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        尋找“綠巨人”

        2015-02-18 12:00:26霍雨佳
        大眾科學(xué) 2015年6期
        關(guān)鍵詞:綠巨人發(fā)電站龍卷風

        文|史 峰 霍雨佳

        作者史峰系山東省莒南縣第八中學(xué)教師、本刊特約撰稿人;作者霍雨佳系安徽省銅陵市氣象學(xué)會秘書長、中國微型小說學(xué)會會員、本刊特約撰稿人。

        生活在電器化時代,離開了“電”,我們的生活也許會亂成一團。那么,目前世界上都有哪些綠色、低碳、環(huán)保的發(fā)電方式?科學(xué)家們又是怎樣尋找“綠色電”的呢?

        生活在電器化時代,離開了“電”,我們的生活也許會亂成一團——試想:沒有冰箱、彩電、洗衣機,沒有手機、電腦、電飯煲的日子將會多么慘淡。那么,目前世界上都有哪些綠色、低碳、環(huán)保的發(fā)電方式?科學(xué)家們又是怎樣尋找“綠色電”的呢?

        眼下的發(fā)電站都“有害”

        無論是在國家能源結(jié)構(gòu)中,還是在我們的日常生產(chǎn)生活中,電能都占據(jù)著“巨人”般舉足輕重的地位:電燈、電話、取暖、做飯、機床、機車……我們對電能的需求,可謂是沒有最多,只有更多。

        那么,電能是從何而來的呢?

        據(jù)記載,最早的“電”來自1875年巴黎北火車站的火電廠。時至今日,火力發(fā)電已成為一種最常見的發(fā)電方式,它主要通過燒煤來發(fā)電,所以往往會產(chǎn)生“滾滾煙塵”——電是有了,但空氣也臟了。

        這些煙塵肆無忌憚地污染著空氣,讓我們呼吸困難甚至生病。于是,環(huán)保主義者說:別再建火電站了,再建,空氣臟透了,人都得憋死。而各國也開始紛紛關(guān)停一些火電站,希望能還大眾一片澄澈的藍天。

        不建火力發(fā)電站,那就多建水力發(fā)電站吧。你看,大壩將大江大河攔腰截斷,蓄水成湖,于是,水電站便建成了??墒撬娬窘o環(huán)境造成的危害也不容小覷。原來的河道,水是自然流淌的;現(xiàn)在河道截斷了,顯然違背了“自然意志”,因而對環(huán)境也就造成了侵害——有些魚類產(chǎn)卵洄游受阻,就直接滅絕了,最終導(dǎo)致了生態(tài)鏈的斷裂,久而久之,便會醞釀出難以預(yù)料的生態(tài)災(zāi)難。此外,水電站還可能會影響地殼穩(wěn)定,帶來滑坡、泥石流、山崩、地陷等災(zāi)害。

        火電站、水電站都會對環(huán)境產(chǎn)生影響,那就建核電站吧。日本很注重環(huán)境保護,空氣舍不得污染,江河舍不得截流,環(huán)境稱得上是山清水秀空氣新。那么,不建火電站,不建水電站,日本為什么仍然有充足的電能供應(yīng)?這是因為日本有許多“綠色環(huán)?!钡暮穗娬?,滿足了國民大部分的電能需求。可是,本以為核電站能帶來“綠色電”,不成想一場大地震摧毀了日本的核電站,結(jié)果,“核污水”把土地和海洋都嚴重污染了??礃幼?,核電站也不安全!

        太空電站,建設(shè)容易輸電難

        電能不可缺少,現(xiàn)有的幾類電站又都對環(huán)境有害,怎么辦?仰望天空,太陽光茫四射,似乎在微笑著說:“我這兒有源源不斷的綠色電能,來取吧。”

        為了“回應(yīng)”太陽的呼喚,科學(xué)家發(fā)明出“光伏板”。將光伏板放在太陽光下照射,就能讓太陽能變成電能。光伏發(fā)電不僅是最環(huán)保的發(fā)電方式,還催生了一個新的“朝陽產(chǎn)業(yè)”——光伏產(chǎn)業(yè)。

        用光伏板發(fā)電雖然綠色環(huán)保,可目前它還不能替代火電、水電或核電——因為光伏發(fā)電需要陽光,但陽光卻不會時時都有,陰云遮擋沒陽光,夜晚來臨沒陽光,冬天陽光還會減弱。投射到地面的陽光的不穩(wěn)定性,造成了光伏板發(fā)電的不穩(wěn)定。

        那么,有沒有什么辦法能擺脫云層、黑夜對光伏發(fā)電的影響呢?辦法當然有,那就是把光伏板送到太空,組建太空發(fā)電站,然后太陽光就會持久穩(wěn)定高效地發(fā)電了。

        那還等什么,趕緊把光伏板送到太空吧——且慢,別著急!的確,目前利用光伏板組建太空發(fā)電站的技術(shù)已經(jīng)相當“成熟”,比如國際空間站ISS(國際空間站是一個運行于距離地面360公里的地球軌道上的航空器,其構(gòu)想最初由美國總統(tǒng)里根在1983年提出,但直到1993年才完成設(shè)計。)開始實施的電能,就是依靠一個小型太空發(fā)電站提供的。問題是:太空發(fā)電站產(chǎn)生的電能如何輸送到地球?架設(shè)高壓線肯定是不現(xiàn)實的,所以說太空電站建設(shè)容易輸電難。

        無線輸送太空電

        太空電無法用“架電線”的有線輸送方法傳到地球上,那是否可以用“無線輸電”的方法呢?

        其實,這種想法不僅你有,科學(xué)家也早就進行了嘗試。于是,一種“微波無線輸電”技術(shù)便誕生了。

        2001年5月,一位叫皮尼奧萊的科學(xué)家在美國科羅拉多大峽谷一側(cè),先把電能轉(zhuǎn)化微波(一種電磁波),向大峽谷的另一側(cè)發(fā)射,另一側(cè)有一個微波接收器,它把接收到的微波再轉(zhuǎn)化成電能,結(jié)果這些電能點亮了一只燈泡。這次電能“無線輸送”實驗,沒有用到“電線”,傳輸?shù)碾娏侩m然很少,但它讓人們看到“無線輸電”技術(shù)的可行性。

        2015年3月8日,日本科學(xué)家利用微波無線輸電技術(shù)將1.8千瓦電能從A地傳送到了B地,這些電量已經(jīng)大到可以實用的級別,可以用來啟動電水壺、電烤箱、電飯鍋等一些用電“大件”了。

        此后,科學(xué)家利用微波輸電的“胃口”越來越大,他們計劃在未來幾十年內(nèi),在距地面3.6萬公里高的太空建造一座巨型光伏太空發(fā)電站。屆時,這座發(fā)電站將不再受晝夜、陰晴和季節(jié)變化的影響,時時接受陽光的高效穩(wěn)定“照耀”,持續(xù)發(fā)出“巨量”電能,然后把這些電能用微波傳送方式輸送到地球,到時我們將用上純綠色的“太空電”。

        摩擦“網(wǎng)”住海洋電

        那么,除了太空電,我們還可以向何處尋電?

        這時,科學(xué)家將目光投向了海洋。海洋能被譽為風能、太陽能等綠色能源之后的“藍色能源”。然而,海浪發(fā)電轉(zhuǎn)換率不高的問題一直困擾著科學(xué)家。

        目前,海洋能的采集主要是基于電磁感應(yīng)原理,利用海洋表面水波的沖擊形成線圈對磁感線的切割,從而產(chǎn)生電能。但由于傳統(tǒng)電磁感應(yīng)機是由重的磁鐵和線圈構(gòu)成,放到水里后無法浮在海水表面(除非從海底建立支撐塔架,但這會加大工程的難度和造價),再加上上下翻騰的海浪的不規(guī)則運動,使得傳統(tǒng)的電磁發(fā)電機難以收集波浪能。此外,鐵質(zhì)結(jié)構(gòu)很容易被海水腐蝕,因此也無法長期使用。

        2012年,中國科學(xué)院北京納米能源與系統(tǒng)研究所所長、首席科學(xué)家王中林帶領(lǐng)研究小組提出“摩擦納米發(fā)電機”的概念,利用高分子材料通過摩擦起電和靜電感應(yīng)的耦合而實現(xiàn)發(fā)電。這種發(fā)電機不僅能夠驅(qū)動微納電子器件工作,還可以給便攜式電子設(shè)備和家用電器供電,其質(zhì)量輕、密度小,能漂浮在水面上。在此基礎(chǔ)上,中美兩國的研究人員合作發(fā)明出由摩擦發(fā)電機網(wǎng)絡(luò)組成的海洋能發(fā)電新技術(shù)。

        摩擦納米發(fā)電機被科學(xué)家們視為“顛覆性的技術(shù)”,并且,這項技術(shù)非常適合大規(guī)模生產(chǎn)。實驗測試表明,1平方公里的海洋能輸出,有望達到1.15兆瓦,相當于點亮10萬支10瓦的燈泡,如果做成2萬平方公里的發(fā)電網(wǎng)絡(luò),發(fā)電量相當于三峽大壩的輸出電量。除了大能源的供電需求,這項技術(shù)還可以面向生活,將人體的運動和周圍環(huán)境風吹草動的機械能進行收集和存儲,用于便攜式電子器件的供電。

        腦洞大開的“龍卷風發(fā)電”

        風能作為一種清潔的可再生能源,在地球上的蘊量驚人。據(jù)測算,全球的風能約達2.74×109兆瓦,其中可利用的風能為2×107兆瓦,比地球上可開發(fā)利用的水能總量還要大10倍。

        人們很早就學(xué)會利用風能——主要是通過風車來抽水、磨面等,而現(xiàn)在,人們感興趣的是如何利用風來發(fā)電。

        早在20世紀30年代,丹麥、瑞典、蘇聯(lián)和美國等國就開始應(yīng)用航空工業(yè)的旋翼技術(shù),成功地研制了一些小型風力發(fā)電裝置。不過,當時的發(fā)電量較低,大都在5千瓦以下。之后,風能作為一種清潔的可再生能源,越來越受到世界各國的重視,因此,建成的風力發(fā)電機也越來越多。目前,世界上各大風力發(fā)電機的發(fā)電量,通常都能達到兆瓦以上。

        兆瓦已經(jīng)不低了,但科學(xué)家們并不滿足,他們想:怎樣才能利用風力發(fā)出更多的電呢?有人靈機一動,就把主意達到了龍卷風上。

        龍卷風威力巨大、破壞性強,與此同時,它所釋放的能量也十分驚人——一場強度中等的龍卷風在1分鐘內(nèi)釋放的能量,如果轉(zhuǎn)化為電能,可以供全中國使用50年以上。只可惜,龍卷風屬于一種“可遇不可求,遇見也要躲”的“龐然大物”,目前也不可能對其出現(xiàn)時間、地點和行蹤進行準確的預(yù)報,所以,利用自然的龍卷風進行發(fā)電并不現(xiàn)實。

        那么,能不能模仿龍卷風的結(jié)構(gòu)和原理,制造風力發(fā)電設(shè)施呢?回答是肯定的。

        早在20年前,前蘇聯(lián)原子能研究所的岡察契拉杰博士就開發(fā)出“龍卷風換流器”,可謂人類最早的仿龍卷風的發(fā)電裝置。該裝置由上下兩個缽殼組成,外形呈“X”狀,中間是通風口,里面結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜,但目的就是造成一股與龍卷風類似的強勁渦流,通過葉輪的有效傳遞,最終將能量輸送給發(fā)電機。當時,一部最先進的100米直徑螺旋槳式傳統(tǒng)風力發(fā)電機,功率是3000千瓦,而通過高28米、葉輪直徑2米的“龍卷風換流器”裝置,也可達到同樣的發(fā)電能力。

        龍卷風的漏斗狀旋渦直徑為200米時,研究發(fā)現(xiàn),龍卷風內(nèi)部的氣壓極低,從而形成巨大的旋轉(zhuǎn)風速。當龍卷風的漏斗狀旋渦直徑為200米時,其旋流功率可達3萬兆瓦,相當于10座大型水電站的總電量。據(jù)此,空氣動力學(xué)家又研制出一種塔式龍卷風模型:即將一塔型建筑的四周,全部用板條間隔成小窗,每當有風時,迎風的小窗開啟,背風的小窗關(guān)閉,風吹入塔中后,會形成“小龍卷”,塔的底部裝有螺旋,風轉(zhuǎn)動葉輪推動發(fā)電機發(fā)電。這種龍卷風機,比裝有同樣大小葉輪的風車,功率要高10倍。

        龍卷風把江河湖海的水吸入后,通過漏斗狀旋渦,急劇上升,送到寒冷的大氣層,水凍結(jié)后自然又會釋放能量。計算表明,如果龍卷風每秒鐘消耗60噸水,則可產(chǎn)生2000兆瓦的能量。根據(jù)這一原理,俄羅斯的科學(xué)家已經(jīng)著手“注水龍卷風”的研究了。在人造龍卷風中加入水,不僅可以利用龍卷風進行風力發(fā)電,水凍結(jié)后釋放的熱量也可以轉(zhuǎn)化為電能。相信不久的將來,這種“綜合型龍卷風發(fā)電機”必將造福于人類。

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