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未来科技，怎样发电

时间 :2023-05-25 10:09:18   来源 : 解放日报

在极端天气等多种因素影响下，世界各地都有了用电紧张的烦恼。如何寻找清洁高效的发电新材料？长时储能技术及供电机制有哪些新方案？全球科学家探寻、破题未来能源。

新型发电路线


【资料图】

把月亮变成“充电宝”

对于新能源发电技术，许多人耳熟能详。风力发电、太阳能发电、生物质能发电、海洋能发电以及地热能发电等已加速付诸应用的新技术，展现出人类在能源领域的努力。

值得一提的是，在这些以外，一系列更为前沿、更富想象力的全新技术路线，正在拓展中——月球发电、新型微生物发电、磁流体发电等，在各国科学家的你追我赶中，发芽开花。

研究表明，大约50年后，目前广泛使用的传统能源煤、石油和天然气将面临严重短缺的局面。由此，人类被迫将寻求能源的目光，从地球一隅转向浩瀚宇宙，而月球，便是地外能源的首选。

首先分析月球情况。由于其表面几乎没有大气，太阳辐射可以长驱直入。计算表明，每年到达月球范围内的太阳光辐射能量大约为12万亿千瓦，相当于目前地球上一年消耗的各种能源所产生的总能量的2.5万倍。按太阳能能量密度为1.353千瓦/平方米计算，假设在月球上使用目前光电转化率为20%的太阳能发电装置，每平方米太阳能电池每小时可发电2.7千瓦时，若采用1000平方米的电池，每小时可产生2700千瓦时的电能。

更有趣的是，由于月球自转周期恰好与其绕地球公转周期的时间相等，所以月球的白天是14天半，晚上也是14天半，一天相当于地球一个月的长度，这样的“天上一日地上一年”的时间差，令月球发电可以获得更多太阳能，这无疑是十分令人兴奋的“天时地利”。

日本的一个科研团队曾提出这样一个大胆方案：围绕月球约1.1万公里长的赤道建一条太阳能发电带，以此获得极其丰富而稳定的太阳能。未来，这不但可以解决人类月球基地的能源供应问题，还可在空间转换装置技术与地面接收技术进一步完善的基础上，将电能转化为微波束和激光束，传回地球，把月球变成地球的大型“无线充电宝”。

将目光投向更辽远的星辰大海，宇宙中符合条件的星体，都可以像月球一样，成为太阳能发电卫星，科学家们给这一设想取了一个“霸气”名字——轨道发电机。

人类对新型能源的探求，上天入地，从宏观到微观。日前，美国科学家结合两项可再生能源技术开发出一项新技术——微生物逆向电渗析电池。该技术不仅能净化废水，还能利用废水发电。相关研究发表在《科学》杂志上。

该研究的领导者、宾夕法尼亚州立大学氢能中心和工程能源与环境研究所主任布鲁斯·罗根表示，废水中蕴含有大量以有机物形式存在的能量。生活废水包含的化学能源是处理它们所需能量的10倍。生活废水加上家畜和食品生产产生的废水中蕴含的能量几乎足以维持全美水利基础设施的运行。

新方法使用的技术之一是微生物燃料电池，可将废水中的化学能转化为电能并净水。具体而言，它使用微生物群来分解和氧化有机物，此过程会释放出向阳极移动的电子。与此同时，水中的氢离子通过质子交换膜并进入独立的阴极区。电子通过一个电路从阳极被吸引到阴极，从而产生电流。氢离子也与周围的氧相结合，形成清洁的水。

为获得更高的能量密度，罗根团队使用了名为逆向电渗析的技术当“帮手”——两种不同来源的水经泵压通过一对膜，这对膜与带相反电荷的电极相连，会让正负电荷分别朝不同的方向行进，当离子朝它们各自的电极移动时，就会产生电流。但这一方法需要使用很多膜，因此成本很高。

科研团队集合上述两者之长研发出的新系统——微生物逆向电渗析电池，已被证明每立方米有机水能产生电能0.94千瓦时，而传统的废水处理方法处理每立方米水会消耗约1.2千瓦时的电能。

在微观世界中，另一条发电技术路线，是磁流体发电。简单而言，它是导电流体（气体或液体）以一定的速度垂直通过磁场，产生感应电动势而产生电功率，把内能直接转换成电能的一种发电方式。

从发电的基本原理上看，磁流体发电与普通发电一样，都是根据法拉第电磁感应定律获得电能。所不同的是，前者的导电流体在几千摄氏度的高温下，物质中的原子和电子都在做剧烈运动，有些电子脱离原子核的束缚，变成自由电子。

这时，流体由自由电子、失去电子的离子和原子的混合物组成，这就是等离子体。将等离子体以超声速的速度喷射到一个加有强磁场的管道里，等离子体中带有正、负电荷的高速粒子，在磁场中受到力的作用，分别向两极偏移，于是在两极之间产生电压，用导线将电压接入电路后就有电流通过。

就这样，导电的流体起到了金属导线的作用。由于它是将热能直接转换成电流，无须经过机械转换环节，所以也称为“直接发电”。

长时储能技术

紧紧“抓住”阳光和风

当下的电力能源体系中，长时储能的作用日益关键。对传统发电体系而言，它能减少线损，增加线路和设备使用寿命，提高突发事故的应对能力，保证电力系统安全运行。

此外，更高效的未来发电技术，也对能源储备提出更大需求。全球科研力量在发电领域的竞争，拼的不仅是谁更会发电，还有谁更会存电。

更重要的是，主流的可再生能源发电中，风力发电和太阳能发电占据主导地位，但风能和太阳能只在特定时间产生，它们需要储能技术来帮助弥补电力缺口，削峰填谷。在装机量上升的同时，如何让新型电力系统与传统电网融合，建立统一电力市场是新能源产业发展要解决的关键问题之一。储能，便是两者间不可或缺的桥梁。

另外，光伏发电都是有装机容量的，而每一个电网系统都对并网的光伏电力有一个容量的承受度，超过这个容量会对电网稳定性带来巨大冲击。光伏发电的不稳定性，意味着这种电力能源存在电力波动，而电网对于电力能源容许的波动在15%，需要一些新技术，把装机容量和发电波动控制在这个范畴。长时储能承担的是缓冲垫、蓄水池的功能。

从技术上讲，很多储能技术都是可行的。问题是，它们是否能以可接受的成本和开发周期运行？目前看来，两种长时储能技术有更长远发展的可能。

首先是抽水蓄能技术。基于重力的抽水蓄能是一种古老的储能技术。在非高峰期，一个涡轮机将水从低处的水库抽到高处的水库，而在需求高峰期，水被允许通过涡轮机流下以产生电力能量。抽水蓄能设施一旦建成，其储能成本非常低。与世界上最大的电池储能系统相比，抽水蓄能设施可以存储大量的能源。抽水蓄能设施通常建在不会破坏河流生态系统的孤立水库，这可以简化许可流程，但抽水蓄能项目仍面临长达10年的建设时间和数十亿美元投资的开发瓶颈。

尽管如此，少数抽水蓄能项目建设仍在缓慢推进。可再生能源发电的兴起促使人们重新审视这项古老的储能技术。

将电能与机械能相互转换，基于重力发展的储能技术，除了抽水蓄能外，还有“搬砖”储能。后者主要通过起重机将成千上万个特制的复合材料砖块堆放成塔台，在需要释放能量时再把它们放下，从而实现能量的异时“搬运”。

在瑞士Arbedo-Castione市，一台70米的起重机高高耸立。六条手臂从顶部伸出并将巨大的“积木”吊上天空。实际上，这些并非积木，这台起重机也没有被用于建筑。据悉，这座钢塔是一个巨大的机械储能系统，由美国和瑞士的创业公司Energy Vault设计，依靠重力和35吨的砖块来储存和释放能量。

当电力需求较低时，起重机利用瑞士电网的剩余电力来提升砖块并将其堆放在顶部。当电力需求上升时，砖块会被放下来进而将动能释放至电网。

这听起来更像一个学校的科学项目，但这种形式的能源储存在向清洁能源过渡时是至关重要的。

企业创始人Robert Piconi表示，为了跟化石燃料竞争，需要使可再生能源具有可预测性，这意味着储存多余的能量并能在需要时进行调度。虽然这一思路来源于抽水蓄能，同样是依靠重力，但“我们使用的不是水，而是这些复合砖”，无须依赖地形也不必挖出水库或建立水坝。

自2020年这一项目在瑞士建立成功的原型以来，该公司已从高度可达200米的塔式模型转为20层的模块化建筑，后者高度约100米。砖块将在建筑内通过推车上下移动，由AI系统控制，然后根据供应和需求确定充电或放电的最佳时间。这些建筑的占地面积根据存储容量需求调整，也可被安装在空间不成问题的地方，如现有的风力或太阳能发电厂附近。

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