清洁能源：海上兵工厂的科学传奇

2024-10-07 百科知识版权反馈

【摘要】：清洁的水能海上兵工厂把几种高效、廉价的能源馈赠给我们。大规模利用清洁能源已不再是人类的梦想。人们已经能够从大海的怒涛中获取廉价、清洁而安全的能源，这一点统计数据更有说服力：在加利福尼亚一个典型的多风的日子，海浪撞击岩石的潜在能量足以满足1 000万个家庭的生活用电。最让人称奇的是，这条线路不需要任何化石燃料，水提供了保证铁路正常运营所需的一切能源。

清洁的水能

海上兵工厂把几种高效、廉价的能源馈赠给我们。从芬迪湾的潮汐到斯堪的纳维亚的飓风，从加利福尼亚的汹涌波浪到冰岛的高温泉水，新能源已经显示出了它们的巨大潜力。

在英格兰，漂亮的“水下风车”可以利用布里斯托尔海峡的巨大洋流来发电：在法国，巨型排水管可以把能量径直传给潮汐发电站；在丹麦，工程师使用带脚架的奇特海洋发电船，建立了近海风力发电场；在苏格兰，海洋电力为公共汽车提供了便捷的动力；在北海，一条机械蛇蜿蜒前行带来了巨大的能量。有些海洋能源开发计划，目前还处于试验阶段，而另一些则早已广泛展开。大规模利用清洁能源已不再是人类的梦想。

也许有些人认为转换海洋能有些异想天开，实际上这早已成了现实。

人们已经能够从大海的怒涛中获取廉价、清洁而安全的能源，这一点统计数据更有说服力：在加利福尼亚一个典型的多风的日子，海浪撞击岩石的潜在能量足以满足1 000万个家庭的生活用电。世界大洋每4天吸收的太阳辐射能就相当于1万亿桶原油，而海风的能量相当于人类所需电力的10倍。

这是名副其实的“瓦特革命”。

1千瓦可以点亮10个100瓦的普通电灯泡。一个典型的英国家庭每天所需电量为2千瓦。以此类推至全世界，人类所需电量之多可想而知。

利用水力资源并非现代人的专利。从我们祖先制造的水车到在克朗代克河运转的洗矿槽，水力资源一直与人类发展密切相关。

莱恩河在英格兰流经林茅斯小城以后注入大海，林茅斯可谓是海上兵工厂的故乡。这里古老的悬崖铁路至今仍在运行。悬崖铁路始建于1890年4月7日，现在它仍然像最初那样工作。8年的累积，让列车长埃里克·瓦尔德走过的距离足以和攀登数百次珠穆朗玛峰相比。最让人称奇的是，这条线路不需要任何化石燃料，水提供了保证铁路正常运营所需的一切能源。

这主要得益于水流的重力作用。下面的水流经主道之后注入海洋。根本不需要发动机、水泵这些机器。每辆车都有个700加仑的水箱，装在车轮之间。水从下面的列车泻出后，前面的列车下降，后面的列车就上升。这的确是世界上最不可思议的悬崖铁路设计方案，它不需要燃油箱，不需要排气管，也不需要交纳任何电费。

在现代社会，水电像氧气一样影响着人的生存。如果没有水提供电力，数百万家庭就会生活在黑暗之中。建立水电站的一个直接而有效的方法是修建巨大的拦河大坝，让带有强大能量的水流带动涡轮机发电。

詹姆斯湾水电站是世界上最大的水电工程。

詹姆斯湾水电站工程1971年开始动工，位于加拿大魁北克省的北部。詹姆斯湾是个很大的海湾，南北约长500千米，东西宽200千米，位于加拿大的中东部，地处比其更大的哈德逊海湾的南端，哈德逊湾和詹姆斯湾总水面面积为加拿大国土面积的1/3。魁北克一拉布拉多半岛位于两湾的东部和南部，加拿大10个省中的5个都在这个半岛上，包括唯一通用法语的魁北克省。

魁北克省属水电委员会计划在詹姆斯湾东部流域建造超大型水电工程，原计划分三期完成，总共拟建造23个大坝和13个水库，总发电量将达280亿度，相当于35个核电站的发电量，可满足两倍于魁北克省人口的电力需求。如果全部竣工，该工程项目将成为世界上最大的水电站工程。该工程完成后，所筑的大坝将改变魁北克省内20条流入詹姆斯湾河流的流向。这个大型项目的第一期工程——勒格兰奇工程，以在其上建坝的勒格兰奇河命名——已于1985年竣工，造价200亿美元，共建造了5个水库、9条大坝和206个小堤，总发电量109亿度，改变了四条河流的流向，蓄水面积为3万平方千米，受到影响的流域面积相当于法国国土总面积。如果第二期和第三期工程上马，预计还需要再投资450亿美元，可生产电力180亿度。

在全世界范围内，水电约占电力总量的24%，有超过10亿人口依赖水电资源。但是它的负面影响也不可小视，周边生态环境将会受到永久性破坏。詹姆斯湾附近有1.1万平方千米的土地被淹。

除了水电外，自然界还有另一种水能，那就是海上永不停息的潮汐。为了充分利用海洋潜在的能源，科学家和工程工作人员还要建造大量近海发电站。

在加拿大芬迪湾，日复一日的潮汐高达16米。利用这种洁净的潮汐能而建成的安纳波利斯潮汐发电站，能为4 000个家庭提供足够的电力。(www.chuimin.cn)

潮汐发电的原理其实很简单。首先，水流会通过一些特别设计的水闸，然后水闸会立刻关闭，耐心地等待下一次潮汐的到来。这样每一次潮汐都可以集聚海水，当池水高于海平面时，涡轮机的进气阀就会打开。重力将完成其余的工作。

安纳波利斯水电站的设计非常成功。20年来，它只进行过三次维修，而涡轮机从来没有停止过工作。

在法国布列塔尼的朗斯河口，一些卓越的水电工程师修建了一座发电量为240兆瓦的潮汐水电站。朗斯潮汐电站潮差最大为13.4米，平均8米。单库面积最高海平面时为22平方千米，平均海平面时为12平方千米。大坝高12米，宽25米，总长度750米。坝上有公路沟通朗斯河两岸。1966年投入运行，该电站装机24台，每台1万千瓦，共24万千瓦。设计年平均发电量5.44亿度。机组为灯泡贯流式，转轮直径5.3米，可作六种工况运行。除正向发电、反向发电、正向排水、反向排水外，还能正向泵水和反向泵水。各种工况的优化运行，用计算机进行控制。这种多功能机组在当时是一项重大的技术成就。

大坝两端建有船闸和浅水闸门，中段设置电站厂房。这段是空腹混凝土坝，顶部做成拱形以承受水压力。全部建筑是用围堰法抽干水后进行施工的。共浇注混凝土35万平方米，用了钢材1.6万吨。工程最困难和最重要的是主坝海侧围堰，朗斯工程用直径9米的钢筋混凝土圆柱形沉箱作围堰的支撑件，用钢筋混凝土迭梁截流.模型试验精确地预测工程应于何时如何施工。电站对金属部件的防腐蚀成功地采用涂料、不锈钢和阴极保护等措施。水工建筑采用几项防水处理方法用柔性材料浇注裂缝、用胶粘水泥填塞接缝、用环氧树脂基材料作表面一般处理。

朗斯潮汐电站发电量足以保证25万个家庭的日常生活，这意味着它几乎能够点亮一座中等城市。

潮汐发电站是一种直接而有效地利用海洋能源的方法，但它也存在明显不足。鉴于海洋地形的特殊性，只有一小部分地区能够像芬迪湾或拉朗西一样利用潮汐发电。而且，它对当地生态环境也会造成不利的影响。

为了尽量避免对当地环境造成影响，海洋能源专家正测试一种新的利用潮汐能的方法，这个方法就是安装水下风车发电。

和加拿大芬迪湾的水电站一样，爱尔兰海12米高的潮水为英国布里斯托尔海峡潮汐水电站提供了充足的能量。在达到低潮的时候，海水低得足以让当地渔船搁浅。

马丁·赖特是洋流涡轮机公司的负责人。他认为现在的问题在于，人们总习惯于用固定的思维去看待问题，不喜欢变通。这并不是一个简单的转换，不能期望装置安装好，它就会正常运转。这期间，工程师还有很多事情要做。

在海风的作用下，洋流慢慢涌动，这就是能量的源泉。工程师把装置安装在那里，随着潮汐的运动而向前或向后摆动，可以沿着最好的方向从旋转叶片中获得能量。它们就是水下风车。

今天，英国第一个水下风车的叶片刚好露出水面，它的露面是短暂的，很快就会被汹涌的海水淹没。

照明，再加上电脑、电视、空调以及冰箱等家电的消耗，一个典型的英国家庭每天所需的电力大约为2千瓦。如果在这里建一个300千瓦的发电机组，那么它所提供的电力就能满足100～150个家庭的需要。

当然，利用潮汐发电并不容易，把装备架设起来就是个难题，深水中的潮汐流非常强大。因此，工人安装这些重达40吨的铁塔时必须争分夺秒。在涨落潮过程中，平潮期相对较短，只能持续半个小时左右。工作人员必须确保它牢固而结实，其安全性能、稳定性能要有切实的保障，以免被海浪震成碎片。但是因为缺乏经验，一切都要从头开始，技术人员必须获得确切的海浪数据，这一点至关重要。

海洋电力先驱陷入了这样的困境，新事物必然产生新问题。高水位意味着高风险，不管从哪方面说，安全问题都是最重要的，也是需要人们优先考虑的。人们必须具备灵活的应对能力。这看起来简单，实际却很凶险，只有那些经验丰富的熟练工人才能完成这一工作。

马丁·赖特的梦想是在布里斯托尔海峡及世界各地的沿海安装大型洋流涡轮机网络。因为潮汐发电厂的发电效率远远高于燃煤或燃油发电厂。更重要的是，潮汐发电不会对环境造成污染。

清洁能源：海上兵工厂的科学传奇

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