取之不尽用之不竭?用海洋风发电会否成为新潮流

2017-10-21 00:02:30 来源: 网易科学人 举报
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研究发现,为了满足人类目前的电力需求,需要在海洋上安装300万平方公里的风力装置,这个面积甚至比格陵兰还要大。因此,这项研究得出的结论是:“北大西洋的风力发电能力足以为整个世界提供电力。”但需要强调的是,这些都是纯粹的理论计算,它还会受到许多实际因素的影响,包括并非所有季节的风力都那么强,而且目前如此大规模捕获能量的技术还不存在,更不用说将其转移到海洋上。

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在广阔的海洋上,风速往往比陆地上高得多,这不禁促使人们寻求能在深水环境中捕获风能并转化为电能的技术。不久前发布的一项最新研究发现,海洋上拥有近乎无穷的风能潜力,理论上甚至可以支持整个人类文明所需。也就是说,假如我们愿意在海上安装无数涡轮机,并能想出在极端海洋环境中安装和维护它们的方法,海洋风能几乎取之不竭。

取之不尽用之不竭?用海洋风发电会否成为新潮流

然而实际上,我们不太可能如此大规模的建造海洋涡轮机,这样做甚至可能改变地球上的气候。但不可否认的是,在辽阔的海洋上,风能的确拥有巨大的潜力。而在深水地区建立漂浮的风力发电场,可能是风能技术发展的下一个重要风口。美国加州卡内基科学研究所的肯·卡尔代拉(Ken Caldeira)表示:“从地球物理学角度来看,我认为这是一种绿色环保照明方案。”

这项研究由卡内基科学研究所的安娜·波斯纳(Anna Possner)领导,并且获得了卡尔代拉的支持。这项研究开始之前曾有研究发现,陆地风力发电场产生的能量可能存在上限,因为大自然和人类在陆地上创造的结构会减缓风速。此外,每个风力涡轮机都会从风力中提取部分能源,并将其转化为我们使用的电力,这会导致其他涡轮机收集的风能不断减少。卡尔代拉解释说:“如果前排涡轮机能吸收半数风能,那么第二排涡轮机可吸收的能量只剩下1/4,而且会越来越少。”

但海洋与陆地不同。首先,海上风速可能比陆地风速高出70%。更重要的是,在那里你可以获得“风力补给”。新的研究发现,在中纬度的海洋中,风暴会定期将强大的风能从高海拔地区转移到地表。这意味着,涡轮机在海上捕捉到的风能上限要高得多。卡尔代拉说:“在陆地上,涡轮机只是从大气层的最低部分中吸收动能。而在海洋中,它甚至可吸收对流层的动能,或者是大气层较低部分的能量。”

风力涡轮机不断地从低对流层中移除动能,从而降低了接近中心高度的风速。因此,在包含多个风阵的大型风力发电场中,发电的速率受到来自大气动能补给的限制。近年来,越来越多的研究表明,在大型风力发电场中,发电能力仅限于1.5到2兆瓦之间。然而,在这项研究中,我们发现某些海洋地区,发电能力更高,而且是可持续性的。

尤其是北大西洋区域,有证据表明,在上层大气层内有较大的向下运动动能。因此,有些海洋地区的风力发电能力可以超过陆地发电能力的3倍以上。此外,我们的研究结果表明,从海洋到大气的表面热通量可能在创造出持续高速率的动能下降区域中起着重要作用,因此,高速率的动能提取在地球物理学上是有可能实现的。虽然目前还没有商业规模的深海风力发电场,但我们的研究表明,如果这项假设在技术上和经济上可行,那么它就有可能提供整个人类文明所需的电力。

这项研究比较了美国(以堪萨斯州为中心)与大西洋上近200万平方公里理论风力发电场的发电能力。结果显示,覆盖美国中部大部分地区的风力发电场仍不足以为美国和中国供电,它们每年的发电能力需要达到7万亿瓦才能满足需求。但从理论上讲,北大西洋上的风能就可以满足这两个国家甚至更多国家的电力需求。在相同地区,从海洋中可以提取的潜在能量“至少”是陆地的3倍。

研究发现,为了满足人类目前的电力需求,需要在海洋上安装300万平方公里的风力装置,这个面积甚至比格陵兰还要大。因此,这项研究得出的结论是:“北大西洋的风力发电能力足以为整个世界提供电力。”但需要强调的是,这些都是纯粹的理论计算,它还会受到许多实际因素的影响,包括并非所有季节的风力都那么强,而且目前如此大规模捕获能量的技术还不存在,更不用说将其转移到海洋上。

取之不尽用之不竭?用海洋风发电会否成为新潮流

还有另外一个大问题:在研究中进行的模拟表明,从自然界中提取这么多的风能将会引发行星级效应,包括导致北极部分地区的温度降低13摄氏度。卡尔代拉说:“试图从风能中获取满足整个人类文明所需的能量,可能会引发大麻烦。”但他表示,如果能从这些极高的数字中减少能源消耗,而且如果风力发电场在全球范围内分布得更广,气候效应将会更小。卡尔代拉表示:“这让我们相信,我们应该能够使用一种技术组合,而不是仅仅依赖于这一技术。”

长期以来,能源专家们始终认为,在可再生能源中,太阳能拥有最大的潜力,可以通过扩大规模生产更多电力,以满足人类的大部分能源需求。卡尔代拉对此没有异议。但他的研究表明,将来开放的海洋风能能被人们利用后,那么它也可能具有相当大的潜力。麻省理工学院机械工程教授亚历山大·斯洛卡姆(Alexander Slocum)专注于海上风能及其潜力研究,他认为波斯纳和卡尔代拉的论文是“非常好的研究”,而且它似乎没有偏见。

斯洛卡姆解释称:“开放海洋风能农场可以为我们提供大部分所需能源的结论也得到了历史支持:随着技术的发展受到限制或被垄断,寻找替代选择的动机就会出现。就像汽车取代马车,美国用水力压裂法应对石油输出国组织的垄断,现在可再生能源正寻求取代碳氢化合物产业。”

科罗拉多大学风能研究人员茱莉·朗奎斯特(Julie Lundquist)指出:“作者们确实承认,从遥远的海上收集能源存在相当大的技术挑战,但我很欣赏他们对资源的重视。我希望这项工作能激发人们对深水风能的兴趣。目前和可预见的未来,在海上部署风力涡轮机的规模,远未达到海上风能的上限。”

这项研究还指出了风能的第三种作用。在陆地上,涡轮机已经能被很熟练地建造起来,而且每年都在安装更多的涡轮机。与此同时,沿海地区现在也看到越来越多的涡轮机,但仍处于相对较浅的水域。而要在无际的大海(深度通常超过1600米)上安装涡轮机,预计可能需要全新的技术,比如延伸出水面的漂浮涡轮机,它要坐落在非常大的水下浮动结构上面,还需要能将整个涡轮机与海底固定的锚。

对这项技术的实验已经在进行:英国国家石油公司(Statoil)正计划在苏格兰沿海建造大型的海上风力发电场,该农场将位于100米深的水域,拥有15兆瓦发电能力。这些涡轮机高达253米,其中海面下的漂浮部分就将占78米。卡尔代拉说:“我们所描述的东西今天看起来可能不符合经济成本,但当你沿着这个方向开创新的行业后,就能为它的发展提供新的动力。” (小小)

郭浩 本文来源:网易科学人 责任编辑:郭浩_NT5629
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