 强力系统的能量转换方法是在河水与海水之间建两座水坝分别称为前坝和后坝 并在两水坝之间挖一个低于海平面约200米的水库 前坝内安装水轮发电机组 使河水与低水库相连 而后坝底部则安装半透膜渗流器 使低水库与海水相通 系统的工作过程 当河水通过水轮机流进低水库时 冲击水轮机旋转并带动发电机发电 同时 低水库的水通过半透膜流入海中 以保持低水库与河水之间的水位差 理论上这一水位差可以达到240m 但实际上要在比此压差小很多时 才能使淡水顺利通过透水而不透盐的半透膜直接排人海中 此外 薄膜必须用大量海水不断地冲洗才能将渗透过薄膜的淡水带走 以保持膜在海水侧的水的盐度 使发电过程可以连续 反电渗析电池法 1 反电渗析电池法原理利用阴 阳离子交换膜选择性地透过Cl Na 在两电极板形成电势差 并在外部产生电流 2 反电渗析电池试验装置反电渗析电池装置的原理如下图所示 它采用阴离子和阳离子两种交换膜 阳离子交换膜 只允许阳离子 主要是Na 离子 透过 阴离子交换膜只允许阴离子 主要是Cl 离子 通过 阳离子渗透膜和阴离子渗透膜交替放置 中间的间隔交替充以淡水和盐水 对于NaC1溶液 Na 透过阳离子交换膜向阳极流动 Cl 透过阴离子交换膜向阴极流动 阳极隔室的电中性溶液通过阳极表面的氧化作用 维持 阴极隔室的电中性溶液通过阴极表面的还原反应维持 电子通过外部电路从阳极传人阴极形成电流 当回路中接入外部负载时 这个电流和电压差可以产生电能 通常为了减少电极的腐蚀 把多个电池串联起来 可以形成更高的电压 蒸汽压法 在同样的温度下 淡水比海水蒸发的更快 所以淡水一边的气压要比海水一边高得多 于是 在空室内 水蒸气会很快从淡水上方流向海水上方 装上涡轮 就可以利用盐度差能进行工作 这种方法的产生源于20世纪初 法国工程师克劳德建造了一台利用深海冷水和表海热水的贮热池之间的蒸汽压差发电的装置 后来 研究人员还发现如果用淡水间的蒸汽压差 将更具发展的可能性 这样 类似于风力发电 就可以利用两边不同的压差来发电 但又有所不同 利用蒸汽压发电有相对来比较高效率这个重要优点 受热力学第二定律的限制海洋热能转换系统在转换过程中必有熵增 效率一般为4 6 而盐度差发电装置是天然的循环 不用加热加压 不受卡洛效率的限制 效率比海洋热能转换系统高得多 蒸汽压力机械最大的优点是它不需要使用渗透膜 水表面本身就起渗透膜的作用 在渗透膜的研究还在初级阶段这个大背景下 这种方法会有大发展 三种盐差发电方法比较 1 渗透压法在技术上实现的可能性比较大 而且 海水渗透压发电法是一种非常环保的发电方式 因为海水渗透压是一种从自然物理过程中获得的能源 不会产生任何污染环境的 副产品 更不会排放出二氧化碳 此外 由于海洋与河流是现成的资源 所以海水渗透压的收集成本相对较低 比较容易获得 而且海水发电也不会像风力发电和太阳能发电一样 受到天气因素的制约 但关键技术是半渗透膜工艺水平 目前生产的半透膜 是由海水提取纯水的逆渗透膜 而用于发电的是正渗透膜 有关正渗透膜的研究在加紧进行中 日本曾经在实验中采用过一种渗透膜 在直径131mm的圆筒容器内装设10万条空心纤维 构成半渗透膜 将海水所具有的浓度差能的8 6 成功地转化为电能 并在历时10小时的实验中 发出了比设备运 转耗电多1瓦的输出 在世界范围的同类试验中 首次实现发电量超过耗电量 因此实际上已成功地产生了动力 2 反电渗析电池这种电池利用的是由带电薄膜分隔的盐浓度不同的溶液间形成的电位差 膜技术是反电渗析的核心 它要求膜有高选择透过性和高电导率 在浓度为850 的海水和淡水作为膜两侧的溶液的情况下 界面产生的电位差约为80毫伏 这个电压随相邻电池的盐浓度比成对数变化 如果把多个这类电池串联起来 可以形成更高的电压 这种电池采用了两种膜 即阴离子渗透膜和阳离子渗透膜 例如 用1000只电池串联可得80伏的电压 而且在这种情况下 由于只在电池组两端才需要电极 所以电极溶解腐蚀的问题就大大减少了 这种电池的终端单元内部是海水 所以在终端电极处会产生氯气和氢气 这两类气体都是有价值的 可以帮助偿付设备投资 3利用蒸汽压发电有一个重要优点 OTEC 海洋热能转换 的效率一般为4 6 而盐度差发电装置则不受卡诺效率的限制 效率要高得多 而且根据有关试验结论 蒸汽压发电中 每平方米热交换器表面积 铜 的功率密度约为10瓦 比反电渗析的功率密度大10倍以上 且比渗析膜单位面积的价格便宜很多 蒸汽压力机械最吸引人的性能是它不需要使用渗透膜 水表面本身就起渗透膜的作用 因而大多数诸如退化 价格昂贵以及水的预处理和与渗透膜有关的问题都不复存在了 但它适合在低纬度地区发展 结论 待解决问题 1 提高单位膜的发电功率 2 降低膜制造成本 3 延长膜使用寿命 海洋盐差发电实现的技术问题 1 因海水盐差能发电装置在设计 制造和运行发电等技术和经济方面所面临的困难 所以研究进展十分缓慢 仅有以色列建成一座150千瓦的盐差能发电试验装置 要想实现规模化 商业化生产还相差很远 2 在渗透发电技术中 薄膜的制造是重中之重 合格的薄膜 必须具有渗水性好 经久耐用待性 并能最大限度地阻止盐分通过 理论上这一水位差可以达到240m 但实际上要在比此压差小很多时 才能使淡水顺利通过透水而不透盐的半透膜直接排人海中 此外 薄膜必须用大量海水不断地冲洗才能将渗透过薄膜的淡水带走 以保持膜在海水侧的水的盐度 使发电过程可以连续 3 在两种盐度不同溶液混合时 产生的热量很小 只使温度提高不到半摄氏度 比自然混合的实际结果还要小 所以废水将和在自然条件下一样被排走 对环境的有害影响极小 但有一系列问题需要解决 例如河水带来的泥砂的处理以及如何防止海洋动物可能被海水进水口吸入等 如果把渗透膜放置在海水中 腐蚀 生物积垢和泥沙淤积等都将是棘手的问题 需要设法过滤海水和河水 甚至需要进行水的预处理以防止积垢和腐蚀 提高渗透膜的效率 使电压有所提高 这些都要作进一步的研究 国内外盐差发电的研究 自60年代 特别是70年代中期以来 世界许多发达工业国家 如美国 日本 英国 法国 俄罗斯 加拿大和挪威等对海洋能利用都非常重视 投入了相当多的财力和人力进行研究 在对诸项海洋能源的研究中 对盐差能的探索相对要晚一些 规模也不大 最早是1973年由以色列科学家洛布 Loeb 提出并展开实验工作 以后 美国 瑞典 日本等国相继开始了这方面的研究 并制成实验发电装置 我国于1979年也开始这方面的研究 1981年发表第一篇科研论文 1985年7月14日在西安采用半渗透膜 研制成干涸盐湖盐差发电实验室置 半透膜面积为14m2 试验中溶剂 淡水 向溶液 浓盐水 渗透 溶液水柱升高10m 水轮机发电机组电功率为0 9 1 2瓦 西安冶金建筑学院于1985年对水压塔系统进行了试验研究 上水箱高出渗透器约10m 用30公斤干盐可以工作8 14小时 发电功率为0 9 1 2W 显然我国盐差能发电研究尚处在初期阶段 从全球情况来看 盐差能发电的研究都还处于不成熟的规模较小的实验室研究阶段 但随着对能源的越来越迫切的需求和各国政府及科研力量的重视 盐差能发电的研究将越来越深入 盐差能及其它海洋能的开发利用必将出现一个崭新的局面 2号线是全球的盐度分布 可以看出在30度左右是最高的 我国盐差能资源特点 1 地理分布不均 长江口及其以南的大江河口沿岸的资源量占全国总量的92 5 理论总功率达1 156 108kW 其中东海沿海占69 理论功率为0 86 108kW 2 沿海大城市附近资源最富集 特别是上海和广东附近的资源量分别占全国的59 2和20 3 资源量具有明显的季节变化和年际变化 一般汛期4 5个月的资源量占全年的60以上 长江占70以上 珠江占75以上 4 山东半岛以北的江河冬季均有1 3个月的冰封期 不利于全年开发利用 海洋盐度差能发电技术部分参考文献 1 赵世明 刘富铀 张俊海 张智慧 白杨 张榕 我国海洋能开发利用发展战略研究的基本思路 J 海