取之不盡用之不竭?用海洋風發電會否成為新潮流
2020-12-08 網易科技研究發現，為了滿足人類目前的電力需求，需要在海洋上安裝300萬平方公裡的風力裝置，這個面積甚至比格陵蘭還要大。因此，這項研究得出的結論是:「北大西洋的風力發電能力足以為整個世界提供電力。」但需要強調的是，這些都是純粹的理論計算，它還會受到許多實際因素的影響，包括並非所有季節的風力都那麼強，而且目前如此大規模捕獲能量的技術還不存在，更不用說將其轉移到海洋上。
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在廣闊的海洋上，風速往往比陸地上高得多，這不禁促使人們尋求能在深水環境中捕獲風能並轉化為電能的技術。不久前發布的一項最新研究發現，海洋上擁有近乎無窮的風能潛力，理論上甚至可以支持整個人類文明所需。也就是說，假如我們願意在海上安裝無數渦輪機，並能想出在極端海洋環境中安裝和維護它們的方法，海洋風能幾乎取之不竭。
然而實際上，我們不太可能如此大規模的建造海洋渦輪機，這樣做甚至可能改變地球上的氣候。但不可否認的是，在遼闊的海洋上，風能的確擁有巨大的潛力。而在深水地區建立漂浮的風力發電場，可能是風能技術發展的下一個重要風口。美國加州卡內基科學研究所的肯·卡爾代拉（Ken Caldeira）表示：「從地球物理學角度來看，我認為這是一種綠色環保照明方案。」
這項研究由卡內基科學研究所的安娜·波斯納（Anna Possner）領導，並且獲得了卡爾代拉的支持。這項研究開始之前曾有研究發現，陸地風力發電場產生的能量可能存在上限，因為大自然和人類在陸地上創造的結構會減緩風速。此外，每個風力渦輪機都會從風力中提取部分能源，並將其轉化為我們使用的電力，這會導致其他渦輪機收集的風能不斷減少。卡爾代拉解釋說:「如果前排渦輪機能吸收半數風能，那麼第二排渦輪機可吸收的能量只剩下1/4，而且會越來越少。」
但海洋與陸地不同。首先，海上風速可能比陸地風速高出70%。更重要的是，在那裡你可以獲得「風力補給」。新的研究發現，在中緯度的海洋中，風暴會定期將強大的風能從高海拔地區轉移到地表。這意味著，渦輪機在海上捕捉到的風能上限要高得多。卡爾代拉說:「在陸地上，渦輪機只是從大氣層的最低部分中吸收動能。而在海洋中，它甚至可吸收對流層的動能，或者是大氣層較低部分的能量。」
風力渦輪機不斷地從低對流層中移除動能，從而降低了接近中心高度的風速。因此，在包含多個風陣的大型風力發電場中，發電的速率受到來自大氣動能補給的限制。近年來，越來越多的研究表明，在大型風力發電場中，發電能力僅限於1.5到2兆瓦之間。然而，在這項研究中，我們發現某些海洋地區，發電能力更高，而且是可持續性的。
尤其是北大西洋區域，有證據表明，在上層大氣層內有較大的向下運動動能。因此，有些海洋地區的風力發電能力可以超過陸地發電能力的3倍以上。此外，我們的研究結果表明，從海洋到大氣的表面熱通量可能在創造出持續高速率的動能下降區域中起著重要作用，因此，高速率的動能提取在地球物理學上是有可能實現的。雖然目前還沒有商業規模的深海風力發電場，但我們的研究表明，如果這項假設在技術上和經濟上可行，那麼它就有可能提供整個人類文明所需的電力。
這項研究比較了美國(以堪薩斯州為中心)與大西洋上近200萬平方公裡理論風力發電場的發電能力。結果顯示，覆蓋美國中部大部分地區的風力發電場仍不足以為美國和中國供電，它們每年的發電能力需要達到7萬億瓦才能滿足需求。但從理論上講，北大西洋上的風能就可以滿足這兩個國家甚至更多國家的電力需求。在相同地區，從海洋中可以提取的潛在能量「至少」是陸地的3倍。
研究發現，為了滿足人類目前的電力需求，需要在海洋上安裝300萬平方公裡的風力裝置，這個面積甚至比格陵蘭還要大。因此，這項研究得出的結論是:「北大西洋的風力發電能力足以為整個世界提供電力。」但需要強調的是，這些都是純粹的理論計算，它還會受到許多實際因素的影響，包括並非所有季節的風力都那麼強，而且目前如此大規模捕獲能量的技術還不存在，更不用說將其轉移到海洋上。
還有另外一個大問題：在研究中進行的模擬表明，從自然界中提取這麼多的風能將會引發行星級效應，包括導致北極部分地區的溫度降低13攝氏度。卡爾代拉說:「試圖從風能中獲取滿足整個人類文明所需的能量，可能會引發大麻煩。」但他表示，如果能從這些極高的數字中減少能源消耗，而且如果風力發電場在全球範圍內分布得更廣，氣候效應將會更小。卡爾代拉表示:「這讓我們相信，我們應該能夠使用一種技術組合，而不是僅僅依賴於這一技術。」
長期以來，能源專家們始終認為，在可再生能源中，太陽能擁有最大的潛力，可以通過擴大規模生產更多電力，以滿足人類的大部分能源需求。卡爾代拉對此沒有異議。但他的研究表明，將來開放的海洋風能能被人們利用後，那麼它也可能具有相當大的潛力。麻省理工學院機械工程教授亞歷山大·斯洛卡姆（Alexander Slocum）專注於海上風能及其潛力研究，他認為波斯納和卡爾代拉的論文是「非常好的研究」，而且它似乎沒有偏見。
斯洛卡姆解釋稱：「開放海洋風能農場可以為我們提供大部分所需能源的結論也得到了歷史支持：隨著技術的發展受到限制或被壟斷，尋找替代選擇的動機就會出現。就像汽車取代馬車，美國用水力壓裂法應對石油輸出國組織的壟斷，現在可再生能源正尋求取代碳氫化合物產業。」
科羅拉多大學風能研究人員茱莉·朗奎斯特（Julie Lundquist）指出：「作者們確實承認，從遙遠的海上收集能源存在相當大的技術挑戰，但我很欣賞他們對資源的重視。我希望這項工作能激發人們對深水風能的興趣。目前和可預見的未來，在海上部署風力渦輪機的規模，遠未達到海上風能的上限。」
這項研究還指出了風能的第三種作用。在陸地上，渦輪機已經能被很熟練地建造起來，而且每年都在安裝更多的渦輪機。與此同時，沿海地區現在也看到越來越多的渦輪機，但仍處於相對較淺的水域。而要在無際的大海（深度通常超過1600米）上安裝渦輪機，預計可能需要全新的技術，比如延伸出水面的漂浮渦輪機，它要坐落在非常大的水下浮動結構上面，還需要能將整個渦輪機與海底固定的錨。
對這項技術的實驗已經在進行：英國國家石油公司（Statoil）正計劃在蘇格蘭沿海建造大型的海上風力發電場，該農場將位於100米深的水域，擁有15兆瓦發電能力。這些渦輪機高達253米，其中海面下的漂浮部分就將佔78米。卡爾代拉說:「我們所描述的東西今天看起來可能不符合經濟成本，但當你沿著這個方向開創新的行業後，就能為它的發展提供新的動力。」 （小小）
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