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泉源:pixabay

水滴石穿的故事想必人人都听过,我们在游泳的时刻,水的阻力也是无法忽略的。与水接触最多的水手对大海更是充满了敬畏之情。水具有云云壮大的气力,一直是被人类行使的主要能源之一,除了通俗的水电站发电,今天我们要讲的这个能量有点别致――全靠浪。

泉源:youku

在英国的苏格兰东北角,有一大片被称作奥克尼群岛的岛屿,它们周围的海域风急浪高,波涛汹涌,是海员谈虎色变的地方。

泉源:google map

泉源:google

这里的海浪不仅时常折断过往船只的桅杆,甩出的小石块还常将岸上百米高处的住民房里的玻璃击得破坏。1872年的一个巨浪,一拳就把一块1370吨的混凝土块击飞了15米远。

泉源:守望先锋

这对于岛上的住民另有过往的船只来说简直不是好新闻,然则能源学家却对此示意:

这可是大自然赠与的自然能量宝库!这里是天下上海浪能强度最高的区域之一。2003年10月,全球首座海浪发电试验场就在这里问世。欧洲海洋能源中央让奥克尼海浪发电试验场成为人类探索近海能量最大的公共实验场。

大海事实蕴藏了若干能量?

在化石能源濒临枯竭的今天,人们不得不继续寻找新的可再生的能源来应对我们日益增进的能源需求。而大海占有了地球外面积的71%,其中蕴含着伟大的能量。大海是大自然给我们的取之不尽用之不竭的能源宝库。

泉源:pixabay

谈及大海中的能量,首先想到的就是波涛汹涌的海浪中蕴藏的动能。早在1977年,就有人对天下各大洋的海浪举行过估算,得出全球海浪的功率约为700亿千瓦,可开刊行使的约为25亿千瓦。若是海浪的动能完善转化为电能,整年的发电量将到达21900TWh。要知道2019年全球的发电总量约为26990TWh,要是能充实行使海浪的能量发电,一定能大大缓解人类的能源问题。

现实上,人类还开发出了多种提取大海能量的方式,包罗潮汐能盐度梯度能海洋热能等等。

泉源:IEA-OES,Annual Report 2007

从上表的统计数据中可以知道,海浪能的开发潜力是惊人的,那么我们就先来领会一下蓝色能源中的潜力股:

海浪发电装置

现在人们已经发现晰多种装置来实现海浪发电,其中对照有代表性的有英国的Pelamis,丹麦的WEPTOS等等。

Pelamis

Pelamis P1 原型机 泉源:EMEC

Pelamis由苏格兰公司Pelamis Wave Power开发的,行使海洋外面海浪的能量转化为电力的手艺。

Pelamis的第一个原型机就是在奥克兰海域举行测试的。它也是天下上第一个为电网提供电力的离岸海浪发电装置(于2004年接入英国电网) 。它的主体部门像海蛇一样平常:由四个圆柱形的不锈钢浮筒和三个动力枢纽铰接而成,全长120米,浮筒的直径为3.5米,重达750吨。其设计的额定功率是750kW

在Pelamis的动力枢纽内部,有两个液压缸,一旦“海蛇”随着海浪上下升沉,浮筒和动力枢纽之间便会发生相对运动,推动液压缸内的活塞做往复运动,从而驱使内部的发电机发电。发生的电能随后会通过海底电缆运输到岸上。

固然,这个系统会被缆绳系泊在离岸5km左右的海域,否则海浪就把它给带走了。

WEPTOS

WEPTOS是由丹麦公司Tommy Larsen设计研发的海浪能发电装置。

泉源:youtube

WEPTOS的整体形状像一个大型的镊子,两条长达8米的大长腿上划分安装着10个转子。随着海浪的升沉,这些转子会一直地摆动。

通过一个机械装置把同偏向的转动力矩转递到主轴上,

两个主轴的毗邻处有一个发电机,用转子转达给主轴的机械能即可动员发电机发电。

泉源:youtube

电能同样是通过海底电缆传输到陆地。

WEPTOS还会凭证海优势浪的巨细自动调治两条腿启齿的巨细,在风浪较小时,WEPTOS可以打开至120°以吸收更多的能量,在狂风暴雨的极端环境下,则会缩短至13°以削减伟大风浪对装备的损伤。

除此之外,人们行使海浪发电的方式另有许多,然则现在还没有实现真正的商用。只管海浪能的应用远景广漠,但也存在着诸多值得继续探索的问题,好比说海浪发电装置在恶劣的风浪环境下使用寿命若何?若何保证在海浪能量不稳固的时刻还能稳固发电?若大规模使用海浪发电装置,是否会对海洋环境造成影响?…

盐差能

(salinity gradient power)

除了海浪发电,人们另有其他提取大海能量的方式。好比说盐差能,是指海水和淡水之间或两种含盐浓度差其余海水之间的化学电位差能。在江河入海口就存在着大量盐差能。据估算,地球上存在26亿千瓦可行使的盐差能。

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泉源:b2star

当把两种浓度差其余盐溶液倒在统一容器中时,那么浓溶液中的盐类离子就会自觉地向稀溶液中扩散,直到两者浓度相等为止。

我们可以行使大海与陆地河口接壤水域的盐度差,一种最常见的方式就是在淡水和盐水的接壤处放置一个半透膜,阻碍盐类离子的通过,这样就会迫使稀溶液中的水分子单向地朝浓溶液中扩散,那么浓溶液一侧的水位就会上升,化学势能转化为重力势能,行使这个水位差就可以推动水轮发电机发电。

泉源:sci-test

一样平常海水含盐度为35kg每立方米,在室温下,其与淡水的渗透压差相当于270米的水柱施加的压强,从理论上讲,若是这个压力差能被完全行使起来,从河流流入海中的每立方米的淡水就可发0.75kw・h的电。长江的流量约为3万立方米每秒,那么在长江入海口将有功率为81GW的盐差能!

泉源:b2star

美国耶鲁大学化学与环境工程系的Menachem Elimelech和Ngai Yin Yip新近得出结论以为,若是能行使全球1/10汇入大海的河水发电,则可以知足5.2亿人的电能需求,而不排放任何二氧化碳。相比之下,若是是火电站发生等量的电能,每年将排放跨越10亿吨温室气体。

固然,仔细的小同伴可能会发现,使用盐差能发电会消耗名贵的淡水资源,而且现在有关盐差能的研究还停留在实验室阶段,要真正应用起来其开发成本将是伟大的,而且还将面临着许多手艺难题。

海洋热能

(ocean thermal energy)

早在1881年9月,巴黎生物物理学家德・阿松瓦尔就提出行使海洋温差发电的设想。

太阳照射在大海外面将使表层海水升温,而由于光线会被海水吸收,绝大部门的光无法进入到200m以下的深层海水中,这就造成了表层海水温度高,深层海水温度低的温度漫衍。在热带区域,海水表层和深层将会有20多摄氏度的温差。

熟悉热机看法的小同伴们马上就能反映过来,既然我们有了一个高温热源(表层海水)和一个低温热源(深层海水),那我们不就可以确立一个热机了吗?

泉源:zhihu

事实上,实现方式也很简朴,行使海洋外面的温海水加热某些低沸点工质 (如丙烷、异丁烷、氟利昂、氨等) 并使之汽化,推动汽轮机运转做功,从汽轮机中倾轧的乏气可以用从深海(500~1000米)提取的冷海水将其冷凝,使之重新变为液态,云云循环,就可以源源不停地对外输出有用功了。

泉源:eia.gov

泉源:U.S. Department of Energy

美国、日本、法国等早在上世纪就最先了海洋温差能开发手艺的研究,如图即是美国于1974年在夏威夷岛确立的海洋热能发电站,经由多年的试验阶段,该设施于2015年投入使用,发电功率为105kW,为当地的电网供电。

我国的海洋热能资源厚实,仅中国南海就拥有海洋热能资源3.67亿千瓦。2017年,我国的国家海洋局第一海洋研究所研建了室内海洋温差能发电系统,发电功率7.5kW无故障运行时间跨越1000小时。

海洋温差能主要漫衍在赤道周围水深1000米左右的热带海域。据团结国科教文组织统计,全天下海洋温差能理论可再生量在400亿千瓦以上。若是根据2%的行使率盘算,每年可提供的电能约为7万亿千瓦时,相当于140亿桶原油的发电量。

摩擦纳米发电机(TENG)

每当提起海洋带给我们的蓝色能源,笔者不自觉地就会想起在科大听王中林院士做的一场讲述,讲述讲述的是蓝色能源革命。王中林院士团队自主研发了基于摩擦起电原理的摩擦纳米发电机。其原理也许是这样的:

接纳两种质料 (小黄和小蓝),当有外界压力导致两者被压在一起时,小黄会获得电子,小蓝失去电子。

当外界压力被释放的时刻,两者脱离,为了保持各自电中性,小黄会将电子通过外电路传输给小蓝,形成前半周期的电流。

待小黄和小蓝回到初始位置的时刻,两者都可以保持电中性,然则电荷漫衍与初始情形差异。

当两者再次由于外力相互靠近时,由于小黄内外面电子对小蓝外外面电子的排挤,小蓝会通过外电路将之前获得的电子还给小黄,这样他们相互接触的时刻才气保持电中性,这样在外电路就会形成后半周期的电流。

云云周期性地施加形变将会连续发生交变电流。

自2012年1月第一份TENG的讲述起,其输出功率密度在12个月内提高了5个数目级。并被证实其能量转化效率高达50%。王中林院士称现在团队正在致力于研究一种基于摩擦纳米发电手艺的稳固适用的海浪能发电网络装置,该手艺难题一旦攻破,将引发一场海浪发电手艺革命。凭证理论的开端测算,对于像山东省面积巨细的这样一片海域,若是在10米深的水中充满这种发电网格,其发出的电量可知足全天下的能源需求。

王中林团队提出的一种基于TENG的大规模获取蓝色能源的方案

每想到一场阵容赫赫的蓝色能源革命即将降临,笔者总会感应激动,也许在不远的未来,我们发电真的只靠浪就足够了。

参考资料

[1]Marine EnergyWikipedia

[2]WIND, WAVES, and TIDESby Marshal F. Merriam

[3]UTILIZATION OF THE ENERGY IN OCEAN WAVESby John D. Isaacs et. al

[4]WaveRollerWebpage

[5]WEPTOSWebpage

[6]Salinity Gradient Power Reverse Electrodialysisby Etienne Brauns

[7]我国海洋温差能开发的基本蹊径张理 et. al.

[8] Toward the blue energy dream by triboelectric nanogenerator networks by Zhonglin Wang et. al.

[9]On the origin of contact-electrification by Zhonglin Wang et. al.

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