寻找“绿巨人”

文｜史 峰 霍雨佳

作者史峰系山东省莒南县第八中学教师、本刊特约撰稿人；作者霍雨佳系安徽省铜陵市气象学会秘书长、中国微型小说学会会员、本刊特约撰稿人。

生活在电器化时代，离开了“电”，我们的生活也许会乱成一团。那么，目前世界上都有哪些绿色、低碳、环保的发电方式？科学家们又是怎样寻找“绿色电”的呢？

生活在电器化时代，离开了“电”，我们的生活也许会乱成一团——试想：没有冰箱、彩电、洗衣机，没有手机、电脑、电饭煲的日子将会多么惨淡。那么，目前世界上都有哪些绿色、低碳、环保的发电方式？科学家们又是怎样寻找“绿色电”的呢？

眼下的发电站都“有害”

无论是在国家能源结构中，还是在我们的日常生产生活中，电能都占据着“巨人”般举足轻重的地位：电灯、电话、取暖、做饭、机床、机车……我们对电能的需求，可谓是没有最多，只有更多。

那么，电能是从何而来的呢？

据记载，最早的“电”来自1875年巴黎北火车站的火电厂。时至今日，火力发电已成为一种最常见的发电方式，它主要通过烧煤来发电，所以往往会产生“滚滚烟尘”——电是有了，但空气也脏了。

这些烟尘肆无忌惮地污染着空气，让我们呼吸困难甚至生病。于是，环保主义者说：别再建火电站了，再建，空气脏透了，人都得憋死。而各国也开始纷纷关停一些火电站，希望能还大众一片澄澈的蓝天。

不建火力发电站，那就多建水力发电站吧。你看，大坝将大江大河拦腰截断，蓄水成湖，于是，水电站便建成了。可是水电站给环境造成的危害也不容小觑。原来的河道，水是自然流淌的；现在河道截断了，显然违背了“自然意志”，因而对环境也就造成了侵害——有些鱼类产卵洄游受阻，就直接灭绝了，最终导致了生态链的断裂，久而久之，便会酝酿出难以预料的生态灾难。此外，水电站还可能会影响地壳稳定，带来滑坡、泥石流、山崩、地陷等灾害。

火电站、水电站都会对环境产生影响，那就建核电站吧。日本很注重环境保护，空气舍不得污染，江河舍不得截流，环境称得上是山清水秀空气新。那么，不建火电站，不建水电站，日本为什么仍然有充足的电能供应？这是因为日本有许多“绿色环保”的核电站，满足了国民大部分的电能需求。可是，本以为核电站能带来“绿色电”，不成想一场大地震摧毁了日本的核电站，结果，“核污水”把土地和海洋都严重污染了。看样子，核电站也不安全！

太空电站，建设容易输电难

电能不可缺少，现有的几类电站又都对环境有害，怎么办？仰望天空，太阳光茫四射，似乎在微笑着说：“我这儿有源源不断的绿色电能，来取吧。”

为了“回应”太阳的呼唤，科学家发明出“光伏板”。将光伏板放在太阳光下照射，就能让太阳能变成电能。光伏发电不仅是最环保的发电方式，还催生了一个新的“朝阳产业”——光伏产业。

用光伏板发电虽然绿色环保，可目前它还不能替代火电、水电或核电——因为光伏发电需要阳光，但阳光却不会时时都有，阴云遮挡没阳光，夜晚来临没阳光，冬天阳光还会减弱。投射到地面的阳光的不稳定性，造成了光伏板发电的不稳定。

那么，有没有什么办法能摆脱云层、黑夜对光伏发电的影响呢？办法当然有，那就是把光伏板送到太空，组建太空发电站，然后太阳光就会持久稳定高效地发电了。

那还等什么，赶紧把光伏板送到太空吧——且慢，别着急！的确，目前利用光伏板组建太空发电站的技术已经相当“成熟”，比如国际空间站ISS（国际空间站是一个运行于距离地面360公里的地球轨道上的航空器，其构想最初由美国总统里根在1983年提出，但直到1993年才完成设计。）开始实施的电能，就是依靠一个小型太空发电站提供的。问题是：太空发电站产生的电能如何输送到地球？架设高压线肯定是不现实的，所以说太空电站建设容易输电难。

无线输送太空电

太空电无法用“架电线”的有线输送方法传到地球上，那是否可以用“无线输电”的方法呢？

其实，这种想法不仅你有，科学家也早就进行了尝试。于是，一种“微波无线输电”技术便诞生了。

2001年5月，一位叫皮尼奥莱的科学家在美国科罗拉多大峡谷一侧，先把电能转化微波（一种电磁波），向大峡谷的另一侧发射，另一侧有一个微波接收器，它把接收到的微波再转化成电能，结果这些电能点亮了一只灯泡。这次电能“无线输送”实验，没有用到“电线”，传输的电量虽然很少，但它让人们看到“无线输电”技术的可行性。

2015年3月8日，日本科学家利用微波无线输电技术将1.8千瓦电能从A地传送到了B地，这些电量已经大到可以实用的级别，可以用来启动电水壶、电烤箱、电饭锅等一些用电“大件”了。

此后，科学家利用微波输电的“胃口”越来越大，他们计划在未来几十年内，在距地面3.6万公里高的太空建造一座巨型光伏太空发电站。届时，这座发电站将不再受昼夜、阴晴和季节变化的影响，时时接受阳光的高效稳定“照耀”，持续发出“巨量”电能，然后把这些电能用微波传送方式输送到地球，到时我们将用上纯绿色的“太空电”。

摩擦“网”住海洋电

那么，除了太空电，我们还可以向何处寻电？

这时，科学家将目光投向了海洋。海洋能被誉为风能、太阳能等绿色能源之后的“蓝色能源”。然而，海浪发电转换率不高的问题一直困扰着科学家。

目前，海洋能的采集主要是基于电磁感应原理，利用海洋表面水波的冲击形成线圈对磁感线的切割，从而产生电能。但由于传统电磁感应机是由重的磁铁和线圈构成，放到水里后无法浮在海水表面（除非从海底建立支撑塔架，但这会加大工程的难度和造价），再加上上下翻腾的海浪的不规则运动，使得传统的电磁发电机难以收集波浪能。此外，铁质结构很容易被海水腐蚀，因此也无法长期使用。

2012年，中国科学院北京纳米能源与系统研究所所长、首席科学家王中林带领研究小组提出“摩擦纳米发电机”的概念，利用高分子材料通过摩擦起电和静电感应的耦合而实现发电。这种发电机不仅能够驱动微纳电子器件工作，还可以给便携式电子设备和家用电器供电，其质量轻、密度小，能漂浮在水面上。在此基础上，中美两国的研究人员合作发明出由摩擦发电机网络组成的海洋能发电新技术。

摩擦纳米发电机被科学家们视为“颠覆性的技术”，并且，这项技术非常适合大规模生产。实验测试表明，1平方公里的海洋能输出，有望达到1.15兆瓦，相当于点亮10万支10瓦的灯泡，如果做成2万平方公里的发电网络，发电量相当于三峡大坝的输出电量。除了大能源的供电需求，这项技术还可以面向生活，将人体的运动和周围环境风吹草动的机械能进行收集和存储，用于便携式电子器件的供电。

脑洞大开的“龙卷风发电”

风能作为一种清洁的可再生能源，在地球上的蕴量惊人。据测算，全球的风能约达2.74×109兆瓦，其中可利用的风能为2×107兆瓦，比地球上可开发利用的水能总量还要大10倍。

人们很早就学会利用风能——主要是通过风车来抽水、磨面等，而现在，人们感兴趣的是如何利用风来发电。

早在20世纪30年代，丹麦、瑞典、苏联和美国等国就开始应用航空工业的旋翼技术，成功地研制了一些小型风力发电装置。不过，当时的发电量较低，大都在5千瓦以下。之后，风能作为一种清洁的可再生能源，越来越受到世界各国的重视，因此，建成的风力发电机也越来越多。目前，世界上各大风力发电机的发电量，通常都能达到兆瓦以上。

兆瓦已经不低了，但科学家们并不满足，他们想：怎样才能利用风力发出更多的电呢？有人灵机一动，就把主意达到了龙卷风上。

龙卷风威力巨大、破坏性强，与此同时，它所释放的能量也十分惊人——一场强度中等的龙卷风在1分钟内释放的能量，如果转化为电能，可以供全中国使用50年以上。只可惜，龙卷风属于一种“可遇不可求，遇见也要躲”的“庞然大物”，目前也不可能对其出现时间、地点和行踪进行准确的预报，所以，利用自然的龙卷风进行发电并不现实。

那么，能不能模仿龙卷风的结构和原理，制造风力发电设施呢？回答是肯定的。

早在20年前，前苏联原子能研究所的冈察契拉杰博士就开发出“龙卷风换流器”，可谓人类最早的仿龙卷风的发电装置。该装置由上下两个钵壳组成，外形呈“X”状，中间是通风口，里面结构比较复杂，但目的就是造成一股与龙卷风类似的强劲涡流，通过叶轮的有效传递，最终将能量输送给发电机。当时，一部最先进的100米直径螺旋桨式传统风力发电机，功率是3000千瓦，而通过高28米、叶轮直径2米的“龙卷风换流器”装置，也可达到同样的发电能力。

龙卷风的漏斗状旋涡直径为200米时，研究发现，龙卷风内部的气压极低，从而形成巨大的旋转风速。当龙卷风的漏斗状旋涡直径为200米时，其旋流功率可达3万兆瓦，相当于10座大型水电站的总电量。据此，空气动力学家又研制出一种塔式龙卷风模型：即将一塔型建筑的四周，全部用板条间隔成小窗，每当有风时，迎风的小窗开启，背风的小窗关闭，风吹入塔中后，会形成“小龙卷”，塔的底部装有螺旋，风转动叶轮推动发电机发电。这种龙卷风机，比装有同样大小叶轮的风车，功率要高10倍。

龙卷风把江河湖海的水吸入后，通过漏斗状旋涡，急剧上升，送到寒冷的大气层，水冻结后自然又会释放能量。计算表明，如果龙卷风每秒钟消耗60吨水，则可产生2000兆瓦的能量。根据这一原理，俄罗斯的科学家已经着手“注水龙卷风”的研究了。在人造龙卷风中加入水，不仅可以利用龙卷风进行风力发电，水冻结后释放的热量也可以转化为电能。相信不久的将来，这种“综合型龙卷风发电机”必将造福于人类。