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美学者提出开发天然水面蒸发能,功率密度可达风电三倍

2017年09月28日 12:13 来源于 财新网
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利用自然蒸发或可解决水资源供应和能源利用间的矛盾、为可再生能源间歇性问题的提供解决方法
天然水分蒸发是一种前景可观的可再生能源来源,然而一直以来,这种资源的可用性、可靠性和其对水资源的影响有待发掘。图/视觉中国

  【财新网】(实习记者 杜偲偲)天然水分蒸发是一种前景可观的可再生能源来源,然而一直以来,这种资源的可用性、可靠性和其对水资源的影响有待发掘。最新研究发现,水分蒸发的功率密度堪比风电和太阳能,同时能减少一半蒸发水损失。且其受气候影响较小,有望为再生能源面临的间歇性问题提供解决方案。

  9月27日,哥伦比亚大学研究者在《自然-通讯》在线发表一篇论文,他们通过对天然水域表面的自然蒸发过程中可采集的能量进行评估,发现该过程可产生的功率密度是风电的三倍,据估计,美国15个州的面积大于0.1平方公里的湖泊和水库(不包括五大湖)总面积约51297.4平方公里,蒸发水分的功率加起来,总量或可达325吉瓦,占2015年美国电能发电功率的69%以上。

  该研究并不是针对蒸发能成为可再生能源的首个研究。2010年,巴西的研究者发现大气中的水蒸气,并不是中性的,而是带电荷的。2012年,哥伦比亚大学生物科学与物理学副教授Ozgur Sahin博士发现一种称为“通常存在于干燥处的枯草芽孢杆菌”,不仅坚韧,而且“一旦引入水,也可立即恢复其原始形状。”

  研究小组发现,当受湿度影响时,涂有孢子的板材从干燥到潮湿,可产生相当于人肌力1000倍的力。换句话说,通过润湿一磅干燥的孢子,产生的力量足以将一辆汽车抬离地面3.2英尺。由此,Sahin博士发明了应对湿度变化的原型发电机。

  此后,针对水响应材料和相关设备的研究不断推进,水响应材料通过吸收和释放水蒸气中水分的循环发挥作用,当应用了该材料的机器被放置在蒸发中的水体上时可以获得能量。

  基于此,Sahin博士等哥伦比亚大学的研究者开展了此次的研究。他们建立了一个模型,评估蒸发驱动发动机对水面蒸发速率的改变程度,对于这些能量收集器如何在自然环境中最佳运行进行了第一个预测。

  值得注意的是,水供应和能源通常被视为相互冲突的两个挑战,然而利用自然蒸发可将其同时解决。研究发现潜力最大的发电和节水地区位于水资源稀缺的地方。最佳功率密度随着大气相对湿度的降低而增加,且随着风速的增加和相对湿度的降低,潜在的节水量也会增加。

  此外,现有的可再生能源的一个关键挑战在于它是间歇性的:风力发电机和太阳能光伏板,只有当风和阳光可用时,才能产生电力。由于电力供应必须实时匹配需求,以维持稳定的电网,因此能源储存是稳定的可再生能源系统的重要组成部分,以缓解间歇性。

  研究发现,水的比热容大,足以储存多余的能量,需求低时控制输出功率,以满足实际的电力需求变化。因此,自然蒸发或许可以提供一种对于可再生能源间歇性问题的解决方法。

  而对于开发利用自然水体蒸发能源可能带来的环境影响,论文指出,在湖泊或水库上使用蒸发驱动的材料和装置可能会影响淡水资源,如,改变排水速率,排气装置,水质和娱乐用途。应用中可能需要对蒸发驱动设施加以额外的设计和规划限制,从而可以减少可用于能量釆集的面积。

责任编辑:于达维 | 版面编辑:张翔宇
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