从克劳德的实验谈起

1、从克劳德的实验谈起1926年11月15日，法兰西科学院的大厅里座无虚席，人们的目光都投向了试验台中 央安放的一套实验仪器。因为这里即将开始一项海水温差发电的演示试验。实验成功了实验仪器并不复杂：两侧各有一个容积为25升的烧瓶。连接两只烧瓶的玻璃导管内， 装着一个微型汽轮发电机，它通过2根导线与外部的3个小灯泡相连。玻璃导管上方接上了 一个真空泵，组成了一个闭合的回路。人们静静地等待着。不一会，一位名叫克劳德的法国科学家从容不迫地走上了试验台。 只见他熟练地卸下右边的烧瓶，加入28 r的温水（这温度与表层海水的温度相当），又卸下 左边的烧瓶，放入一些冰和水的混合液（混合液的温度与深层海水的温度相

2、当）。这时，他 开动了真空泵，抽出烧瓶内的空气，直到右边烧瓶内的水沸腾为止。奇迹终于发生了，只见急速蒸发出来的水蒸气气流，吹着微型汽轮发电机的小涡轮飞快 地转了起来。一瞬间，3个小灯泡一齐亮了起来，这3个灯泡一直亮了8分钟。观众席上顿 时发出了一阵阵的赞叹和欢呼声。温差发电是完全可行的克劳德的实验以简单明了的方式证明利用海洋温差发电是完全可能的。原来，克劳德的 老师德尔松瓦拉早在1881年的时候，为了证明可以利用冷热海水之间的温度差异获得能量， 就在实验室里成功地做了一次试验。他用30r的温水使液态二氧化硫蒸腾，用蒸气推动叶 轮旋转，再用塞纳河的冷水冷凝二氧化硫蒸气，将其重新变为液态二氧化硫，

3、组成一个封闭 系统，循环往复。接着，他又根据当时观测到的一些海水上下层温度差异可达2025r的 奇特现象，极其明智地指出，利用海水温差发电是一种不使用燃料就可以获得无限电力的途 径。德尔松瓦拉预言海洋中的温差能迟早有一天会被人类大规模地利用。但是，由于种种技 术上的原因，德尔松瓦拉本人始终没能实现这种设想。半个世纪以后，他的学生克劳德偿了 他的宿愿。克劳德的试验之所以能够获得成功，在于他巧妙地利用了降低气压可以使水沸点降低的 原理。当他开动真空泵抽出回路里的空气时，回路里的气压也随之下降。当气压下降到1/ 25个大气压时，水的沸点就降至28C,这时烧瓶里温度为28的温水就立刻开始沸腾蒸发， 水

4、蒸气在流经窄细的烧瓶口时，就变为一股高速的蒸汽流，冲击汽轮发电机发电，给小灯泡 供电。而后，水蒸气在温度较低的烧瓶内又重新凝结为水，使温水烧瓶与冷水烧瓶之间保持 一定的压力差，水蒸气流不断从温水烧瓶经过玻璃导管流向冷水烧瓶，推动发电机发电，直 到右边温水烧瓶的水降到20C以下不再沸腾为止。如果没有水蒸气，发电机自然就会停下 来，灯泡也就不亮了。这里的“热源”就是右侧烧瓶里的温水，“冷源”就是左侧烧瓶的冷 水。这种情况岂不是与海洋上层和深层海水温度形成差异的情况差不多？马坦萨斯港口的电站1930年，克劳德带着他改进了的实验成果，来到古巴的马坦萨斯港，雄心勃勃地开始 了建造海水温差发电站的试验。他

5、以海边27C的表层海水为“热源”，以离岸2千米远、600 米深处的冷海水为“冷源”，精心地设计了一个发电系统。这个系统主要由真空泵、冷水泵、 温水泵、冷凝器、蒸发器、汽轮机、发电机组等组成。它的工作流程是这样的：真空泵将系 统内抽成一定的真空，接着起动温水泵把表层的温海水抽入蒸发器，由于系统内已保持有一 定的真空度，所以温水就在低压状态下于蒸发器内沸腾蒸发，变为蒸汽。蒸汽经管道由喷嘴 喷出推动汽轮机运转，带动发电机发电。从汽轮机排出的废汽进入冷凝器，被由冷水泵从海 洋深层抽上的冷海水所冷却，重新凝为水珠排入海中。可以看到，这种系统以海水为工作流 体，从海水进水到出水是开放式的，所以人们把它称为

6、开式循环系统。按照这种系统发电不 仅能得到电能，还有两种副产品可以加以利用，一是蒸发后留下的浓海水可以进一步用来提 取食盐、镁、钾、漠等物质，二是重新冷凝的水是淡水，可以加以利用。这个试验性的海水温差电站获得了 10千瓦的输出功率，可是电站在运行中需要用冷水 泵抽取深层海水，它的动力是靠外部供给的，核算下来电站所发的电力还补偿不了外部供给 的电力，因而也就失去了电站的商业价值。电站运行不久，就遭到飓风的袭击，巨浪把电站 的设备打坏了，因此发电的事也就不了了之了。但是，法国人并没有就此罢休，1948年他们又在非洲国家象牙海岸（今科特迪瓦）的 首都阿比让附近的一个浅海湾“重起炉灶”，准备建立一个发

7、电功率为7000千瓦、日吸水量 1.4万吨的海洋温差电站。该电站附近浅海湾的表层海水温度可达2528C，而离岸4千米、 水深500米处的海水温度为810C，它们分别被用作电站的“热源”和“冷源”。电站仍 采用开式循环系统发电，经过努力他们终于建成了世界上第一个海洋温差发电站，年发电量 5000万千瓦时，每天还可兼得4000吨淡水，食盐数吨。然而，电站的有效功率始终提不 高，虽经克劳德等人多方改进，但还是无济于事。结果，电站仅运行了两年，就被迫停止了 试验。从此，世界上对海洋温差发电摇头的人多起来了，在此后的很长一段时间里人们对海洋 温差发电再也不感兴趣了。直到本世纪60年代，海洋温差发电才重新

8、受到关注。“柳暗花明又一村”海洋温差发电究竟可行不可行？开式循环温差发电系统有效功率不高的原因究竟在哪 里？美国的安德森父子在20世纪60年代初终于找到了原因所在。原来，汽轮发电机的实际 发电功率与蒸发以后的气体对它的冲击力有关，而这种冲击力又决定于气体的密度及其携带 的动能。开式循环发电系统的工作流体用的是海水，为了使温海水沸腾蒸发，采用了真空泵 抽气降低气压的办法。这样就带来了一个问题，即低压状态下蒸汽的密度小。另外，蒸发器 与冷凝器之间蒸汽压力的差也小，而这个压力差正是蒸汽流动动能的来源。这样，蒸汽的气 体密度和所携带的动能都比较小，汽轮发电机的实际发电功率并不大。人们思索着对策，结果是

9、“柳暗花明又一村”。1964年，安德森父子打破了原来的老框 框，提出了一种新型的循环发电系统一一闭式循环发电系统。他们找到了一种对管道设备没 有腐蚀、低沸点的工作流体一一丙烷，用以代替海水。丙烷的沸点在常压下为一42.17C， 就是在严寒地区也会自动蒸腾。所以，25C的温海水足以使丙烷在常压下蒸腾，迅速蒸发。 此外，丙烷的密度也较大，为同温度下的水蒸气密度的4倍。而蒸发器与冷凝器之间的蒸气 压力差也得到了相应的提高。因此，发电效率比前者提高了许多。同时，因为它不需要真空 泵，故减少了电力消耗。工作流彳一一丙烷在闭合回路中反复进行蒸发、膨胀、冷凝，所以 被称为闭合式循环发电系统。这种系统在工作时

10、，先由温水泵把表层海水抽上来送往热交换 器，并通过它向蒸发器提供热量，使蒸发器内的液态丙烷沸腾，变为丙烷蒸气，推动汽轮机 旋转发电，而后丙烷蒸气进入冷凝器，在冷凝器内由冷水泵抽上来的深层冷海水冷却，经液 体加压重新变为液态丙烷，再用泵把冷凝器中的液态丙烷重新压进蒸发器，进行下一步循环。思路打开了选择低沸点物质作工作流体，打开了人们的思路。后来人们还找到了异丁烷、氟利昂、 氨等10多种工作流体，根据具体条件，决定采用何种工作流体。其中，氨的沸点为一33.3C, 被认为是一种比较理想的工作流体。1979年8月2日，根据安德森父子设计的原理建造的海水温差电站终于在美国的夏威 夷附近的海上建成发电了。

11、电站的“热源”是28C的海洋表层水，“冷源”是海洋600多米 深处温度为78C的深层水。这座电站安装在一艘经改装后的驳船上，其发电能力为50千 瓦，扣除消耗的电力外，净发电输出功率为911千瓦，只够提供9盏500瓦的灯泡和1 台电视机的电力消耗。不过，人们从这座电站中看到了海水温差发电的可行性和巨大潜力。1981年10月，日 本人在地处赤道太平洋的瑙鲁岛上，采用这种闭式循环发电系统建成了世界上第一座岸式海 洋温差发电站。电站用氟里昂为工作流体，发电容量为100千瓦。1982年，美国又开始执 行第一个海洋热能发电站试验计划。1987年，一座额定功率为4万千瓦的岸式试验电站投 入试验运行，另一座额

12、定功率为4万千瓦的浮式试验电站的建设也在加紧进行。1990年， 日本建成了 1000千瓦级的海洋温差电站，这是目前世界上最大的商业性海洋温差发电系统。各种循环系统目前，美国、日本、英国、法国、荷兰、芬兰、中国等许多国家都在从事海洋温差发电 技术的研究。为了解决闭式循环发电系统对海洋环境的污染问题，有人又提出了一种混合循 环发电系统。让水泵抽上的温海水，在低压状态下快速蒸发，形成蒸汽来加热蒸发器中的工 作流体。用这种方法不但可以将闭式循环系统蒸发器一侧的污染物全部排除，还可以得到副 产品一一淡水。为了提高温差发电的热利用效率，日本又在试验一种叫做加里纳循环的技术。 加里纳循环技术是通过提高涡轮发

13、电机人口处的蒸汽温度和降低与之相对的出口处的蒸汽 温度来提高其热利用效率的，试验结果，热利用效率可达到6.2%。这个数字是令人鼓舞的， 这项新技术不久即可达到实用化。与各种循环发电系统有关的技术，主要包括蒸发器、涡轮机、发电机、冷凝器、水泵、 电缆等制造技术，以及抽取冷水和温水的管道设备的防腐耐压技术，这些技术目前也都已取 得明显的进展。在热带、副热带海区，由于太阳强烈照射，表层海水大量吸热，温度升高，而深层海水 由于太阳光照射不到，水温很低。所以海面温度高达2530C，而深层水的温度却只有5C 左右，上下水层之间温度差很大，如此的温差潜藏着巨大的能量。据估计，这能量达500 亿千瓦。由于海洋本身是一个巨大