雄心壮志：eco wave power公司在直布罗陀海岸上建立了一个海浪发电站，目前其为电网提供大约100kw的电力，最终目标是能满足该地区15%的电力需求。
虽然那些试图探索开发全球海洋巨大能源的人们，面临着严峻的技术和财政障碍，但正如本文作者斯蒂芬·奥尼斯（stephen ornes）指出的那样，对于这一群虔诚的研究人员和高科技商业的先驱者而言， “蓝色能量” 的梦想未曾泯灭。
人类在全世界寻找能源，很容易想到的一个地方就是海洋。海洋覆盖了全球大约70%的面积，其中大部分水资源会在太阳的驱动下不断地运动。海浪将能量从一个地方转运到另一个地方，而潮汐和洋流如同日出一样稳定可靠，可以在很短的时间内移动大量的水。海洋本质上就是一台天然引擎，将太阳能转化为机械能。也正因如此，在过去的至少200年间，梦想家们一直有着利用这种持续的、可靠的运动来为世界提供能量的幻想也就不足为奇了。在探寻 “蓝色能源” 的道路上，人们曾提出过许多各式各样的设想，从实际可行的到稀奇古怪的都有。这方面第一个为世人所知的专利或许是1799年由一个法国家庭提出：他们试图将杠杆的一端放在海浪上跳动，从而为锯木厂和其他机器提供动力。在那之后，从苏格兰北部的海峡，到澳大利亚维多利亚州和塔斯马尼亚州附近海风肆虐的大陆架水域上，科学家们一直在寻找海洋中的 “甜蜜点”：在那里，利用能源不仅可行、可靠而且便宜。目前，世界各地的港口、感潮河和海岸线已成为发电、接入电网和能抵抗海洋恶劣条件系统的试验基地。实际上，2019年5月在《科学》杂志上发表的一项研究让这个领域更加热火朝天。来自澳大利亚墨尔本大学的海洋工程师伊恩·杨（ian young）和数学家阿古斯蒂努斯·里瓦尔（agustinus ribal）在分析了卫星和全球浮标网络的数据之后发现，最高的海浪正在变高，而且海风的速度也在加快——这些变化可能是由于气候变化造成的。因此，海风和海浪能够带来更多的能源。然而，目前在海洋能开发利用方面，至少存在两大变数可能会让这些努力付诸东流。首先是资金。在2013年至2015年期间，至少有三家计划将海浪发电机接入电网的大型公司都失去了资金支持，并最终放弃了这些项目。其中一家名为 pelamis 的公司已经在全球对其设备进行了测试。另一家总部位于苏格兰北部的公司 aquamarine 花费了10年时间研发出一款名为 “牡蛎” （oyster）的浮标波浪发电系统，但最终未能吸引到投资者。第三家公司 oceanlinx 于1997年在澳大利亚成立，在2014年出售给了一家香港公司。另一个巨大的障碍来自海洋自身的力量。例如，1988年冬天，在挪威的toftestallen，一场猛烈的风暴袭击了一座三年前才刚刚建成的海浪发电厂。电站的塔楼被弄塌，不得不重建，而且在三年后的一次试图升级的过程中，电站再一次被意外毁坏。2009年在加拿大芬迪湾，十几个海下涡轮叶片被猛烈的海潮击毁，此时距其安装进海里还不到一个月的时间。2007年11月，耗资200万美元安装的一套全新的发电测试浮标，因进水过多沉入了俄勒冈州海岸附近的太平洋水域。“海洋的确是一个无情的地方”，欧洲海洋能源中心（european marine energy centre, emec）的技术经理伊莱恩·巴克（elaine buck）承认道。欧洲海洋能源中心位于苏格兰奥克尼的斯特罗姆内斯，是一家专门研究海浪和潮汐发电机的外海测试机构。“海洋虽然充满活力和力量，但也具有腐蚀性和污染性。海洋能是在超级极端的环境下获取的。” 因此，与其他可持续的能源相比，例如太阳能和风能，海洋能源开发所取得的进展要少得多也就不足为奇。
尽管如此，海洋能源开发仍有进展的迹象。为了了解正在采取的一项行动，你可以去直布罗陀看看，这里从西班牙延伸进了地中海，一块属于英国的领地。在直布罗陀巨岩的东侧，一座二战期间用来运送弹药的码头上摆放着8个蓝色的机械臂，它们连接在大量的浮标上，这些浮标会随着滚滚而来的海浪上下浮动。当海浪达到0.5米高时，设备上的摆动臂就会驱动活塞，将液压油泵入岸边的发电站。在那里，液压油将驱动液压马达旋转，从而发电，产生的电力将汇入直布罗陀电网。这座发电站是一家总部在以色列特拉维夫的瑞典公司 eco wave power在2016年安装的，目前其装机容量为100kw，应该足以为几十个当地家庭提供电力。该项目也使得直布罗陀成为世界上为数不多的可以依靠海浪为电网供电的地方之一。eco wave power 现在打算安装更多的机组来扩大这项技术的应用，使提供的电力达到5mw，这将占到该地区用电需求的10%-15%。该公司还计划未来在有潜力进行波浪发电的其他地方开展项目，包括波兰、意大利、荷兰、澳大利亚、墨西哥和英国。eco wave power 公司首席执行官英纳•布雷弗曼（inna braverman）表示，所有这些拟议项目的装机量总和将达到190mw。另一家参与蓝色能源游戏的公司是芬兰的 aw-energy 公司，该公司去年在葡萄牙海滨村庄佩尼奇（peniche）附近的一个离岸平台上，安装了一款名为 waveroller 的设备。与直布罗陀的装置不同，这款设备是一块锚定在海床上的矩形板，随着海浪来回摆动。矩形板的摆动会驱动液压油通过一组密封的管道，进而推动液压马达发电。该公司目前正在收集该款机器离网测试的数据。全世界运行时间最长的蓝色能源项目或许位于比斯开湾，一个离西班牙北部海岸不远的地方。该项目于2011年完工，由一组16根的柱子组成，每根柱子都钻在440米长的人工防波堤上，防波堤从穆特里库镇延伸进入大海。海浪会推动空气通过圆柱，产生的高压气流会推动涡轮机旋转。该设施由苏格兰公司 wavegen 开发，为西班牙公用事业公司 ente vasco de la energia 所有。到目前为止，该项目已为当地电网提供了1.6gwh的电力，大致相当于燃烧650吨煤所获得的电力。然而，尽管有了这些进展，海洋能源开发距离既具有商业吸引力、又能大规模可持续发展的临界点仍然遥远。《彭博财经》（bloomberg finance）在2019年9月发表的一篇分析文章得出的结论称：“海洋能源开发目前还未跨过由政府拨款、私人投资者和风险资本资助的原型项目阶段。”根据美国能源信息管理局（us energy information administration）的数据，2020年全球总用电量将超过2.1万twh，其中约四分之三的用电量来自中国和美国。全球用电量预计在未来30年还将继续增长50%。然而，目前全球逾五分之四的电能来自煤炭和石油等不可再生的化石燃料的燃烧，这一过程会向大气排放二氧化碳等气体，影响气候变化。转向海洋寻求能源似乎是件显而易见的事情。海洋是一个能源非常丰富的环境，这使其成为具有吸引力的化石燃料替代者。太阳加热土地和空气，当热空气上升，冷空气快速下沉的时候，风就会吹动海水。海浪升起并全速前进，与此同时，重力则会使其重新恢复平衡。海浪传递能量的速率（能流），取决于海浪移动的速度和 “有效浪高（significant wave height）” ——海洋学家用来描述最高海浪相较于海平面高度的一个变量。（能流还取决于水的密度，但对于海浪而言，其可视为一个常量。）潮汐所传递的能量取决于海水通过某一特定点的体积和速度。根据美国海洋能源委员会（us ocean energy council）的数据，一个比海平面高1.5米的海岸冲击波的平均功率约为每公里16kw。与此同时，国际能源署（international energy agency）在2017年的一份分析报告中评估，全世界海浪中储存的能量约为8万twh，其中有大约4000twh可以被收集并转化为电能。另外，更加保守的评估——例如来自英国碳信托基金公司的评估——认为可利用的范围大约为2000-4000twh。洋流——不是海浪或潮汐——同样具有吸引力。2017年，日本冲绳科学技术大学院大学的一位工程师 tsumoru shintake 称，如果能源收集设备能够利用日本沿海仅1%的洋流，就足以产生比10座核电站还要多的发电量。来自北卡罗莱纳州海岸研究所的科学家们计算得出，只要捕获沿美国东海岸流动的墨西哥湾洋流0.1%的能量，就能产生约300gw的电能——相当于150多座核电站的发电功率总和。考虑到全世界一半的人口居住在距离海岸线80公里以内的地方，这些数据表明，在未来海洋可以提供全世界多达10%的能源需求。这其中还不包括在一部分研究人员看来可能比海浪能更有效、更稳定的潮汐能。因此，如果科学家们能够找到正确的方法，那么海洋就能满足全世界全部的能源需求——或者至少是一大部分的需求。但目前，这还只是一个遥远的假设。蓝色梦想：aw-energy公司的 “waveroller” 装置的艺术效果图——该装置目前正在葡萄牙海岸进行测试。
或许世界上最雄心勃勃的 “蓝色能源” 项目—— 目前全世界还未见过这样的项目——是由一位德国工程师赫尔曼·索尔格尔（herman sörgel，1885-1952）提出的构想。他在1929年的一本书中描述了一个被称为 “亚特兰特罗帕”（atlantropa）的工程项目，并竭其一生的时间试图说服其他人加入。从本质上讲，索尔格尔是想要在地中海周围建造一系列水电站大坝，其中包括一座横跨直布罗陀海峡的大型水坝。这个大型水坝将降低海平面，欧洲和非洲将通过新的、可用的陆地将连接起来。同时，一座横跨刚果河的大坝将引水来灌溉撒哈拉沙漠，从而产生肥沃的新平原。然而，索尔格尔利用海洋的尝试从未付诸实施。许多其它的设想也都如此，尽管它们至少在纸面上看起来是可行的。例如芬迪湾，它位于加拿大新不伦瑞克省和新斯科舍省之间。芬迪湾除了是各种令人眼花缭乱的鲸鱼的家园之外，还拥有世界上最高的潮汐，可高达15米以上。在上世纪30年代，这一事实促使一位富有创业精神的波士顿工程师说服美国政府给他700万美元来建造利用芬迪湾潮汐能的机器。后来，这里建起了一个工厂，还在周围建立了一个小镇，但在1936年项目资金被耗尽，该项目被宣布太过烧钱。随后，那个小镇也人间蒸发了。从那以后，源源不断的方案如潮水般起起落落。例如，在2009年，苏格兰和加拿大的公司合作在芬迪湾建造了一台水下涡轮机，但在安装后不到一个月就被强大的潮汐给摧毁了。在2016年11月到2017年4月之间，同一批合作者——这次合作的名称为“海角锋潮（cape sharp tidal）” ——再次尝试，这一次他们在芬迪湾的米拉斯航道（minas passage）上安装了一个与电网连接的涡轮机。但是由于公司受到技术和财务问题的严重困扰，在去年4月，新斯科舍省政府下令拆除了该涡轮发电机。不过另一家公司——来自艾伯塔省的 jupiter hydro ——并没有被这一情况吓倒，该公司最近获得了可以在水下测试新涡轮机的两项许可。回到位于奥克尼群岛的欧洲海洋能源中心，巴克表示自2003年该中心成立以来，已经有许多项目来来往往。事实上，经验告诉她，不要试图预测未来未知的挑战，巴克开玩笑说：“这差不多和确定英国退欧的结果一样现实”。例如，在过去两年里，欧洲海洋能源中心安装了一台连接电网的浮动潮汐能发电机，这台设备由一家名为 orbital 的苏格兰公司建造，2018年的发电量为3千瓦时。这台设备的升级版预计会在今年晚些的时候安装。此前在运行过程中已经发生过一些意料之外的故障，比如，一台可充气的浮动式波能收集器在2019年3月沉入了海底。(收集器预计会在今年晚些的时候得以修复。)不过巴克表示她并没有被众多项目失败的事实给吓倒。“虽然有成有败” ，她说，“但是通过失败才能汲取教训。” 她表示，他们测试过的项目越多，未来那些有想法的研发人员的学习曲线就会变得越短。巴克表示，她认为最有前景的基本上是那些能够利用潮汐的设备，而不是海浪发电设备。“海浪发电技术的挑战仍然存在” ，她说，但 “潮汐（设备）正在向电网规模供电的方向不断迈进。”大多数从海浪中获取机械能的方法都依赖于找到一种方式，让导线在磁场中移动，从而发电。考虑到电磁发电是整个发电行业的基石，这样做看起来顺理成章。从火电站到风力涡轮机，机械能转化为电能的基本方式都是相同的。然而，来自亚特兰大佐治亚理工学院的工程师王中林却提出了不同的想法，他认为，海洋能量获取设备不必采用这样的方式。在过去几年里，他一直在研制摩擦电式纳米发电机（简称tengs），他认为这种发电机有可能会给能源获取带来革命性的变化。不同于通过移动导体和磁场发电的方式，王中林的纳米发电机利用静电产生微弱的电流。在这类装置中，两种材料相互摩擦——一种提供电荷，另一种收集电荷——累积起来的电荷将流过与之相连的导线。王中林已经利用纳米发电机设计了许多东西，包括从打字过程中获取能量的键盘，利用乒乓球弹跳产生的能量记录球的轨迹和速度的乒乓球桌。水的未来：佐治亚理工学院的王中林展示了一组由1000个发光二极管组成的阵列，这些二极管可以由鞋子撞击放置在地板上的摩擦电式纳米发电机所产生的电力点亮。同样的纳米发电设备也可以用来从海洋中汲取能量。
王中林介绍说：“这可能会成为一种非常重要的能源。” 例如，王中林设计了一种可以漂浮在水中的小塑料球，其大小与橙子差不多。当波浪推挤球体时，球体内的材料便会撞击外壳，从而产生电荷，然后这些电荷会流过与之相连的导线。实验室测试——以及在其社区游泳池进行的夜间实验发现，每台发电机的发电功率约为10毫瓦。王中林承认这种量级的发电量并不多，但他认为，这些发电机可以首先用来为一些小型设备供电——比如浮标上用来收集海洋数据的传感器。此外，他还认为可以将这项技术按比例放大。“设想一下，我们制造一张网，就像渔网一样”，王中林说。他设想建造一张格状的球网，每个球之间相隔约10厘米，可延伸至水下10米。他相信，只要将这样的构型，按比例扩大到整个佐治亚州的大小（长和宽都约为400公里），就足以为整个世界提供能源。王中林的方案有很多吸引人的优势。基础物理学认为：波所携带的能量与波高的平方以及角频率的平方成正比。因此，电磁发电机——就像大多数波能收集装置中使用的那些——在高频下发电效果最好。但王中林的摩擦电式纳米发电机遵循的是静电发电机的规则，这意味着它们的输出功率会随着频率线性增加。因此，虽然传统的波能收集装置对于大的海浪很有优势，但是纳米发电机即使在很小的波动下，也能发挥出作用。通常，河流没有足够强大的水流来支持波能发电机，因此那里可能会成为测试纳米发电机的一个好地方。另外，在大风暴中，纳米发电机也会显现出优势，而大风暴对常规的波能收集装置却会带来很多问题。例如，eco wave power 公司在直布罗陀的设备在遭遇大风暴时，就不得不将机械臂全部举离海面。但对于纳米发电机而言，由于其设计灵活，应当能够承受这样的冲击。“在最恶劣的天气条件下，它的工作效果反而最好”，王中林说。然而，即便纳米发电机能够经受住大海的考验，王中林也无法解决在芬迪湾、苏格兰群岛以及其他一开始看起来具有前景的初创项目都会面临的财务问题。“人们会问我，你能演示一下吗?” 他说道，“我说，不行，我没有资金。”最终，最艰难的挑战不是来自巨浪，而是潜在赞助商们有限的资金。因此，即便物理学家和工程师们能够驯服海洋，他们也必须说服有钱出资的老板、高管以及公众，让他们相信把钱投入到从地球的水域中获取能源的项目是完全值得的。巴克说道：“要想通过测试和演示来完善海浪和潮汐发电机，这个行业还需要政府和社会的全力支持。” 作者简介
作者斯蒂芬·奥尼斯是美国田纳西州那什维尔市的一位科学作家，电子邮件地址为stephen@stephenornes.com
原文链接：
https://physicsworld.com/a/turning-water-into-watts/
▲本文为physics world 专栏的第33篇。
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原文标题“ turning water into watts ”，首发于2020年3月出版的 physics world，英国物理学会出版社授权《知识分子》翻译。中文内容仅供参考，一切内容以英文原版为准。未经授权的翻译是侵权行为，凯发k8一触即发的版权方将保留追究法律责任的权利。
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