潮流正在轉變:渦輪機像風箏一樣駕馭水下洋流

新技術將使系在海底的渦輪機能夠收集能量

將深海中的潮汐轉化為能源的渦輪機尚未形成市場。但這並沒有阻止斯特拉斯克萊德大學能源系統研究部門 (ESRU) 的機械工程師在蘇格蘭開發一種渦輪機,它將像風箏在颳風天飛行一樣,透過電纜系在海底,隨潮汐起伏。

ESRU 團隊的目標:創造一種真正順應水流的裝置,而不是像一些公司正在開發的、位於海底的水下風車。風箏和電纜模型旨在便於在深水中安裝潮汐渦輪機,深水區的水流更強,具有提供更大能量的潛力,但也使得在海底安裝渦輪機極為困難。

“普通渦輪機的問題在於,它們越大,工作就越努力,水力損壞渦輪機的可能性就越大,”ESRU 機械工程師安德魯·格蘭特說,“我們的渦輪機可以在水中像風箏一樣飛行。”研究人員只需為系索安裝一個錨,而無需將渦輪機的底座安裝在海底。


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ESRU 設計的另一個主要區別在於,渦輪機連線了兩個轉子——一個在另一個前面,它們在同一軸上反向旋轉。轉子的葉片由實心鋁合金或玻璃纖維增強塑膠製成,具體取決於它們的尺寸。透過讓轉子反向旋轉,格蘭特和他的團隊試圖減少反作用扭矩(它會朝相反的方向推動渦輪機),從而使該裝置即使在非常深的水中也可以連線到相對簡單的繫泊系統。自 20 世紀 80 年代以來,這種“反向旋轉”設計已在風電場中進行過測試,但在露天環境中並沒有提供優勢(在更少的風力下產生更多能量),格蘭特說。

總部位於紐約市的 Verdant Power 公司親身經歷了開發實用潮汐渦輪機的艱辛。事實上,Verdant 的技術領先於其他任何人,自 2006 年以來一直在紐約東河運營。該專案最初在水面以下 30 英尺(9 米)處,將六個類似風車的渦輪機錨定在河底,以每分鐘 32 轉的峰值速率旋轉。在東河強大的水流(實際上是一個潮汐通道)損壞了轉子並折斷了一些原始的玻璃纖維和鋼製葉片後,該公司本月早些時候將其試驗檯縮減為兩個渦輪機,配備了直徑 16 英尺(5 米)的新型鋁鎂葉片。

Verdant 公司總裁兼市場開發主管特雷·泰勒說:“我們只需要兩個就能完成我們的執行測試。”東河的渦輪機已經為曼哈頓和皇后區之間的羅斯福島上的一家附近的雜貨店和停車場供電。美國能源部最近向 Verdant 公司獎勵了 120 萬美元,用於該公司在未來兩年內進一步開發其技術。加拿大政府又提供了 330 萬美元——Verdant 正在安大略省康沃爾附近的聖勞倫斯河中測試一種新型渦輪機,它位於河床上,而不是系在河底。

泰勒說,他熟悉 ESRU 的工作,並且 Verdant 自己甚至早在 2002 年就測試過一種繫繩的、類似風箏的渦輪機。他說:“我知道他們在做什麼,他們還有很長的路要走。”“我們發現,潮汐力反向作用,導致它上下移動太多。”泰勒說,雙轉子設計很有趣,但他質疑在不同方向旋轉的葉片是否會削弱渦輪機捕獲潮汐全部力量的效率。“要做到正確,需要結合科學、工程和物理學,”他說,並補充說,他喜歡任何嘗試潮汐渦輪機的人,因為每個從事這項技術的人都會從結果中受益。

隨著 ESRU 為下週開始的海上試驗準備其渦輪機技術,格蘭特承認仍然存在許多問題。研究人員尚未確定他們是否需要在上方漂浮一個浮標,以進一步穩定或固定渦輪機(解決泰勒對渦輪機上下移動太多的擔憂)。此外,還不清楚在沒有強大潮汐時渦輪機的表現如何,以及渦輪機的運動可能如何影響連線到它的電力電纜。(例如,如果渦輪機移動太多,電纜是否會纏繞?)

ESRU 的科學家認為他們的技術不會傷害海洋生物,但承認他們不知道繫繩渦輪機會否吸引或嚇跑魚類。“渦輪機轉動緩慢,所以我們不是在說切碎魚,”格蘭特說,他指出,繫泊裝置的安裝最初可能會擾亂海底,但一旦安裝到位,可能就不必再碰了。Verdant 公司迄今為止在東河專案上花費了大約 900 萬美元;三分之一的資金用於研究評估渦輪機對船舶航行、水生生物和魚類遷徙的潛在影響。

格蘭特承認,潮汐發電要成為主流能源還有很長的路要走。“從中賺錢有很大的障礙,”他說。“技術風險很大,所以財務風險也很大。”他預計,ESRU 的渦輪機要準備好在海上正式使用,還需要十年或更長時間——除了環境影響研究和獲得公用事業公司的支援之外,還必須進行更多的測試。

可再生能源一直受制於這樣一個事實:捕捉陽光、風、波浪和潮汐的最佳地點也都是最偏遠的地方,這意味著需要基礎設施才能將電力輸送到需要的地方。“在英國,很難讓電力公司對這個感興趣,”格蘭特說。“要獲得這種能源,你必須在全國各地鋪設電力線,這會產生環境問題。”

但這並沒有阻止 Verdant 和其他公司進行嘗試。英國潮汐發電公司 Lunar Energy 在 3 月開始與韓國中部電力公司合作,在韓國南部海岸的莞島橫幹水道建立一個巨大的 300 渦輪機發電場。該電廠預計到 2015 年 12 月將向韓國中部電力公司提供 300 兆瓦的可再生能源。

有興趣利用潮汐能的公用事業公司將不得不花錢建立能源輸送基礎設施,或者至少說服政府為此買單。對新能源有利的一件事是:石油的價格並沒有變得更便宜

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