蒸发器
温差能发电包括哪些装置
发电系统包括：①构成发电循环的设备：蒸发器、汽轮发电机、冷凝器、工质循环泵、工质、辅机（控制系统、除气器、预热器、轴封润滑装置、工质净化器装置及生物污染清洗装置）；②海洋结构物：海洋结构物主体、冷水取水设备（冷水取水管、过滤网、冷水泵）、温水取水设备（过滤网、温水泵、取水管）、电站定位设备（锚、沉块、系留索）等。
海洋温差能发电过程如下：
①将海洋表层的温海水抽到常温蒸发器，在蒸发器中加热氨水、氟利昂等液态工质，使之蒸发成高压气态工质。
②将高压气态工质送到透平机，使汽轮机转动并带动发电机发电，同时高压气态工质变为低压气体工质。
③将深水区的冷海水抽到冷凝器中，使由汽轮机出来的低压气态工质冷凝成液态工质。
④将液态工质送到压缩器加压后，再将其送到蒸发器中去，进行新的循环。
另外，温差能发电需要有以下转换系统：
1.开式循环系统
开式循环使用水作工质，温海水进入闪蒸器，在负压（大约0.025绝对大气压）下闪蒸汽化，产生的蒸汽进入汽轮机做功，乏汽排入冷凝器冷凝成水，冷凝水再由冷凝水泵排出。由于冷凝水不返回到循环中，因此称之为开循环。
开式循环使用水作工质，不会对环境造成任何污染。开式循环由于不存在一定要回收工质的问题，因此可以使用混合式冷凝器和闪蒸器。这些设备不存在金属换热面，结构简单，金属耗量少，成本低。
更重要的是，由于没有金属换热面，因此也就不存在换热面的玷污、结垢和腐蚀等问题，这给运行维护带来极大的方便。
开式循环所产生的冷凝水是淡水，海洋中淡水是宝贵的副产品。
每发一度电约产生80千克冷凝水，一个10万千瓦的海洋热能电站每小时可产淡水8000立方米。但是，如果要回收淡水，那就要使用表面式冷凝器。也可以根据淡水的需要量，只让一部分乏汽由表面式冷凝器冷凝下来。
开式循环系统工作在很高的真空度条件下，10℃时水的饱和蒸汽压仅有0.0012兆帕斯卡绝对压力左右。因此随时抽除漏入系统的不凝结性气体，保证系统能正常工作也是一项十分重要的任务。采用混合式冷凝器和闪蒸器的开式系统，由于温、冷海水均直接进入到系统内，溶解在海水中的不凝结气体会释放到系统内。这将增加抽除不凝结气体的负担，对此必须给予足够的重视。
开式循环另一个关键设备就是大流量，低焓降的汽轮机。海洋热能条件下，蒸汽的绝热焓降很小，只有80千焦/千克左右，因此这将是一台单级汽轮机。在10℃左右，饱和水蒸气具有100立方米/千克的巨大的比容，估计每个千瓦的容量需要0.02平方米的通流面积。对于单机容量为10万千瓦的海洋热能汽轮机来说，其转子的直径将超过50米。这样一个庞然大物，不要说制造，其运输和安装都将是一个工程难题。估计开式循环海洋热能汽轮机的单机功率将极为有限。即使单机功率降为2.5万千瓦，其转子直径也将超过25米，相当于目前的大型风力发电机的转子。因此，海洋热能汽轮机相当于一台工作在风速近400米/秒的超级大风中的风力机。当然，由于海洋热能汽轮冷凝水泵机中蒸汽的密度还不到空气密度的1%，因此汽轮机叶片所受的作用力将远远小于400米/秒大风的作用力。虽然如此，但这台汽轮机叶片的气动和强度设计仍然不是一件轻松的事。
我国的南沙群岛和西沙群岛远离大陆，缺少能源和淡水。但是，这两个群岛都位于开发海洋热能最佳区域。开式海洋热能循环发电既能提供电力，又能提供淡水，最适合这些岛屿的需要。这些地方只要有了永不枯竭的电力和淡水，人类就可以在此生存，建设人工岛，开发海洋资源，开辟我们的新边疆，维护国家主权。因此，开式循环的重要性必须得到国家的重视。
2.闭式循环系统
闭式循环又叫中间介质法循环，其特点是使用低沸点流体代替水作循环的工质。低沸点工质不抛弃而回收使用，其流程形成一封闭回路，因此称之为闭式循环。
首先，低沸点工质在蒸发器中吸收温海水的热量而汽化。工质蒸汽进入汽轮机膨胀做功。乏汽进入冷凝器中被冷海水冷凝成液态工质，再由工质泵升压打进蒸发器中蒸发汽化。这样，低沸点工质构成一个汽轮机封闭循环，从而源源不断地把温海水的热量转化成动力。
采用闭式循环有什么优点呢？
从上述开式循环中我们看到，开式循环的一个很显著的缺点是低压下水蒸气的比容太大，从而使得汽轮机体积庞大，单机功率受到很大的限制。使用低沸点工质就可以克服这个缺点。选择合适的低沸点工质，可以使得在海洋热能温度范围中，工质的饱和蒸汽压力为一个不太高的正压。这样的工质蒸汽具有比较火的密度，其体积流量将大大小于相同温度下的饱和水蒸气，从而可使低沸点工质汽轮机体积大大缩小，突破开式循环的单机容量受限制的问题。这一点，对于大规模开发海洋热能来说是特别重要的。
闭式循环的工质选用是一个十分重要的问题。理想的工质必须具有良好的物理化学、热力学、传热和流体力学等综合性能。选择工质时必须考虑如下几项原则：
①工质的工作压力要适中，使整个循环处于一个不太高的正压之下。
②单位功率的工质体积流量要小，有利于减少设备尺寸。
③化学性能稳定，不易老化分解。
④不易燃，不易爆，无毒性，不污染环境。
⑤对金属无腐蚀作用。
⑥用过的工质易于处理或再生。
闭式循环中，温、冷海水都不直接与工质接触，不会发生溶解在海水中的不凝结气体进入循环系统的问题。另外，其系统中工质蒸汽压力一般均大于大气压，从而闭式系统运行时不须抽除不凝结性气体。
这样可以减少厂用电。
使用闭式循环克服了海洋热能电站单机功率受限制的缺点，低沸点工质汽轮机的体积和成本大大低于开式循环汽轮机。但是，采用闭式循环又带来其他一些问题。
首先，闭式循环必须使用体积巨大的表面式蒸发器和冷凝器。前面说过，海洋热能发电的热效率是非常低的，只有2%左右。这就意味着蒸发器和冷凝器都要传递比发出的功率大50倍左右的热量。而同时，由于海洋热能的温差非常小，蒸发器和冷凝器的可用传热温差只有4～5℃。因此，其蒸发器和冷凝器的传热面积将十分巨大。一个10万千瓦的闭式循环海洋热能电站的蒸发器和冷凝器的传热面积均达100万平方米左右，消耗的金属量均在万吨左右。这么庞大的换热器，其运行维护将是一项困难的任务。
可以说，闭式循环把技术难题从汽轮机转到了蒸发器和冷凝器上了。
其次，由于使用了表面式的蒸发器和冷凝器，传热面不可避免的玷污将增大传热热阻，减少有用的温差，这将导致发电能力的下降。
除此之外，闭式循环不能副产淡水，这就使其经济价值进一步减少。当然，对于漂浮式电站，淡水的经济价值比较有限，这个缺点还不成为一个大问题。对于海岛上的固定式电站，使用闭式循环的这个缺点就不能忽视了。
混合式循环系统
这也是一种可能的海洋热能发电方式，它把开式循环和闭式循环结合起来，可以同时产生电能和淡水。混合式循环保留了闭式循环的整个回路。但是它不是把温海水直接通进蒸发器去加热低沸点工质，而是用温海水减压闪蒸出来的蒸汽作为蒸发器的热源。这样做可以免除蒸发器被海水腐蚀和海生物玷污，同时还可以得到淡水。此外，蒸发器的高温侧由原来液体对流换热转变为蒸汽冷凝换热，其放热系数可有较大提高，从而可以减少蒸发器的换热面积。但是，混合式循环增加了海水闪蒸汽化这一环节，消耗了一部分温海水的温位，导致单位流量海水的发电量减少。
这是混合式循环的明显缺点。
3.全流循环系统
在上述的开式循环中，只有一小部分闪蒸成蒸汽的温海水参加到换热器热力循环中，大部分稍为降低了温度的温海水被抛弃掉了。为了把温海水所含的热量完全利用到其温度等于冷海水的温度，有人提出全流循环的概念。全流循环是指在循环中全部工质（温海水，包括气、液两相）均参与膨胀做功的循环。
（1）基本的全流循环
从理论上看，这是非常有吸引力的，因为全流循环都可以从热源的温度膨胀到冷源的温度，理论上可获取最大的功。但实际上，全流循环存在着明显的难以逾越的流体动力学难题。在全流膨胀过程中，按质量比只有小部分工质转化为气态，但这部分气态工质却拥有几乎全部的动能。而保留为液态的大部分工质，由于液体的体积基本上保持不变，基本不参与膨胀过程，因而它本身并没有产生多少由热能转化来的动能。液相的速度主要是受汽相的推动和拖曳而得到的。这就表现为全流膨胀过程产生的气液两相流中，气相和液相间存在着巨大的速度差。这个速度差的存在使得难以研制出有效的涡轮式全流膨胀机。如果按照气相的速度设计涡轮式膨胀机，则液相部分将对涡轮产生强大的制动力。如果迁就液相的速度，则气相部分就不能将其大部分的动能传给涡轮机的转子。这样一台机器将会因效率太低而失去实用意义。
较有效的全流膨胀机是容积式的膨胀机，如汽缸活塞式、螺旋转子式等。但容积式的膨胀机的容积通流能力和膨胀比均十分有限，用于海洋热能这样低品位热能转换时，其体积将十分庞火而失去实用意义。
为了克服这个技术上的困难，出现了许多新的构思和设想。其中，以贝克和伊尔在1975年提出的把海洋热能转化成海水的势能或动能，然后用水轮机来发电的构想最有代表性。该构想于1976年获得美国专利，后来发展成为所谓泡沫提升循环和雾滴提升循环。
（2）泡沫提升循环
泡沫提升循环的基本原理是把加入成泡剂的温海水送入处于真空状态的发泡提升管底部，温海水闪蒸汽化而全部变为泡沫，体积大大增加，向泡沫提升管的顶部膨胀。
这种泡沫是水膜包围着汽，汽和水活塞式气缸同步提升，类似于容积式膨胀机。
在泡沫提升管顶部，设置破沫装置，泡沫破裂，汽水分离。分离出来的水已被提升到泡沫提升管顶部，具有一定的势能，可以推动水轮发电机发电。分离出来的蒸汽由管道引到冷凝器被冷海水冷却成冷凝水，使泡沫提升管保持真空状态，使底部的泡沫可以源源不断地向顶部流动。泡沫提升循环装置，结构简单，运行稳定可靠，并且使用水轮机代替汽轮机，体积大为减小，工程问题较易解决。但泡沫的产生和流动机理仍有待深入研究，能否实用化还是个问题。其最大的困难是为了形成稳定的泡沫，必须向海水中加入成泡剂，这将大大增加发电成本和污染海洋环境。如果不能找到低成本、能回收或是能自然降解的成泡剂，则泡沫提升循环就难以实际使用。
（3）雾滴提升循环
雾滴提升循环是泡沫提升循环的改进。它用雾状流代替泡沫流，靠蒸汽流把水雾提升到高处。其优点是不需要使用成泡剂，不污染环境。雾滴提升循环必须解决提升过程中保持雾状流的稳定，高效地把汽相的动能传递给液相，使小水滴提升到有效的高处。在雾滴流中，汽液两相之间存在着显著的速度差，雾滴和蒸气流之间的能量传递是难以控制的，也是低效率的。雾滴粒径越小，越均匀，其与蒸气流之间的速度相关性越好。而较粗大的水滴在半途将会往下掉，从而破坏雾滴流的稳定性。因此，雾滴提升循环的技术关键将是温海水如何在雾滴流提升管底部形成尽可能均匀，尽可能细小的雾滴流。目前，雾滴提升循环还看不到实用化的前景。
温差能发电的发展
20世纪70年代，美国和日本开始进行海水温差能发电的研究工作。1979年8月，一个名为“Mini-OTEC”的50千瓦漂浮式海水温差电站在美国夏威夷建成，这是世界上第1个有净功率输出的海水温差发电装置。1981～1982年，地处太平洋的瑙鲁共和国兴建1座功率为100千瓦的海水温差试验电站；
日本在九州德之岛建立1座50千瓦海水温差试验电站。之后，日本又与挪威共建1座1兆瓦海水温差电站。从20世纪80年代开始，美国在夏威夷的海水温差发电的开发步伐逐渐加大，电站规模达40兆瓦。日本电力公司在瑙鲁建造了较为成功的100千瓦海洋温差能电站，计划在瑙鲁再建造一座20000千瓦电站。此外，日政府正设计一座10000千瓦的浮动式电站，也考虑建造一座岸基电站，同时还在进行海洋温差能发电和海洋养殖的综合利用试验研究。荷兰完成了一座10000千瓦浮动式电站和100千瓦岸基电站的可行性研究，前者将建在安德列斯群岛。后者将建在巴厘岛。
法国在完成可行性研究之后，决定在塔希提建造一座5兆瓦岸基试验站，后来在铺设冷水管方面遇到困难，工程搁浅了。英国一家公司完成了一座10000千瓦闭式海洋温差能电站的设计，计划建在加勒比海或太平洋。另一家英国公司设计了一座500千瓦闭式岸基电站，拟建在夏威夷，电力进行海水淡化和海洋养殖。美国一家公司正在为波多黎各进行一座10万千瓦闭式电站的原理设计和将建在阿胡岛的4万千瓦电站的设计，后者是政府资助的项目，已完成了原理设计。
美国MINi-0TEC50千瓦试验装置该海水温差发电装置安装在夏威夷海域一艘重268吨的海军驳般上，闭式循环，用氨作工质，板式钛热交换器，发电机额定功率为50千瓦。聚乙烯冷水管内径为0.6米，长663米，垂直伸向海底。此装置于1979年8月开始发电，在表层海水温度为28℃、深层海水温度为7℃时，发电功率为53.6千瓦，其中水泵等耗用35.1千瓦，净输出电力为18.5千瓦。1993年，美国在夏威夷建造了开式循环海水温差电站，装机容量为165千瓦。
我国南海地处北回归线以南，属热带并接近赤道，气候炎热，海水表层温度较高，南海北部全年平均水温25～27℃，南海南部终年在28℃左右，兴建海洋温差电站具有很大的潜力。
1985年，广州能源研究所开始对温差利用中的“雾滴提升循环”旅游圣地——巴厘岛方法进行研究，已取得了阶段成果；
同时还对开式循环过程进行了实验室研究，制造了2座容量分别为10瓦和60瓦的试验台。国家计划至2020年前，在西沙群岛和南海各建1座百千瓦和万千瓦级的海水温差能发电站；我国台湾省计划在其东部沿海建造1座5兆瓦级，并与水产养殖和娱乐为一体的海水温差发电站。由于海水温差发电热力循环效率低，建造大型电站投资多，所以，目前应用主要局限于那些能源昂贵的地区，或者在需用电力的同时，还能结合发展淡水生产和海洋生物养殖的地区。
著名温差能电站
1.瑙鲁共和国100千瓦海水温差试验电站瑙鲁岛附近海水常年具有20℃以上的温差，而且海岸具有40°～45°的陡坡，对建设岸边陆基海水温差电站极为有利。该电站由日本东京电力公司负责设计施工，于1981年4月开工，10月建成开始发电，该电站为闭式循环，采用氟利昂-22作为循环工质，温水用量为1450吨，发电机额定功率为100千瓦。采用壳管式钛热交换器；
聚乙烯冷水管内径为0.75米，取水深度为580米，600米深处海水温度为7℃；温水管采用内径为0.7米的钢管，提取海表层水。该海水温差发电装置发出的电力除本身耗用外，净输出功率为31.5千瓦。
2.日本德之岛50千瓦海水温差试验电站德之岛是九州西南群岛之一。
电站由必州电力公司于1982年建成，是陆基电站，闭式循环，用氨作循环工质，采用板式钛蒸发器，凝汽器为壳管式。聚乙烯冷水管径为0.5米，长2400米，抽取370米深处的冷海水，提水量5000立方米/小时。用柴油发电机的排热将抽取的海表温水加温到40℃，以提高温差、加大发电量。发电机额定功率50千瓦，除站内自用外，净输出18千瓦。
