比風能太陽能還好用,可再生能源的未來——抽水蓄能

2021年10月13日23:44:03 科學 1241

自進入21世紀以來,隨着全球氣候變暖,我們一直在探索未來的電網儲能技術,這是人類在應對氣候變化的鬥爭中需要開發的重要技術。目前,太陽能和風能技術已經成熟,能夠以化石燃料發電成本的一部分為全人類提供足夠的能源。 2017年,可再生能源行業在全球範圍內獲得了總計1280億美元的補貼,與化石燃料行業獲得的總計4470億美元的補貼相比實在是相形見絀。

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今天,阻礙可再生能源發展的主要因素是“儲能問題”。鋰離子電池和其他新型電池技術正迅速成為我們儲能需求首當其衝的先行者。然而,在我們尋找最佳的儲能方法時,我們“遺忘”了最古老和最主要的儲能形式——抽水蓄能,這是我們現代電網中仍在使用的最古老的技術之一,通過將水泵入高架水庫,將電能轉化為勢能,然後在需要電力時將水釋放以驅動渦輪機葉輪發電。

在這裡,以人口相對較少且有抽水蓄能電站Turlough Hill(特洛山)的愛爾蘭為例,它高681米(2234英尺),由ESB擁有和運營,安裝的四台73兆瓦的發電機在需求高峰時可產生高達 292 兆瓦的電力。

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這是電動機,從電網獲取電力以旋轉位於較低層的葉輪,將水泵上山。當我們需要發電時,這個閥門(也在較低層)打開,讓水流過葉輪,以相反的方向旋轉葉輪並驅動位於電機下方的發動機,在最大流速下,水以每秒28.3立方米的速度衝過機器。如果將四台73兆瓦的發電機,則總計每秒111.3立方米,在這個流速下,230萬立方米的上部水庫將在5個半小時多一點的時間內排干。

那這些水能產生多大能量呢?

首先,讓我們想象一個1立方米的水立方,我們可以通過增加它的高度來提高它的能量,再使用重力勢能方程來計算能量的增加,它是物體的質量乘以重力加速度乘以其高度,所以,我們將高度定義為起點和終點之間的高度差。

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我們得出1立方米水的質量是1000公斤,同時高度每增加1米,將增加9810焦耳的能量,我們將其轉換為瓦時,因為它是一個更常用的單位。9810焦耳約等於2725Wh。這不是很多,可以讓一個100瓦的燈泡運行98.1秒。

由於抽水蓄能電站無法做到100%的轉化效率。特洛山的效率約為80%,因此接近78.5秒,如果我們將高度提升到286米,那1立方米的水塊可以為燈泡供電22451秒,也就是6.2小時。

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正因看到了抽水蓄能電站的巨大潛力,近十幾年來,中國抽水蓄能電站的迅速發展,2004年底全國已建成投產的抽水蓄能電站10座,裝機容量達到570.1萬kW(其中60萬kW供香港)。

有人可能就會問了,既然這抽水蓄能電站有這麼大的潛力,那能不能多建幾座呢?

答案是,可以。但是為抽水蓄能電站尋找合適的地點極其困難,我們需要的不是一個,而是兩個能夠容納大量水的水庫,兩個水庫之間不僅水平距離需要相對較短,還要相隔至少200米的高度。

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通常,截止點由頭部高度與水平距離的比率定義,任何大於1:10的值都是不經濟的,因此,200米的水頭在水庫之間的最大水平距離為2公里。

正是在以上種種限制下,為抽水蓄能電站找到合適的地點成了一大難題,為此,專家們正在尋求解決這些問題的方法。

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而抽水蓄能作為一種古老可靠且持久的儲能方式,它正面臨來自獲得10億美元大規模投資的其它可再生能源的競爭壓力,但它長期儲存能量的能力將確保其不被淘汰繼續使用。

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