将深海中的潮汐转化为能源的涡轮机尚未形成市场。但这并没有阻止斯特拉斯克莱德大学能源系统研究部门 (ESRU) 的机械工程师在苏格兰开发一种涡轮机,它将像风筝在刮风天飞行一样,通过电缆系在海底,随潮汐起伏。
ESRU 团队的目标:创造一种真正顺应水流的装置,而不是像一些公司正在开发的、位于海底的水下风车。风筝和电缆模型旨在便于在深水中安装潮汐涡轮机,深水区的水流更强,具有提供更大能量的潜力,但也使得在海底安装涡轮机极为困难。
“普通涡轮机的问题在于,它们越大,工作就越努力,水力损坏涡轮机的可能性就越大,”ESRU 机械工程师安德鲁·格兰特说,“我们的涡轮机可以在水中像风筝一样飞行。”研究人员只需为系索安装一个锚,而无需将涡轮机的底座安装在海底。
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ESRU 设计的另一个主要区别在于,涡轮机连接了两个转子——一个在另一个前面,它们在同一轴上反向旋转。转子的叶片由实心铝合金或玻璃纤维增强塑料制成,具体取决于它们的尺寸。通过让转子反向旋转,格兰特和他的团队试图减少反作用扭矩(它会朝相反的方向推动涡轮机),从而使该装置即使在非常深的水中也可以连接到相对简单的系泊系统。自 20 世纪 80 年代以来,这种“反向旋转”设计已在风电场中进行过测试,但在露天环境中并没有提供优势(在更少的风力下产生更多能量),格兰特说。
总部位于纽约市的 Verdant Power 公司亲身经历了开发实用潮汐涡轮机的艰辛。事实上,Verdant 的技术领先于其他任何人,自 2006 年以来一直在纽约东河运营。该项目最初在水面以下 30 英尺(9 米)处,将六个类似风车的涡轮机锚定在河底,以每分钟 32 转的峰值速率旋转。在东河强大的水流(实际上是一个潮汐通道)损坏了转子并折断了一些原始的玻璃纤维和钢制叶片后,该公司本月早些时候将其试验台缩减为两个涡轮机,配备了直径 16 英尺(5 米)的新型铝镁叶片。
Verdant 公司总裁兼市场开发主管特雷·泰勒说:“我们只需要两个就能完成我们的运行测试。”东河的涡轮机已经为曼哈顿和皇后区之间的罗斯福岛上的一家附近的杂货店和停车场供电。美国能源部最近向 Verdant 公司奖励了 120 万美元,用于该公司在未来两年内进一步开发其技术。加拿大政府又提供了 330 万美元——Verdant 正在安大略省康沃尔附近的圣劳伦斯河中测试一种新型涡轮机,它位于河床上,而不是系在河底。
泰勒说,他熟悉 ESRU 的工作,并且 Verdant 自己甚至早在 2002 年就测试过一种系绳的、类似风筝的涡轮机。他说:“我知道他们在做什么,他们还有很长的路要走。”“我们发现,潮汐力反向作用,导致它上下移动太多。”泰勒说,双转子设计很有趣,但他质疑在不同方向旋转的叶片是否会削弱涡轮机捕获潮汐全部力量的效率。“要做到正确,需要结合科学、工程和物理学,”他说,并补充说,他喜欢任何尝试潮汐涡轮机的人,因为每个从事这项技术的人都会从结果中受益。
随着 ESRU 为下周开始的海上试验准备其涡轮机技术,格兰特承认仍然存在许多问题。研究人员尚未确定他们是否需要在上方漂浮一个浮标,以进一步稳定或固定涡轮机(解决泰勒对涡轮机上下移动太多的担忧)。此外,还不清楚在没有强大潮汐时涡轮机的表现如何,以及涡轮机的运动可能如何影响连接到它的电力电缆。(例如,如果涡轮机移动太多,电缆是否会缠绕?)
ESRU 的科学家认为他们的技术不会伤害海洋生物,但承认他们不知道系绳涡轮机会否吸引或吓跑鱼类。“涡轮机转动缓慢,所以我们不是在说切碎鱼,”格兰特说,他指出,系泊装置的安装最初可能会扰乱海底,但一旦安装到位,可能就不必再碰了。Verdant 公司迄今为止在东河项目上花费了大约 900 万美元;三分之一的资金用于研究评估涡轮机对船舶航行、水生生物和鱼类迁徙的潜在影响。
格兰特承认,潮汐发电要成为主流能源还有很长的路要走。“从中赚钱有很大的障碍,”他说。“技术风险很大,所以财务风险也很大。”他预计,ESRU 的涡轮机要准备好在海上正式使用,还需要十年或更长时间——除了环境影响研究和获得公用事业公司的支持之外,还必须进行更多的测试。
可再生能源一直受制于这样一个事实:捕捉阳光、风、波浪和潮汐的最佳地点也都是最偏远的地方,这意味着需要基础设施才能将电力输送到需要的地方。“在英国,很难让电力公司对这个感兴趣,”格兰特说。“要获得这种能源,你必须在全国各地铺设电力线,这会产生环境问题。”
但这并没有阻止 Verdant 和其他公司进行尝试。英国潮汐发电公司 Lunar Energy 在 3 月开始与韩国中部电力公司合作,在韩国南部海岸的莞岛横干水道建立一个巨大的 300 涡轮机发电场。该电厂预计到 2015 年 12 月将向韩国中部电力公司提供 300 兆瓦的可再生能源。
有兴趣利用潮汐能的公用事业公司将不得不花钱创建能源输送基础设施,或者至少说服政府为此买单。对新能源有利的一件事是:石油的价格并没有变得更便宜。