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捕获大海中的巨大能量

2017-12-04 18:56  来源: 科普中国-科学原理一点通

人们的身体和日常生活离不开水,水的重要性大家都知道。那么天然水流蕴藏的能量大家知道吗?水的能量,主要是指水的势能和动能。广义的水能资源是指河流水能、潮汐能、波浪能、海流和潮流能等;狭义的水能资源是指河流水能。

 

人类从什么时候开始利用水能的?

 

人类利用水能,比风能还要早。西汉时期我国已经有用水舂米的水碓了,古希腊农民则利用水轮把麦子磨成面粉。后来,欧洲人用水来粉碎矿石,挤缩布匹,还借助于水流的动力来驱动水轮等各种生产机械。19世纪晚期,水能成为发电的能源之一。1882年,全世界第一座水电站在美国威斯康星正式建成使用;1912年中国第一座水电站——昆明石龙坝水电站建成。

常规的水力发电是指对陆地水系的能源利用,其基本原理是,利用河川、湖泊等位于高处的水体所具有的势能,当水流降落至低处时,带动轮机,从而将水中的势能转换成动能,再通过水轮机推动发电机产生电能。

水电站一般由三部分组成:蓄水的水库、控制水流的大坝和产生电力的发电机。水电站具有发电成本低、高效灵活的优点,同时还可以与防洪、航运、养殖、灌溉、旅游等多个方面组成水资源综合利用体系。水能在转换为电能的过程中不发生化学变化,不会排出有害物质,对空气和水体本身不产生污染,因此是一种取之不尽、用之不竭的清洁能源。当然,建造大型水电工程,对自然生态环境多少会有所影响,因此在水电开发的全过程,生态效益、经济效益和社会效益都得统筹兼顾。

 

昆明石龙坝水电站

 

捕获大海中的巨大能量

 

波涛翻滚的海浪让人畏惧,但在能源专家眼里,却产生出一种与众不同的灵感,那就是要利用海浪的惊人能量来发电!

2008年,人们在葡萄牙北部的海岸边,惊奇地发现海面上漂浮着一个形状酷似潜水艇的机械装置。它在海浪冲击下忽左忽右、浮浮沉沉地扭动着瘦长的“身形”。原来,这就是名叫“海蛇”的海浪发电机。它由4节圆柱形浮筒所组成,每两节圆筒关节之间用铰链相连。当圆筒随着与其正交的海浪起伏时,海水压力通过“蛇嘴”阀门传递到圆筒内,推动其中的液压活塞作往复运动,最终由液压油产生挤压力来驱动发电机。只要给这个装置接上一根电缆,便可把电力送到岸上。

继“海蛇”问世后,人们又研制了一种称为“巨蟒”的发电机。这种类似巨型蟒蛇的大型发电设备是用橡胶制成的,长约200米,直径达7米。管形的“身躯”里灌满了海水,海浪经过时会把它前端掀起,在“巨蟒”内部产生一股力大无比的“水脉冲”,向装有涡轮发电机的后端频频发起“冲击”,从而带动发电机发电。“巨蟒”捕获海浪能量的能力约为“海蛇”的3倍,平均可达到1兆瓦的功率,发电量可满足数百个家庭使用。

那么,海浪中的能量又来自哪里呢?

原来,海水在海风作用、气压变化等外力影响下,会发生上下前后各种方向的运动,形成波浪。因此,海浪是一种有规律的往复运动,通常的表现形式是一种机械波,并在海水的表面传播。波浪的运动中带有巨大的动能和势能,其能量大小与波浪高度的平方、波浪的运动周期以及迎波面的宽度成正比。若以平均1米波浪高度、1秒长度周期的海浪计算,全球每天海浪产生的总能量估计至少可转换成700亿千焦的电能。

 

海蛇波浪能发电机

 

“潮起潮落”也能发电吗?

 

“海宁观潮”大家都知道,其实那就是典型的潮汐现象,它是由于日、月引力的共同作用,再加上河口的特殊地形,从而形成的一种壮观的自然景观。

根据万有引力定律,地球上的海水会受到月球、太阳的吸引力作用,由于月球距离地球最近,它对海水的吸引力最强。然而,地球和月球都是在不断地运动的,地球、月球和太阳的相对位置会发生周期性变化,所以它们对海水的吸引力也在发生周期性变化,即在一天之内会产生两次潮起潮落的潮汐现象。这种潮起潮落的过程非常有节奏,而且永不衰竭。所以说,潮汐的涨落中也蕴藏着巨大的能量。涨潮时,海水将汹涌的动能转化成势能;退潮时,海水又将势能转化成奔散远去的动能。

潮汐能发电原理与水力发电相似,只要在海湾或河口建造一座有堤坝的水库,涨潮时将海水储存在水库内,然后在落潮时将海水放出,利用高、低潮位之间的落差,便可把海水的巨大势能转化为动能,用来推动水轮机旋转,最终带动发电机发电。潮汐能是一种用之不竭的再生能源,它无需消耗燃料,不形成污染。

 

浙江温岭江厦潮汐能发电站

 

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作者: 科学原理一点通   [责任编辑: 吕芮光]