尋找“綠巨人”

文｜史 峰 霍雨佳

作者史峰系山東省莒南縣第八中學教師、本刊特約撰稿人；作者霍雨佳系安徽省銅陵市氣象學會秘書長、中國微型小說學會會員、本刊特約撰稿人。

生活在電器化時代，離開了“電”，我們的生活也許會亂成一團。那么，目前世界上都有哪些綠色、低碳、環保的發電方式？科學家們又是怎樣尋找“綠色電”的呢？

生活在電器化時代，離開了“電”，我們的生活也許會亂成一團——試想：沒有冰箱、彩電、洗衣機，沒有手機、電腦、電飯煲的日子將會多么慘淡。那么，目前世界上都有哪些綠色、低碳、環保的發電方式？科學家們又是怎樣尋找“綠色電”的呢？

眼下的發電站都“有害”

無論是在國家能源結構中，還是在我們的日常生產生活中，電能都占據著“巨人”般舉足輕重的地位：電燈、電話、取暖、做飯、機床、機車……我們對電能的需求，可謂是沒有最多，只有更多。

那么，電能是從何而來的呢？

據記載，最早的“電”來自1875年巴黎北火車站的火電廠。時至今日，火力發電已成為一種最常見的發電方式，它主要通過燒煤來發電，所以往往會產生“滾滾煙塵”——電是有了，但空氣也臟了。

這些煙塵肆無忌憚地污染著空氣，讓我們呼吸困難甚至生病。于是，環保主義者說：別再建火電站了，再建，空氣臟透了，人都得憋死。而各國也開始紛紛關停一些火電站，希望能還大眾一片澄澈的藍天。

不建火力發電站，那就多建水力發電站吧。你看，大壩將大江大河攔腰截斷，蓄水成湖，于是，水電站便建成了。可是水電站給環境造成的危害也不容小覷。原來的河道，水是自然流淌的；現在河道截斷了，顯然違背了“自然意志”，因而對環境也就造成了侵害——有些魚類產卵洄游受阻，就直接滅絕了，最終導致了生態鏈的斷裂，久而久之，便會醞釀出難以預料的生態災難。此外，水電站還可能會影響地殼穩定，帶來滑坡、泥石流、山崩、地陷等災害。

火電站、水電站都會對環境產生影響，那就建核電站吧。日本很注重環境保護，空氣舍不得污染，江河舍不得截流，環境稱得上是山清水秀空氣新。那么，不建火電站，不建水電站，日本為什么仍然有充足的電能供應？這是因為日本有許多“綠色環保”的核電站，滿足了國民大部分的電能需求。可是，本以為核電站能帶來“綠色電”，不成想一場大地震摧毀了日本的核電站，結果，“核污水”把土地和海洋都嚴重污染了。看樣子，核電站也不安全！

太空電站，建設容易輸電難

電能不可缺少，現有的幾類電站又都對環境有害，怎么辦？仰望天空，太陽光茫四射，似乎在微笑著說：“我這兒有源源不斷的綠色電能，來取吧。”

為了“回應”太陽的呼喚，科學家發明出“光伏板”。將光伏板放在太陽光下照射，就能讓太陽能變成電能。光伏發電不僅是最環保的發電方式，還催生了一個新的“朝陽產業”——光伏產業。

用光伏板發電雖然綠色環保，可目前它還不能替代火電、水電或核電——因為光伏發電需要陽光，但陽光卻不會時時都有，陰云遮擋沒陽光，夜晚來臨沒陽光，冬天陽光還會減弱。投射到地面的陽光的不穩定性，造成了光伏板發電的不穩定。

那么，有沒有什么辦法能擺脫云層、黑夜對光伏發電的影響呢？辦法當然有，那就是把光伏板送到太空，組建太空發電站，然后太陽光就會持久穩定高效地發電了。

那還等什么，趕緊把光伏板送到太空吧——且慢，別著急！的確，目前利用光伏板組建太空發電站的技術已經相當“成熟”，比如國際空間站ISS（國際空間站是一個運行于距離地面360公里的地球軌道上的航空器，其構想最初由美國總統里根在1983年提出，但直到1993年才完成設計。）開始實施的電能，就是依靠一個小型太空發電站提供的。問題是：太空發電站產生的電能如何輸送到地球？架設高壓線肯定是不現實的，所以說太空電站建設容易輸電難。

無線輸送太空電

太空電無法用“架電線”的有線輸送方法傳到地球上，那是否可以用“無線輸電”的方法呢？

其實，這種想法不僅你有，科學家也早就進行了嘗試。于是，一種“微波無線輸電”技術便誕生了。

2001年5月，一位叫皮尼奧萊的科學家在美國科羅拉多大峽谷一側，先把電能轉化微波（一種電磁波），向大峽谷的另一側發射，另一側有一個微波接收器，它把接收到的微波再轉化成電能，結果這些電能點亮了一只燈泡。這次電能“無線輸送”實驗，沒有用到“電線”，傳輸的電量雖然很少，但它讓人們看到“無線輸電”技術的可行性。

2015年3月8日，日本科學家利用微波無線輸電技術將1.8千瓦電能從A地傳送到了B地，這些電量已經大到可以實用的級別，可以用來啟動電水壺、電烤箱、電飯鍋等一些用電“大件”了。

此后，科學家利用微波輸電的“胃口”越來越大，他們計劃在未來幾十年內，在距地面3.6萬公里高的太空建造一座巨型光伏太空發電站。屆時，這座發電站將不再受晝夜、陰晴和季節變化的影響，時時接受陽光的高效穩定“照耀”，持續發出“巨量”電能，然后把這些電能用微波傳送方式輸送到地球，到時我們將用上純綠色的“太空電”。

摩擦“網”住海洋電

那么，除了太空電，我們還可以向何處尋電？

這時，科學家將目光投向了海洋。海洋能被譽為風能、太陽能等綠色能源之后的“藍色能源”。然而，海浪發電轉換率不高的問題一直困擾著科學家。

目前，海洋能的采集主要是基于電磁感應原理，利用海洋表面水波的沖擊形成線圈對磁感線的切割，從而產生電能。但由于傳統電磁感應機是由重的磁鐵和線圈構成，放到水里后無法浮在海水表面（除非從海底建立支撐塔架，但這會加大工程的難度和造價），再加上上下翻騰的海浪的不規則運動，使得傳統的電磁發電機難以收集波浪能。此外，鐵質結構很容易被海水腐蝕，因此也無法長期使用。

2012年，中國科學院北京納米能源與系統研究所所長、首席科學家王中林帶領研究小組提出“摩擦納米發電機”的概念，利用高分子材料通過摩擦起電和靜電感應的耦合而實現發電。這種發電機不僅能夠驅動微納電子器件工作，還可以給便攜式電子設備和家用電器供電，其質量輕、密度小，能漂浮在水面上。在此基礎上，中美兩國的研究人員合作發明出由摩擦發電機網絡組成的海洋能發電新技術。

摩擦納米發電機被科學家們視為“顛覆性的技術”，并且，這項技術非常適合大規模生產。實驗測試表明，1平方公里的海洋能輸出，有望達到1.15兆瓦，相當于點亮10萬支10瓦的燈泡，如果做成2萬平方公里的發電網絡，發電量相當于三峽大壩的輸出電量。除了大能源的供電需求，這項技術還可以面向生活，將人體的運動和周圍環境風吹草動的機械能進行收集和存儲，用于便攜式電子器件的供電。

腦洞大開的“龍卷風發電”

風能作為一種清潔的可再生能源，在地球上的蘊量驚人。據測算，全球的風能約達2.74×109兆瓦，其中可利用的風能為2×107兆瓦，比地球上可開發利用的水能總量還要大10倍。

人們很早就學會利用風能——主要是通過風車來抽水、磨面等，而現在，人們感興趣的是如何利用風來發電。

早在20世紀30年代，丹麥、瑞典、蘇聯和美國等國就開始應用航空工業的旋翼技術，成功地研制了一些小型風力發電裝置。不過，當時的發電量較低，大都在5千瓦以下。之后，風能作為一種清潔的可再生能源，越來越受到世界各國的重視，因此，建成的風力發電機也越來越多。目前，世界上各大風力發電機的發電量，通常都能達到兆瓦以上。

兆瓦已經不低了，但科學家們并不滿足，他們想：怎樣才能利用風力發出更多的電呢？有人靈機一動，就把主意達到了龍卷風上。

龍卷風威力巨大、破壞性強，與此同時，它所釋放的能量也十分驚人——一場強度中等的龍卷風在1分鐘內釋放的能量，如果轉化為電能，可以供全中國使用50年以上。只可惜，龍卷風屬于一種“可遇不可求，遇見也要躲”的“龐然大物”，目前也不可能對其出現時間、地點和行蹤進行準確的預報，所以，利用自然的龍卷風進行發電并不現實。

那么，能不能模仿龍卷風的結構和原理，制造風力發電設施呢？回答是肯定的。

早在20年前，前蘇聯原子能研究所的岡察契拉杰博士就開發出“龍卷風換流器”，可謂人類最早的仿龍卷風的發電裝置。該裝置由上下兩個缽殼組成，外形呈“X”狀，中間是通風口，里面結構比較復雜，但目的就是造成一股與龍卷風類似的強勁渦流，通過葉輪的有效傳遞，最終將能量輸送給發電機。當時，一部最先進的100米直徑螺旋槳式傳統風力發電機，功率是3000千瓦，而通過高28米、葉輪直徑2米的“龍卷風換流器”裝置，也可達到同樣的發電能力。

龍卷風的漏斗狀旋渦直徑為200米時，研究發現，龍卷風內部的氣壓極低，從而形成巨大的旋轉風速。當龍卷風的漏斗狀旋渦直徑為200米時，其旋流功率可達3萬兆瓦，相當于10座大型水電站的總電量。據此，空氣動力學家又研制出一種塔式龍卷風模型：即將一塔型建筑的四周，全部用板條間隔成小窗，每當有風時，迎風的小窗開啟，背風的小窗關閉，風吹入塔中后，會形成“小龍卷”，塔的底部裝有螺旋，風轉動葉輪推動發電機發電。這種龍卷風機，比裝有同樣大小葉輪的風車，功率要高10倍。

龍卷風把江河湖海的水吸入后，通過漏斗狀旋渦，急劇上升，送到寒冷的大氣層，水凍結后自然又會釋放能量。計算表明，如果龍卷風每秒鐘消耗60噸水，則可產生2000兆瓦的能量。根據這一原理，俄羅斯的科學家已經著手“注水龍卷風”的研究了。在人造龍卷風中加入水，不僅可以利用龍卷風進行風力發電，水凍結后釋放的熱量也可以轉化為電能。相信不久的將來，這種“綜合型龍卷風發電機”必將造福于人類。