我们发电不用浆，全靠浪

原创：中科院物理所

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　　水滴石穿的故事想必大家都听过，我们在游泳的时候，水的阻力也是无法忽略的。与水接触最多的水手对大海更是充满了敬畏之情。水具有如此强大的力量，一直是被人类利用的主要能源之一，除了普通的水电站发电，今天我们要讲的这个能量有点别致——全靠浪。

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　　在英国的苏格兰东北角，有一大片被称作奥克尼群岛的岛屿，它们附近的海域风急浪高，波涛汹涌，是海员谈虎色变的地方。

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　　这里的海浪不仅时常折断过往船只的桅杆，甩出的小石块还常将岸上百米高处的居民房里的玻璃击得粉碎。1872年的一个巨浪，一拳就把一块1370吨的混凝土块击飞了15米远。

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　　这对于岛上的居民还有过往的船只来说的确不是好消息，但是能源学家却对此表示：

　　这可是大自然赠与的天然能量宝库！这里是世界上海浪能强度最高的地区之一。2003年10月，全球首座海浪发电试验场就在这里问世。欧洲海洋能源中心让奥克尼海浪发电试验场成为人类探索近海能量最大的公共实验场。

　　大海究竟蕴藏了多少能量？

　　在化石能源濒临枯竭的今天，人们不得不继续寻找新的可再生的能源来应对我们日益增长的能源需求。而大海占据了地球表面积的71%，其中蕴含着巨大的能量。大海是大自然给我们的取之不尽用之不竭的能源宝库。

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　　谈及大海中的能量，首先想到的就是波涛汹涌的海浪中蕴藏的动能。早在1977年，就有人对世界各大洋的海浪进行过估算，得出全球海浪的功率约为700亿千瓦，可开发利用的约为25亿千瓦。如果海浪的动能完美转化为电能，全年的发电量将达到21900TWh。要知道2019年全球的发电总量约为26990TWh，要是能充分利用海浪的能量发电，一定能大大缓解人类的能源问题。

　　实际上，人类还开发出了多种提取大海能量的方法，包括潮汐能，盐度梯度能，海洋热能等等。 

　　来源：IEA-OES，Annual Report 2007

　　从上表的统计数据中可以知道，海浪能的开发潜力是惊人的，那么我们就先来了解一下蓝色能源中的潜力股：

　　波浪发电装置

　　目前人们已经发明了多种装置来实现波浪发电，其中比较有代表性的有英国的Pelamis，丹麦的WEPTOS等等。

　　Pelamis

　　Pelamis P1 原型机 来源：EMEC

　　Pelamis由苏格兰公司Pelamis Wave Power开发的，利用海洋表面波浪的能量转化为电力的技术。

　　Pelamis的第一个原型机就是在奥克兰海域进行测试的。它也是世界上第一个为电网提供电力的离岸波浪发电装置(于2004年接入英国电网) 。它的主体部分像海蛇一般：由四个圆柱形的不锈钢浮筒和三个动力关节铰接而成，全长120米，浮筒的直径为3.5米，重达750吨。其设计的额定功率是750kW。

　　在Pelamis的动力关节内部，有两个液压缸，一旦“海蛇”随着波浪上下起伏，浮筒和动力关节之间便会发生相对运动，推动液压缸内的活塞做往复运动，从而驱使内部的发电机发电。产生的电能随后会通过海底电缆运输到岸上。

　　当然，这个系统会被缆绳系泊在离岸5km左右的海域，不然海浪就把它给带走了。

　　WEPTOS

　　WEPTOS是由丹麦公司Tommy Larsen设计研发的波浪能发电装置。

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　　WEPTOS的整体形状像一个大型的镊子，两条长达8米的大长腿上分别安装着10个转子。随着波浪的起伏，这些转子会不停地摆动。

　　通过一个机械装置把同方向的转动力矩转递到主轴上，

　　两个主轴的连接处有一个发电机，用转子传递给主轴的机械能即可带动发电机发电。

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　　电能同样是通过海底电缆传输到陆地。

　　WEPTOS还会根据海上风浪的大小自动调节两条腿开口的大小，在风浪较小时，WEPTOS可以打开至120°以接收更多的能量，在狂风暴雨的极端环境下，则会收缩至13°以减少巨大风浪对设备的损伤。

　　除此之外，人们利用海浪发电的方法还有很多，但是目前还没有实现真正的商用。尽管海浪能的应用前景广阔，但也存在着诸多值得继续探索的问题，比如说海浪发电装置在恶劣的风浪环境下使用寿命如何？如何保证在海浪能量不稳定的时候还能稳定发电？若大规模使用波浪发电装置，是否会对海洋环境造成影响？…

　　盐差能

　　 (salinity gradient power)

　　除了波浪发电，人们还有其他提取大海能量的方式。比如说盐差能，是指海水和淡水之间或两种含盐浓度不同的海水之间的化学电位差能。在江河入海口就存在着大量盐差能。据估算，地球上存在26亿千瓦可利用的盐差能。

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　　当把两种浓度不同的盐溶液倒在同一容器中时，那么浓溶液中的盐类离子就会自发地向稀溶液中扩散，直到两者浓度相等为止。

　　我们可以利用大海与陆地河口交界水域的盐度差，一种最常见的方式就是在淡水和盐水的交界处放置一个半透膜，阻碍盐类离子的通过，这样就会迫使稀溶液中的水分子单向地朝浓溶液中扩散，那么浓溶液一侧的水位就会上升，化学势能转化为重力势能，利用这个水位差就可以推动水轮发电机发电。

　　来源：sci-test

　　一般海水含盐度为35kg每立方米，在室温下，其与淡水的渗透压差相当于270米的水柱施加的压强，从理论上讲，如果这个压力差能被完全利用起来，从河流流入海中的每立方米的淡水就可发0.75kw·h的电。长江的流量约为3万立方米每秒，那么在长江入海口将有功率为81GW的盐差能！

　　来源：b2star

　　美国耶鲁大学化学与环境工程系的Menachem Elimelech和Ngai Yin Yip新近得出结论认为，如果能利用全球1/10汇入大海的河水发电，则可以满足5.2亿人的电能需求，而不排放任何二氧化碳。相比之下，如果是火电站产生等量的电能，每年将排放超过10亿吨温室气体。

　　当然，细心的小伙伴可能会发现，使用盐差能发电会消耗宝贵的淡水资源，而且目前有关盐差能的研究还停留在实验室阶段，要真正应用起来其开发成本将是巨大的，而且还将面临着许多技术难题。

　　海洋热能

　　(ocean thermal energy)

　　早在1881年9月，巴黎生物物理学家德·阿松瓦尔就提出利用海洋温差发电的设想。

　　太阳照射在大海表面将使表层海水升温，而由于光线会被海水吸收，绝大部分的光无法进入到200m以下的深层海水中，这就造成了表层海水温度高，深层海水温度低的温度分布。在热带地区，海水表层和深层将会有20多摄氏度的温差。

　　熟悉热机概念的小伙伴们马上就能反应过来，既然我们有了一个高温热源(表层海水)和一个低温热源(深层海水)，那我们不就可以建立一个热机了吗？

　　来源：zhihu

　　事实上，实现方法也很简单，利用海洋表面的温海水加热某些低沸点工质 (如丙烷、异丁烷、氟利昂、氨等) 并使之汽化，推动汽轮机运转做功，从汽轮机中排出的乏气可以用从深海(500~1000米)提取的冷海水将其冷凝，使之重新变为液态，如此循环，就可以源源不断地对外输出有用功了。

　　来源：eia.gov

　　来源：U.S. Department of Energy

　　美国、日本、法国等早在上世纪就开始了海洋温差能开发技术的研究，如图便是美国于1974年在夏威夷岛建立的海洋热能发电站，经过多年的试验阶段，该设施于2015年投入使用，发电功率为105kW，为当地的电网供电。

　　我国的海洋热能资源丰富，仅中国南海就拥有海洋热能资源3.67亿千瓦。2017年，我国的国家海洋局第一海洋研究所研建了室内海洋温差能发电系统，发电功率7.5kW无故障运行时间超过1000小时。

　　海洋温差能主要分布在赤道附近水深1000米左右的热带海域。据联合国科教文组织统计，全世界海洋温差能理论可再生量在400亿千瓦以上。如果按照2%的利用率计算，每年可提供的电能约为7万亿千瓦时，相当于140亿桶原油的发电量。

　　摩擦纳米发电机(TENG)

　　每当提起海洋带给我们的蓝色能源，笔者不自觉地就会想起在科大听王中林院士做的一场报告，报告讲述的是蓝色能源革命。王中林院士团队自主研发了基于摩擦起电原理的摩擦纳米发电机。其原理大概是这样的：

　　采用两种材料 (小黄和小蓝)，当有外界压力导致两者被压在一起时，小黄会得到电子，小蓝失去电子。

　　当外界压力被释放的时候，两者分开，为了保持各自电中性，小黄会将电子通过外电路传输给小蓝，形成前半周期的电流。

　　待小黄和小蓝回到初始位置的时候，两者都可以保持电中性，但是电荷分布与初始情况不同。

　　当两者再次因为外力相互靠近时，由于小黄内表面电子对小蓝外表面电子的排斥，小蓝会通过外电路将之前得到的电子还给小黄，这样他们相互接触的时候才能保持电中性，这样在外电路就会形成后半周期的电流。

　　如此周期性地施加形变将会持续产生交变电流。

　　自2012年1月第一份TENG的报告起，其输出功率密度在12个月内提高了5个数量级。并被证实其能量转化效率高达50%。王中林院士称目前团队正在致力于研究一种基于摩擦纳米发电技术的稳定实用的波浪能发电网络装置，该技术难题一旦攻破，将引发一场海浪发电技术革命。根据理论的初步测算，对于像山东省面积大小的这样一片海域，如果在10米深的水中布满这种发电网格，其发出的电量可满足全世界的能源需求。

　　王中林团队提出的一种基于TENG的大规模获取蓝色能源的方案

　　每想到一场浩浩荡荡的蓝色能源革命即将降临，笔者总会感到激动，也许在不远的将来，我们发电真的只靠浪就足够了。

　　参考资料：

　　[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] 我国海洋温差能开发的基本路线 张理 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.