我們發電不用漿，全靠浪_風聞

原創：中科院物理所

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　　水滴石穿的故事想必大家都聽過，我們在游泳的時候，水的阻力也是無法忽略的。與水接觸最多的水手對大海更是充滿了敬畏之情。水具有如此強大的力量，一直是被人類利用的主要能源之一，除了普通的水電站發電，今天我們要講的這個能量有點別緻——全靠浪。

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　　在英國的蘇格蘭東北角，有一大片被稱作奧克尼羣島的島嶼，它們附近的海域風急浪高，波濤洶湧，是海員談虎色變的地方。

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　　這裏的海浪不僅時常折斷過往船隻的桅杆，甩出的小石塊還常將岸上百米高處的居民房裏的玻璃擊得粉碎。1872年的一個巨浪，一拳就把一塊1370噸的混凝土塊擊飛了15米遠。

　　來源：守望先鋒

　　這對於島上的居民還有過往的船隻來説的確不是好消息，但是能源學家卻對此表示：

　　這可是大自然贈與的天然能量寶庫！這裏是世界上海浪能強度最高的地區之一。2003年10月，全球首座海浪發電試驗場就在這裏問世。歐洲海洋能源中心讓奧克尼海浪發電試驗場成為人類探索近海能量最大的公共實驗場。

　　大海究竟藴藏了多少能量？

　　在化石能源瀕臨枯竭的今天，人們不得不繼續尋找新的可再生的能源來應對我們日益增長的能源需求。而大海佔據了地球表面積的71%，其中藴含着巨大的能量。大海是大自然給我們的取之不盡用之不竭的能源寶庫。

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　　談及大海中的能量，首先想到的就是波濤洶湧的海浪中藴藏的動能。早在1977年，就有人對世界各大洋的海浪進行過估算，得出全球海浪的功率約為700億千瓦，可開發利用的約為25億千瓦。如果海浪的動能完美轉化為電能，全年的發電量將達到21900TWh。要知道2019年全球的發電總量約為26990TWh，要是能充分利用海浪的能量發電，一定能大大緩解人類的能源問題。

　　實際上，人類還開發出了多種提取大海能量的方法，包括潮汐能，鹽度梯度能，海洋熱能等等。 

　　來源：IEA-OES，Annual Report 2007

　　從上表的統計數據中可以知道，海浪能的開發潛力是驚人的，那麼我們就先來了解一下藍色能源中的潛力股：

　　波浪發電裝置

　　目前人們已經發明瞭多種裝置來實現波浪發電，其中比較有代表性的有英國的Pelamis，丹麥的WEPTOS等等。

　　Pelamis

　　Pelamis P1 原型機 來源：EMEC

　　Pelamis由蘇格蘭公司Pelamis Wave Power開發的，利用海洋表面波浪的能量轉化為電力的技術。

　　Pelamis的第一個原型機就是在奧克蘭海域進行測試的。它也是世界上第一個為電網提供電力的離岸波浪發電裝置(於2004年接入英國電網) 。它的主體部分像海蛇一般：由四個圓柱形的不鏽鋼浮筒和三個動力關節鉸接而成，全長120米，浮筒的直徑為3.5米，重達750噸。其設計的額定功率是750kW。

　　在Pelamis的動力關節內部，有兩個液壓缸，一旦“海蛇”隨着波浪上下起伏，浮筒和動力關節之間便會發生相對運動，推動液壓缸內的活塞做往復運動，從而驅使內部的發電機發電。產生的電能隨後會通過海底電纜運輸到岸上。

　　當然，這個系統會被纜繩繫泊在離岸5km左右的海域，不然海浪就把它給帶走了。

　　WEPTOS

　　WEPTOS是由丹麥公司Tommy Larsen設計研發的波浪能發電裝置。

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　　WEPTOS的整體形狀像一個大型的鑷子，兩條長達8米的大長腿上分別安裝着10個轉子。隨着波浪的起伏，這些轉子會不停地擺動。

　　通過一個機械裝置把同方向的轉動力矩轉遞到主軸上，

　　兩個主軸的連接處有一個發電機，用轉子傳遞給主軸的機械能即可帶動發電機發電。

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　　電能同樣是通過海底電纜傳輸到陸地。

　　WEPTOS還會根據海上風浪的大小自動調節兩條腿開口的大小，在風浪較小時，WEPTOS可以打開至120°以接收更多的能量，在狂風暴雨的極端環境下，則會收縮至13°以減少巨大風浪對設備的損傷。

　　除此之外，人們利用海浪發電的方法還有很多，但是目前還沒有實現真正的商用。儘管海浪能的應用前景廣闊，但也存在着諸多值得繼續探索的問題，比如説海浪發電裝置在惡劣的風浪環境下使用壽命如何？如何保證在海浪能量不穩定的時候還能穩定發電？若大規模使用波浪發電裝置，是否會對海洋環境造成影響？…

　　鹽差能

　　 (salinity gradient power)

　　除了波浪發電，人們還有其他提取大海能量的方式。比如説鹽差能，是指海水和淡水之間或兩種含鹽濃度不同的海水之間的化學電位差能。在江河入海口就存在着大量鹽差能。據估算，地球上存在26億千瓦可利用的鹽差能。

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　　當把兩種濃度不同的鹽溶液倒在同一容器中時，那麼濃溶液中的鹽類離子就會自發地向稀溶液中擴散，直到兩者濃度相等為止。

　　我們可以利用大海與陸地河口交界水域的鹽度差，一種最常見的方式就是在淡水和鹽水的交界處放置一個半透膜，阻礙鹽類離子的通過，這樣就會迫使稀溶液中的水分子單向地朝濃溶液中擴散，那麼濃溶液一側的水位就會上升，化學勢能轉化為重力勢能，利用這個水位差就可以推動水輪發電機發電。

　　來源：sci-test

　　一般海水含鹽度為35kg每立方米，在室温下，其與淡水的滲透壓差相當於270米的水柱施加的壓強，從理論上講，如果這個壓力差能被完全利用起來，從河流流入海中的每立方米的淡水就可發0.75kw·h的電。長江的流量約為3萬立方米每秒，那麼在長江入海口將有功率為81GW的鹽差能！

　　來源：b2star

　　美國耶魯大學化學與環境工程系的Menachem Elimelech和Ngai Yin Yip新近得出結論認為，如果能利用全球1/10匯入大海的河水發電，則可以滿足5.2億人的電能需求，而不排放任何二氧化碳。相比之下，如果是火電站產生等量的電能，每年將排放超過10億噸温室氣體。

　　當然，細心的小夥伴可能會發現，使用鹽差能發電會消耗寶貴的淡水資源，而且目前有關鹽差能的研究還停留在實驗室階段，要真正應用起來其開發成本將是巨大的，而且還將面臨着許多技術難題。

　　海洋熱能

　　(ocean thermal energy)

　　早在1881年9月，巴黎生物物理學家德·阿松瓦爾就提出利用海洋温差發電的設想。

　　太陽照射在大海表面將使表層海水升温，而由於光線會被海水吸收，絕大部分的光無法進入到200m以下的深層海水中，這就造成了表層海水温度高，深層海水温度低的温度分佈。在熱帶地區，海水錶層和深層將會有20多攝氏度的温差。

　　熟悉熱機概念的小夥伴們馬上就能反應過來，既然我們有了一個高温熱源(表層海水)和一個低温熱源(深層海水)，那我們不就可以建立一個熱機了嗎？

　　來源：zhihu

　　事實上，實現方法也很簡單，利用海洋表面的温海水加熱某些低沸點工質 (如丙烷、異丁烷、氟利昂、氨等) 並使之汽化，推動汽輪機運轉做功，從汽輪機中排出的乏氣可以用從深海(500~1000米)提取的冷海水將其冷凝，使之重新變為液態，如此循環，就可以源源不斷地對外輸出有用功了。

　　來源：eia.gov

　　來源：U.S. Department of Energy

　　美國、日本、法國等早在上世紀就開始了海洋温差能開發技術的研究，如圖便是美國於1974年在夏威夷島建立的海洋熱能發電站，經過多年的試驗階段，該設施於2015年投入使用，發電功率為105kW，為當地的電網供電。

　　我國的海洋熱能資源豐富，僅中國南海就擁有海洋熱能資源3.67億千瓦。2017年，我國的國家海洋局第一海洋研究所研建了室內海洋温差能發電系統，發電功率7.5kW無故障運行時間超過1000小時。

　　海洋温差能主要分佈在赤道附近水深1000米左右的熱帶海域。據聯合國科教文組織統計，全世界海洋温差能理論可再生量在400億千瓦以上。如果按照2%的利用率計算，每年可提供的電能約為7萬億千瓦時，相當於140億桶原油的發電量。

　　摩擦納米發電機(TENG)

　　每當提起海洋帶給我們的藍色能源，筆者不自覺地就會想起在科大聽王中林院士做的一場報告，報告講述的是藍色能源革命。王中林院士團隊自主研發了基於摩擦起電原理的摩擦納米發電機。其原理大概是這樣的：

　　採用兩種材料 (小黃和小藍)，當有外界壓力導致兩者被壓在一起時，小黃會得到電子，小藍失去電子。

　　當外界壓力被釋放的時候，兩者分開，為了保持各自電中性，小黃會將電子通過外電路傳輸給小藍，形成前半週期的電流。

　　待小黃和小藍回到初始位置的時候，兩者都可以保持電中性，但是電荷分佈與初始情況不同。

　　當兩者再次因為外力相互靠近時，由於小黃內表面電子對小藍外表面電子的排斥，小藍會通過外電路將之前得到的電子還給小黃，這樣他們相互接觸的時候才能保持電中性，這樣在外電路就會形成後半週期的電流。

　　如此週期性地施加形變將會持續產生交變電流。

　　自2012年1月第一份TENG的報告起，其輸出功率密度在12個月內提高了5個數量級。並被證實其能量轉化效率高達50%。王中林院士稱目前團隊正在致力於研究一種基於摩擦納米發電技術的穩定實用的波浪能發電網絡裝置，該技術難題一旦攻破，將引發一場海浪發電技術革命。根據理論的初步測算，對於像山東省面積大小的這樣一片海域，如果在10米深的水中佈滿這種發電網格，其發出的電量可滿足全世界的能源需求。

　　王中林團隊提出的一種基於TENG的大規模獲取藍色能源的方案

　　每想到一場浩浩蕩蕩的藍色能源革命即將降臨，筆者總會感到激動，也許在不遠的將來，我們發電真的只靠浪就足夠了。

　　參考資料：

　　[1] Marine Energy Wikipedia

　　[2] WIND, WAVES, and TIDES by Marshal F. Merriam 

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

　　[4] WaveRoller Webpage

　　[5] WEPTOS Webpage

　　[6] Salinity Gradient Power Reverse Electrodialysis by Etienne Brauns

　　[7] 我國海洋温差能開發的基本路線 張理 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.