尋找“綠巨人”

2015-02-18 12:00:26霍雨佳

大眾科學 2015年6期

文｜史峰霍雨佳

作者史峰系山東省莒南縣第八中學教師、本刊特約撰稿人；作者霍雨佳系安徽省銅陵市氣象學會秘書長、中國微型小說學會會員、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構中，還是在我們的日常生產生活中，電能都占據著“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。可是水電站給環(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——有些魚類產卵洄游受阻，就直接滅絕了，最終導致了生態(tài)鏈的斷裂，久而久之，便會醞釀出難以預料的生態(tài)災難。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、地陷等災害。

火電站、水電站都會對環(huán)境產生影響，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？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?？墒?，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，建設容易輸電難

電能不可缺少，現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?！?/p>

為了“回應”太陽的呼喚，科學家發(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“朝陽產業(yè)”——光伏產業(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)電站的技術已經相當“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，其構想最初由美國總統里根在1983年提出，但直到1993年才完成設計。）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)電站產生的電能如何輸送到地球？架設高壓線肯定是不現實的，所以說太空電站建設容易輸電難。

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，科學家也早就進行了嘗試。于是，一種“微波無線輸電”技術便誕生了。

2001年5月，一位叫皮尼奧萊的科學家在美國科羅拉多大峽谷一側，先把電能轉化微波（一種電磁波），向大峽谷的另一側發(fā)射，另一側有一個微波接收器，它把接收到的微波再轉化成電能，結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”，傳輸的電量雖然很少，但它讓人們看到“無線輸電”技術的可行性。

2015年3月8日，日本科學家利用微波無線輸電技術將1.8千瓦電能從A地傳送到了B地，這些電量已經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，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”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)電轉換率不高的問題一直困擾著科學家。

目前，海洋能的采集主要是基于電磁感應原理，利用海洋表面水波的沖擊形成線圈對磁感線的切割，從而產生電能。但由于傳統電磁感應機是由重的磁鐵和線圈構成，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，使得傳統的電磁發(fā)電機難以收集波浪能。此外，鐵質結構很容易被海水腐蝕，因此也無法長期使用。

2012年，中國科學院北京納米能源與系統研究所所長、首席科學家王中林帶領研究小組提出“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的耦合而實現發(fā)電。這種發(fā)電機不僅能夠驅動微納電子器件工作，還可以給便攜式電子設備和家用電器供電，其質量輕、密度小，能漂浮在水面上。在此基礎上，中美兩國的研究人員合作發(fā)明出由摩擦發(fā)電機網絡組成的海洋能發(fā)電新技術。

摩擦納米發(fā)電機被科學家們視為“顛覆性的技術”，并且，這項技術非常適合大規(guī)模生產。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)電網絡，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。

人們很早就學會利用風能——主要是通過風車來抽水、磨面等，而現在，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、蘇聯和美國等國就開始應用航空工業(yè)的旋翼技術，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。

兆瓦已經不低了，但科學家們并不滿足，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分鐘內釋放的能量，如果轉化為電能，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時間、地點和行蹤進行準確的預報，所以，利用自然的龍卷風進行發(fā)電并不現實。

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

早在20年前，前蘇聯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，里面結構比較復雜，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，龍卷風內部的氣壓極低，從而形成巨大的旋轉風速。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。據此，空氣動力學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，背風的小窗關閉，風吹入塔中后，會形成“小龍卷”，塔的底部裝有螺旋，風轉動葉輪推動發(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。