水伏发电站的规划建设及前景展望

2024-01-02颉建军

水电站设计 2023年4期

颉建军

（中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川成都 611130）

0 前言

利用发电动力装置将水能、石化燃料（煤、油、天然气）的热能、核能以及太阳能、风能、地热能、海洋能等转换为电能的生产过程称为发电。目前，中国的发电方式有水力发电、火力发电、核电、风电、太阳能发电、地热发电，其中最主要的发电方式为火力发电和水力发电。截至2022年底，中国能源结构中各种发电方式所占比例大致为：火力发电66.5%、水力发电15.3%、风力发电8.6%、光伏发电4.8%、核能发电4.7%、其他0.1%。

当前世界能源结构仍然是以石油、天然气和煤炭三大传统能源为主，以核能、风能、生物质能等清洁能源为辅，并大力开发新能源。石化能源在较长时期内仍然是人类生存和发展的能源基础，但地球上石化能源面临着枯竭危机。同时，随着大气温室效应及其导致的气候变化，出于可持续发展的考虑，世界各国都先后启动了“碳达峰、碳中和”等一系列的碳排放规划，用于控制CO2排放。未来，石化能源会被逐渐淘汰，而非石化能源、清洁能源和可再生能源将是未来能源领域的主要发展方向。

目前，在国际上新能源的开发利用引人瞩目，太阳能、风能、地热能、海洋能、生物质能等可再生能源的研发迅速展开，到本世纪中期，人类有望进入“新能源时代”。随着人类对清洁能源的需求加大，水力发电、风力发电、光伏发电已发展成为能源供给的主流，但是受到建设地域与环境条件等因素影响，目前传统的清洁能源难以满足巨大的能源消耗需求。因此，探索新的清洁能源已成为当务之急。

近年来，国际上一系列研究显示：低维碳材料与水相互作用可以将水的机械能和环境热能直接转化为电能。类比于“光伏效应”（Photovoltaic Effect），这类通过材料与水作用直接将水吸纳的能量转化为电能的现象被称为“水伏效应”（Hydrovoltaic Effect）［1］。水伏效应是基于材料界面与水相互作用而生电的多物理场耦合效应，利用该效应可以从雨滴、波浪、水蒸发和大气湿气等地球水循环过程中捕获能量产生电能，为开发清洁能源提供了一种新的途径。

水在地球表面有丰富的储量，而且是极易流动和蒸发的液体，水存储的巨大能量通过流动和蒸发等形式进行释放。“水伏发电”（Hydrovoltaic Power Generation）就是基于“水伏效应”理论提出的新的发电方式。利用水伏发电装置，可以将水能直接转化为电能。这一发电机理适应性极宽，不受地域条件限制，只要有太阳光和水即可实现直接发电。

“水伏发电”是一种纳米结构的发电，水的各种流动、蒸发会直接产生电能，利用这一机理可以制备各类大型、小型、柔性的“水伏发电”装置，即“水伏发电机”，利用“水伏效应”原理可以建设大型的水伏发电场，即水伏发电站。当前，世界范围内对于水能的开发主要集中于水力发电领域，而对于蕴藏在降雨、水流动、水蒸发和水汽循环中的水能则缺乏必要的捕获手段，水伏效应为这类水能的捕获提供了理论和技术支持。与光伏发电相比，由于水蒸发和大气中水汽循环的自发性、连续性以及受地理环境约束小等特性，水伏发电能够长时间、持续性地产电，水伏发电在理论上具有比光伏发电更大的发展空间。

1 水伏发电的形式及研究现状

1.1 水伏效应简述

人们早在十九世纪就发现了水在压力差作用下通过狭小的腔道或缝隙流动会产生流动电势（Streaming Potential）等动电效应（Electrokinetic Effect）现象。动电效应的科学原理是基于热力学和静电学的结合，通过流-固耦合剪切固-液界面处的双电层而产生电信号。近年来，一个里程碑式的重要发现是：以碳纳米管和石墨烯为代表的低维碳材料在与水相互作用时，表现出一系列新的产电效应（如波动产电、射流产电、液滴产电、蒸发产电、湿度产电等），类比于光伏、压电等能量转换效应，这类通过纳米结构材料与水的流动、波动、滴落和蒸发的相互作用而直接将水能转化为电能的能量转换效应被称为“水伏效应”。简而言之，“水伏效应”就是通过材料与水作用直接转化水能为电能。水伏效应为从自然水循环过程中捕获电能提供了新的技术途径，提升了水能利用的上限。

水伏效应开拓了固-液界面多场耦合研究新领域，为发展水伏能源技术创造了条件，也催生了“水伏学”（Hydrovoltaics）［1］。水伏学是“一系列从水中捕获电能的新方式”，水伏技术已经从诞生步入发展轨道。目前，受转化材料的限制，“水伏发电”器件只能是低功率密度的小型发电机。但随着新材料技术的发展，如石墨烯的应用，碳纳米材料可以在水能中捕获高达伏级的电能，使流-固-电耦合性能提升，蕴含巨大潜力。经过近十年的发展，水伏发电器件的材料已经从最初的碳纳米管、石墨烯拓展到众多的材料体系中，最新研究中采用较多的材料有：碳材料、聚合物材料和无机半导体材料。

1.2 水伏发电机理

目前用以解释水伏效应机理的有经典动电理论（双电层、流动电势）、双电层边界运动理论（拖曳势、波动势）、经典电磁学（水表界面接触、摩擦生电）以及水汽吸附理论等，而流动电势理论和纳米碳材料的水汽吸附理论则是两种较为普遍的水伏效应产电机理［2］。

1.2.1 双电层模型

双电层模型是水伏效应的理论基础，其基本原理为：当带有电荷的固体表面与液体发生接触时，在液体与固体界面处会由于固体表面电荷或化学势的作用，液体中的某种带电荷组分会被选择性吸附在固体表面形成紧密吸附层，溶液中与被吸附离子电荷相反的离子会因受到库仑力的作用也被吸引到固-液界面附近，因此在界面处形成了由两层异种电荷离子富集的区域，该区域即被称为“双电层”（EDL）。在外力作用下，离子溶液通过表面带电的固体微通道，由于通道具有离子选择性，使正负离子分别在通道出入口发生富集，因此在流动方向上产生电势差。双电层模型和水伏效应产电过程示意见图1～2。

图1 双电层模型

图2 水伏效应产电机理

1.2.2 微/纳通道中的流动电势理论

将介质中的微孔隙通道看作为水流动的通路，水蒸发过程中产生的水汽运动被看作水的定向流动，可以简单地认为，水汽流动经过大量的表面带负电的微通道，致使流动电势的产生，水的不断蒸发引起微通道中持续的水流动，最终保证了电能的持续输出，其原理和产电机理示意见图3～4。

图3 流动电势原理

图4 微孔道中流动电势产电机理

1.2.3 纳米碳材料的水汽吸附理论

氧化石墨烯（GO）等功能材料的湿气吸附产生电流源于湿气中质子的定向移动形成内建电势诱导材料中载流子的移动。借助直流电将氧化石墨烯进行不完全还原，制备出含氧官能团梯度分布的还原氧化石墨烯（rGO），当镀有金属电极的还原氧化石墨烯器件（g-GOF）置于高湿度条件下，由于亲水性含氧官能团的存在，湿气中的水分子将会被吸附到氧化石墨烯薄膜（GOF）表面。在水环境中，羧基、羟基等含氧官能团会发生解离并释放出氢质子，由于材料本身含氧官能团的梯度分布致使吸附水汽后的氧化石墨烯器件（g-GOF）中的氢质子形成定向移动而产生电势差，在这种内建电势的作用下，功能材料中的电子定向移动输出电能。纳米碳材料吸附环境中湿气产电机理示意见图5。

图5 纳米碳材料吸附湿气产电机理

1.3 水伏发电的形式

目前，水伏发电常见的主要技术途径有3种，即：水滴/水流发电、水蒸发发电和空气中湿气发电。

1.3.1 水滴/水流发电

该发电方式是将水滴/水流注入电荷纳米材料，利用液体在纳米材料表面的流动产生电流。其所采用的发电原理是“双电层边界运动理论”，利用水滴/水流和与带电荷纳米材料表面形成的拖曳势、流动势、波动势，可以研制水滴/水流式水伏发电机或水伏发电单元。其中水流式水伏发电和波动式水伏发电可以适用于建设大规模集成式水伏发电站。目前，在实验室采用水滴发电产生的都是脉冲电信号，持续功率依然很低。

1.3.2 水蒸发发电

该发电方式是水蒸发产生的水汽机械式通过纳米材料或其他孔隙结构材料的微/纳孔道，通过水蒸发诱导产生电流。所采用的发电原理是“微/纳通道中的流动电势理论”，利用该发电原理可以制成蒸发式水伏发电机。水蒸发诱导发电能够在大面积大规模集成发电方面得到更广泛的应用。目前，在实验室利用设计的水蒸发发电装置可以实现持续产电，但缺点是产电效率很低，还达不到工业化应用的程度。

1.3.3 湿气发电

湿气发电（Hygroelectric Technalogy）是利用水蒸发后在空气中形成的水汽作为能量源，利用纳米碳材料或生物材料作为吸湿材料将空气中水汽分子蕴含的能量直接转化为电能。其所采用的发电原理是“水汽吸附理论”，利用该原理可以研制成湿气式水伏发电机。目前，湿气发电是水伏技术中发展最快、潜力最大的一种水能捕获技术，当前以生物材料为吸湿材料制备的湿气发电装置能够持续输出功率，克服了碳基、重金属、电解质等材料昂贵、器件构筑复杂、持续电能输出时间短（通常t≤50 s）等限制因素。现有研究表明，当空气湿度达到45%即可实现湿气发电。受益于地球大气环境中无穷无尽、零污染的水汽资源，可持续的湿气发电技术从理论上来讲几乎可以在所有环境中发电。湿气式水伏发电能够适用于大面积大规模集成发电，但目前的可持续湿气发电技术还存在输出功率密度低、能量转换效率差、发电器件制备过程复杂等问题。

将多个水伏发电装置或水伏发电单元串联或并联起来组成集成式的水伏发电机，就可以持续驱动多种商用器件，从而实现工业化应用。

1.4 水伏发电的研究现状

水伏效应的理论与技术研究目前还处于发展初期，主要限于不同材料器件形式的尝试和各种现象的揭示，需要向深度和广度发展，以便显著提高持续发电功率和效率。在理论研究上看，水伏效应中固-液-气界面上的力-电-热耦合机理研究极具挑战，是制约水伏效应能量转化效率提升的瓶颈。在发电器件研究方面，目前的水伏发电器件研究多聚焦于通过纳米结构设计或表面功能化处理来提升产电性能，而环境中缓慢的水分子蒸发速度（驱动力小）是限制水伏器件产电效率的瓶颈。迄今为止，研究人员挖掘并设计了诸多的材料结构以研究水伏效应，以期将水体中储存的巨大能量直接转化为电能。但总体来说，功率密度低和转化效率低仍是制约水伏效应工业化应用的主要问题。现有报道的水伏发电器件，电流密度仅仅在数十微安级，输出功率一般介于亚微瓦到毫瓦量级，功率密度一般小于10 W/m2，远远不能与现有的电力设备相提并论。如能突破发电功率这一瓶颈，水伏能量捕获将会进入工业化生产阶段，水伏发电站的建设将成为可能。

近年来，南京航空航天大学科研团队［1，3］在石墨烯等二维材料理论和实验研究的基础上，对石墨烯等二维覆层体系的流-固-电耦合开展了系统研究，发现液滴在涂覆单层石墨烯的固体表面运动会产生与液滴运动速度成正比的拖曳液滴发电的“曳势”、液面沿涂覆石墨烯的固体表面上下波动产生与波动速度成正比的波动发电的“波动势”两种新的动电效应；并总结出双电层边界运动发电的新的动电效应理论；实现了基于“曳势”的书画传感、云雾雨滴能量收集等新技术，并与华中科技大学合作发现廉价的碳黑等纳米结构材料，可通过大气环境下无所不在的水的自然蒸发持续产生伏级的电能。蒸发发电带来的最大优势是其不需要任何机械输入。在环境蒸发条件下，一厘米大小的炭黑片可稳定输出伏级电压，数平方厘米的薄膜产生的电能已经能够直接驱动液晶显示器。复旦大学研究团队还发现：利用碳纳米管纤维可在血流中产生准伏级电信号；进一步将此类水伏器件与柔性电路、生物传感器等结合，有可能构造出全新的、自驱动的植入式生理监测装置。水伏效应器件与光电等微纳传感器件结合还可以构成自供能、自驱动传感系统等。现有的电子器件大多在固体结构或固体-固体界面工作，水伏系统在原理上工作于固-液或固-液-气界面，是对传统电子器件工作模式的发展，具有独特的发展空间。

相信在不久的将来，随着水伏发电技术研究不断深入和技术成型，利用微纳高性能材料在水中捕获能量将成为常态，水伏发电机的设计与制造技术也将日臻完善，等到水伏发电站的建设条件成熟后，水伏发电将会进入商用阶段。

2 水伏发电站的建设构想

2.1 建设的可行性分析

（1）必要性。水伏发电可以充分利用地球上水体蕴含的巨大能量，使水能的利用达到最大化，并与自然条件有机融合，是一种对环境友好的绿色清洁能源。水伏发电是新型的能源捕获技术，随着石化能源的逐步淘汰，在未来能源结构中水伏发电必将占有重要地位，因此建设水伏发电站是未来能源发展的必然需求。

（2）可行性。水伏发电在理论上已被证明可行，并在实验室已经实现了产电。未来一旦在水伏发电装置成套技术方面取得突破，水伏技术即可实现规模化发电。水伏发电站的建设与风力发电站、光伏发电站的建设具有类似性，所不同的只是产电方式和发电阵列布置、发电装置结构形式，而汇流箱、逆变器、箱变、集电线路以及升压变电设施的设计布置均是相通的，鉴于我国在风电、光伏建设方面具有十分成熟的技术，其经验在水伏发电站的设计、建造中均可以借鉴运用。因此，水伏发电站的建设在理论上、技术上是完全合理可行的。

（3）经济性。与风电机组、太阳能光伏电池相比，水伏发电装置具有重量轻、安装省力、便于施工且成本较低等优势。如果未来一旦实现水伏发电装置的工厂化量产，水伏发电机的制造成本将会大大低于风机和光伏电池板的成本。此外，水伏发电是持续性发电，不像风电、光伏发电具有间歇性和时段性。因此，建设同等发电装机容量的水伏发电站比风力发电站、光伏发电站更加经济，效益更好。

2.2 水伏发电站的技术构想

2.2.1 电站选址应考虑的因素

水伏发电站的建设选址应考虑的主要因素有：降雨、径流及水汽条件（陆地），海面浪涌条件（海洋），水面蒸发条件（水库或湖泊）；周围环境条件；生态环境条件；电能接入消纳条件；政府规划和水伏电站建设条件等。

2.2.2 电站的组成系统

水伏发电站与风力发电站、光伏发电站类似，图6描述了水伏发电站的组成系统。从图6可以看出，水伏发电有望形成全链条式水伏能源系统，在地球水循环的各个环节均可采集水能进行发电。

图6 水伏发电站的组成系统

2.2.3 电站的主要构筑物及设施设备

（1）水伏发电场：用来布置水伏发电机组阵列的场地或场址，可以选用水面/海面、陆地或河流。

（2）水伏发电机组阵列：由n个水伏发电装置或水伏发电机集合在一起并按照一定的布置方式构成的发电方阵，每一个水伏发电场根据设计的发电规模由n个水伏发电机组阵列组成。水伏发电机组阵列的主要构筑物包括机组或组串的支撑架基础，主要设施设备包括机组和组串以及相应的支撑架、安装固定件。

（3）汇流设施：包括电流引线及汇流箱。电流引线用于将每个水伏发电机发出的直流电接引至汇流箱。汇流箱用于汇集每个发电组串产生的电流。

（4）逆变器：用于将每个水伏发电机组阵列发出的直流电转换成交流电。

（5）箱式变压器：用于将逆变器转换后的交流电进行升压，其土建构筑物包括箱式变压器基础。

（6）集电线路：用于将箱式变压器升压后的电流输送至升压站，集电线路通常有架空线路和地埋电缆两种布置形式。

（7）升压站：用于布置各类升压变电及配电装置。其主要设施包括：各类设备设施基础、房屋建筑（生产及生活用房）、电缆沟及电缆桥架、挂线架、出线塔、停车场、围墙/围栏、大门等。

（8）场内交通：用于检修或维护水伏发电场各类设施设备。在水面上可采用船只、浮桥或栈桥，在陆地上可采用场内交通道路。

3 水伏发电站的发展前景

（1）自然资源丰富，开发前景广阔。地球表面约71%的面积都被天然水体覆盖，水体吸收了太阳辐射到达地表能量的35%，是能源含量最丰富的资源之一。无论地理位置或环境条件如何改变，地球上的天然水体都可以通过吸收热能而自发地产生流动和蒸发。地球上水动态吸纳释放能量的年平均功率高达60万亿kW，比全球人类的年平均能量消耗功率（2016年约180亿kW）高3个数量级，其中水蒸发的年平均功率达40万亿kW。

与对外部条件和环境有较大依赖性的光伏发电技术相比，水伏发电技术几乎完全借助水的自然过程。以水伏蒸发发电为例，自然界水的蒸发无处不在，不受天气、昼夜、空间的影响，而且可以结合风能、热能和太阳能提高蒸发发电量，使得蒸发能利用在理论上具有比光伏发电更大的发展空间。

（2）开发形式多种多样。水能不同于太阳能和风能，在水循环过程中可演化为蒸发能、雨滴能、流动能、落水能、波动能等多种形式。因此，可以根据不同地域的自然环境条件开发各种水能形式的水伏发电站。在广阔的浪涌海域可以利用“波动势”水伏发电装置，建成海上浮筏式水伏发电站；在江河湖海等水蒸发旺盛地区可以安装膜状或网状的水伏发电装置形成蒸发式水伏发电站；当水蒸气经过大气输送形成降雨时，可以利用“拖曳势”水伏发电装置直接收集雨滴能量，在降雨量丰沛的地区就可建成水滴式水伏发电站；大气降雨在地面汇集过程中，可以利用“流动势”水伏发电装置收集流水的能量，建成水流式水伏发电站；也可以在不具备修建水电站的河流/河段上，利用河水的“流动势”，建设水流式水伏发电站，以进一步提高河流水能的利用。当水伏发电材料采用无机半导体材料时，也可以尝试制造成“光伏+水伏”耦合式的集成发电装置，这样就可以建成晴天用光伏发电、雨天用水伏发电的全天候“光伏+水伏”耦合发电站。

（3）能够稳定地输出电能。水伏发电站完全依靠地球表面水体的自然循环过程发电，无论白天黑夜、春夏秋冬，地球上的水汽循环都在日复一日、年复一年的持续进行中，永远不会停歇。因此，水伏发电站可以实现连续稳定地输出电能。与水电站相比，水电站的发电效率要受到河流丰水期/年、枯水期/年以及水库蓄水量、河水来流量变化的影响，电能的输出存在峰/谷变化。与光伏电站相比，光伏电站的发电要受到白天、黑夜以及当地气象变化的影响，且只能在白天有阳光照射时实现发电，夜间和阴雨天无法发电，因而电能的输出是间歇性的。

（4）可以与水电站、光伏电站相结合，形成“水电+光伏+水伏”集群化水光互补一体化发电体系。我国在大江大河上已经建成了多个水电基地，可以利用已建成水电站水库形成的广阔水面，建设水面光伏和水伏电站，形成“水电+光伏+水伏”集群化、互补型的绿色清洁能源基地，对进一步提升电能输出质量具有重要的意义。