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取之不盡用之不竭 海洋風(fēng)發(fā)電有望成下一個(gè)風(fēng)口

2017-10-21 10:45:56來源:網(wǎng)易科學(xué)人欄目組 小小 編輯:墨泉 關(guān)鍵詞:風(fēng)力發(fā)電設(shè)備風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)海洋風(fēng)發(fā)電閱讀量:30818

導(dǎo)讀:雖然目前還沒有商業(yè)規(guī)模的深海風(fēng)力發(fā)電場,如果這項(xiàng)假設(shè)在技術(shù)上和經(jīng)濟(jì)上可行,那么它就有可能提供整個(gè)人類文明所需的電力。
  【中國環(huán)保在線 清潔能源】海洋風(fēng)能幾乎取之不盡用之不竭,然而我們不太可能大規(guī)模的建造海洋渦輪機(jī)。但不可否認(rèn)的是,在遼闊的海洋上,風(fēng)能的確擁有巨大的潛力。而在深水地區(qū)建立漂浮的風(fēng)力發(fā)電場,可能是風(fēng)能技術(shù)發(fā)展的下一個(gè)重要風(fēng)口。雖然目前還沒有商業(yè)規(guī)模的深海風(fēng)力發(fā)電場,如果這項(xiàng)假設(shè)在技術(shù)上和經(jīng)濟(jì)上可行,那么它就有可能提供整個(gè)人類文明所需的電力。
 
  在廣闊的海洋上,風(fēng)速往往比陸地上高得多,這不禁促使人們尋求能在深水環(huán)境中捕獲風(fēng)能并轉(zhuǎn)化為電能的技術(shù)。不久前發(fā)布的一項(xiàng)新研究發(fā)現(xiàn),海洋上擁有近乎無窮的風(fēng)能潛力,理論上甚至可以支持整個(gè)人類文明所需。也就是說,假如我們?cè)敢庠诤I习惭b無數(shù)渦輪機(jī),并能想出在海洋環(huán)境中安裝和維護(hù)它們的方法,海洋風(fēng)能幾乎取之不竭。
 
  然而實(shí)際上,我們不太可能如此大規(guī)模的建造海洋渦輪機(jī),這樣做甚至可能改變地球上的氣候。但不可否認(rèn)的是,在遼闊的海洋上,風(fēng)能的確擁有巨大的潛力。而在深水地區(qū)建立漂浮的風(fēng)力發(fā)電場,可能是風(fēng)能技術(shù)發(fā)展的下一個(gè)重要風(fēng)口。美國加州卡內(nèi)基科學(xué)研究所的肯·卡爾代拉(Ken Caldeira)表示:“從地球物理學(xué)角度來看,我認(rèn)為這是一種綠色環(huán)保照明方案。”
 
  這項(xiàng)研究由卡內(nèi)基科學(xué)研究所的安娜·波斯納(Anna Possner)領(lǐng)導(dǎo),并且獲得了卡爾代拉的支持。這項(xiàng)研究開始之前曾有研究發(fā)現(xiàn),陸地風(fēng)力發(fā)電場產(chǎn)生的能量可能存在上限,因?yàn)榇笞匀缓腿祟愒陉懙厣蟿?chuàng)造的結(jié)構(gòu)會(huì)減緩風(fēng)速。此外,每個(gè)風(fēng)力渦輪機(jī)都會(huì)從風(fēng)力中提取部分能源,并將其轉(zhuǎn)化為我們使用的電力,這會(huì)導(dǎo)致其他渦輪機(jī)收集的風(fēng)能不斷減少??柎忉屨f:“如果前排渦輪機(jī)能吸收半數(shù)風(fēng)能,那么第二排渦輪機(jī)可吸收的能量只剩下1/4,而且會(huì)越來越少。”
 
  但海洋與陸地不同。首先,海上風(fēng)速可能比陸地風(fēng)速高出70%。更重要的是,在那里你可以獲得“風(fēng)力補(bǔ)給”。新的研究發(fā)現(xiàn),在中緯度的海洋中,風(fēng)暴會(huì)定期將強(qiáng)大的風(fēng)能從高海拔地區(qū)轉(zhuǎn)移到地表。這意味著,渦輪機(jī)在海上捕捉到的風(fēng)能上限要高得多??柎f:“在陸地上,渦輪機(jī)只是從大氣層的低部分中吸收動(dòng)能。而在海洋中,它甚至可吸收對(duì)流層的動(dòng)能,或者是大氣層較低部分的能量。”
 
  風(fēng)力渦輪機(jī)不斷地從低對(duì)流層中移除動(dòng)能,從而降低了接近中心高度的風(fēng)速。因此,在包含多個(gè)風(fēng)陣的大型風(fēng)力發(fā)電場中,發(fā)電的速率受到來自大氣動(dòng)能補(bǔ)給的限制。近年來,越來越多的研究表明,在大型風(fēng)力發(fā)電場中,發(fā)電能力于1.5到2兆瓦之間。然而,在這項(xiàng)研究中,我們發(fā)現(xiàn)某些海洋地區(qū),發(fā)電能力更高,而且是可持續(xù)性的。
 
  尤其是北大西洋區(qū)域,有證據(jù)表明,在上層大氣層內(nèi)有較大的向下運(yùn)動(dòng)動(dòng)能。因此,有些海洋地區(qū)的風(fēng)力發(fā)電能力可以超過陸地發(fā)電能力的3倍以上。此外,我們的研究結(jié)果表明,從海洋到大氣的表面熱通量可能在創(chuàng)造出持續(xù)高速率的動(dòng)能下降區(qū)域中起著重要作用,因此,高速率的動(dòng)能提取在地球物理學(xué)上是有可能實(shí)現(xiàn)的。雖然目前還沒有商業(yè)規(guī)模的深海風(fēng)力發(fā)電場,但我們的研究表明,如果這項(xiàng)假設(shè)在技術(shù)上和經(jīng)濟(jì)上可行,那么它就有可能提供整個(gè)人類文明所需的電力。
 
  這項(xiàng)研究比較了美國(以堪薩斯州為中心)與大西洋上近200萬平方公里理論風(fēng)力發(fā)電場的發(fā)電能力。結(jié)果顯示,覆蓋美國中部大部分地區(qū)的風(fēng)力發(fā)電場仍不足以為美國和中國供電,它們每年的發(fā)電能力需要達(dá)到7萬億瓦才能滿足需求。但從理論上講,北大西洋上的風(fēng)能就可以滿足這兩個(gè)國家甚至更多國家的電力需求。在相同地區(qū),從海洋中可以提取的潛在能量“至少”是陸地的3倍。
 
  研究發(fā)現(xiàn),為了滿足人類目前的電力需求,需要在海洋上安裝300萬平方公里的風(fēng)力裝置,這個(gè)面積甚至比格陵蘭還要大。因此,這項(xiàng)研究得出的結(jié)論是:“北大西洋的風(fēng)力發(fā)電能力足以為整個(gè)世界提供電力。”但需要強(qiáng)調(diào)的是,這些都是純粹的理論計(jì)算,它還會(huì)受到許多實(shí)際因素的影響,包括并非所有季節(jié)的風(fēng)力都那么強(qiáng),而且目前如此大規(guī)模捕獲能量的技術(shù)還不存在,更不用說將其轉(zhuǎn)移到海洋上。
 
  還有另外一個(gè)大問題:在研究中進(jìn)行的模擬表明,從自然界中提取這么多的風(fēng)能將會(huì)引發(fā)行效應(yīng),包括導(dǎo)致北極部分地區(qū)的溫度降低13攝氏度??柎f:“試圖從風(fēng)能中獲取滿足整個(gè)人類文明所需的能量,可能會(huì)引發(fā)大麻煩。”但他表示,如果能從這些極高的數(shù)字中減少能源消耗,而且如果風(fēng)力發(fā)電場在范圍內(nèi)分布得更廣,氣候效應(yīng)將會(huì)更小??柎硎荆?ldquo;這讓我們相信,我們應(yīng)該能夠使用一種技術(shù)組合,而不是僅僅依賴于這一技術(shù)。”
 
  長期以來,能源專家們始終認(rèn)為,在可再生能源中,太陽能擁有大的潛力,可以通過擴(kuò)大規(guī)模生產(chǎn)更多電力,以滿足人類的大部分能源需求??柎瓕?duì)此沒有異議。但他的研究表明,將來開放的海洋風(fēng)能能被人們利用后,那么它也可能具有相當(dāng)大的潛力。麻省理工學(xué)院機(jī)械工程教授亞歷山大·斯洛卡姆(Alexander Slocum)專注于海上風(fēng)能及其潛力研究,他認(rèn)為波斯納和卡爾代拉的論文是“非常好的研究”,而且它似乎沒有偏見。
 
  斯洛卡姆解釋稱:“開放海洋風(fēng)能農(nóng)場可以為我們提供大部分所需能源的結(jié)論也得到了歷史支持:隨著技術(shù)的發(fā)展受到限制或被壟斷,尋找替代選擇的動(dòng)機(jī)就會(huì)出現(xiàn)。就像汽車取代馬車,美國用水力壓裂法應(yīng)對(duì)石油輸出國組織的壟斷,現(xiàn)在可再生能源正尋求取代碳?xì)浠衔锂a(chǎn)業(yè)。”
 
  科羅拉多大學(xué)風(fēng)能研究人員茱莉·朗奎斯特(Julie Lundquist)指出:“作者們確實(shí)承認(rèn),從遙遠(yuǎn)的海上收集能源存在相當(dāng)大的技術(shù)挑戰(zhàn),但我很欣賞他們對(duì)資源的重視。我希望這項(xiàng)工作能激發(fā)人們對(duì)深水風(fēng)能的興趣。目前和可預(yù)見的未來,在海上部署風(fēng)力渦輪機(jī)的規(guī)模,遠(yuǎn)未達(dá)到海上風(fēng)能的上限。”
 
  這項(xiàng)研究還指出了風(fēng)能的第三種作用。在陸地上,渦輪機(jī)已經(jīng)能被很熟練地建造起來,而且每年都在安裝更多的渦輪機(jī)。與此同時(shí),沿海地區(qū)現(xiàn)在也看到越來越多的渦輪機(jī),但仍處于相對(duì)較淺的水域。而要在無際的大海(深度通常超過1600米)上安裝渦輪機(jī),預(yù)計(jì)可能需要全新的技術(shù),比如延伸出水面的漂浮渦輪機(jī),它要坐落在非常大的水下浮動(dòng)結(jié)構(gòu)上面,還需要能將整個(gè)渦輪機(jī)與海底固定的錨。
 
  對(duì)這項(xiàng)技術(shù)的實(shí)驗(yàn)已經(jīng)在進(jìn)行:英國國家石油公司(Statoil)正計(jì)劃在蘇格蘭沿海建造大型的海上風(fēng)力發(fā)電場,該農(nóng)場將位于100米深的水域,擁有15兆瓦發(fā)電能力。這些渦輪機(jī)高達(dá)253米,其中海面下的漂浮部分就將占78米??柎f:“我們所描述的東西今天看起來可能不符合經(jīng)濟(jì)成本,但當(dāng)你沿著這個(gè)方向開創(chuàng)新的行業(yè)后,就能為它的發(fā)展提供新的動(dòng)力。”
 
  原標(biāo)題:取之不盡用之不竭?用海洋風(fēng)發(fā)電會(huì)否成為新潮流
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