關(guān)于鹽差能發(fā)電的研究報(bào)告

關(guān)于鹽差能發(fā)電的研究報(bào)告前言：當(dāng)今時(shí)代能源緊缺，海洋能的開發(fā)是當(dāng)下的熱點(diǎn)。海洋能不僅包括我們熟知的潮汐能，波浪能，洋流能，溫差能等可再生能源，還有我們不太熟悉的鹽差能?，F(xiàn)階段，潮汐能的開發(fā)已初具規(guī)模，部分國家已經(jīng)有了具有實(shí)用價(jià)值的潮汐發(fā)電站，如法國的朗斯電站。而對于鹽差能這種我們不太熟悉的能源，目前人們對它還處于探索階段，筆者對此查閱了相關(guān)資料，進(jìn)行了一番研究。鹽差能是指海水和淡水之間或兩種含鹽濃度不同的海水之間的化學(xué)電位差能，是以化學(xué)能形態(tài)出現(xiàn)的海洋能。主要存在于河海交接處。同時(shí)，淡水豐富地區(qū)的鹽湖和地下鹽礦也可以利用鹽差能。鹽差能是海洋能中能量密度最大的一種可再生能源。利用大海與陸地河口交界水域的鹽度差所潛藏的巨大能量一直是科學(xué)家的理想。在淡水與海水之間有著很大的滲透壓力差，一般海水含鹽度為3.5%，其和河水之間的化學(xué)電位差有相當(dāng)于240m水頭差的能量密度，從理論上講，如果這個(gè)壓力差能利用起來，從河流流入海中的每立方英尺的淡水可發(fā)0.65kwh的電。一條流量為1m3/S的河流的發(fā)電輸出功率可達(dá)2340kw。從原理上來說，這種水位差可以利用半透膜在鹽水和淡水交接處實(shí)現(xiàn)。如果在這一過程中鹽度不降低的話，產(chǎn)生的滲透壓力足可以將鹽水水面提高240m，利用這一水位差就可以直接由水輪發(fā)電機(jī)提取能量。如果用很有效的裝置來提取世界上所有河流的這種能量，那么可以獲得約2.6TW的電力。更引人注目的是鹽礦藏的潛力。在死海，淡水與咸水間的滲透壓力相當(dāng)于5000m的水頭，而鹽穹中的大量干鹽擁有更密集的能量。（引自百科）在此，筆者做了一番思考，如果能利用死海和一般海的鹽度差發(fā)電，當(dāng)然不考慮別的因素，這將會(huì)產(chǎn)生非?？捎^的電能。 黃河河口如果我們能利用全球1/10匯入大海的河水發(fā)電，則可以滿足5.2億人的電能需求，而不排放任何二氧化碳。我國鹽差能資源的特點(diǎn)1地理分布不均。長江口及其以南的大江河口沿岸的資源量占全國總量的92.5%，理論總功率達(dá)1.156108kW，其中東海沿海占69%，理論功率為0.86108kW。 2沿海大城市附近資源最富集，特別是上海和廣東附近的資源量分別占全國的59.2%和20%。 3資源量具有明顯的季節(jié)變化和年際變化。一般汛期4-5個(gè)月的資源量占全年的60%以上，長江占70%以上，珠江占75%以上。 4山東半島以北的江河冬季均有1-3個(gè)月的冰封期，不利于全年開發(fā)利用。(資料來自地理百科)死海景觀從以上的資料我們看到海洋鹽差能的蘊(yùn)藏量是比較可觀的，而且利用它幾乎不帶來任何污染，所以鹽差能是一種很清潔的能源。如果能夠有效開發(fā)它的話，這將對我們目前的能源緊張和環(huán)境污染的嚴(yán)峻形勢有很大的緩解，即使由于各種技術(shù)上的原因沒能有效開發(fā)它，這對我們提高認(rèn)識(shí)新能源，開發(fā)新能源的能力也是很有用的，所以我們有必要適當(dāng)投入人力物力進(jìn)行相關(guān)研究。下面我們來看如何將鹽差能轉(zhuǎn)化成電能。關(guān)于鹽差能的利用，目前主要有三種可行的辦法，滲透壓能法、反電滲析法和蒸汽壓能法。其中滲透壓能法又包含了兩種系統(tǒng)，水壓塔滲透系統(tǒng)和強(qiáng)力滲透系統(tǒng)。一 滲透壓能法1. 滲透壓法發(fā)電原理 目前的海水發(fā)電方法主要為“滲透法”。所謂“滲透法”，就是使用增壓方法，加速海水滲透過程。在實(shí)驗(yàn)中，科學(xué)家用特殊薄膜在容器內(nèi)把海水與純水隔開后，海水一側(cè)對膜的壓力會(huì)高于純水這一側(cè)。于是，一部分純水就會(huì)透過薄膜漫出水槽，并產(chǎn)生能夠推動(dòng)水電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的巨大動(dòng)力，從而進(jìn)行發(fā)電。目前，有些科學(xué)家使用帶電的薄膜，以加速淡水向海水的滲透過程。為了延長薄膜的使用壽命，研究人員還必須即時(shí)切換電薄膜的正負(fù)電極位置。如果在河流的入海口使用一種大型單向滲透薄膜，將河水與海水分開的話，就能獲得巨大的海水滲透壓，推動(dòng)巨型渦輪機(jī)發(fā)電。研究人員建議，利用海水進(jìn)行發(fā)電的滲透壓發(fā)電站，可以建造在河流的入?？诘鹊攸c(diǎn)。另外，滲透壓發(fā)電廠還能建在任何一個(gè)淡水資源和咸水資源共存的地區(qū)，甚至是在某些地區(qū)的地下。 2. 兩種滲透壓式鹽差能轉(zhuǎn)換方法 （1）水壓塔滲透壓系統(tǒng) 水壓塔滲透壓系統(tǒng)主要由水壓塔、半透膜、海水泵、水輪機(jī)-發(fā)電機(jī)組等組成。其中水壓塔與淡水間由半透膜隔開，而塔與海水之間通過水泵連通。 系統(tǒng)的工作過程：先由海水泵向水壓塔內(nèi)充入海水。這時(shí)，由于滲透壓的作用，淡水從半透膜向水壓塔內(nèi)滲透，使水壓塔內(nèi)水位上升。當(dāng)塔內(nèi)水位上升到一定高度后，便從塔頂?shù)乃垡绯?，沖擊水輪機(jī)旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。為了使水壓塔內(nèi)的海水保持一定的鹽度、必須用海水泵不斷向塔內(nèi)打入海水，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)連續(xù)工作，除去海水泵等的動(dòng)力消耗，系統(tǒng)的總效率約為20左右。 水壓塔滲透系統(tǒng)簡易示意圖我們已經(jīng)看到，這種發(fā)電方式有非常明顯的缺陷，為了使水壓塔內(nèi)的海水保持一定的鹽度、必須用海水泵不斷向塔內(nèi)打入海水，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)連續(xù)工作，如此一來，發(fā)電本身就需要一定的能量消耗。這會(huì)導(dǎo)致很高的發(fā)電成本，使得鹽差能發(fā)電沒有實(shí)用價(jià)值。（2）強(qiáng)力滲壓系統(tǒng)強(qiáng)力系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換方法是在河水與海水之間建兩座水壩分別稱為前壩和后壩，并在兩水壩之間挖一個(gè)低于海平面約200米的水庫。前壩內(nèi)安裝水輪發(fā)電機(jī)組，使河水與低水庫相連，而后壩底部則安裝半透膜滲流器，使低水庫與海水相通。（見下圖） 系統(tǒng)的工作過程：當(dāng)河水通過水輪機(jī)流進(jìn)低水庫時(shí)，沖擊水輪機(jī)旋轉(zhuǎn)并帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。同時(shí)，低水庫的水通過半透膜流入海中，以保持低水庫與河水之間的水位差。強(qiáng)力滲壓系統(tǒng)示意圖個(gè)人認(rèn)為，這種發(fā)電方式優(yōu)于前一種，它在利用鹽差能的同時(shí)可以把河水的動(dòng)能利用起來，這會(huì)大大增加發(fā)電的效益。以上兩種發(fā)電方式都用到了滲透膜，鹽差導(dǎo)致的滲透壓是很高的，這就對滲透膜提出了很高的要求，他必須具有很強(qiáng)的抗壓能力，否則發(fā)電站無法修建，這對材料科學(xué)來說是一個(gè)很大的挑戰(zhàn)。當(dāng)然，這就加大了通過滲透壓能法利用鹽差能的難度。2. 反電滲析法反電滲析電池裝置的原理如下圖所示。它采用陰離子和陽離子兩種交換膜，陽離子交換膜。只允許陽離子(主要是Na+離子)透過，陰離子交換膜只允許陰離子(主要是Cl-離子)通過。陽離子滲透膜和陰離子滲透膜交替放置，中間的間隔交替充以淡水和鹽水。對于NaCl溶液，Na+透過陽離子交換膜向陽極流動(dòng)，Cl-透過陰離子交換膜向陰極流動(dòng)，陽極隔室的電中性溶液通過陽極表面的氧化作用維持，陰極隔室的電中性溶液通過陰極表面的還原反應(yīng)維持，電子通過外部電路從陽極傳人陰極形成電流。當(dāng)回路中接入外部負(fù)載時(shí)，這個(gè)電流和電壓差可以產(chǎn)生電能。通常為了減少電極的腐蝕，把多個(gè)電池串聯(lián)起來，可以形成更高的電壓。反電滲析裝置原理圖這種方法利用鹽差能，其缺點(diǎn)也是很明顯的。我們知道原電池原理用于大規(guī)模發(fā)電的技術(shù)很不成熟，要在河口修建反電滲透系統(tǒng)難度可想而知。3.蒸汽壓能法 關(guān)于蒸汽壓能法筆者對其原理不是很明白，故根據(jù)資料作一簡單介紹。根據(jù)淡水和咸水具有不同蒸氣壓力的原理，水蒸發(fā)并在鹽水中冷凝，利用蒸氣氣流使渦輪機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。這種過程會(huì)使渦輪機(jī)的工作狀態(tài)類似于開式海洋熱能轉(zhuǎn)換電站。這種方法所需要的機(jī)械裝置的成本也與開式海洋熱能轉(zhuǎn)換電站幾乎相等。但是，這種方法在戰(zhàn)略上不可行是因?yàn)樗牡?，而海洋熱能轉(zhuǎn)換電站卻生產(chǎn)淡水。從以上資料我們已經(jīng)可以看出，這三種方法的缺點(diǎn)都非常明顯，要大規(guī)模應(yīng)用，我們還有很長的路要走。關(guān)于鹽差能發(fā)電的現(xiàn)狀，筆者也查閱了相關(guān)資料，現(xiàn)作一簡單介紹。世界上首個(gè)鹽差能發(fā)電站已與2009年在挪威建成并投入使用，很多國家也陸續(xù)著手研究開發(fā)這種新能源。設(shè)計(jì)者計(jì)劃用5年的時(shí)間，使得該發(fā)電站發(fā)出來的電力可以滿足一個(gè)小鎮(zhèn)的照明和取暖需求。這個(gè)發(fā)電站的主要目的很顯然不是要解決當(dāng)?shù)氐哪茉葱枨?，而是對進(jìn)一步開發(fā)鹽差能做相關(guān)的試驗(yàn)和研究。我國于1979年也開始這方面的研究，1981年發(fā)表第一篇科研論文，1985年7月14日在西安采用半滲透膜，研制成干涸鹽湖鹽差發(fā)電實(shí)驗(yàn)室裝置，半透膜面積為14m2。試驗(yàn)中溶劑(淡水)向溶液(濃鹽水)滲透，溶液水柱升高10m，水輪機(jī)發(fā)電機(jī)組電功率為0.9-1.2瓦。西安冶金建筑學(xué)院于1985年對水壓塔系統(tǒng)進(jìn)行了試驗(yàn)研究。上水箱高出滲透器約10m，用30公斤干鹽可以工作814小時(shí)，發(fā)電功率為0.91.2W。顯然我國鹽差能發(fā)電研究尚處在初期階段。目前世界上還沒有具有實(shí)用價(jià)值的鹽差發(fā)電站，整體上講還處于試驗(yàn)的初級階段，甚至如此高的開發(fā)成本到底值不值得我們投入都還存在著爭議