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修大坝如何不破坏生态?比尔·盖茨投资的能源公司做到了,新型钝边涡轮机可保障鱼类安全

作者: 学术头条

时间: 2020-08-02 20:32

让鱼畅通无阻

世界上最值得利用的可再生能源并非风或阳光,而是水。去年,全球水电容量已达到创纪录的 1308 吉瓦(仅 1 吉瓦就相当于 130 万匹赛马或 2000 辆超速跑车 Corvettes 所产生的电力)。全世界的公用事业都依赖水力发电,因为它既便宜、易于存储和调度,又不会产生燃料燃烧,即不会像燃烧化石燃料(例如煤或天然气)的发电厂那样释放二氧化碳或污染物。

但与其他能源一样,水力发电并非没有环境成本。除了筑坝和分流巨大水道对生态系统造成的深远影响以外,水力发电还会对当地水生生物及其生态系统造成严重破坏。世界上大多数流域(其中一些已使用水电运行一个多世纪)都已高度退化,水道受到污染,且技术过时。

此外,传统水库通常为停滞的水体,因而它们经常是有害藻华(Algal bloom)或水华(HAB)生长的场所,对人类、鱼类、贝类,海洋哺乳动物和鸟类都有毒性。

除了改变河道,大型水坝也是鱼类的死亡地带。快速旋转的涡轮叶片不仅会阻碍鱼类的迁徙,甚至还会直接割断路线。如果它们越过叶片,水压的突然变化将会杀死鱼,穿过涡轮机的剪切力同样也会杀死鱼类。

从河流中获取清洁可再生能源

总部位于美国加利福尼亚州的纳特尔能源公司(Natel Energy))从微软创始人比尔·盖茨创办的突破能源投资公司(Breakthrough Energy Ventures) 获得 1100 万美元投资,开发了一种新的钝边涡轮机将水作为可再生能源使用,既可以提高鱼类生存率,又能创建具有气候适应力的水力发电站,以应对各种不可预测的降雨。

纳特尔首席技术官兼机械工程师阿贝·施耐德(Abe Schneider)称,主要挑战是如何利用水电作为可再生能源的主要属性。即可靠性与可调度性,同时减少对环境的影响和成本。当与有多少水将流向且何时流向的信息相结合时,鱼类可以安全越过的紧凑高性能涡轮机可以做到这一点,且整个解决方案将共同创建一个现代水力发电系统。

传统的水力发电厂通过利用坝中溜槽从高处流向低处的水力和压力来工作。斜槽底部附近有一个涡轮,水使涡轮旋转,产生可传输到企业和家庭的电力。但这也是鲑鱼或鳗鱼等鱼类的主要通道,它们可能会被捕捞到涡轮薄而锋利的刀片之中。

与此相比,纳塔尔能源公司设计的涡轮机叶片数量少,钝且倾斜的前缘可以使鱼偏离页片,降低鱼类直接撞击的可能性。倾斜的机器头部降低了打击造成压力的严重性,同时提高转轮转速,并降低发电机成本。精心设计的转轮效率与传统螺旋桨叶片相同。变速和可变闸门可实现双重调节的效率曲线。尽管转轮直径为 1 米至 3 米,但其设计能使长度小于 200 毫米的鱼类(例如鲑鱼)通过的存活率超过 99%。

涡轮机的风车配置(不是将辐条直接从涡轮的轮毂中发出)意味着其叶片会发出扫视般的打击,而非像刀一样直接打击。“从工程角度来看,厚叶片会形成一个压力区,有助于将物料从其路径中排出,就像鱼的安全气囊一样,因此对鱼类的影响很小,”阿贝补充道。这种设计还消除了“垃圾架”(捕获涡轮机入口处碎屑的精细筛网)的需求,这通常用于防止小鱼进入机器而安装。

清洁能源愿景

阿贝·施耐德与其妹妹吉娅·施耐德(Gia Schneider)共同创立了纳特尔能源公司,吉娅·施耐德是公司首席执行官兼工程师。他们共同认识到,传统的水力发电方式已不适合现代条件,因为降雨和天气模式正在发生变化。随着干旱与洪水泛滥威胁着世界各地,气候变化引发异常天气模式,纳特尔公司重新构想的水力发电形式可以使流域更具适应性。

吉娅解释道,气候变化就是水的变化。迫切需要利用鱼类安全涡轮机、机器学习和卫星图像,重新建立具有土木和环境工程技术的水电设施。随着极端气候和不可预测降雨的逐年变化,只会令创新解决方案变得更加紧迫。如果可持续发展的水力发电可以作为绿色燃料来源,将带来许多附加好处,包括防洪、灌溉、缓解干旱,以及供水。

纳特尔能源公司已经与马萨诸塞州奥尔登研究实验室达成合作,将涡轮机与卫星技术相结合,使水力发电厂的运营商可以监测流域状况的变化例如春天的“绿色”(当雪融化植物开始生长时),并且可以更准确地预测水域流量。随着地面条件的变化,使用机器学习来创建周围景观的实时模型,实现更准确的水位预测。

纳特尔的愿景称作 Restoration Hydro,主要为从传统大型水坝转向基于仿生的分散方法在人类干预及修建渡槽和运河之前,大多数北美河流常常被木屑和海狸水坝堵塞。模仿海狸结构的小瀑布导致水流慢下来,形成小池塘和湿地;这样可以使水有足够的时间渗入地下,从而提高地下水位。更高地下水位意味着更多地下水储存,有助于流域度过长期干旱。

这类分布式系统设计可用于恢复鱼类和其他野生动植物与河流的连通性,增强供水卫生和农业生产力,并支持当地社区的生计与社会经济发展,已成为发展中国家的优化选择。此外,水力发电厂可以立即为电网供电,因而它们在重大电力中断或中断期间可提供必要的备用电源(尤其在疫情期间)。

尽管仍处于初期阶段,纳塔尔能源公司的涡轮机已开始投入运转:该公司于2019年在美国开设了第一座水力发电厂,目前第二座水力发电厂正在建设之中,计划今年晚些时候投入使用。随着世界各地的公司希望向低碳或零碳电网过渡,设计更佳的涡轮机能帮助实现高可靠性与蓄电能力,增强气候适应能力,同时保持鱼类畅快游向河流上游。

参考资料:

https://www.bbc.com/future/article/20200713-the-most-powerful-renewable-energy

http://www.china-nengyuan.com/tech/153982.html

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