缺电了？可以试试向大海要电！

发布时间：2024-09-19

中国正面临严重的电力短缺问题。

随着电动车、空调普及以及电取暖的不断增加，未来电力需求将会有显著升高。

短期内，增加煤电发电是一个解决办法，但由于其带来的严重污染，显然不能作为长期发展方向。

核电方面，除非钍堆技术有突破，否则因成本、核废物处理及安全等因素，同样不可过度依赖。

水电发展受限于资源，其开发一旦完成便无法再生。

虽然新技术能挖掘低水头发电，但生态与景观的限制使其无法大范围施行。

风电开发也受到地理条件的制约，并不是所有地区都适合利用。

而且，风电对生态和景观的影响也显著，适合开发的地区往往恰好在候鸟迁徙通道上。

经过再野生化恢复的生态，如果因为风电的开发而大量杀伤候鸟，得不偿失。

太阳能同样受地理条件的影响，较好的资源集中在西北与青藏高原，但这些区域离电力需求较高的东南沿海相距甚远，长途输电必然带来损失。

然而，风电和太阳能并不局限于陆地，海上同样能够开发。

丹麦和德国在海上风电的开发方面取得了显著的进展，北海的强大风能被他们利用得淋漓尽致。

中国同样拥有辽阔的海岸线，亦可在海上风电开发上大展拳脚。

然而海上风电也有其不足之处，建造、运营及输电的费用相较于陆上风电而言更高。

不过海上风电不占用陆地资源，鸟类撞击的问题也大幅减少，离岸数公里后，日常飞行的海鸟数量明显减少。

此外，海底铺设输电缆的复杂性与维修难度，虽然较高，但不再需要征地或建造输电铁塔。

从工作环境考虑，更加稳定的海底，也没有风雨和鸟类干扰，海洋生物附着的困扰也较小。

另一个利用海洋的方式是浮动光电场。

尽管这里是湖面，但理论上同样可以在海上建造。

通过大型的“救生圈”结构，我们能够人工打造避风港，里面的波浪会小于外界的风浪。

海上光电解决方式在海洋中不存在树木、山峦或建筑物的遮挡问题，更没有尘埃或杂物的沉积。

只要解决防腐难题，自然的水流保持清洁将不成问题。

同时，海水的冷却能够提升光电板的效率。

光电浮板的联结避免了漂流，同时提升了在风浪中的稳定性，还可以与海上风电场共同使用共用输电设施。

若风浪太大，可以用大型环形或矩形浮体将光电板围住，从而形成一个保护区，确保光电板的有效工作。

在浅海，我们还能将光电阵列直接设置于海底，从而简化光电板的使用和维护。

或者将光电板安装在大型浮筏上。

即便直接浸泡在海水里的防腐以及海洋生物问题较为复杂，也能够采取工程手段来架起光电板。

在浅海，我们可以直接在海底构建支架，而在深海则能够使用大型浮筏。

光电板所需的太阳光方向要求相对宽松，虽然若干对光的收集效率相对较低，但光热的效率则相对更高，且可以与海水淡化进行结合。

光热发电则是另一条前景广阔的途径。

其利用聚光镜集中太阳热量，加热焦点上的蒸汽发生器，形成高压蒸汽，从而推动涡轮发电。

实际应用中，光热发电常采用双回路设计，内回路使用熔盐以提高温度，从而提升光热效率。

此外，回流的熔盐可储存于地下，以便在夜间继续为发电提供能量。

在干旱的大西北，光热发电的局限主要在于水源的获取。

热电循环所需的水体不容易获取，所以发电后低温低压蒸汽回收的自然散热成为了一种资源浪费。

通常热电厂白色烟柱被误认为是污染，实则是冷却塔的水蒸气。

而且这在干旱地区大量消耗水资源是非常不经济的。

然而在海上，这个问题则迎刃而解。

利用熔盐双回路或简单的海水单回路，熔盐的优势在于可储存和调峰发电，然而在海底长期存储熔盐则有一定难度。

海水单回路设计简单，不存在水源和冷却塔的问题。

高压蒸汽产生后，可通过水下管道与海水一同冷却并转化为淡水，达到双重目的。

海水中的淡盐水蒸发后剩下的浓盐水，可以作为氯碱化工的原材料，或适量稀释后直接排放至海洋。

这部分盐分原本就属于海水，因此排放对海洋的盐度影响甚微。

可能产生的局部热点问题，可以透过海流研究和多点长管排放得到有效解决。

光热的系统设计需要所有反光板精准指向聚光塔顶，现今的控制技术已能实现将反光镜阵分开并架设于巨型浮架之上，浮架尺寸能够远超当地典型波浪波长，使波浪起伏的影响大幅减小。

若反光镜阵与聚光塔在同一浮架上设计，反光镜的同步控制将更为简单，然而这需要发电机的分散化，每个浮架上配备一套汽轮机-发电机组。

尽管如此，高压蒸汽管道的连接设计也较为简单，只需确保浮架规模足够提供经济效益即可。

多个浮架联结成一个海上光热设施，便可以生成可观的电力和淡水。

无疑，这种技术对机组的自动化和可靠性要求较高，若需频繁保养则不够理想。

我们充分利用海洋的风和阳光，但是海洋的波浪同样是亟待克服的挑战，也是能源的潜在来源。

坏天气通常伴随大浪，波浪在昼夜变化中的受影响较小使得发电时间相对更长。

波浪发电技术常徘徊在“打气筒”理念中，这一简单概念虽然容易理解，但在实际使用中颇为繁琐。

此技术需将往复运动转化为适合发电机的单向旋转运动，或者直接利用活塞的往复运动来切割磁场的磁力线直接发电，但这样一来，电流的整流和调节变得尤为关键，可能要通过直流发电和输电来解决。

“打气筒”不仅可以在海上竖立使用，也能够横卧于水面。

号称“海蛇”的水波发电装置利用浮筒间的液压发电装置，在波浪的上下运动中交替抽吸液压油并驱动发电。

巧妙的是把“打气筒”横置于水面，形成“海蛇”。

多个连接浮筒的波浪发电装置两端都连接至海底，每两节浮筒间装有发电装置，用上下交错的铰链连接。

随着波浪的起伏，浮筒随波起伏，推动活塞。

图中的黑色部件即是活塞驱动杆。

油路配有单向阀，液压油仅能向一个方向流动，周期性切换流路确保液压马达只朝一个方向运动。

在右侧的油缸底部管路和左侧的顶部管路，让液压油的流动在左活塞推进右活塞退的时候被压缩到右油缸以驱动液压马达，再返回上液压缸积蓄待用。

每个油缸的弹性设计可平滑波浪带来的压力，使得发电更加稳定。

这种设计巧妙，充分利用了波浪的运动特性，但由于连接铰链的单向运动与真实的波浪是多向的，该装置磨损加剧，导致理论与实际不符。

为了应对自然波浪，每两节间交替用上下运动和横向运动的铰链，既利用横向的能量，又减小磨损。

但“海蛇”仍存在磨损过重问题，2004年在苏格兰投入使用，2008年在葡萄牙投入网电，中国则在2015年研发“海龙”装置，但在试验结束后均退出了电网，显示出技术亟需完善。

Wavestar利用液压油，但其原理略有不同。

装置坐落于海床，两侧布置浮筒以驱动长臂推动液压缸。

长臂在上下运动中驱动液压缸，使中央高压油缸充压，最终驱动发电机。

已建立的实验装置展示了左侧的浮筒在水中“随波逐浪”。“海蛇”设备需要在超过50米深的海域使用，避免潮汐对浮筒的影响。

Wavestar则免于此困扰，装置坐落于海底，浮筒随着波浪上下冲击，直接利用波浪的升沉，省略了波浪的形状分析。

Wavestar如同打气筒一般驱动液压缸，产生高压以驱动液压马达和发电机。

相较于“海蛇”，该设计更为简单、坚固及可靠，然其巨大的体积亦令建设成本相对较高。

威尔士涡轮机摆脱了“打气筒”思路，利用波浪在斜坡水道中上下运动时压缩空气与抽负压来驱动空气涡轮。

此装置采用翼型设计，气流自下而上推动叶片，促使气流向右偏移，叶片因此作出左旋转；而气流自上而下时，气流同样向右偏下偏移而促使叶片向左转动。

威尔士涡轮机的独特设计由英国人艾伦·威尔士提出，借助对称翼型叶片设计，使气流从两侧吹向时叶片始终保持一个方向的转动，特别适合用于波浪发电。

在岸边建造结构封闭的斜坡水道，水面在升高时推动顶部空气流出，而在水面退下时则形成负压，迫使空气流入。

无论气流是向内还是向外流出，涡轮始终保持相同方向的转动，从而带动发电机工作。

波浪滑翔器利用可在潜航体升沉中自由转动的桨叶，以水流的连续变化实现推力，仿佛江南小船的摇橹一般。

但威尔士涡轮机的桨叶并非固定式，而是可以根据气流方向偏转至特定角度后固定，从而有效提升能量回收。

同时，威尔士涡轮机也可以通过底部设有空心立管在海上搭建，实现与空心立管的水压活塞效果相同，且下半部向海水敞开，远离海岸可避免噪音问题。

搭配可转动叶片的威尔士涡轮机与“海蛇”结合，能显著简化设计。

通过液压缸的推拉即可有效驱动液压油，避免正、逆流的干扰。

在海上亦能实现洋流发电，与陆上的风力发电方式颇为相似，而洋流的稳定性通常较高，受天气和季节影响的程度相对较小。

潮汐亦可作为发电能源，最简单的方式便是修建潮汐水库，储存高潮时的水，待低潮期释放，然而这种能量转换在时间上很不连续，涵盖的储能需求也较高。

而且高低潮水位差过小，同样影响可用性。

相较之下，波浪发电的稳定性较强。

海洋覆盖了地球的70%。

开发海洋电力必然成为实现无碳电力的主要方向，已有的技术应得到大力推广，特别是在远离大陆的岛屿上。