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如何利用潮汐发电?

如何利用潮汐发电?

虽然石油经常引发战争、冲突,催生消费者奴役,石油燃料还会排放大量二氧化碳,但我们还是不得不说,石油对人类起着重大作用,促使人类社会飞速发展。然而,石油是不可再生资源,它的储量是有限的,这意味着总有一天地球上的石油将会耗尽。

正因如此,为了寻找新的代替能源,人类绞尽脑汁想出各种千奇百怪的方法,如柳枝稷乙醇、生物柴油、风能和太阳能发电。但是由于它们自身的障碍,这些方法都不能大规模投产。因此,研究人员仍在继续寻找人类星球上更有效的发电方法。

有些研究人员把目光投向了夜空。结果证明,夜空中的确有一个巨大的能源体,那就是月亮,我们可以利用月球引力产生的潮汐发电。地球同时受太阳和月亮引力作用,虽然太阳比月亮要大得多,但是月亮离地球更近(月球距地球约24万英里,而太阳距地球9300万英里)。因此,月亮对地球的引力作用是太阳对地球引力的两倍还多,由此造成的潮汐运动也蕴藏着极大能量。

我们可以将地球想象成一颗胶囊,而地球上的水则是胶囊的橡胶壳。当月球引力横向拽拉橡胶壳时,橡胶壳的侧边膨胀,这里就会涨潮。而此时橡胶壳的顶部和底部变的很薄,这里就会出现落潮,反之亦然。月球的引力是恒定的,地球的周期性自转引起了地球上不同位置的周期性涨潮和退潮。因为这种潮汐是规律性的,所以很多地方的人们已经开始利用潮汐动力发电。

1.水下涡轮发电

月球对水的引力造成了潮汐,同时也赋予潮水巨大的动能。一切运动的物体都有动能,比如风或一个滚下山的球都具有动能。人类已经可以通过风车捕捉风的动能,根据这个原理,现在研究人员也正在尝试用类似风车的装置捕捉潮水的动能,这个装置就是水下涡轮机。

比起一些高端技术,水下(或潮汐)涡轮机的原理比较简单,实际上就是安装在海底或河床上的风车,它的叶轮设计就像飞机螺旋桨一样。涡轮机的后面连接着齿轮箱,齿轮箱连接着发电机。当潮汐的力量带动涡轮机转动时,同时也带动齿轮转动,随之带动发电机运行。发电机产生的电能会通过海底电缆传送到岸边,然后汇入电网,送入千家万户。

虽然水底涡轮机和风车本质上是一样的,但是相比风车,水底涡轮机还有一些优势。首先,水底涡轮机不需要占用地面空间,而风车农场需要占用大量的土地。未来,土地利用问题将会是一个热点话题,对于一个有6亿人的地球来说,地面空间尤为宝贵,我们需要将有限的地面空间用来建造住房,种植农作物和进行其它生产等。水底涡轮机将空间问题化解于无形。

水底涡轮机的另一个优点来自于水的高密度。水的密度比空气的密度大,这意味着在同样转速,同样的受力面积时,水底涡轮机生产的电能要比风车多。更重要的是,在给定区域中吹过的风量是不可预知的,而在给定区域中的潮汐的动能却是可以预知的。潮起潮落有规律可循,因此,在特定的潮汐地区,每个涡轮机能够生产的电量可以准确计算。

科学家一直在测量一个月周期中潮汐池的能量变化。其中最重要的测量值有两个,一个是平均峰值速度,另一个是平均谷值速度[来源:Carbon Trust]。这两个测量值有助于估算一个月内潮水可能出现的最大速度和最小速度。

除了地球引力之外,还有一些其它的因素会影响水流速度。例如,周边地形是岩石地貌还是泥沙地貌决定了水流的运动方式。另外,潮汐区域的宽度也会影响水流速度,狭窄地带的水流速度更快一些。

在计算水流速度时,潮水运动和水体特质等因素都可以在纸面体现出来,而涡轮机本身对水流的影响却只能在进行了实际测量后才能知道。

2.安装潮汐涡轮机之前是否需要测试?

水利研究人员们非常了解潮汐地带的水流运动,但是仍有很多未知因素。因此,一些研究人员认为人类不应该过早地把涡轮机投入水下,而应该首先充分地研究涡轮机可能产生的影响。当大量的涡轮机集中投入到一个潮汐区域后,会产生什么影响呢?我们知道,能量不能创造也不能消灭,只能从一种形式转化成另外一种可以被我们利用的形式,例如从动能转化成电能。但是,水流动能也许还以某种我们并不是十分了解的方式影响着水底生态环境。

很多人担心过早把涡轮机投入水下的一个原因是,这项技术实在是太吸引人了。水底涡轮机不会排放二氧化碳,而且相对于其它发电方法来说,还是良性的:涡轮机的能源生产是被动的,只是捕捉一些潮汐运动中的动能并转化为电能。

水底涡轮机对海洋生态系统的影响几乎无从考证,不过一个快速旋转的涡轮机叶片很可能将小鱼卷进来。不过,令爱鱼人士感到宽慰的是,潮汐涡轮机的转速很慢,大概每分钟10到20转。一秒钟只移动几英尺的涡轮机的确不会对鱼造成多大的威胁,但是如果下一代涡轮机的转速加快了呢?

当然,涡轮机与水底生态环境的作用是相互的,我们还要考虑水底环境会对涡轮机产生什么影响。例如,像藤壶一样的甲壳动物会不会附着在涡轮机的叶片和发动机上,使它们转速减慢甚至停止转动?

为了搞清楚这些问题,世界上很多地方都建立了水下涡轮试点项目。第一个投入生产的潮汐涡轮机位于挪威克瓦尔松(Kvalsund)海峡底部。这个涡轮机高20米,叶片长10米,速率是每分钟7转。2003年9月,该涡轮发电机接入当地一个村庄——哈默菲斯特的电网,每年能发电70万度,相当于该地35户人家的年用电量。

另外一个小组则正在评估涡轮机对水底生物的影响。美国弗敦电力公司在水底安装了5个35千瓦的涡轮机,并安装了专门装备以监测周围的海洋生物。这些设备会检测、跟踪并记录距离涡轮机54英尺(18米)以内鱼儿们的情况。到目前为止,还没有鱼被卷入涡轮机。

弗敦电力公司还参与了纽约东河的一个项目。他们在水流速度为4海里/小时(大约46英里每小时)的河底安装了6个35千瓦的潮汐涡轮机,这六个涡轮发电机目前为周围的杂货店和停车场供电。弗敦公司还打算在河底安装更多的涡轮机,计划能够为4000户家庭供电。

英国也在研究水下涡轮发电。英国海洋电力公司已经在水里安装了两个大型的涡轮机,它们的每个叶片长18米,当转动时可以产生一百二十万瓦功率的电能。这两个涡轮机产生的电流都汇入到距爱尔兰海岸线不远处的矗立于北海底部的一根电线杆上。

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