Năng lượng Mặt Trời được các đại dương hấp thụ và tích trữ như là nguồn nhiệt trong các lớp nước bề mặt. Mặt khác, ở các độ sâu hơn 1000m nước lạnh chuyển động một cách rất chậm từ các địa cực đến xích đạo. Do đó độ chênh lệch nhiệt độ (hay còn gọi là gradient nhiệt độ) theo chiều vuông góc với mặt biển đạt được khoảng 250C và khá ổn định trong thời gian cả năm ở nhiều vùng nhiệt đới và cận nhiệt đới. Theo các định luật cơ bản của nhiệt động học, gradient nhiệt độ có thể khai thác như một nguồn nhiệt. Nước nóng ở bề mặt và nước lạnh ở dưới tầng sâu của đại dương, nếu đem lại gần nhau có thể sử dụng như là các nguồn nóng và nguồn lạnh trong một máy nhiệt. Một máy nhiệt hoạt động với hai nguồn nhiệt như thế cũng giống như các máy nhiệt trong các nhà máy nhiệt điện, nhưng đối với các máy nhiệt đại dương thì không cần dùng một nhiên liệu nào cả.
Gradien nhiệt độ đại dương không biến đổi nhiều từ ban ngày sang ban đêm và vì vậy có thể coi là nguồn nhiệt rất ổn định. Tuy nhiên có có thể thay đổi theo mùa và phụ thuộc vào khoảng cách đến xích đạo.
Tiềm năng năng lượng đại dương ước tính khoảng 1013W (10 TW). Tất nhiên không thể khai thác được hết toàn bộ nguồn năng lượng này. Nguồn năng lượng có thể khai thác thực tế nhỏ hơn tiềm năng nói trên. Các chuyên gia năng lượng đã tính toán một cách chính xác và đưa ra con số tiềm năng thực tế là 1011W (0,1 TW).
Để có thể biến đổi gradient nhiệt độ đại dương thành điện năng người ta có thể dùng một số chu trình biến đổi như sau :
a- Chu trình kín
Hệ thống chu trình kín như trình bày trên hình 8.11 vận hành như sau. Nước nóng ở lớp nước bề mặt đại dương được dùng để làm nóng một chất lỏng có nhiệt độ bay hơi thấp – chất lỏng này được gọi là chất lỏng làm việc – như amoniac, Freon hay propan.
154
Chất lỏng làm việc khi đi qua buồng có áp suất thấp sẽ bị bốc hơi. Hơi này được cho qua tuabin làm quay tuabin phát điện, sau đó hơi đi qua buồng ngưng tụ được làm lạnh bằng nước biển lạnh lấy từ các tầng nước sâu và được bơm trở về buồng hóa hơi, ..v..v…
b- Chu trình mở
Bản thân nước biển cũng có thể sử dụng như một chất lỏng làm việc nhưng không chạy theo chu trình kín mà theo chu trình mở (hình 8.12). Hệ thống máy nhiệt hoạt động theo chu trình mở này được gọi là hệ thống mở.
Nước biển nóng được làm “bay hơi nổ” trong một buồng chân không. Hơi nước được dẫn để xả qua một tuabin hơi để phát điện, sau đó đi vào bình ngưng tụ dùng nước biển lạnh tự nhiên. Điều hấp dẫn của hệ thống này là hơi nước sau khi ngưng tụ trong buồng ngưng tụ là nước sạch đã được chưng cất. Nó có thể dùng như một nguồn nước sạch phục vụ sinh hoạt và công nghiệp.
155
Độ chênh lệch nhiệt độ giữa lớp nước nóng bề mặt và lớp nước lạnh ở dưới sâu đạt được các giá trị lớn nhất ở khác khu vực gần xích đạo. Mặt khác độ dày của lớp nước nóng cũng có xu hướng đạt tới một cực tiểu ở các vĩ tuyến gần xích đạo. Điều này sẽ là các đặc điểm quan trọng cần phải tính đến khi thiết kế hệ thống thu gom nước nóng của hệ thống. Ngoài ra các lớp nước lạnh ở dưới các đại dương cũng gần hơn với lớp nước nóng bề mặt ở các khu vực gần xích đạo. Đặc trưng này tạo ra các lợi ích rất lớn trong thiết kế và chế tạo các ống lấy nước lạnh cho nhà máy nhiệt điện đại dương (OTEC). Các chu trình máy nhiệt để khai thác năng lượng nhiệt đã được ứng dụng rộng rãi. Đối với các nhà máy nhiệt điện đại dương làm việc với độ chênh lệch nhiệt độ khoảng 200C khoảng 3%.
Vì phải lấy nước lạnh ở độ sâu trên 1000m và vì phải cho lưu lượng nước cần thiết đối với mỗi MW công suất là 4 đến 8 m/s, nên nhà máy nhiệt điện đại dương thường phải có quy mô khá lớn.
156
Một nhà máy nhiệt điện đại dương có thể xây dựng trên đất liền (bờ biển) hoặc trên các tháp nổi cố định và cũng có thể đặt trên hệ thống phao nổi. Trong trường hợp xây trên hệ thống phao nổi người ta có thể cố định chúng bằng các neo và khi cần thiết có thể di chuyển trên biển từ vùng này sang vùng khác, tạo ra một nhà máy điện :xa bờ” phục vụ các ngành công nghiệp có tính mùa vụ.
Hệ thống nhà máy nhiệt điện đại dương nổi có ưu điểm là có thể dễ dàng di chuyển đến nơi có độ chênh nhiệt độ cao. Nhưng để có hiệu quả kinh tế cao hơn, quy mô nhà máy nên ở trong phạm vi 100MW đến 400MW. Đối với nhà máy nổi này thì nguồn năng lượng được sản xuất ra nên được sử dụng ngay cho các quá trình chế biến được thực hiện ở chính trên phao nổi (như sản xuất amoniac, phân bón, luyện kim, chế biến hải sản, ..v..v…) hoặc chuyển sang dạng năng lượng dự trữ (như nạp ác quy, v..v..). Các ống dẫn nước lạnh có thể được thiết kế khác nhau. Tùy theo điều kiện thực tế ở địa phương nơi đặt nhà máy nhiệt điệnn đại dương, nó có thể được treo dưới các phao nổi hoặc có thể đặt nằm ngay dưới đáy biển.
Một điều rất quan trọng đối với các nhà máy nhiệt điện đại dương là cần phải lựa chọn sử dụng các vật liệu và thiết bị vừa phải chịu được điều kiện môi trường biển rất khắc nghiệt, lại phải vừa đảm bảo hiệu quả kinh tế.
Vì vậy, cho đến nay, 4 loại thiết bị đặc biệt trong một nhà máy nhiệt điện đại dương là ống dẫn nước lạnh, có bộ trao đổi nhiệt, các neo và hệ truyền tải điện vào bờ vẫn là các đối tượng của các chương trình nghiên cứu phát trei63n đeể tìm ra các vật liệu và công nghệ ngày một tốt hơn, đem lại hiệu quả kinh tế cao hơn.